JP2004342345A - 燃料電池コージェネレーション装置 - Google Patents
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Abstract
【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、空気熱回収熱交換器4と、水素熱回収熱交換器3と、冷却熱回収熱交換器8と、水素製造装置14の排気ガス熱回収熱交換器15と、蓄熱槽に蓄熱する蓄熱循環回路16と、空気熱回収熱交換器4と水素熱回収熱交換器3と排気ガス熱回収熱交換器15において生成する結露水を回収して蓄える凝縮水タンク2と、凝縮水タンク2の底部から燃料電池1の冷却水循環回路5の冷却ポンプ6の吸入側へ開閉手段A17aを介して接続する供給管18と、燃料電池1の冷却回路5から凝縮水タンク2へ開閉手段B17bを介して接続する戻り管19とを設けたものである。
【選択図】 図1
Description
【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7に記載されているようなものがあった。
【0003】
図7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は凝縮水タンクで、3は水素熱回収熱交換器で、4は空気熱回収熱交換器で、5は冷却回路で、6は冷却水ポンプで、7は冷却水タンクで、8は冷却熱回収熱交換器で、9は水供給管で、10は水供給ポンプで、11は水排出管である(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−141095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、燃料電池の冷却回路に冷却水タンクを設けているため冷却回路の熱容量が大きくなって起動時間が長くなり、さらに凝縮水タンクと冷却水タンクの2つのタンクを設けた構成としているため構造が複雑になり部品点数も多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、タンクやポンプなどの構成部品が少ない簡易な構造とし、燃料電池の冷却回路の保有水量を低減し熱容量を小さくした起動時間の短い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、空気熱回収熱交換器と水素熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器において生成する結露水を回収して蓄える凝縮水タンクと、凝縮水タンクと燃料電池の冷却回路とを開閉手段を介して接続する供給管と戻り管とを設けた構成としたものである。
【0008】
これによって、供給管に設けた開閉手段を開放して必要な水量を燃料電池の冷却回路に供給し、冷却回路の水量が多くなった場合は戻り管に設けた開閉手段を開放して凝縮水タンクへ水を回収することにより、冷却回路にタンクが不要になり凝縮水タンクだけに水を蓄えて運転ができることとなり、簡易な構造を実現して燃料電池の冷却回路の保有水量を少なくすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載した発明は、燃料電池カソード出口に設けた空気熱回収熱交換器と、燃料電池アノード出口に設けた水素熱回収熱交換器と、燃料電池冷却回路の冷却熱回収熱交換器と、水素製造装置の排気経路に設けた排気ガス熱回収熱交換器と、空気熱回収熱交換器と水素熱回収熱交換器と冷却熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器とから熱を回収して蓄熱槽に蓄熱する蓄熱循環回路と、空気熱回収熱交換器と水素熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器において生成する結露水を回収して蓄える凝縮水タンクと、凝縮水タンクから燃料電池の冷却回路の冷却水ポンプの吸入側へ開閉手段Aを介して接続する供給管と、燃料電池の冷却回路から凝縮水タンクへ開閉手段Bを介して接続する戻り管とを設けた構成とすることにより、燃料電池の冷却回路の水量が不足する場合は、供給管に設けた開閉手段Aを開放して必要な水量を燃料電池の冷却回路に供給し、冷却回路の水量が多くなった場合は戻り管に設けた開閉手段Bを開放して凝縮水タンクへ水を回収することとなり、凝縮水タンクと冷却水ポンプの簡易な組み合わせ構造が実現でき、冷却回路の外部に設けた凝縮水タンクに水をためることにより冷却回路の保有水量を低減し熱容量を小さくして燃料電池の起動時間を短縮することができる。
【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、供給管に逆止弁と、戻り管に定圧作動弁を設けた構成とすることにより、冷却回路の水量が不足する場合は自重と冷却水ポンプの吸入力で供給し、冷却回路内の水量が増加した場合は冷却回路内の圧力の増加を利用して定圧作動弁を開放して回収することによりポンプや電磁弁などを用いることなく凝縮水タンクと燃料電池の冷却回路との間で水の供給回収を行うこととなり、装置の補機の消費電力を低減して発電効率を高めることができる。
【0011】
請求項3に記載の発明は、特に、請求項1又は2に記載の燃料電池コージェネレーション装置を、冷却回路の燃料電池入口にイオン交換フィルターを設けた構成とすることにより、凝縮水中に含まれるイオン類を燃料電池に持ち込むのを防止することとなり、燃料電池の発電能力が低下するのを防止することができる。
【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冷却回路の燃料電池入口に設けた水質検知手段と、イオン交換フィルターをバイパスするバイパス配管と、水質検知手段の検知値に応じてバイパス配管の開閉手段Cを切り換える制御装置とを設けた構成とすることにより、冷却回路内の循環水の水質が所定の値以下になった場合に、イオン交換フィルターに流して循環水を浄化し、水質が所定の値以上になった場合にイオン交換フィルターをバイパスするバイパス回路に流すように制御装置で開閉手段Cを制御することとなり、冷却水ポンプの消費電力を低減し、燃料電池に入る循環水の水質を一定値以上に保って発電能力を保証し、耐久性を向上することができる。
【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冷却水ポンプの吐出側から分岐して水素製造装置に純水を供給する水素水供給管と、水素水供給管に設けた流量制御手段と、流量制御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燃料電池の冷却に用いる冷却水ポンプを利用して凝縮水タンクに蓄えた凝縮水を水素製造装置に供給することとなり、外部からの水供給を不要とし、新たに部品を追加することなく水素製造装置に水を供給することができる。
【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、冷却水ポンプの吐出側から流量制御手段を介して燃料電池のカソード入口に設けたカソード加湿装置を接続するカソード加湿配管と、冷却ポンプの吐出側から流量制御手段を介して燃料電池のアノード入口に設けたアノード加湿装置を接続するアノード加湿配管とを設けた構成とすることにより、燃料電池の冷却に用いる冷却水ポンプを利用して凝縮水タンクに蓄えた凝縮水をカソード加湿配管よりカソード加湿装置に供給し、アノード加湿配管よりアノード加湿装置へ供給することとなり、外部からの水供給を不要とし、新たにポンプなどの部品を追加することなくカソード加湿装置とアノード加湿装置へ水を供給することができる。
【0015】
【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。
【0016】
(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。
【0017】
図1において、16は蓄熱循環回路で、燃料電池1のカソード12の出口に設けた空気熱回収熱交換器4とアノード13の出口に設けた水素熱回収熱交換器3と冷却回路5に設けた冷却熱回収熱交換器8と水素製造装置14の燃焼ガス排気経路に設けた排気ガス熱回収熱交換器15とから熱回収して蓄熱槽に蓄熱する。2は凝縮水タンクで、空気熱回収熱交換器4と水素熱回収熱交換器3と排気ガス熱回収熱交換器15において生成する結露水を回収して蓄える。
【0018】
凝縮水タンク2と冷却回路5とは、凝縮水タンク2の底部と冷却回路5の冷却水ポンプ6の吸入側とを開閉手段A17aを介して接続する供給管18と、冷却回路5と凝縮水タンク2とを開閉手段B17bを介して接続する戻り管19とで接続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、蓄熱循環回路16の循環水は、空気熱回収熱交換器4でカソード12の排気空気を冷却し、水素熱回収熱交換器3でアノード13の出口の排燃料ガスを冷却し、排気ガス熱回収熱交換器15では水素製造装置14の燃焼ガスを冷却して凝縮水を生成する。空気熱回収熱交換器4と水素熱回収熱交換器3と排気ガス熱回収熱交換器15で生成した凝縮水は凝縮タンク2に蓄える。燃料電池1の冷却回路5では燃料電池1で発生する熱を冷却ポンプ6で冷却熱回収熱交換器8に運んで蓄熱循環回路16に放熱するが、冷却回路5内の冷却水が不足した場合は、開閉手段A17aを開放して凝縮水タンク2の底部から供給管18を通して冷却回路5に凝縮水を導入し、一方、冷却回路5内の冷却水が増えた場合は、開閉手段B17bを開放して戻り管19を通して冷却回路5から冷却水を凝縮水タンク2に回収する。
【0021】
以上のように、本実施例においては、空気熱回収熱交換器4と水素熱回収熱交換器3と排気ガス熱回収熱交換器15で生成した凝縮水を蓄える凝縮タンク2と冷却回路5を、開閉手段A17a有する供給管18と開閉手段B17bを有する戻り管19で接続することにより、冷却回路5内の冷却水の可不足を凝縮水を貯める凝縮タンク2で調整することができ、冷却回路5内の冷却水の量を少なくすることができる。
【0022】
なお、本実施例では凝縮水を得るため、空気熱回収熱交換器と水素熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器を備えているが、機器全体の効率、凝縮水量の設定によっては、上記3つの熱交換器を必ずしも備える必要はなく水素熱回収熱交換器を省略して空気熱回収熱交換器、排気ガス熱回収熱交換器のみより凝縮水を回収する構成としてもよい。
【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、20は凝縮水タンク2の底部と冷却回路5の冷却ポンプ6の吸入側とを接続する供給管18に設けた逆止弁で、21は冷却回路5と凝縮水タンク2を接続する戻り管19に設けた定圧作動弁である。
【0025】
実施例1の構成と異なるところは、供給管18に逆止弁20を設け、戻り管19にバネなどを用いた定圧作動弁21を設けた点である。
【0026】
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。
【0027】
まず、密閉回路である冷却回路5内の冷却水量が減った場合は、凝縮水タンク2内にためる凝縮水が、凝縮水タンク2の底部から供給管18を通して自重と冷却ポンプ6の吸入圧力によって自動的に供給される。一方、冷却回路5内の冷却水量が増えた場合は冷却回路5内の圧力が上がるが、逆止弁20を設けているので供給管18から凝縮タンク2へは逆流しないで、冷却回路5内の圧力が定圧作動弁21の動作圧力を超えた時に、冷却水を戻り管19を通して凝縮タンク2返すことになり、電力などのエネルギーを用いずに冷却回路5内の冷却水の過不足を凝縮水タンク2内の凝縮水で調整することができる。
【0028】
(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。
【0029】
図3において、22はイオン交換フィルターで、実施例1と2の構成と異なるところは、燃料電池1の冷却回路5の燃料電池1の入口にイオン交換フィルター22を設けた点である。
【0030】
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。
【0031】
まず、燃料電池1の冷却回路5においては冷却水ポンプ6で冷却水を循環することにより、燃料電池1で発生する熱を冷却熱回収熱交換器8に運び蓄熱循環回路16に放熱して貯湯槽に蓄熱するが、この時、冷却水回路5を構成する材料や、凝縮タンク2から供給する凝縮水から冷却水にイオンが溶出する。冷却水中に溶出したイオンが燃料電池1内に入ると発電性能を低下させるが、冷却回路5の燃料電池1の入口のイオン交換フィルター22で冷却水中のイオンを補足して燃料電池1には純水として供給することとなる。
【0032】
以上のように、本実施例においては、冷却回路5の燃料電池1の入口にイオン交換フィルター22を設けた構成とすることにより、燃料電池1に純水を供給して発電能力を安定させて、耐久性を向上することができる。
【0033】
(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。
【0034】
図4において、23は水質検知手段で、24はバイパス回路で、25aは制御装置で、実施例1から3の構成と異なるところは、冷却回路5に設けたイオン交換フィルター22をバイパスし開閉手段C17cを有するバイパス回路24と、冷却回路5の燃料電池1の入口に設けた水質検知手段23と、水質検知手段23の検出値に応じて開閉手段C17cを制御する制御装置25aとを設けた点である。
【0035】
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。
【0036】
まず、冷却回路5の燃料電池1の入口に設けた水質検知手段23の検出値が低くて水質がよく保たれている場合は、制御手段25aで開閉手段C17cを開放してバイパス回路24側に冷却水を流し、水質検知手段23の検出値が高い値を検出した場合は、制御手段25aで開閉手段C17cを閉じてイオン交換フィルター22に冷却水を流す事となる。
【0037】
以上のように、本実施例においては、開閉手段C17cを有するバイパス回路24と水質検知手段23と水質検知手段23の検出値に応じて開閉手段C17cを制御する制御装置25aとを設けた構成としたことにより、冷却水の水質が良好な場合は流量抵抗の少ないバイパス回路24に流し、冷却水の水質が悪化した場合はイオン交換フィルター22に冷却水を流すこととなり、冷却水ポンプ6の消費電力を低減し冷却水を常に清浄な状態に保ち発電性能を維持して耐久性を向上することができる。
【0038】
(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。
【0039】
図5において、26は水供給配管で、27aは流量制御手段で、25bは制御装置で、実施例1から4の構成と異なるところは、冷却水ポンプ6の吐出側から分岐して純水を供給する水供給管26と、水供給管26に設けた流量制御手段27aと、流量制御手段27aを制御する制御装置25bとを設けた点である。
【0040】
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。
【0041】
まず、水素製造装置14では都市ガスなどの原料を改質して水素を製造して燃料電池1のアノード13に供給してカソード側の酸素とあわせて発電させるが、都市ガスなどの原料を改質する際に水が必要である。制御装置25bで負荷に応じて水供給管26に設けた流量制御手段27aを制御して、冷却回路5内の冷却水を冷却ポンプ6で水素製造装置14におくることとなる。
【0042】
以上のように、本実施例においては、冷却水ポンプ6の吐出側から分岐して水素製造装置14に接続する水供給管26と、水供給管26に設けた流量制御手段27aと、流量制御手段27aを制御する制御装置25bとを設けた構成とすることにより、燃料電池1の冷却に使用する冷却水ポンプ6によって冷却回路5内の冷却水を水素製造装置14に供給することとなり、外部より水を供給することなくさらに冷却水を供給するポンプを省略することができる。
【0043】
(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。
【0044】
図6において、28はカソード加湿配管で、29はカソード加湿器で、30はアノード加湿配管で、31はカソード加湿器で、25cは制御装置で、27bと27cは流量制御手段で、実施例1から5の構成と異なるところは、冷却水ポンプ6の吐出側と燃料電池1のカソード12の入口に設けたカソード加湿装置29とを流量制御手段27bを介してカソード加湿配管28で接続し、冷却水ポンプ6の吐出側と燃料電池1のアノード13の入口に設けたアノード加湿装置31とを流量制御手段27cを介してアノード加湿配管30で接続し、流量制御手段27bと27cを制御する制御装置25cを設けた点である。
【0045】
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。
【0046】
まず、制御装置25cで流量制御手段27bを制御して冷却回路5内の冷却水を冷却水ポンプ6の圧力でカソード加湿配管28を通してカソード加湿装置29へ供給し、流量制御手段27cを制御して冷却回路5内の冷却水を冷却ポンプ6の圧力でアノード加湿配管30を通してアノード加湿装置31へ供給する。
【0047】
以上のように、本実施例においては、冷却水ポンプ6の吐出側から分岐してカソード加湿装置29に流量制御手段27bを介して接続するカソード加湿配管28と、アノード加湿装置31に流量制御手段27cを介して接続するアノード加湿配管30を設けた構成とすることにより、燃料電池1のカソード12とアノード13の湿度を簡易な構成で最適な状態に保ち発電効率を高めることができる。
【0048】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、タンクやポンプなどの構成部品が少ない簡易な構造とし、燃料電池の冷却水循環回路の保有水量を低減し熱容量を小さくした起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】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 凝縮水タンク
3 水素熱回収熱交換器
4 空気熱回収熱交換器
5 冷却回路
6 冷却水ポンプ
8 冷却熱回収熱交換器
12 カソード
13 アノード
14 水素製造装置
15 排気ガス熱回収熱交換器
16 蓄熱循環回路
17a 開閉手段A
17b 開閉手段B
17c 開閉手段C
18 供給管
19 戻り管
20 逆止弁
21 定圧作動弁
22 イオン交換フィルター
23 水質検知手段
24 バイパス配管
25a 制御装置
25b 制御装置
25c 制御装置
26 水供給管
27a 流量制御手段
27b 流量制御手段
27c 流量制御手段
28 カソード加湿配管
29 カソード加湿装置
30 アノード加湿配管
31 アノード加湿装置
Claims (6)
- 燃料電池のカソードの出口に設けた空気熱回収熱交換器と、前記燃料電池のアノードの出口に設けた水素熱回収熱交換器と、前記燃料電池の冷却回路の冷却熱回収熱交換器と、水素製造装置の燃焼ガス排気経路に設けた排気ガス熱回収熱交換器と、前記空気熱回収熱交換器と前記水素熱回収熱交換器と前記冷却熱回収熱交換器と前記排気ガス熱回収熱交換器とから熱を回収して蓄熱槽に蓄熱する蓄熱循環回路と、前記空気熱回収熱交換器と前記水素熱回収熱交換器と前記排気ガス熱回収熱交換器において生成する結露水を回収して蓄える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクの底部から前記燃料電池の冷却回路の冷却水ポンプの吸入側へ開閉手段Aを介して接続する供給管と、前記燃料電池の冷却回路から前記凝縮水タンクへ開閉手段Bを介して接続する戻り管とを設けた燃料電池コージェネレーション装置。
- 供給管の開閉手段Aに逆止弁と、戻り管の開閉手段Bに定圧作動弁を設けた請求項1に記載の燃料電池コージェネレーション装置。
- 冷却回路の燃料電池入口にイオン交換フィルターを設けた請求項1又は2記載の燃料電池コージェネレーション装置。
- 冷却回路の燃料電池入口に設けた水質検知手段と、イオン交換フィルターをバイパスするバイパス配管と、前記水質検知手段の検知値に応じてバイパス配管の開閉手段Cを切り換える制御装置とを設けた請求項1〜3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。
- 冷却水ポンプの吐出側から分岐して純水を供給する水供給管と、前記水供給管に設けた流量制御手段と、前記流量制御手段を制御する制御装置とを設けた請求項1〜4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。
- 冷却水ポンプの吐出側から流量制御手段を介して燃料電池のカソード入口に設けたカソード加湿装置と接続するカソード加湿配管と、冷却水ポンプの吐出側から流量制御手段を介して燃料電池のアノード入口に設けたアノード加湿装置とを接続するアノード加湿配管とを設けた請求項1〜5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。
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