JP5092960B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電に伴って発生する熱を回収利用して温水を生成する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

燃料電池は、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成するものであり、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないクリーンな発電装置として期待されている。特に、発電時に発生する熱を給湯や暖房等に回収利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。

従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば、図５に示すような構成を有する（例えば、特許文献１参照）。

水素製造装置５２では、メタン等の原料ガスを水蒸気等で改質することにより水素を製造する。また、燃料電池５１では、水素製造装置５２で製造された水素をアノード６２に、空気ブロワ６７により供給された空気中の酸素をカソード６３に流通させ、電気化学的に反応させることで発電を行う。

貯湯タンク５３の貯湯水を循環させる貯湯水循環回路５９には、水素製造装置５２の排ガスから熱回収を行う排ガス熱交換器５５と、燃料電池５１のカソード６３の出口に設けたカソードオフガス熱交換器５６と、燃料電池５１の冷却水熱交換器５７が、この順番に配管接続されている。

そして、循環ポンプ５４により貯湯水循環回路５９を循環する貯湯タンク５３の貯湯水は、排ガス熱交換器５５、カソードオフガス熱交換器５６および冷却水熱交換器５７において過熱される。

冷却水循環ポンプ６０は、燃料電池５１内部の冷却水流路６４と冷却水熱交換器５７とを接続した冷却水回路５８に冷却水を循環させる。

このような燃料電池コージェネレーションシステムに用いられる熱交換器としては、プレート式やシェルアンドチューブ式などの熱交換器が提案されている。
特許第３４４８５６８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、水素製造装置５２からの排ガスの排熱を貯湯水に回収する排ガス熱交換器５５の下流に、燃料電池５１からのカソードオフガスの排熱を貯湯水に回収するカソードオフガス熱交換器５６を配置した構成であり、排ガスの排熱で昇温した貯湯水により、カソードオフガスの排熱を回収するため、貯湯水とカソードオフガスとの温度差が小さくなり、熱回収量が低下して、燃料電池コージェネレーションシステムの熱回収効率が低下する。

また、排ガス熱交換器５５、カソードオフガス熱交換器５６、冷却水熱交換器５７を直列に配置した構成であり、これらを直線状に鉛直方向に配置すると装置高さが高くなり、水平方向に配置すると装置幅が大きくなる。

また、排ガス熱交換器５５、カソードオフガス熱交換器５６、冷却水熱交換器５７を並列に配置して配管接続すると、配管の引き回しが上から下、下から上のように複雑になる。いずれにしても、装置のレイアウト設計上の制約が生じるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、排熱回収効率が高く、省エネ性とコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供するものである。

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システムは、
少なくとも燃料電池と水素製造装置と貯湯タンクとを有している燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記貯湯タンクからの貯湯水が、循環ポンプにより、前記燃料電池のカソードオフガスの排熱を回収するカソードオフガス熱交換器と、前記燃料電池の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器と、前記水素製造装置の燃焼排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器と、を介して前記貯湯タンクに戻るように構成されている貯湯水循環回路を備え、
前記排ガス熱交換器および前記カソードオフガス熱交換器が、前記貯湯水循環回路に並列配置され、かつ前記排ガス熱交換器と前記カソードオフガス熱交換器と冷却水熱交換器とが一体化した構成である。

これによって、貯湯水と複数の排熱回収源の温度差をおのおの大きく確保することができるため、排熱回収量が多くなり、排熱回収効率を高くすることができる。また、熱交換器を並列に配置することで、熱交換器を鉛直方向に配置しても装置高さを低く押さえられ、配管構成も簡素化することができる。

さらに、複数の熱交換器、すなわち、カソードオフガス熱交換器、排ガス熱交換器、冷却水熱交換器を一体化することで、デッドスペースを排除し、配管の引き回しも簡素化することでき、省エネ性とコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、排熱回収効率が高く、省エネ性とコンパクト性に優れたシステムを実現することができる。

第１の発明は、
少なくとも燃料電池と水素製造装置と貯湯タンクとを有している燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記貯湯タンクからの貯湯水が、循環ポンプにより、前記燃料電池のカソードオフガスの排熱を回収するカソードオフガス熱交換器と、前記燃料電池の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器と、前記水素製造装置の燃焼排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器と、を介して前記貯湯タンクに戻るように構成されている貯湯水循環回路を備え、
前記排ガス熱交換器および前記カソードオフガス熱交換器が、前記貯湯水循環回路に並列配置され、かつ前記排ガス熱交換器と前記カソードオフガス熱交換器と冷却水熱交換器とが一体化した構成である。これによって、貯湯水と複数の排熱回収源の温度差をおのおの大きく確保することができるため、排熱回収量が多くなり、排熱回収効率が高くすることができる。

また、熱交換器を並列に配置することで、熱交換器を鉛直方向に配置しても装置高さを低く押さえ、配管構成も簡素化することができる。さらに、カソードオフガスと排ガスとを区画する仕切り部で、これらのガス同士が熱交換することにより、各々のガスの温度が均一化され、効率よく排熱回収が行える。

また、複数の熱交換器、すなわち、カソードオフガス熱交換器、排ガス熱交換器、冷却水熱交換器を一体化することで、デッドスペースを排除し、配管の引き回しも簡素化することでき、省エネ性とコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明の構成において、貯湯水が鉛直方向の下から上へ単調に流れるように、排ガス熱交換器、カソードオフガス熱交換器、冷却水熱交換器を構成してなるものであり、貯湯水が熱交換器で加熱され、水に含まれる溶存酸素が気泡として発生するような場合も、流路内に滞留することなく、気泡の排出が密度差による浮力によって容易に可能となり、熱交換性能が劣化することなく、省エネ性に優れ信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記燃料電池のアノードオフガスの排熱を回収するアノードオフガス熱交換器を備え、前記排ガス熱交換器と前記カソードオフガス熱交換器と前記冷却水熱交換器と前記アノードオフガス熱交換器とが一体化した構成である。これによって、貯湯水と複数の排熱回収源の温度差をおのおの大きく確保することができるため、排熱回収量が多くなる。

また、熱交換器を並列に配置することで、熱交換器を鉛直方向に配置しても装置高さを低く押さえ、配管構成も簡素化することができる。さらに、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスの熱も貯湯水に回収するため、システムとしての排熱回収量をより一層多くすることができる。

また、カソードオフガスと排ガスとを区画する仕切り部で、これらのガス同士が熱交換することにより、各々のガスの温度が均一化され、効率よく排熱回収が行える。

さらに、複数の熱交換器、すなわち、カソードオフガス熱交換器、排ガス熱交換器、アノードオフガス熱交換器、冷却水熱交換器を全て一体化することで、デッドスペースを排除し、配管の引き回しも簡素化することでき、排熱回収効率がより一層高く、省エネ性とより一層のコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

第５の発明は、第４の発明の構成において、貯湯水が鉛直方向の下から上へ単調に流れるように、アノードオフガス熱交換器、排ガス熱交換器、カソードオフガス熱交換器、冷却水熱交換器を構成してなるものであり、貯湯水が熱交換器で加熱され、水に含まれる溶存酸素が気泡として発生するような場合も、流路内に滞留することなく、気泡の排出が密度差による浮力によって容易に可能となり、熱交換性能が劣化することなく、省エネ性に優れ信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。

図１において、本実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムは、少なくとも燃料電池１と水素製造装置２と貯湯タンク３とを有し、貯湯タンク３からの貯湯水が、循環ポンプ４により燃料電池１のカソードオフガスの排熱を回収するカソードオフガス熱交換器６と、燃料電池１の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器７と、水素製造装置２の排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器５とを介して貯湯タンク３に戻る貯湯水循環回路９を備え、前記した排ガス熱交換器５およびカソードオフガス熱交換器６が、貯湯水循環回路９に並列配置された構成である。

燃料電池１は、水素製造装置２で製造された水素と空気ブロワ１２から送られた空気中の酸素とが、燃料極であるアノード３２および酸素極であるカソード３３において電気化学的に反応し、発電を行うものである。

水素製造装置２は、メタンやプロパン等の原料ガスから、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により水素を製造し、燃料電池１の燃料極であるアノード３２に送出するものである。改質反応は一般に高温下で行われるため、燃焼部３１おいて排水素等を燃焼させ水素製造装置２内の原料ガス等を加熱している。

一方、燃料電池１の冷却部３４には、冷却水循環ポンプ１１により冷却水が供給され、冷却水回路８によって冷却水熱交換器７との間を循環する。

貯湯タンク３下部の貯湯水は、循環ポンプ４により貯湯水循環回路９に送られ、２つに分岐される。一方の貯湯水は、排ガス熱交換器５において、水素製造装置２から排出され排ガス流路２２を流れる燃焼排ガスの熱を回収し昇温される。もう一方の貯湯水は、カソードオフガス熱交換器６において、燃料電池１のカソード３３から排出されカソードオフガス流路２３を流れるカソードオフガスの熱を回収し昇温される。

それぞれの熱交換器で昇温された貯湯水は再び合流し、冷却水熱交換器７において、冷却水回路８を循環する燃料電池１の冷却水の熱を回収し昇温される。冷却水熱交換器７の貯湯水出口には、フロート式や電磁式の空気抜き手段３５が設置されている。

最後に、貯湯水は貯湯タンク３の上部に送られ、貯湯タンク３内に温度成層を形成する。なお、貯湯タンク３からの出湯は、貯湯タンク３下部から水道水を供給し、上部から高温の湯を押し出すことにより行われる。

排ガス熱交換器５、カソードオフガス熱交換器６としては、ガス側の圧力損失等を考慮して、例えばシェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。特に、図２に示すように、排ガス流路２２とカソードオフガス流路２３とを仕切り部２５で２つに区画されたシェルとして一体的に構成し、その各々のシェルの中を貯湯水循環回路９と連通する複数の水管２６が貫通する構成とすればよい。

冷却水熱交換器７としても、同様に、シェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。例えば、貯湯水は前記した複数の水管２６をそのまま流れるものとし、シェル側に燃料電池１からの冷却水を流入させる。このとき、シェル内に棚段等を設けて流路を区画し、流速を上げてやれば、冷却水熱交換器７の伝熱促進を行うことができる。

ここで、貯湯水循環回路９に排ガス熱交換器５とカソードオフガス熱交換器６とが並列に配置され、貯湯水と排ガスおよびカソードオフガスとの温度差をおのおの大きく確保することができるため、排熱回収量が多くなり、排熱回収効率が高くすることができる。

また、各熱交換器を並列に配置することで、熱交換器の鉛直方向の高さを抑え、装置高さを低く押さえることができる。さらに、配管を上下方向に引き回すことなくレイアウトすることができるため、配管構成も簡素化することができる。

さらに、カソードオフガス熱交換器６と排ガス熱交換器５と冷却水熱交換器７とが、図２に示すように、一体化した構成であるものであり、カソードオフガスと排ガスとを区画する仕切り部２５で、これらのガス同士が熱交換することにより、各々のガスの温度が均一化され、効率よく排熱回収が行える。

また、複数の熱交換器、すなわち、カソードオフガス熱交換器６と排ガス熱交換器５と冷却水熱交換器７とを一体化することで、デッドスペースを排除し、配管の引き回しも簡素化することでき、省エネ性とより一層のコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

また、図２に示すように、貯湯水が鉛直方向の下から上へ流れるように各熱交換器を構成することで、貯湯水が熱交換器で加熱され、水に含まれる溶存酸素が気泡として発生するような場合も、気泡が貯湯水循環回路９内に滞留することなく、気泡の排出が重力によって容易に可能となり、熱交換性能が劣化することなく、システムの信頼性が向上する。

貯湯水循環回路９の構成としては、図のように、直線状に貯湯水が上昇する形状が望ましいが、蛇行状であっても単調に貯湯水が上昇する形状であれば構わない。

さらに、図２に示すように、排ガスおよびカソードオフガスが鉛直方向の上から下へ流れるように排ガス流路２２およびカソードオフガス流路２３を形成することで、排ガスやカソードオフガスが熱交換器で冷却され、各ガス中に含まれる水蒸気成分が凝縮し、結露水が発生するような場合も、各々の流路（排ガス流路２２、カソードオフガス流路２３）内に滞留することなく、結露水の排出が重力によって容易に可能となり、熱交換性能が劣化することなく、システムの信頼性が向上する。

排ガス流路２２およびカソードオフガス流路２３の形状としては、直線状に各流体が上昇する形状が望ましいが、蛇行状であっても各流体が上昇することなく単調に下降する形状であれば構わない。

したがって、本実施例によれば、省エネ性とコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。本実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成とその作用は、実施の形態１の構成と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

実施の形態１と異なるのは、燃料電池１のアノード３２の出口側に、アノードオフガスの排熱を回収するアノードオフガス熱交換器１６を設置し、貯湯タンク３からの貯湯水に最も上流で熱回収を行うように構成し、さらに、図４に示すように、カソードオフガス熱交換器６、排ガス熱交換器５、冷却水熱交換器７、アノードオフガス熱交換器１６を全て一体化した点である。

図３において、貯湯タンク３下部の貯湯水は、循環ポンプ４により貯湯水循環回路９に送られ、まず、アノードオフガス熱交換器１６において、燃料電池１のアノード３２から排出されアノードオフガス流路２９を流れるアノードオフガスの熱を回収し昇温される。次に、貯湯水は２つに分岐され、一方は排ガス熱交換器５において、水素製造装置２から排出され排ガス流路２２を流れる燃焼排ガスの熱を回収し昇温される。

もう一方は、カソードオフガス熱交換器６において、燃料電池１のカソード３３から排出されカソードオフガス流路２３を流れるカソードオフガスの熱を回収し昇温される。

それぞれの熱交換器で昇温された貯湯水は再び合流し、冷却水熱交換器７において、冷却水回路８を循環する燃料電池１の冷却水の熱を回収し昇温される。冷却水熱交換器７の貯湯水出口には、フロート式や電磁式の空気抜き手段３５が設置されている。最後に、貯湯タンク３の上部に送られ、貯湯タンク３内に温度成層を形成する。なお、貯湯タンク３からの出湯は、貯湯タンク３下部から水道水を供給し、上部から高温の湯を押し出すことにより行われる。

このような構成によれば、実施の形態１と同様に、貯湯水循環回路９に排ガス熱交換器５とカソードオフガス熱交換器６とが並列に配置され、貯湯水と排ガスおよびカソードオフガスとの温度差をおのおの大きく確保することができるため、排熱回収量が多くなり、排熱回収効率が高くすることができる。

排ガス熱交換器５、カソードオフガス熱交換器６、アノードオフガス熱交換器１６としては、ガス側の圧力損失等を考慮して、例えばシェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。

特に、図４に示すように、排ガス流路２２とカソードオフガス流路２３とを仕切り部２５で２つに区画されたシェルとして一体的に構成し、さらに、アノードオフガス流路２９を仕切り部２７で区画して、３つのガス流路を一体的に構成し、その各々のシェルの中を貯湯水循環回路９と連通する複数の水管２６が貫通する構成とすればよい。

冷却水熱交換器７としても、同様に、シェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。例えば、貯湯水は前記した複数の水管２６をそのまま流れるものとし、シェル側に燃料電池１からの冷却水を流入させる。このとき、シェル内に棚段等を設けて流路を区画し、流速を上げてやれば、冷却水熱交換器７の伝熱促進を行うことができる。

各熱交換器を並列に配置することで、熱交換器の鉛直方向の高さを抑え、装置高さを低く押さえることができる。さらに、配管を上下方向に引き回すことなくレイアウトすることができるため、配管構成も簡素化することができる。

また、燃料電池１のアノード３２から排出されるアノードオフガスの熱も貯湯水に回収するため、システムとしての排熱回収量をより一層多くすることができる。

さらに、カソードオフガス熱交換器６と排ガス熱交換器５とアノードオフガス熱交換器１６と冷却水熱交換器７とが、図４に示すように、一体化した構成であるものであり、カソードオフガスと排ガスとを区画する仕切り部２５で、これらのガス同士が熱交換することにより、各々のガスの温度が均一化され、効率よく排熱回収が行える。

また、複数の熱交換器を一体化することで、デッドスペースを排除し、配管の引き回しも簡素化することでき、省エネ性とより一層のコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

また、図４に示すように、貯湯水が鉛直方向の下から上へ流れるように各熱交換器を構成することで、貯湯水が熱交換器で加熱され、水に含まれる溶存酸素が気泡として発生するような場合も、気泡が貯湯水循環回路９内に滞留することなく、気泡の排出が重力によって容易に可能となり、熱交換性能が劣化することなく、システムの信頼性が向上する。貯湯水循環回路９の構成としては、図のように、直線状に貯湯水が上昇する形状が望ましいが、蛇行状であっても単調に貯湯水が上昇する形状であれば構わない。

さらに、図４に示すように、アノードオフガス、排ガスおよびカソードオフガスが鉛直方向の上から下へ流れるようにアノードオフガス流路２９、排ガス流路２２およびカソードオフガス流路２３を形成することで、アノードオフガスや排ガスやカソードオフガスが熱交換器で冷却され、各ガス中に含まれる水蒸気成分が凝縮し、結露水が発生するような場合も、各々の流路（アノードオフガス流路２９、排ガス流路２２またはカソードオフガス流路２３）内に滞留することなく、結露水の排出が重力によって容易に可能となり、熱交換性能が劣化することなく、システムの信頼性が向上する。

アノードオフガス流路２９、排ガス流路２２およびカソードオフガス流路２３の形状としては、直線状に各流体が上昇する形状が望ましいが、蛇行状であっても各流体が上昇することなく単調に下降する形状であれば構わない。

したがって、本実施例によれば、排熱回収効率がより一層高く、省エネ性とコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池コージェネレーションシステムは、排ガス熱交換器およびカソードオフガス熱交換器を貯湯水循環回路に並列配置し、さらに冷却水熱交換器と一体化した構成とすることにより、省エネ性とコンパクト性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図 同燃料電池コージェネレーションシステムに用いる熱交換器の構成図 本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図 同燃料電池コージェネレーションシステムに用いる熱交換器の構成図 従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素製造装置
３ 貯湯タンク
４ 循環ポンプ
５ 排ガス熱交換器
６ カソードオフガス熱交換器
７ 冷却水熱交換器
９ 貯湯水循環回路
１６ アノードオフガス熱交換器

Claims (5)

1. 少なくとも燃料電池と水素製造装置と貯湯タンクとを有している燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   前記貯湯タンクからの貯湯水が、循環ポンプにより、前記燃料電池のカソードオフガスの排熱を回収するカソードオフガス熱交換器と、前記燃料電池の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器と、前記水素製造装置の燃焼排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器と、を介して前記貯湯タンクに戻るように構成されている貯湯水循環回路を備え、
   前記排ガス熱交換器および前記カソードオフガス熱交換器が、前記貯湯水循環回路に並列配置され、かつ前記排ガス熱交換器と前記カソードオフガス熱交換器と冷却水熱交換器とが一体化した構成である、
   燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記燃料電池のアノードオフガスの排熱を回収するアノードオフガス熱交換器を備え、
   前記アノードオフガス熱交換器は、前記貯湯タンクからの貯湯水と最も上流で熱回収を行うように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 貯湯水が鉛直方向の下から上へ単調に流れるように、前記排ガス熱交換器、前記カソードオフガス熱交換器、および前記冷却水熱交換器を構成してなる請求項１又は２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 前記燃料電池のアノードオフガスの排熱を回収するアノードオフガス熱交換器を備え、前記排ガス熱交換器と前記カソードオフガス熱交換器と前記冷却水熱交換器と前記アノードオフガス熱交換器とが一体化した構成である請求項１又は２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 貯湯水が鉛直方向の下から上へ単調に流れるように、前記アノードオフガス熱交換器、前記排ガス熱交換器、前記カソードオフガス熱交換器、および前記冷却水熱交換器を構成してなる請求項４に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。

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