(57)【要約】【課題】燃料電池の発電熱の回収効率を向上する。【解決手段】本システム１を、燃料ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力する燃料電池５と、燃料電池５の発電電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータ８と、貯湯槽に貯えられた湯水を循環させる湯水循環経路１１と、燃料電池５に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路１５と、インバータ８、および燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの相互間で第１冷却媒体を介して熱交換するように、第１冷却媒体を循環させる第１循環経路２１と、燃料電池５、湯水循環経路１１の湯水および燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの相互間で第２冷却媒体を介して熱交換するように、第２冷却媒体を循環させる第２循環経路３１と、インバータ８で検出した温度に基づき、第１冷却媒体および第２冷却媒体の両循環量を調整する制御装置４１と、で構成する。【選択図】図１
2008218166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極及び酸素極に供給される燃料ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力する燃料電池と、
燃料電池の発電電力を所定周波数の交流電力に変換する電力変換手段と、
貯湯槽に貯えられた湯水を循環させる湯水循環経路と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
電力変換手段、および燃料ガス供給経路の燃料ガスの相互間で第１冷却媒体を介して熱交換するように、所定の循環量で第１冷却媒体を循環させる第１循環経路と、
燃料電池、湯水循環経路の湯水、および燃料ガス供給経路の燃料ガスの相互間で第２冷却媒体を介して熱交換するように、所定の循環量で第２冷却媒体を循環させる第２循環経路と、
燃料電池および電力変換手段で検出した両温度のうち少なくとも一方に基づき、第１冷却媒体および第２冷却媒体のそれぞれの所定の循環量を調整する制御手段と、
を備えてなる、
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料ガス供給経路の燃料ガスと第１循環経路の第１冷却媒体とを熱交換する燃料ガス電力変換手段熱交換器と、
燃料ガス供給経路の燃料ガスと第２循環経路の第２冷却媒体とを熱交換する燃料ガス燃料電池熱交換器と、を備え、
燃料ガス供給経路において、燃料ガス電力変換手段熱交換器を燃料ガス燃料電池熱交換器よりも上流側に設けてなる、
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素極及び酸素極に供給される水素ガス及び酸素ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力する燃料電池発電システムに関し、特に燃料電池の発電に伴い発生する熱の回収技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池と電力変換手段とを備えてなる燃料電池発電システムでは、燃料電池を所定の運転温度に調整するように、発電に伴い発生する熱を回収する技術として、特許文献１、２等のものが案出されている。
【０００３】
特許文献１には、熱と電力とを発生する熱電併給装置と、熱電併給装置の発生熱を回収する第１熱回収装置と、温水を貯めるための貯湯タンクと、熱電併給装置の発生電力を商用系統に系統連系するインバータと、インバータで発生した熱を回収する第２熱回収装置からなるシステムが記載されている。この技術では、熱電併給装置の発生熱を回収した熱とインバータからの発生熱を回収した貯湯タンクからの循環水が第１熱回収装置の熱交換器、第２熱回収装置の熱交換器を介して回収されている。また回収熱は貯湯タンクに温水として貯えられる。
【０００４】
特許文献２には、燃料電池の冷却設備として、貯湯槽、熱交換器、配管およびポンプからなるものが記載されている。この技術は、燃料電池を冷却して昇温された冷媒を熱交換器に導き、貯湯槽の温水と熱交換された後の冷媒をインバータを経て燃料電池へ導くように構成されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−０１６３６３号公報
【特許文献２】特開２００２−０７５４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の技術は、貯湯槽の循環水の温度がそれぞれ熱交換器に流れ込む温水の温度より低ければ循環水への熱交換は行われず、燃料電池の熱回収ができなくなる点で問題があった。
また特許文献２の技術は、インバータから出た温水の温度が燃料電池よりも高ければ燃料電池の熱回収は行われない。よって温度のバランスが崩れると、熱の回収が行われず、インバータ・燃料電池の温度を安定させることができず、発電動作が不安定となり、熱回収効率が低下する可能性が高い点で問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では上記課題を鑑み、燃料電池とインバータとの温度バランスに基づき、燃料電池の熱を回収するとともに、その熱の回収効率を向上できる燃料電池発電システムの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る燃料電池発電システムは、水素極及び酸素極に供給される燃料ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力する燃料電池と、燃料電池の発電電力を所定周波数の交流電力に変換する電力変換手段と、貯湯槽に貯えられた湯水を循環させる湯水循環経路と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、電力変換手段、および燃料ガス供給経路の燃料ガスの相互間で第１冷却媒体を介して熱交換するように、所定の循環量で第１冷却媒体を循環させる第１循環経路と、燃料電池、湯水循環経路の湯水、および燃料ガス供給経路の燃料ガスの相互間で第２冷却媒体を介して熱交換するように、所定の循環量で第２冷却媒体を循環させる第２循環経路と、燃料電池および電力変換手段で検出した両温度のうち少なくとも一方に基づき、第１冷却媒体および第２冷却媒体のそれぞれの所定の循環量を調整する制御手段と、を備えてなるように構成される。
【０００９】
請求項２の発明に係る燃料電池発電システムは、燃料ガス供給経路の燃料ガスと第１循環経路の第１冷却媒体とを熱交換する燃料ガスインバータ熱交換器と、燃料ガス供給経路の燃料ガスと第２循環経路の第２冷却媒体とを熱交換する燃料ガス燃料電池熱交換器と、を備え、燃料ガス供給経路において、燃料ガスインバータ熱交換器を燃料ガス燃料電池熱交換器よりも上流側に設けてなるように構成される。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、燃料電池とインバータとの温度バランスに基づき、燃料電池の熱を回収するとともに、その熱の回収効率を向上できる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、燃料ガス供給経路の燃料ガスが燃料ガス燃料電池熱交換器を通過する前に、燃料ガスインバータ熱交換器で燃料ガスを所定温度まで昇温可能となる。その場合には、第２循環経路において燃料電池の排熱損失を減少させ、燃料電池の発電熱を湯水循環経路の湯水に熱交換して回収できる熱量を増大でき、発電熱の回収効率を向上可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池発電システム１を示す構成図である。
【００１３】
本システム１は、水素極及び酸素極（両極とも図示略）に供給される水素ガス及び酸素ガスからなる燃料ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力する燃料電池５と、燃料電池５の発電電力を所定周波数の交流電力に変換する電力変換手段としてのインバータ８と、例えば給湯システム等の貯湯槽（図示略）に貯えられた湯水を循環させる湯水循環経路１１と、燃料電池５に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路１５と、インバータ８、および燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの相互間で第１冷却媒体を介して熱交換するように、所定の循環量で第１冷却媒体を循環させる第１循環経路２１と、燃料電池５、湯水循環経路１１の湯水および燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの相互間で第２冷却媒体を介して熱交換するように、所定の循環量で第２冷却媒体を循環させる第２循環経路３１と、を備えて構成されている。
【００１４】
インバータ８は、燃料電池５の発電電力を、例えば商用電源と同一の周波数及び電圧、所定電流からなる交流電力に変換するように構成されている。インバータ８には、電力変換の際に構成素子で生ずる変換損失熱を放出する放熱フィン９が設けられている。放熱フィン９には、第１循環経路２１の第１水槽２２に貯えられた水である第１冷却媒体の熱とインバータ８の主に変換損失熱とを熱交換し、インバータ８の内部温度が所定値になるように調整する第１および第２熱交換器２３ａ，２３ｂが設けられている。第１および第２熱交換器２３ａ，２３ｂは、インバータ８内の特に発熱し易い構成素子付近の２箇所に近接させて設けられている。
【００１５】
第１循環経路２１は、第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂの前段で２分岐され、第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂを通過する第１循環媒体の流量を個々に調整する第１および第２制御弁２７ａ，２７ｂを介して接続されている。また第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂの後段で合流するように接続されている。また第１循環経路２１には、燃料ガス供給経路１５の燃料ガスと第１冷却媒体とを熱交換し、燃料ガスの内部温度を調整するための燃料ガスインバータ熱交換器である第３熱交換器２４が設けられている。
【００１６】
第１循環経路２１は、第１水槽２２→第１ポンプ２５→第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂ（インバータ８）→第３熱交換器２４→第１水槽２２、の順で第１循環媒体が通過する閉ループを形成するように、これらを環状に直列接続して構成されている。第１ポンプ２５は、環状経路を第１冷却媒体が所定の循環量で循環するように吐出制御可能に構成されている。また第１および第２熱交換器２３ａ，２３ｂには、それぞれの内部温度を検出する第１および第２温度センサ２６ａ，２６ｂが設けられている。
【００１７】
燃料電池５には、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路１５が接続されている。燃料ガス供給経路１５と燃料電池５との間には、燃料電池５に供給される燃料ガスに所定量の水分を加えるための加湿モジュール６が加湿タンク７と共に設けられている。さらに燃料電池５には、第２循環経路３１の第２水槽３２に貯えられた水である第２冷却媒体の熱と燃料電池５の主に発電熱とを熱交換し、燃料電池５の内部温度が所定値になるように調整するための燃料電池熱交換器３３が設けられている。
【００１８】
加湿タンク７には、燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの熱と第２冷却媒体の熱とを熱交換し、燃料ガスの温度を所定値に調整するための燃料ガス燃料電池熱交換器である加湿熱交換器３４が設けられている。また第２循環経路３１には、第２冷却媒体の熱と湯水循環経路１１の湯水の熱とを熱交換し、第２冷却媒体の余剰熱を回収または不足熱を供給する第４熱交換器３５が接続されている。
【００１９】
第２循環経路３１は、第２水槽３２→第２ポンプ３６→燃料電池熱交換器３３（燃料電池５）→加湿熱交換器３４（加湿タンク７）→第４熱交換器３５→第２水槽３２、の順で第２循環媒体が通過する閉ループを形成するように、これらを環状に直列接続して構成されている。第２ポンプ３６は、環状経路を第２冷却媒体が所定の循環量で循環するように吐出制御可能に構成されている。また燃料電池熱交換器３３には、内部温度を検出する第３温度センサ３７が設けられている。
【００２０】
ここで、燃料電池５は、予め規定された発電作動温度Ｔａ（例えば６０℃＜Ｔａ＜９０℃）で所定の電力を発電作動するものとする。インバータ８は、予め規定された動作保証温度Ｔｂ以下（例えばＴｂ＜２００℃）で電力変換作動するものとする。またインバータ８では、内部温度が予め規定した回収設定温度Ｔｃ以上になった場合に、第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂによって変換損失熱の回収が可能になるものとする。またインバータ８は、内部温度が回収設定温度Ｔｃ以上かつ動作保証温度Ｔｂ以下の場合に、定常的に電力変換するものとする。また湯水循環経路１１では、貯湯槽に貯えられ所定温度に加温された湯水が常時循環するものとする。また燃料ガス供給経路１５において、第３熱交換器２４は、加湿熱交換器３４よりも上流側に設けられている。
【００２１】
制御手段である制御装置４１は、第１および第２温度センサ２６ａ，２６ｂによって検出した燃料電池５及びインバータ８それぞれの内部温度である検出温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基づき、第１循環経路２１、第２循環経路３１、及び他のシステム構成部等を動作制御するように構成されている。
【００２２】
次に、制御装置４１の制御による本システム１の動作を説明する。
燃料電池５が発電を開始した後、第１および第２温度センサ２６ａ，２６ｂの検出温度Ｔ１，Ｔ２の両方が回収設定温度Ｔｃよりも小さい（Ｔ１＜ＴｃかつＴ２＜Ｔｃ）場合、制御装置４１は、インバータ８で生ずる変換損失熱が回収できない状態であると判断する。この判断結果によって、第１循環経路２１では、第１ポンプ２５の吐出制御によって第１循環媒体の循環量が零となるように調整され、第１循環媒体の循環が停止される。一方、第２循環経路３１では、第３温度センサ３７の検出温度Ｔ３に基づき、第２ポンプ３６の吐出制御によって第２循環媒体の循環量が所定値となるように調整され、第２循環媒体の循環が開始される。そして、燃料ガス供給経路１５の燃料ガスは、燃料電池５の発電熱および主に湯水循環経路１１の湯水熱の相互間で、加湿熱交換器３４を通過する第２循環媒体を介して熱交換され、昇温される。
【００２３】
発電を開始した直後は、インバータ８等から熱の供給はない。そのため、インバータ８等からの熱の供給が始まるまでは、第２循環媒体によって燃料電池５の内部温度制御と発電熱を回収し、加湿タンク７内で燃料ガスの昇温が行われることになる。よって、燃料電池５からの排熱の回収効率を高めることはできない。
【００２４】
燃料電池５が発電を継続することで、検出温度Ｔ１，Ｔ２のいずれか一方が回収設定温度Ｔｃ以上（Ｔｃ≦Ｔ１またはＴｃ≦Ｔ２）になった場合、制御装置４１は、インバータ８で生ずる変換損失熱が回収可能な状態であると判断する。この判断結果によって、第１循環経路２１では、第１ポンプ２５の吐出制御によって第１循環媒体の循環量が所定値となるとともに、第１および第２制御弁２７ａ，２７ｂの開閉制御によって第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂを所定量の第１循環媒体がそれぞれ通過するように調整され、第１循環媒体の循環が開始される。そして、燃料ガス供給経路１５の燃料ガスは、第２循環媒体に加えて、インバータ８の変換損失熱との相互間で、第１および第２熱交換器２３ａ，２３ｂを通過する第１循環媒体を介して熱交換され、昇温される。
【００２５】
さらに燃料電池５が発電を継続し、検出温度Ｔ１，Ｔ２の両方が回収設定温度Ｔｃ以上かつ動作保証温度Ｔｂ以下（Ｔｃ＜Ｔ１＜ＴｂかつＴｃ＜Ｔ２＜Ｔｂ）になった状態において、加湿熱交換器３４よりも上流側の第３熱交換器２４で燃料ガスの昇温が進むことによって、下流側の加湿熱交換器３４では、燃料ガスへの熱移動量が減少する。そのため、第２循環経路３１では、第２冷却媒体の持っている熱のほとんどを減少させることなく第４熱交換器３５に供給可能となる。よって、第４熱交換器３５では、湯水循環経路１１の湯水への熱移動量が増大し、より多くの熱が貯湯槽の湯水に貯えられる。
【００２６】
従って、上記構成の本システム１によれば、インバータ８、および燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの相互間で第１冷却媒体を介して熱交換するように、所定量の第１冷却媒体を循環させる第１循環経路２１と、燃料電池５、湯水循環経路１１の湯水および燃料ガス供給経路１５の燃料ガスの相互間で第２冷却媒体を介して熱交換するように、所定量の第２冷却媒体を循環させる第２循環経路３１とを設けたので、燃料電池５とインバータ８との温度バランスに基づき、燃料電池５の発電熱を用いずに、インバータ８の変換損失熱を用いて、燃料ガスを昇温させることが可能となる。
【００２７】
また、燃料ガス供給経路１５において、第３熱交換器２４を加湿熱交換器３４よりも上流側に設けたので、燃料電池５の発電が継続した状態では、燃料ガス供給経路１５の燃料ガスが加湿タンク７を通過する前に、第１循環経路２１で燃料ガスを所定温度まで昇温可能となる。その場合には、第２循環経路３１において燃料電池５の排熱損失を減少させ、燃料電池５の発電熱を湯水循環経路１１の湯水に熱交換して回収できる熱量が増大し、発電熱の回収効率を向上可能となる。
【００２８】
またインバータ８において、従来大きな場所を占有していた放熱フィン等の放熱器を水冷式にでき、小型化が可能となる。また例えば放熱器と第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂを一体化すれば、インバータ８全体をよりコンパクトにできる。またインバータ８に取り付けられていた冷却ファン類が不要となり、冷却ファン類の動作音や風切り音等を無くすことが可能となる。
【００２９】
またインバータ８には、第１および第２熱交換器２３ａ、２３ｂの２つを設けたので、、インバータ８内の特に発熱し易い２箇所を選択して近接配置でき、変換損失熱の回収効率を向上できる。
【００３０】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、下記のように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）第１循環経路を構成する、第１水槽、燃料電池熱交換器、燃料ガス熱交換器および湯水熱交換器は、第１ポンプによって第１冷却媒体が循環する環状経路が形成できれば、接続順序を任意に入れ替え可能である。第２循環経路についても同様である。
（２）第１循環経路は、インバータの変換損失熱が回収できない状態の場合、第１循環媒体の循環量を零とするに限らず、若干の循環量を確保するように調整しても良い。
（３）インバータには、第１および第２熱交換器の２つに限らず、第１循環経路に設けられる熱交換器を、発熱箇所に合わせて単数または他の複数設けても良い。この場合には、より変換損失熱の回収効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１・・燃料電池発電システム、５・・燃料電池、６・・加湿モジュール、７・・加湿タンク、８・・インバータ（電力変換手段）、９・・放熱フィン、１１・・湯水循環経路、１５・・燃料ガス供給経路、２１・・第１循環経路、２２・・第１水槽、２３ａ・・第１熱交換器、２３ｂ・・第２熱交換器、２４・・第３熱交換器（燃料ガスインバータ熱交換器）、２５・・第１ポンプ、２６ａ・・第１温度センサ、２６ｂ・・第２温度センサ、２７ａ・・第１制御弁、２７ｂ・・第２制御弁、３１・・第２循環経路、３２・・第２水槽、３３・・燃料電池熱交換器、３４・・加湿熱交換器（燃料ガス燃料電池熱交換器）、３５・・第４熱交換器、３６・・第２ポンプ、３７・・第３温度センサ、４１・・制御装置（制御手段）、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・検出温度、Ｔａ・・発電作動温度、Ｔｂ・・動作保証温度、Ｔｃ・・回収設定温度。
【図１】
2008218166.tif 000003