(57)【要約】【課題】本発明は、複数の熱回収熱交換器を有する蓄熱循環回路の最終段に排気ガス熱回収熱交換器を設けて高温の温水を得て蓄熱槽を小型化する。【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、蓄熱槽１の下部と、蓄熱槽１内の熱媒体を循環する循環ポンプ１４と、燃料電池４の酸素極７側出口に設けた排空気熱回収熱交換器８と、燃料電池４の冷却回路１６に設けた冷却熱回収熱交換器９と、燃料極５側出口に設けた排水素熱回収熱交換器６と、循環回路の最下流の蓄熱槽１の入口側に設けた水素製造装置２の排気ガス熱回収熱交換器３と、蓄熱槽１の上部とを順に接続して構成する被加熱水路１０を設けたものである。【選択図】  図１
2004335292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱槽の下部出口と、前記蓄熱槽内の熱媒体を循環する循環ポンプと、燃料電池の酸素極側出口に設けた排空気熱回収熱交換器と、燃料電池冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と、燃料極側出口に設けた排水素熱回収熱交換器と、蓄熱槽上部入口側に設けた水素製造装置の排気ガス熱回収熱交換器と、蓄熱槽の上部とを順に接続して循環回路を構成する被加熱水回路を有する燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項２】
排気ガス熱回収熱交換器の入口と循環ポンプの入口を接続するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けた流量調整手段と、蓄熱槽の入口側に設けた温度検出手段と、前記温度検出手段の信号に応じて前記流量調整手段を制御する制御器とを設けた請求項１に記載した燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項３】
排気ガス熱回収熱交換器の出口と冷却熱回収熱交換器の入口ととの間で管路を切り換える４方切換え手段と、燃料電池温度検出手段と、前記燃料電池温度検出手段の検出値に応じて前記４方切換え手段を制御する制御装置とを設けた請求項２に記載した燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項４】
燃料電池の酸素極側入口側管路に酸素富化装置を設けた請求項１から３のいずれか１項に記載した燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項５】
燃料電池の酸素極側出口に設けた酸素極側３方切換え手段と、前記酸素極側３方切換え手段と酸素極側入口とを接続する空気バイパス配管と、燃料電池温度検出手段の検出値に応じて前記酸素極側３方切換え手段で酸素極側出口管路を空気バイパス配管に切り換える制御装置とを設けた請求項１から４のいずれか１項に記載した燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項６】
燃料電池の燃料極側出口に設けた燃料極側３方切換え手段と、前記燃料極側３方切換え手段と燃料極側入口管路を接続する水素バイパス配管とを設けた請求項１から５のいずれか１項に記載した燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項７】
蓄熱槽の下部出口と、前記蓄熱槽内の熱媒体を循環する循環ポンプと、燃料電池冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と、蓄熱槽の上部とを順に接続して循環回路を構成し、排空気熱回収熱交換器と排水素熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器とを前記燃料電池冷却回路に設けた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、図８に示すものがある。
【０００３】
図８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は蓄熱槽で、水素製造装置２の排気ガス熱回収熱交換器３と、燃料電池４の燃料極５の出口に設けた排水素熱回収熱交換器６と、燃料電池４の酸素極７の出口に設けた排空気熱回収熱交換器８と、燃料電池４の冷却熱回収熱交換器９の順に水道水を加熱するように接続した被加熱水回路１０を配管接続している。１１は被加熱水回路１０の入口に設けた給水量調節手段で、蓄熱槽１の手前に設けた温度検知手段１２の値に応じて、蓄熱槽１に入る温水の温度を一定値になるように制御器１３で水道水の流量を制御する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３６６８号公報
【０００５】
【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、被加熱水回路の一段目に高温の排気ガス熱回収熱交換器を設け、最終段に低温の冷却熱回収熱交換器を設けているため、作動温度の低い固体高分子膜型の燃料電池コージェネレーション装置の場合、貯湯槽にためる温水の温度が高々７０℃程度と低くなり、貯湯槽の容積が大きくなるなどの課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の熱回収熱交換器を有する循環回路状の被加熱水回路の加熱の最終段に、水素製造装置の排気ガスを熱源とする排気ガス熱回収熱交換器を設けることにより、高温の温水を蓄熱槽にためる小型の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。
【０００７】
【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、蓄熱槽の下部と、循環ポンプと、排空気熱回収熱交換器と、冷却熱回収熱交換器と、排水素熱回収熱交換器と、排気ガス熱回収熱交換器と蓄熱槽上部とを順に接続して循環回路状の被加熱水回路を構成したものである。
【０００８】
これによって、最も高温の熱源を有する排気ガス熱回収熱交換器を蓄熱循環回路の最終段に設けることができ、燃料電池の動作温度以上の温水温度を得て、高温水を蓄熱槽に蓄えることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、蓄熱槽の下部出口と、蓄熱槽内の熱媒体を循環する循環ポンプと、燃料電池の酸素極側出口に設けた排空気熱回収熱交換器と、燃料電池冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と、燃料極側出口に設けた排水素熱回収熱交換器と、循環回路の最下流の蓄熱槽入口側に設けた水素製造装置の排気ガス熱回収熱交換器と、蓄熱槽の上部とを順に接続して循環回路状の被加熱水回路を構成することにより、蓄熱槽の下部の低温の水を、排空気熱回収熱交換器と排水素熱回収熱交換器と冷却熱回収熱交換器で燃料電池の動作温度近くまで加熱して、さらに燃料電池の動作温度より高い水素製造装置の高温排気ガスを熱源とする熱回収熱交換器で加熱して蓄熱槽の上部に高温の温水をためることができる。
【００１０】
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、排気ガス熱回収熱交換器の入口と循環ポンプの入口とを接続して流量調整手段を備えたバイパス配管を設けて、蓄熱槽の入口側に設けた温度検出手段の検出温度に応じて流量調整手段を制御する制御器を設けた構成とすることにより、燃料電池の温度が低い場合はバイパス配管側に流して、排空気熱回収熱交換器と排水素熱回収熱交換器と冷却熱回収熱交換器を流れる流量を低下させずに、燃料電池の冷却性能を低下させることなく高温の温水を得ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１と２に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、排気ガス熱回収熱交換器の出口側と冷却熱回収熱交換器の入口側との間で管路を切り換える４方切換え手段と、燃料電池温度検出手段の検出値に応じて４方切換え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、運転開始時のように燃料電池の温度が低い時は、排気ガス熱回収熱交換器から冷却熱回収熱交換器へ流れるように４方切換え手段を制御して、燃料電池の温度が十分高い時は、冷却熱回収熱交換器から熱回収熱交換器へ流れるように４方切換え手段を制御することができるので、燃料電池の温度をすばやく立ち上げて起動時間を短縮する事ができる。
【００１２】
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、燃料電池の酸素極入口側管路に酸素負荷装置を設けた構成とすることにより高純度の酸素を燃料電池に供給することができるので、燃料電池の発電出力を高くすることができる。
【００１３】
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、燃料電池の酸素極側出口に設けた酸素極側３方切換え手段と酸素極側入口とを接続する空気バイパス配管とを設けて、燃料電池温度検出手段の検出値に応じて制御装置で酸素極側３方切換え手段を制御する構成とすることにより、運転立ち上げ時に酸素極側出口の高温の排空気を空気バイパス配管に流すことができるので燃料電池の温度をすばやく立ち上げて起動時間を大幅に短縮する事ができる。
【００１４】
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、燃料電池の燃料極側出口に設けた燃料極側３方切換え手段と燃料極側入口管路を接続する水素バイパス配管を設けた構成とすることにより、燃料極側出口から出る未反応の燃料ガスを水素バイパス配管に流して再度燃料極側入口にいれることができるので、水素製造装置の水素供給が不足した場合でも、燃料電池の出力を一定値以上に保つことができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、蓄熱槽の下部出口と、前記蓄熱槽内の熱媒体を循環する循環ポンプと、燃料電池冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と、蓄熱槽の上部とを順に接続して循環回路を構成し、排空気熱回収熱交換器と排水素熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器とを前記燃料電池冷却回路に設けたもので、すべての熱回収熱交換器を１つの冷却水循環回路にまとめることができるので、必要な温度が得られないときは循環ポンプを停止して蓄熱槽へ低温の温水が流入するのを防ぐことができるなど制御性を向上することができ、被加熱水回路を簡単な構成にすることにより施工性に優れた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。
【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、１０は蓄熱槽１の下部と上部を循環ポンプ１４を介して接続して循環回路を形成する被加熱水回路で、排空気熱回収熱交換器８と冷却熱回収熱交換器９と排水素熱回収熱交換器６と排気ガス熱回収熱交換器３との順に被加熱水を加熱するように熱回収熱交換器を設けている。４は固体高分子膜を用いた燃料電池で、燃料極５へは水素製造装置２で製造した水素を供給して発電に用いた残りの水素ガスを排水素熱回収熱交換器６に供給し、酸素極７へはブロワ１５で空気を供給して発電に用いた残りの酸素を含んだ空気を排空気熱回収熱交換器８へ供給し、冷却回路１６に設けた冷却水ポンプ１７で冷却水を冷却部１８に供給して冷却熱回収熱交換器９で熱回収する構成としている。
【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、蓄熱槽１の下部から出た低温の被加熱水は循環ポンプ１４で被加熱水回路１０を循環するが、このとき排空気熱回収熱交換器８と冷却熱回収熱交換器９と排水素熱回収熱交換器６と排気ガス熱回収熱交換器３との順に被加熱水を加熱し加熱した温水を蓄熱槽１の上部にもどして蓄える。排空気熱回収熱交換器８にはブロワ１５で燃料電池４の酸素極７に供給して使用された排空気を供給して熱を回収し、冷却熱回収熱交換器９には冷却部１８で加熱した冷却水を冷却回路１６に設けた冷却水ポンプ１７で送り熱回収し、排水素熱回収熱交換器６には水素製造機２で製造した水素を燃料電池４の燃料極５で消費した残りの排水素を供給し熱回収し、排気ガス熱回収熱交換器３には水素製造機２で燃料ガスを改質するときに燃焼した燃焼排気ガスを供給して熱回収することができる。
【００２１】
以上のように、本実施例においては最も高温が得られる排気ガス熱回収熱交換器３を熱回収の最終段に設けることより、燃料電池４の動作温度以上の温水温度を得ることができる。
【００２２】
尚、被加熱水回路１０において、排空気熱回収熱交換器８と冷却熱回収熱交換器９と排水素熱回収熱交換器６は熱源の温度が同じであるので、排気ガス熱回収熱交換器３の上流側に設けることにより、接続する順番が違っても、同様の効果を得ることができる。
【００２３】
（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。
【００２４】
図２において、１９は給水量調整手段１１を有し、排気ガス熱回収熱交換器３の入口と循環ポンプ１４の入口を接続するバイパス配管で、実施例１の構成と異なるところは、蓄熱槽１の入口側に設けた温度検出手段１２ａの信号に応じて制御器１３で流れる流量を制御するバイパス配管１９を設けた点である。
【００２５】
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。
【００２６】
まず、蓄熱槽１の下部から出た低温の被加熱水は循環ポンプ１４で被加熱水回路１０を循環するが、排空気熱回収熱交換器８と冷却熱回収熱交換器９と排水素熱回収熱交換器６と排気ガス熱回収熱交換器３の順に被加熱水を加熱して温水を蓄熱槽１の上部にもどして蓄える。このとき蓄熱槽１の入口側に設けた温度検出手段１２ａが所定の温度より低いことを検知した場合、制御器１３はバイパス配管１８に設けた給水量調整手段１１を開いてバイパス配管１８に被加熱水を流すことにより、排気ガス熱回収熱交換器３を流れる被加熱水の量を減らすことができるので蓄熱槽１に戻る被加熱水の温度を上げることができる。
【００２７】
以上のように、本実施例においてはバイパス配管１９に流す被加熱水の量を調整することにより、蓄熱槽１の上部に高温水を蓄えることができる。
【００２８】
尚、流量制御装置１１は被加熱水回路１０の排気ガス熱回収熱交換器３の下流側に設けても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
（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。
【００３０】
図３において、２０は４方切換え手段となる４方弁、１２ｂは燃料電池温度検出手段、１３は制御器で、実施例１と２の構成と異なるところは、排気ガス熱回収熱交換器３の出口側と冷却熱回収熱交換器９の入口との間で管路を切り換える四方弁２０と、燃料電池温度検出手段１２ｂと、燃料電池温度検出手段１２ｂの検出値に応じて四方弁２０を制御する制御器１３とを設けた点である。
【００３１】
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。
【００３２】
まず、燃料電池温度検出手段１２ｂが所定の温度に達している定常運転状態などでは、被加熱水回路１０を排空気熱回収熱交換器８と４方弁２０と冷却熱回収熱交換器９と排水素熱回収熱交換器６と排気ガス熱回収熱交換器３の順に構成するように制御器１３で４方弁２０を制御する。一方、燃料電池温度検出手段１２ｂが所定の温度に達していない起動時のような場合は、被加熱水回路１０を排空気熱回収熱交換器８と４方弁２０と排気ガス熱回収熱交換器３と排水素熱回収熱交換器６と冷却熱回収熱交換器９の順に構成するように制御器１３で４方弁２０を制御する。
【００３３】
以上のように、本実施例においては、燃料電池温度検出手段１２ｂの検出値に応じて制御器１３で４方弁２０を制御することにより、被加熱水を冷却熱回収熱交換器９と排気ガス熱回収熱交換器３に流す順序を４方弁２０で切り換えることができるので、定常運転時は最も高温が得られる排気ガス熱回収熱交換器３を最終段に設けて被加熱水の温度を高くするとともに、起動時には、排気ガス熱回収熱交換器３で得た熱を冷却熱回収熱交換器９を通して燃料電池４を加熱して起動時間を大幅に短縮することができる。
【００３４】
（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。
【００３５】
図４において、２１は酸素富化膜で、実施例１から３の構成と異なるところは、燃料電池４の酸素極７の入口側に酸素富化膜２１を設けた点である。
【００３６】
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。
【００３７】
まず、燃料電池４の酸素極７へはブロワ１５で空気を供給するが、通常、空気の酸素濃度は２０％前後であるが、ブロワ１５の前に酸素富化膜２１を設けることにより、酸素富化膜２１で酸素濃度を３０％以上に上げることができるので、燃料電池４の酸素極７へは酸素濃度の高い空気を供給することができる。
【００３８】
以上のように、本実施例においては、燃料電池４の酸素極７へ高酸素濃度の空気を供給することができるので、供給酸素量を上げて燃料電池４の発電能力を向上することができる。
【００３９】
（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。
【００４０】
図５において、２２ａは酸素極側３方切換手段である３方弁、２３は空気バイパス配管で、実施例１から４の構成と異なるところは、燃料電池４の酸素極７の出口と酸素極７の入口とを３方弁２２ａを介して接続する空気バイパス配管２３を設けた点である。
【００４１】
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。
【００４２】
まず、燃料電池温度検出手段１２ｂの検出温度が所定の値以上で酸素極７で充分に酸素が消費されている場合は酸素極７の出口に設けた３方弁２２ａを制御器１３で排空気熱回収熱交換器８に管路を接続するように制御する。一方、燃料電池温度検出手段１２ｂの検出温度が所定の値に達していない起動時などにおいて、酸素極７で充分に酸素が消費されない場合は酸素極７の出口に設けた３方弁２２ａを制御器１３でブロワ１５の吸入側に管路を接続するように制御する。
【００４３】
以上のように、本実施例においては、燃料電池４の酸素極７の入口と出口とを３方弁２２ａを介して接続する空気バイパス配管２３を設けることにより、起動時に酸素極７の出口の酸素濃度の高い空気を入口にもどすことができるので、酸素極７からの放熱を低くすることができ起動時間を大幅に短縮することができる。
【００４４】
（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。
【００４５】
図６において、２２ｂは燃料極側３方切換手段である３方弁で、２４は水素バイパス配管で実施例１から５の構成と異なるところは、燃料電池４の燃料極５の出口と入口とを３方弁２２ｂを介して接続する水素バイパス配管２４を設けた点である。
【００４６】
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。
【００４７】
まず、燃料電池温度検出手段１２ｂの検出温度が所定の値以上で燃料極５で充分に水素が消費されている場合は燃料極５の出口に設けた３方弁２２ｂを制御器１３で排気ガス熱回収熱交換器３に管路を接続するように制御する。一方、燃料電池温度検出手段１２ｂの検出温度が所定の値に達していない起動時などにおいて、燃料極５で充分に水素が消費されない場合は燃料極５の出口に設けた３方弁２２ｂを制御器１３で水素バイパス配管２４側に管路を接続するように制御する。
【００４８】
以上のように、本実施例においては燃料電池４の燃料極５の入口と出口とを３方弁２２ｂを介して接続する水素バイパス配管２４を設けることにより、起動時に燃料極５の出口に未消費の水素を入口にもどすことができるので、燃料極５からの放熱を低くすることができ起動時間を大幅に短縮することができる。
【００４９】
（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。
【００５０】
図７において、１６は燃料電池４の冷却水回路、１７は冷却水ポンプで、実施例１から６の構成と異なるところは、排空気熱回収熱交換器８と排水素熱回収熱交換器６と排気ガス熱回収熱交換器３とを冷却熱回収熱交換器９を有する冷却水回路１６に設けた点である。
【００５１】
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。
【００５２】
まず、燃料電池４を冷却して加熱された冷却水は冷却水ポンプ１７で冷却水回路１６を循環するが、さらに排水素熱回収熱交換器６と排空気熱回収熱交換器８と排気ガス熱回収熱交換器３で加熱して冷却熱回収熱交換器９で被加熱水回路１０の被加熱水に放熱することができる。
【００５３】
以上のように、本実施例においては、冷却水回路１６に排水素熱回収熱交換器６と排空気熱回収熱交換器８と排気ガス熱回収熱交換器３を設けることにより、温水温度の制御が容易にでき、被加熱水回路１０を簡単な構成にすることができるので、蓄熱槽１と燃料電池４を分離して設置する際に設置の自由度を向上することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高温の温水が得られ小型の蓄熱槽を有する始動時間の短い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】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  蓄熱槽
２  水素製造装置
３  排気ガス熱回収熱交換器
４  燃料電池
５  燃料極
６  排水素熱回収熱交換器
７  酸素極
８  排空気熱回収熱交換器
９  冷却熱回収熱交換器
１０  被加熱水回路
１１  給水量調節手段（流量調整手段）
１２ａ  温度検知手段
１２ｂ  燃料電池温度検知手段
１３  制御器
１４  循環ポンプ
１６  冷却回路（燃料電池冷却回路）
１９  バイパス配管
２０  ４方弁（４方切換え手段）
２１  酸素富化膜（酸素富化装置）
２２ａ  ３方弁（酸素極側３方切換え手段）
２２ｂ  ３方弁（燃料極側３方切換え手段）
２３  空気バイパス配管
２４  水素バイパス配管
【図１】
2004335292.tif 000003
【図２】
2004335292.tif 000004
【図３】
2004335292.tif 000005
【図４】
2004335292.tif 000006
【図５】
2004335292.tif 000007
【図６】
2004335292.tif 000008
【図７】
2004335292.tif 000009
【図８】
2004335292.tif 000010