(57)【要約】【課題】本発明は、空気を全熱交換器で加温したあと冷却水タンクに開放して所定の値に加湿する構成とすることにより、カソードへ供給する空気を高湿度に保ち冷却水の温度変動を少なくして高効率で安定した発電を行う。【解決手段】本発明の燃料電池コージェネレーション装置は、燃料電池１と、冷却水循環ポンプと放熱器６とを設けた燃料電池１の冷却水回路４と、冷却水回路４に設けた冷却水タンク１３と、貯湯タンク３の貯水を循環ポンプで循環して放熱器６より熱回収して貯湯タンク３に蓄熱する貯湯循環回路８と、燃料電池１のアノード９に燃料ガスを供給する改質装置２と、空気供給手段１２と全熱交換器５の２次側と冷却水タンク１３と燃料電池１のカソード１０と全熱交換器５の１次側とを接続して構成する空気回路１１とを設けたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、冷却水循環ポンプと放熱器とを設けた燃料電池の冷却水回路と、前記冷却水回路に設けた冷却水タンクと、貯湯タンクの貯水を循環ポンプで循環して前記放熱器より熱回収して前記貯湯タンクに蓄熱する貯湯循環回路と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する改質装置と、空気供給手段と全熱交換器の２次側と前記冷却水タンクと前記燃料電池のカソードと前記全熱交換器の１次側とを接続して構成する空気回路とを設けた燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項２】
全熱交換器の２次側上流に空気フィルターを設けた請求項１に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項３】
全熱交換器の２次側と燃料電池のカソード入口を接続して冷却水タンクをバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に設けたバイパス流量調整手段と、カソード入口に設けた温湿度検知手段と、前記温湿度検知手段の検出値に応じて前記バイパス流量調整手段を制御する制御装置とを設けた請求項１又は２記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項４】
冷却水を上部から入れて下部から取り出し、空気を下部から入れて上部より取り出す冷却水タンク内に冷却水を散布する散水管を設けた請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項５】
燃料電池のカソード入口配管に設けた加湿手段と、カソード出口配管に設けた空気熱回収熱交換器と、前記空気熱回収熱交換器で発生する結露水を前記加湿手段に接続するドレン配管とを設けた請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項６】
燃料電池のアノード入口配管に設けた加湿手段と、アノード出口配管に設けた熱回収熱交換器と、前記熱回収熱交換器で生成する結露水を前記加湿手段に接続するドレン配管とを設けた請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項７】
燃料電池に燃料ガスを供給する改質装置の排気ガス経路に設けた排気熱回収装置と、前記排気熱回収装置で生成する結露水を前記改質装置に供給するドレン配管とを設けた請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項８】
排気熱回収熱交換器で生成する結露水をアノード入口配管に設けた加湿手段に供給するドレン配管に脱気装置を設けた請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の発電時に発生する熱を回収して給湯および暖房に利用する燃料電池コージェネレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池コージェネレーション装置としては、例えば、図９に示すものがある。図９は、従来の燃料電池コージェネレーション装置の構成図であり、１は燃料電池で、２は改質器で、３は貯湯タンクで、４は冷却水回路で、５は全熱交換器で、６は放熱器で、７は排空気熱回収熱交換器で、８は貯湯循環回路である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９６０７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池のカソードに供給する空気を冷却水回路の冷却水で加温加湿する構成としているため、冷却水回路内の冷却水の消費が多くなり外部からの供給水量が多くなることにより冷却水の温度が大きく変動して燃料電池の運転が不安定になるなどの課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池のカソードに供給する空気を全熱交換器に導いてカソード出口の排気空気で加温加湿したあと冷却水回路に設けた冷却水タンクに開放することにより、所定の値に加温加湿する構成とすることにより、カソードへ供給する空気を高湿度に保ち冷却水の消費量を低減し冷却水の温度変動を少なくして高効率で安定した発電運転のできる燃料電池コージェネレーション装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池コージェネレーション装置は、空気供給手段と全熱交換器の２次側と冷却水タンクと燃料電池のカソードと全熱交換器の１次側とを順に接続する空気回路を設けた構成としたものである。
【０００７】
これによって、燃料電池のカソードに供給する空気をカソード出口の排気空気で加温加湿したあとに冷却水回路の冷却水タンク内に開放して加温加湿することにより、カソードへ供給する空気を高湿度に保つことができ、冷却水回路内の冷却水の消費量を少なくして温度変動を小さくすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、燃料電池と、冷却水循環ポンプと放熱器とを設けた冷却水回路と、冷却水回路に設けた冷却水タンクと、貯湯タンクの貯水を循環ポンプで循環して放熱器より熱回収して貯湯タンクに蓄熱する貯湯循環回路と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する改質装置と、空気供給手段と全熱交換器の２次側と冷却水タンクと燃料電池のカソードと全熱交換器の１次側とを接続して構成する空気回路とを設けた構成とすることにより、燃料電池のカソードに供給する空気を全熱交換器においてカソード出口の排気空気で加温加湿したあとに、冷却水回路の冷却水タンク内に開放して加温加湿することにより、カソードへ供給する空気を高湿度に保つことができ、冷却水回路内の冷却水の消費量を少なくして冷却水の温度変動を小さくし、高効率で安定した発電ができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、全熱交換器の２次側上流に空気フィルターを設けた構成とすることにより、空気フィルターを通過する空気の湿度を低くたもつこととなり、燃料電池の発電性能に影響を及ぼす成分を空気フィルターで確実に除去することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１又は２に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、全熱交換器の２次側と燃料電池のカソード入口を接続して冷却水タンクをバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に設けたバイパス流量調整手段と、カソード入口に設けた温湿度検知手段と、温湿度検知手段の検出値に応じてバイパス流量調整手段を制御する制御装置とを設けた構成とすることにより、カソード入口に設けた温湿度検知手段が所定の値になるように制御装置でバイパス流量調整手段を調整し、冷却水タンクに流れる空気の流量を調整して燃料電池のカソードに供給する空気の温湿度を制御し、燃料電池の発電効率を安定して高くたもつことができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１から３に記載の燃料電池コージェネレーション装置を冷却水タンク内に冷却水を散布する散水管を設けた構成とすることにより、冷却水タンクの下部から入れて上部より取り出す空気と散水管から散水する冷却水とを充分に接触させて、冷却水タンク内における加湿性能を大幅に向上することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１から４に記載の燃料電池コージェネレーション装置を燃料電池のカソード入口配管に設けた加湿手段と、カソード出口配管に設けた空気熱回収熱交換器と、空気熱回収熱交換器で生成する結露水を加湿手段に接続するドレン配管とを設けた構成とすることにより、カソード出口の高温高湿度の空気を空気熱回収熱交換器で凝縮させて得られた凝縮水をドレン配管からカソード入口の加湿手段に供給してカソード入口の低温低湿度空気を加温加湿することとなり、外部から水を供給することなく内部で生成する水を用いてカソード入口の空気を高温高湿度に保つことができ、高い発電効率を得ることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１から５に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、燃料電池のアノード入口配管に設けた加湿手段と、アノード出口配管に設けた熱回収熱交換器と、熱回収熱交換器で発生する結露水を加湿手段に供給するドレン配管とを設けた構成とすることにより、アノード出口の高湿度の燃料ガス排気内水分を熱回収熱交換器で凝縮させて得られた凝縮水をドレン配管からアノード入口の加湿手段に供給してアノード入口の低湿度燃料ガスを加湿することとなり、外部から水を供給することなく燃料ガス経路内部で生成する水を用いてカソード入口の燃料ガスを高湿度に保つことができ、高い発電効率を得ることができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１から６に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、燃料電池に燃料ガスを供給する改質装置の排気ガス経路に設けた排気熱回収装置と、排気熱回収装置で生成する結露水を改質装置に供給するドレン配管とを設けた構成とすることにより、改質装置の排気ガスを排気熱回収装置で凝縮させて得られた凝縮水をドレン配管から改質装置に供給して都市ガスなどの原料の改質に利用することなり、アノード入口の低湿度燃料ガスを加湿することとなり、外部から水を供給することなく内部で生成する水を用いて改質装置を運転することができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項１から７に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、排気熱回収熱交換器で生成する結露水をアノード入口配管に設けた加湿手段に供給するドレン配管に脱気装置を設けた構成とすることにより、改質装置の排気ガスの凝縮水に含まれる炭酸ガスなどの気体を外部に排出してアノードに供給する燃料ガスから燃料電池の発電性能に影響をおよぼす成分を除去することとなり、燃料電池の耐久性を高めることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は本実施例の第１の実施例における燃料電池コージェネレーション装置の構成図を示すものである。
【００１８】
図１において、１は改質装置２から燃料ガスの水素をアノード９に供給しカソード１０に空気を供給して発電する燃料電池で、燃料電池１で発生する熱を冷却水回路４の放熱器６で貯湯循環回路８に放熱して貯湯タンク３に蓄える。１１は空気回路で、空気供給手段の空気ブロワー１２と全熱交換器５の２次側と冷却水タンク１３と燃料電池１のカソード１０と全熱交換器５の１次側とを順に接続して構成し、冷却水タンク１３は空気を底部から入れて上部から取り出す構成としている。
【００１９】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２０】
まず、燃料電池１のアノード９へ改質装置２から水素ガスを供給し、カソード１０へは空気を供給し発電する。発電する際に発生する熱は冷却水回路４の放熱器６から貯湯循環回路８を経由して貯湯タンク３に蓄える。空気は空気ブロワー１２で全熱交換器５の２次側に送り、カソード１０から排出して全熱交換器５の２次側に流入する高温高湿度の空気と全熱交換して温度と湿度を上げる。全熱交換器５の２次側を出る加温加湿された空気は冷却水タンク１３の底部から入り内部の冷却水中をとおりさらに加温加湿されて冷却水タンク１３の上部から出て燃料電池１のカソード１０に供給する。
【００２１】
以上のように、本実施例においては、空気をカソード１０の出口の高温高湿空気で加温加湿したあと冷却水タンク１３内の冷却水で加温加湿することにより、加湿器を小型化でき、冷却水回路４内の冷却水の消費量を少なくして加湿性能を上げることができる。
【００２２】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００２３】
図２において、１４は空気フィルターで実施例１の構成と異なるところは、全熱交換器５の２次側入口に空気フィルター１４を設けた点である。
【００２４】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２５】
まず、空気ブロワー１２で外気を空気フィルター１４と全熱交換器５と冷却水タンク１３と燃料電池１のカソード１０の順に流す。ケミカルフィルターの機能を有する空気フィルター１４で空気中のＳＯｘおよびＮＨ３等の燃料電池１の発電性能を低下させる成分を取り除いたあと、冷却水タンク１３からカソード１０へ不純物の少ない空気を送ることができる。
【００２６】
以上のように、本実施例においては全熱交換器５の上流側に空気フィルター１４を設けることにより、冷却水回路４内の冷却水が汚れるのを防止しカソード１０に供給する空気の純度を高めることにより、燃料電池の発電能力を高めて耐久性を向上することができる。
【００２７】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００２８】
図３において、１５は冷却水タンク１３をバイパスするバイパス回路で、１６はバイパス流量調整手段で、１７は制御装置で、１８は温湿度検知手段で、１９は逆止弁で、実施例２の構成と異なるところは、カソード１０の入口に設けた温湿度検知手段１８の検出値に応じてバイパス回路１５の流量を制御装置１７で制御するバイパス流量調整手段１６を設けた点である。
【００２９】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３０】
まず、空気を空気ブロワー１２で全熱交換器５に送って加温加湿するが、このときカソード１０の入口に設けた温湿度検知手段１８が所定の値より低い場合は制御装置１７でバイパス流量調整手段１６を冷却水タンク１３側に多く流すように制御して加湿量を増加させる。一方、温湿度検知手段１８が所定の値より高い場合は、制御装置１７でバイパス流量調整手段１６をバイパス回路１５側に多く流すように制御して加湿量を低下させる。
【００３１】
以上のように、本実施例においては、バイパス回路１５に設けたバイパス流量調整手段１６でバイパス回路の流量を制御して加湿量を制御することにより、カソード１０に供給する空気の温湿度を最適な値に保つことができ高効率で安定した発電ができる。
【００３２】
（実施例４）
図４は、本発明の第４の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００３３】
図４において、２０は散水管で、実施例３の構成と異なるところは、冷却水を上部から入れて下部から取り出し、空気を下部から入れて上部より取り出す冷却水タンク１３内に冷却水を散布する散水管２０を上部空間部に設けた点である。
【００３４】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３５】
まず、冷却水タンク１３の底部に開放する空気は、内部の冷却水中を通過することにより、温湿度を上げて上部空間に出て、散水管２０から散水する冷却水と接触することによりさらに温湿度を上げて冷却水タンク１３の上部から取り出されて、燃料電池１のカソードへ供給される。
【００３６】
以上のように、本実施例においては、冷却水タンク１３の内部において水中と散水する上部空間との２段階で加湿することができるので、加湿能力を大幅に向上することができる。
【００３７】
（実施例５）
図５は、本発明の第５の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００３８】
図５において、２１ａは加湿手段であるエジェクターで、７は空気熱回収熱交換器で、２２ａはドレン配管で、実施例１から４の構成と異なるところは、カソード１０の入口に加湿手段として設けたエジェクター２１ａとカソード１０の出口配管に設けた空気熱回収熱交換器７とを接続するドレン配管２２ａとを設けた点である。
【００３９】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
まず、空気熱回収熱交換器７にはいるカソード１０の出口の高温高湿の排気空気は貯湯循環回路８の循環水によって冷却されて温度をさげ凝縮水を生成する。凝縮水はドレン配管２２ａからエジェクター２１の吸引部に吸引されてカソード１０の主流路を流れる空気を加湿する。
【００４１】
以上のように、本実施例においては、空気熱回収熱交換器７で生成する凝縮水をドレン配管２２ａを通してエジェクター２１に供給する構成とすることにより、カソード１０で加湿に要する水分をカソード１０の排気から取り出すことができ、カソード１０の空気回路１１内で水の消費と回収のサイクルを成立させて外部から水の供給を必要としない簡易なカソード側の加湿方式を実現することができる。
【００４２】
（実施例６）
図６は、本発明の第６の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００４３】
図６において、２１ｂは加湿手段であるエジェクターで、２３は熱回収熱交換器で、２３ｂはドレン配管で、実施例１から５の構成と異なるところは、アノード９の入口に加湿手段として設けたエジェクター２１ｂと、アノード９の出口配管に設けた熱回収熱交換器２３とを接続するドレン配管２２ｂとを設けた点である。
【００４４】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４５】
まず、熱回収熱交換器２３にはいるアノード９の出口の高温高湿の排気燃料ガスは貯湯循環回路８の循環水によって冷却されて温度をさげ凝縮水を生成する。凝縮水はドレン配管２２ｂからエジェクター２１ｂの吸引部に吸引されてアノード９の主流路を流れる燃料ガスを加湿する。
【００４６】
以上のように、本実施例においては、熱回収熱交換器２３で生成する凝縮水をドレン配管２２ｂを通してエジェクター２１ｂに供給する構成とすることにより、アノード９で加湿に要する水分をアノード９の排気燃料ガスから取り出して、アノード９の燃料ガス回路２４で水の消費と回収のサイクルを成立させ外部から水の供給を必要としない簡易なアノード側の加湿方式を実現することができる。
【００４７】
（実施例７）
図７は、本発明の第７の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００４８】
図７において、２は改質装置で、２２ｃはドレン配管で、２４は排気熱回収熱交換器で、実施例１から６の構成と異なるところは、改質装置２の排気ガス経路に排気熱回収熱交換器２４を設けて生成する凝縮水を改質装置２に供給するドレン配管２２ｃを設けた点である。
【００４９】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５０】
まず、排気熱回収熱交換器２４にはいる改質装置２の排気ガスは貯湯循環回路８の循環水によって冷却して温度をさげ凝縮水を生成させる。凝縮水はドレン配管２２ｃから改質装置２に供給して原料の都市ガスを水素に改質する時に必要な水として利用する。
【００５１】
以上のように、本実施例においては、排気熱回収熱交換器２４で生成する凝縮水をドレン配管２２ｃを通して改質装置２に供給する構成とすることにより、改質装置２で使用する水を排気ガスを凝縮して利用して、改質装置２で使用する水の消費と回収のサイクルを成立させ外部から水の供給を必要としない簡易な燃料改質方式を実現することができる。
【００５２】
（実施例８）
図８は、本発明の第８の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【００５３】
図８において、２５は脱気装置で実施例１から７の構成と異なるところは、ドレン配管２２ｄに脱気装置２５を設けた点である。
【００５４】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５５】
まず、排気熱回収熱交換器２４にはいる改質装置２の排気ガスは貯湯循環回路８の循環水によって冷却されて温度をさげ凝縮水が生成する。凝縮水中には燃焼課程で生成する炭酸ガスなどの成分が溶け込んでいるが、ドレン配管２２ｄに設けた脱気装置２５を通過するときに凝縮水中のガス成分を外部に放出して凝縮水の純度を上げてエジェクター２１ｃの吸引部に吸引する。
【００５６】
以上のように、本実施例においては、排気熱回収熱交換器２４で生成する凝縮水中のガス成分を取り除いてエジェクター２１ｃの吸引部に吸引し、不純物の少ない水でアノード９に供給する燃料ガスを加湿することができ、発電性能を低下させることなく、水の消費と回収のサイクルを成立させ外部から水の供給を必要としない簡易なアノード側の加湿方式を実現することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、燃料電池のカソードへ供給する空気を高湿度に保ち、冷却水回路の冷却水の消費量を低減し冷却水の温度変動を少なくして高効率で安定した発電運転のできる燃料電池コージェネレーション装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図２】本発明の実施例２における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図３】本発明の実施例３における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図４】本発明の実施例４における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図５】本発明の実施例５における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図６】本発明の実施例６における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図７】本発明の実施例７における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図８】本発明の実施例８における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図９】従来の燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【符号の説明】
１  燃料電池
２  改質装置
３  貯湯タンク
４  冷却水回路
５  全熱交換器
６  放熱器
８  貯湯循環回路
９  アノード
１０  カソード
１１  空気回路
１２  空気ブロワー
１３  冷却水タンク
１４  空気フィルター
１５  バイパス回路
１６  バイパス流量調整手段
１７  制御装置
１８  温湿度検知手段
２０  散水管
２１ａ、ｂ、ｃ  エジェクター（加湿手段）
２２ａ、ｂ、ｃ、ｄ  ドレン配管
２３  熱回収熱交換器
２４  排気熱回収熱交換器（排気熱回収装置）
２５  脱気装置
【図１】
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【図２】
2004335291.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004335291.tif 000007
【図６】
2004335291.tif 000008
【図７】
2004335291.tif 000009
【図８】
2004335291.tif 000010
【図９】
2004335291.tif 000011