(57)【要約】【課題】排熱回収による給湯温度を安定させた燃料電池発電給湯システムを提供する。【解決手段】燃料を改質して水素を含有するアノードガス６を発生させる燃料処理装置１と、空気８とアノードガス中の水素を反応させて発電する燃料電池９とを有し、アノードガス６，燃料電池を冷却する直接冷却媒体１２，燃料電池から排出されるアノード排ガス１４及びカソード排ガス１３を熱源として間接冷却媒体と熱交換する熱交換器１１−１〜１１−４を複数設け、この複数の熱交換器を当該熱交換器を流通する間接冷却媒体に対して直列に配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素を含有するアノードガスを発生させる燃料処理装置と、酸素と前記アノードガス中の水素を反応させて発電する燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記アノードガス，前記燃料電池を冷却する直接冷却媒体，前記燃料電池から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを熱源として間接冷却媒体と熱交換する熱交換器を複数設け、この複数の熱交換器を当該熱交換器を流通する間接冷却媒体に対して直列に配置したことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項２】
燃料を改質して水素を含有するアノードガスを発生させる燃料処理装置と、空気中の酸素と前記アノードガス中の水素を反応させて発電する燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記燃料電池に供給されるアノードガスと間接冷却媒体とを熱交換する第１の熱交換器と、前記燃料電池を冷却した冷却媒体と間接冷却媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスと前記燃料電池に供給する空気とを熱交換する第３の熱交換器と、前記燃料電池から排出されるアノード排ガス及び前記第３の熱交換器を経たカソード排ガスと間接冷却媒体とを熱交換する第４の熱交換器を設け、前記第１，第２，第４の熱交換器を当該第１，第２，第４の熱交換器を流通する間接冷却媒体に対して直列に配置し、前記間接冷却媒体を第４，第２，第１の熱交換器の順に流通させるように排熱回収系を形成したことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記複数の熱交換器で熱交換した間接冷却媒体の一部を、該間接冷却媒体の貯湯槽をバイパスさせるバイパス流路と、前記熱交換器の初段に供給する間接冷却媒体と合流させる前記バイパス流路からのバイパス流量を調整する流量分配弁と、該流量分配弁を経た間接冷却媒体を前記熱交換器に供給するポンプを備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記熱交換器の初段に供給される間接冷却媒体の温度が所定温度以上となるように、前記流量分配弁で合流させる間接冷却媒体のバイパス流量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記熱交換器の最終段から排出される間接冷却媒体の温度が所定温度以上となるように、前記ポンプで供給する間接冷却媒体の流量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記燃料電池に供給される前記直接冷却媒体の一部を、前記間接冷却媒体と熱交換する熱交換器をバイパスさせるバイパス経路と、前記燃料電池に供給する直接冷却媒体と合流させる前記バイパス流路からのバイパス流量を調整する流量分配弁と、前記燃料電池に供給される直接冷却媒体の温度が所定温度以上となるように、前記流量分配弁で合流させる直接冷却媒体のバイパス流量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記熱交換器はプレート形の熱交換器であることを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記燃料電池のカソード空気を、該燃料電池から排出されるカソード排ガスによって加熱する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記複数の熱交換器のうち一つは、アノード排ガスとカソード排ガスと間接冷却媒体とを熱交換する、３流体形熱交換器であることを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記燃料処理装置から燃料電池にアノードガスを供給する経路，前記燃料電池から排出されたカソード排ガスが流通する経路，前記燃料電池から排出されたアノード排ガスが流通する経路のうち少なくとも一つの経路にドレイン抜きを設けることを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項１１】
請求項４又は５に記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記複数の熱交換器の初段に供給される間接冷却媒体と、最終段の熱交換器から排出される間接冷却媒体の温度を、相互に異なる時間帯に制御する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電給湯システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、従来電力用を中心に開発されてきた結果、家庭用のように一部時間帯により高い需要電力が必要だが、平均的には需要電力が低い。このため、電力需要に追随して部分負荷運転するのが経済的である。このような運転状況下のもと、流量が変化すると熱通過率が変わるため排熱回収系の熱交換器の入口出口温度が変化する。さらに、季節及び時間帯により気温が変動すると、貯湯槽に蓄える給湯温度も変動するという課題があり、しかしながら、熱交換器自体はパッシブな機器であるため、これらの変化に対応できないという課題があった。
【０００３】
なお、従来技術としては特開平１１−２２３３８５号公報に記載のコジェネレーションシステムがある。この従来技術においては、発電機の熱を回収するに際し、貯湯槽に低温の水を入れないようにバイパス管と流路切替弁を備えて対処している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２２３３８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した特開平１１−２２３３８５号公報に記載の技術では、流路切替弁は全流量をバイパス管又は貯湯槽のいずれかに行くように制御しており、この技術の適用対象の一つであるガスエンジン等の熱源には最適と考えるが、温度管理の要求の厳しい燃料電池の場合、燃料電池の入口出口温度が変動し安定した性能が得にくいという面に配慮がされていないと考える。
【０００６】
本発明の目的は、排熱回収による給湯温度を安定させた燃料電池発電給湯システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電給湯システムでは、燃料を改質して水素を含有するアノードガスを発生させる燃料処理装置と、酸素と前記アノードガス中の水素を反応させて発電する燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、前記アノードガス，前記燃料電池を冷却する直接冷却媒体，前記燃料電池から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを熱源として間接冷却媒体と熱交換する熱交換器を複数設け、この複数の熱交換器を当該熱交換器を流通する間接冷却媒体に対して直列に配置している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施形態の説明に入る前に発明の背景を説明する。この高分子電解質膜燃料電池発電システムの排熱回収系の特徴は、主機の燃料電池の運転温度が７０〜８０℃程度と水の沸点の１００℃より低いため、得られる主たる排熱の熱量は多いが低質の熱エネルギーである点と、燃料電池の電解質保護の意味で沸点以下の温度ながら蒸気をリッチに含んでいる。このため、排熱回収を効率的に行うにはその蒸気排熱、すなわち、潜熱を高効率に回収しなければならないという点で、ガスエンジンなどのシステムとは異なった手法が必要であり、かつ、ガスエンジン等よりも厳しい、燃料電池の温度管理要求にも応えなくてはならないという背景がある。
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池発電給湯システムの系統図を示す。
【００１０】
図１に示す燃料電池発電給湯システムは、都市ガス２，空気３，脱イオン水５、及び戻りアノード排ガス４から水素を含むアノードガス６と燃焼排ガス７を発生させる燃料処理装置１，燃料処理装置１からのアノードガス６と、カソードから流入する空気８とを反応させて発電する燃料電池９，燃料電池９を冷却するために、貯湯槽１０と熱交換器１１−２からなる燃料電池冷却系１２，燃料処理装置１からのアノードガス６を燃料電池９のアノードに入るのに適した温度にする第１の熱交換器１１−１，燃料電池冷却系１２から熱を回収するための第２の熱交換器１１−２，燃料電池９へ供給するカソード空気８を燃料電池９からのカソード排ガス１３で加熱する第３の熱交換器１１−３，熱交換器１１−３からのカソード排ガス１５からと、燃料電池９からのアノード排ガス１４から熱回収する第４の熱交換器１１−４，温度測定部１８と制御部１７によって流量配分する流量分配弁１６，温度測定部１９と制御部２０により流量制御が行われるポンプ２１，制御部２０と制御部１７を統括して制御する制御部２５、および貯湯槽２２，貯湯槽２２のバイパスライン２３，熱交換器１１−１，１１−２，１１−４，ポンプ２１よりなる排熱回収系２４より構成される。
【００１１】
以上のように構成された燃料電池発電給湯システムは、まず燃料が燃料処理装置１により改質された水素リッチなアノードガス６と空気８を、燃料電池９内に規定量送り込み、電気化学反応により直流の電力と、熱を発生させる。この熱の一部は、燃料電池冷却系１２で除去し、残りのカソード排ガス１３の持つ熱は、一部は再び熱交換器１１−３でカソード空気８に回収し、残りをカソード排ガス１５から熱交換器１１−４で回収する。同時に、燃料電池９からのアノード排ガス１４からも熱交換器１１−４で回収する。その他の熱源である燃料処理装置１の生成アノードガス６からは熱交換器１１−１で排熱回収する。ちなみに、この熱交換器１１−１の出口でアノードガス６は燃料電池９に入る関係上、７０℃付近の温度から大きくずれることは許されない。なお、燃焼排ガス７からも排熱回収は可能であるが回収できる熱量を考えるとコスト的に合わないので除外する。コスト的に合う低コスト熱交換器が実現されれば排熱回収することは言うまでもない。
【００１２】
このため、上記のうち、熱交換器１１−１，１１−２，１１−４から給湯用の排熱回収を行う。この３者の熱交換器を並列に繋げば制御は簡単であるが、所定温度の給湯が得られない。また、この熱交換器を直列に並べると、気温条件及び負荷条件によっては、温度関係が逆転し、排熱回収でなく排熱移動になり温度に敏感な燃料電池の性能に損害を与える可能性や、熱交換器の仕様範囲から外れ排熱回収効率の低減を起こす可能性と、アノードガス６の温度を燃料電池９の要求範囲から逸脱させる恐れがある。そのままでは、熱交換器の出入口の温度を監視していて熱交換器を通過する順序を、配管系統を切り替えて行い、必要な給湯を得るしかなかったが、この方法では配管系が複雑になり配管放熱も増えコストも増加し家庭用の燃料電池発電給湯システムのように１ｋＷ前後のシステムでは採用できない。
【００１３】
これを解決するため、本実施例では前述したように熱交換器１１−１，１１−２，１１−４を、これら熱交換器を流通する間接冷却媒体に対して直列に配置し、上流側から熱交換器１１−４，１１−２，１１−１の順に間接冷却媒体が流通するように排熱回収系を形成している。そして、初段の熱交換器１１−４での間接冷却媒体である水道水流入温度を夏季でも設定可能な３０℃前後とし、最終段の熱交換器１１−１での水道水流出温度を給湯必要温度の６０℃以上に設定した。この流入温度は、バイパスライン２３を通過させる流量を温度測定部１８で検知することにより制御部１７で流量分配弁１６を調整して制御する。また、同時に、この流出温度は、温度測定部１９で検知することにより制御部２０でポンプ２１の流量を調整して制御する。なお、この制御の際、両方を同時刻では制御しないで、時間分割を行って相互に異なる時間帯で制御部２５により制御して行う。相互の目標設定値の許容範囲外に出ないようにタイムシェアリングで目標値に合わせて行く。これにより、密接に関連する制御を安定して行うことができる。
【００１４】
なお、熱交換器１１−３により、カソードに入る空気８と排出されたカソード排ガス１３を熱交換している。この構成にすると、カソード排ガス１３中の蒸気分が凝縮する熱が利用できるため気温が変わっても凝縮水が少し増減するだけで発生凝縮熱による温度が２〜３℃変わるだけで調整され、気温によらずカソード空気８はほぼ一定の温度が保持できるという効果がある。この効果は、実験によっても確認された。ちなみに、熱交換器１１−１，１１−２，１１−３，１１−４は、低コストとコンパクト性からプレート形が望ましい。また、アノード排ガス１４とカソード排ガス１５は、所持している熱量は異なるが入出の温度条件がほぼ等しいため、アノード排ガス１４とカソード排ガス１５から熱回収する熱交換器１１−４は、さらにコンパクトにできるので３流体形が望ましい。
【００１５】
以上のように構成することにより、排熱回収系において温度順位を考慮し熱交換器を直列に接続し、かつ、この熱交換器群の入出温度を制御する管路系と制御系を設けているので、低コストで排熱を最大限に回収しながら部分負荷運転に安定して追従でき、かつ、燃料電池の性能劣化を招かないで、経済的な運転が可能となる燃料電池発電給湯システムを提供することができるという効果がある。
【００１６】
次に、本発明の他の実施例について図２を用いて説明する。本実施例は、図１に示す実施例にドレイン抜き２６−１〜２６−５を熱交換器の下流または燃料電池９のアノード及びカソード排ガス出口ガスの下流に設けたもので、まず、アノードガスのラインで説明すると次のようになる。ドレイン抜き２６−１は、燃料処理装置１から排出されたアノードガス６が熱交換器１１−１を通過した下流で発生したドレインを抜き、ドレイン抜き２６−２は、燃料電池９から排出されたアノード排ガス１４に伴われたドレインを抜き、ドレイン抜き２６−３は、アノード排ガス１４が熱交換器１１−４を出た後の戻りアノード排ガス４中に生じたドレインを抜く。
【００１７】
次に、カソード排ガスラインに関わるものを説明すると、ドレイン抜き２６−４は、燃料電池９から排出されるカソード排ガス１３中のドレインを抜く。ドレイン抜き２６−５は、カソード排ガス１３が熱交換器１１−３を通過した際に発生したドレインを抜く。どちらのガスも水蒸気成分リッチなため、温度が低下すると熱交換器群１１には有益な凝縮熱が発生するが、同時に発生する凝縮水の処理が問題となる。除去しないと、圧量損失が増大して補助動力が増大し、かつ、熱交換器性能の低下に繋がる。また、特に、戻りアノード排ガス４は、燃料処理装置１に戻り燃焼に供されるので水分を除去しないと失火や燃焼性能低下や燃焼温度の低下を招く。また、これらの凝縮水は、水質は水道水よりも良いので集めれば再利用を図ることができる。図示していないが、水処理装置の小型化が図れる。
【００１８】
熱交換器１１−１の下流のドレイン抜き２６−１は、温度及び水分条件からのみ考えると、ドレインは発生しないと考えていたが、実際は、熱交換する水道水の温度に影響を受けてドレインが発生する。カソード排ガス１４が熱交換器１１−４を通過した後の部分には凝縮水が発生するがドレイン抜きを設けていないのは、カソード排ガス出口であるためと、出口にドレイン受けタンク（図示せず）を設けるだけで凝縮水を回収できるからである。このドレイン抜きとしては図示していないが、ドレイン受けタンクと、その下に設けた電磁弁とタイマーにより、予め測定した蓄積量と時間から電磁弁を開閉する時間間隔を設定し、主としてガス圧ではなく水の自重で受けタンクに除去する。但し、ガスと外部の空気とを接触させないように一定量の水を残すように電磁弁を閉じる。望ましくは、フロート式のドレイン抜きの採用である。
【００１９】
このようにすることにより、低コストで部分負荷運転に安定して追従でき、かつ、燃料電池の性能劣化を招かないで、経済的な運転が可能となり、かつ、高性能な燃料電池発電給湯システムを提供することができるという効果がある。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施例である燃料電池発電システムを示す。図２の実施例との違いは、燃料電池冷却系１２に、バイパスライン２８，温度測定部３０と流量の制御部２９よりなる流量分配弁２７を設けたことで、これにより、熱交換器１１−２を通さない水と通した水を適量混ぜることにより、燃料電池冷却水の入口温度を５０℃以上に保持するように制御する。望ましくは、６５℃以上に保持し、燃料電池性能の劣化を招く運転温度に下がらないようにする。部分負荷運転を行うとき、低部分負荷時には、燃料電池からの発生熱量の絶対量が減少するのに対し、放熱損失は、ほぼ一定であるため、燃料電池自身の温度が低下する。そのまま、熱交換器１１−２を通過させた水で冷却すると一時的にも燃料電池性能の劣化温度域に入ると、さらに、運転温度が下がる悪循環に陥る恐れがある。それを防止するのが、本実施例の構成である。
【００２１】
このようにすることにより、低コストで部分負荷運転に安定して追従でき、かつ、燃料電池の性能劣化を招かないで、経済的な運転が可能となり、かつ、高性能な燃料電池発電給湯システムを提供することができるという効果がある。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、排熱回収による給湯温度を安定させた燃料電池発電給湯システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池発電給湯システムの系統図を示す。
【図２】本発明の他の実施例である燃料電池発電給湯システムの系統図を示す。
【図３】本発明の他の実施例である燃料電池発電給湯システムの系統図を示す。
【符号の説明】
１…燃料処理装置、２…都市ガス、３…空気、４…戻りアノード排ガス、５…脱イオン水、６…アノードガス、７…燃焼排ガス、８…カソード空気、９…燃料電池、１０，２２…貯湯槽、１１−１〜１１−４…熱交換器、１２…燃料電池冷却系、１３，１５…カソード排ガス、１４…アノード排ガス、１６，２７…流量分配弁、１７，２０，２５，２９…制御部、１８，１９，３０…温度測定部、
２１…ポンプ、２３，２８…バイパスライン、２４…排熱回収系、２６−１〜２６−５…ドレイン抜き。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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