JP2007227124A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体を貯留する冷媒タンクを有し、この冷媒タンクの熱を回収してコージェネレーションとして利用するタイプの燃料電池発電システムにおいて、熱回収温度の高い燃料電池発電システムを得る。
【解決手段】燃料電池スタックを冷却するための冷媒を貯蔵する冷媒タンクに、冷媒配管の下流の端部が接続された還流口と、この還流口の近傍に熱回収流体が流通する伝熱管とを備えるともに、この伝熱管を流れる熱回収流体の流れと冷媒タンク内の還流口の近傍を流れる冷媒の流れとが互いに対向流となるように冷媒タンク内に冷媒流制御機構を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関するもので、とくに燃料電池スタックを冷却するための冷媒とこの冷媒を貯留する冷媒タンクとを有し、この冷媒タンクの熱を回収してコージェネレーションとして利用するタイプの燃料電池発電システムに関するものである。

従来の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池スタックを冷却するための冷媒の温度を調整するために、自動車用では冷媒循環ラインにラジエータを設けたものが一般的であり、また、定置用では冷媒循環ラインに熱交換器を設けて、冷媒温度を調整すると同時に冷媒の熱を回収する構成が一般的であった。しかしながら、このような構成によれば、定置用では冷媒タンクとは別に熱交換器が必要となり、システム構成が複雑になるという問題があった。これを解決する手段として、この冷媒タンク内に熱回収水を流通させる伝熱管を設け、冷媒タンクにおいて冷媒温度調整および熱回収を行う構成の燃料電池発電システムが開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−２１３９７９号公報（８頁、図２）

従来の燃料電池発電システムにおいて、冷媒は、冷媒タンクから燃料電池スタックに送られ、燃料電池スタックを冷却して熱を受け取ったのちに再び冷媒タンクに戻されている。このとき、冷媒タンクに戻る冷媒は、燃料電池スタックから受け取った熱で３〜５℃温度上昇している。この冷媒の温度上昇を有効に回収して給湯などの熱源として用いている。上述のような冷媒タンク内に熱回収水を流通させる伝熱管を設け、伝熱管で熱回収を行う従来の燃料電池発電システムにおいては、冷媒タンクは冷媒の貯蔵が第一の目的であるため、温度上昇して冷媒タンクに戻ってくる冷媒の量よりも、冷媒タンク内に貯蔵されている冷媒の量の方が多い。そのため、冷媒タンクの大部分が、戻ってくる冷媒より温度の低い貯蔵されている冷媒で占められているために、戻ってくる冷媒は貯蔵されている冷媒で速やかに希釈され、冷媒タンクの温度上昇は極めて小さくなる。その結果、仮にロスのない理想的な伝熱が冷媒タンク内で行われたとしても、伝熱管で熱回収できる温度は、冷媒タンクの温度が上限となり、戻ってくる冷媒の温度より３〜５℃低くなってしまうという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、熱回収温度の高い燃料電池発電システムを得ることを目的としている。

この発明に係る燃料電池発電システムにおいては、燃料電池スタックを冷却するための冷媒を貯蔵する冷媒タンク内に、冷媒配管の下流の端部が接続された還流口と、この還流口の近傍に熱回収流体が流通する伝熱管とを備えるともに、この伝熱管を流れる熱回収流体の流れと冷媒タンク内の還流口の近傍を流れる冷媒の流れとが互いに対向流となるように冷媒タンク内に冷媒流制御機構を備えたものである。

この発明は、伝熱管を流れる熱回収流体の流れと冷媒タンク内の還流口近傍を流れる冷媒の流れとが互いに対向流となるように、冷媒タンク内に冷媒流制御機構を備えたので、温度上昇して冷媒タンクに戻ってくる冷媒から速やかに熱回収流体に熱を移動させることができる。このため、熱回収温度が高い燃料電池発電システムが得られる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における燃料電池発電システムの概略を示す構成図であり、とくに燃料電池スタックの冷媒系および熱回収系を中心に示した構成図である。燃料電池スタック１は図示していないカソード側に空気が供給され、図示していないアノード側に燃料ガスが供給され電気化学反応によって発電が行われるものである。このとき燃料電池スタック１では発熱が生じるため、冷媒配管２の中を冷媒ポンプ３によって冷媒を循環させて、燃料電池スタック１を冷却して燃料電池スタック１が所定の温度範囲で動作するように構成されている。ここで冷媒としては、イオン交換水（純水）が用いられている。冷媒は燃料電池発電システム運転中あるいは停止中に蒸発によって総量が減少するため、バッファとしての冷媒タンク４に貯留されている。また、冷媒配管２および燃料電池スタック１には加湿器は含まれておらず、冷媒は冷媒配管２および冷媒タンク４で閉ループ化されている。カソード側に供給する空気の加湿には、図示してない温湿度交換型加湿器が用いられている。

燃料電池スタック１の運転温度は例えば７０〜８０℃であり、燃料電池スタック１の全体にわたって均温化が要求されるため、冷媒の温度も運転温度に相応した温度に制御する必要がある。具体的には、例えば冷媒が燃料電池スタック１に約７０℃で流入し、燃料電池スタック１の発熱により約７５℃に上昇して流出する。このとき、冷媒は、冷媒タンク４に約７５℃で流入（冷媒配管２での放熱は無視できるものとすると冷媒タンク４への冷媒の流入温度は燃料電池スタック１の流出温度に等しい）する。したがって、冷媒を再び燃料電池スタック１の冷却に用いるためには、冷媒タンク４内で冷媒を７０℃まで冷却する必要がある。そうすることによって、冷媒タンク４から冷媒ポンプ３によって送出される冷媒温度は７０℃となり、冷媒配管２での放熱は無視できるものとすれば７０℃の冷媒を燃料電池スタック１に供給することができる。

冷媒タンク４の内部には伝熱管５が設置されており、伝熱管５の内部には熱回収流体として熱回収水（通常の水道水）が流れている。伝熱管５は、熱回収水が冷媒タンク４と貯湯槽６と循環するように、貯湯槽６の下部から出て、冷媒タンク４内部を通り貯湯槽６の上部にいたる熱回収ライン７を構成している。伝熱管５の内部を流れる熱回収水は、熱回収水ポンプ８によって搬送される。

貯湯槽６の内部に貯留されている熱回収水は、通常温度境界層を挟んで上部の高温部と下部の低温部に分かれている。したがって、冷媒タンク４の内部の伝熱管５には低温部の熱回収水が供給され、冷媒から熱を回収して、冷媒タンク４から出る時点では約７５℃弱（冷媒タンク４への戻り冷媒より１〜２℃低い温度）の温水となっている。伝熱管５を流れる間の放熱を無視すれば、貯湯層６上部には約７５℃の熱回収水が蓄えられることになる。この約７５℃の熱回収水は風呂や洗面所などの給湯に用いることができる。

例えば、貯湯槽６の下部に水道水供給ライン１０から常温の水道水が供給され、この常温の水道水が熱回収水として貯湯槽６から伝熱管５に送られ、冷媒タンク４で暖められて約７５℃温水となり、貯湯槽６の上部に戻される。この貯湯槽６の上部に貯まった約７５℃の温水が給湯ライン１１を経由して風呂や洗面所に供給される。給湯ライン１１を経由して使用された量を補うために、水道水供給ライン１０から水道水が適宜補給される。そのため、貯湯槽６の上部に蓄えられる熱回収水の温度は、エネルギー密度の観点から少しでも高い方が望ましい。したがって、貯湯槽６あるいは熱回収ライン７の放熱を抑えることはいうまでもないが、さらに、冷媒タンク４内での伝熱管５による熱回収流体の温度もわずかであっても向上させることが望ましい。

図１における冷媒タンク４はその構成をわかりやすくするため平面図（上から見た図）として表している。冷媒タンク４の図において、冷媒の入口（還流口）は右上、冷媒の出口は左上に設けられている。一方、熱回収水の入口は左下、熱回収水の出口は右上となっている。冷媒タンク４の内部には、冷媒流制御機構として仕切り板９が設けられている。この仕切り板９によって、燃料電池スタックの熱を受け取り冷媒の入口から冷媒タンク４に戻ってきた約７５℃の冷媒は、まず図の下方向に流れたのちに左上の出口に向かう流れとなる。一例として、図１に示す冷媒タンク４は、縦約２０ｃｍ、横約２５ｃｍ、高さ約１５ｃｍであり、燃料電池発電システムの運転中は、冷媒は冷媒タンク４の約１０ｃｍの高さまで貯留されている。仕切り板９の右側の部分（冷媒タンク４内の冷媒流れの上流部分）の容積は冷媒タンク４全体の容積の１／４程度である。伝熱管５の上流部５ａは、仕切り板９の左側に設置され、下流部５ｂは仕切り板９の右側に設置されている。下流部５ｂの長さは、伝熱管５の全体の長さに対して１／４程度である。伝熱管５は、金属製のフレキシブルチューブが用いられており、図１においてジグザグに表記されている部分は、コイル状に巻かれて冷媒内に浸漬されている。ここで、伝熱管５の上流部５ａの配置や形状にはとくに制限はない。一方、伝熱管の下流部５ｂの内部の熱回収水の流れは、コイルの主軸方向すなわちマクロ的な流れが図１において下から上、つまり仕切り板９によって下方向に流れが制限された冷媒の流れと対向流となっている。

このように構成された燃料電池発電システムにおいては、冷媒の入口から冷媒タンク４に戻ってきた約７５℃の高温の冷媒は、仕切り板９によって、下方向に流れが制限されているので、冷媒タンク４に貯蔵されている温度の低い冷媒とすぐに混じり合うことがなく、すぐに温度が下がることはない。さらに、伝熱管の下流部５ｂが、流れが制限された冷媒と接触するように配置されるとともに、下流部５ｂの内部の熱回収水の流れが、流れが制限された冷媒の流れと対向流になっているので、熱回収水の最も下流の部分で最も高温の冷媒の熱を回収することができる。その結果、出口での熱回収水の温度を上昇させることができる。

冷媒タンク４内の冷媒温度は入口と出口とで約５℃の差が生じている。伝熱管の上流部５ａでは、熱回収水は常温で流入するため冷媒との温度差が大きく、５℃の温度差の影響は小さい。すなわち、伝熱管の上流部５ａが接触する冷媒の温度は、そこを流れる熱回収水の温度が常温に近いので、冷媒の温度は７０℃でも７５℃でも大差がなく、すぐに温度上昇する。ところが、伝熱管の下流部５ｂでは、熱回収水の温度が上昇しており冷媒との温度差が小さくなっているため、熱回収水の出口が最も高温の冷媒の入口近くになるような対向流にすることにより、熱回収水の出口での温度を上昇させることができる。

ここで、仕切り板９がなく、単に熱回収水の出口を最も高温の冷媒の入口近くになるように設置しただけの構成にした場合、高温の冷媒が入口から冷媒タンク４内に入ってすぐに拡散してしまい、結果的に出口での熱回収水の温度を向上させる効果は得られなかった。したがって、本実施の形態に示すような構成にすることにより、熱回収水の温度を上昇させる効果がある。

なお、本実施の形態においては、冷媒流制御機構として仕切り板を用いた例を示したが、他の構成例えば、円筒を冷媒の入口を覆うように冷媒タンク内部に接続し、この円筒の内部に伝熱管の下流部が位置するような構成であってもよい。つまり、冷媒流制御機構としては、冷媒の入口から冷媒タンクに戻ってきた温度の高い冷媒が、他の冷媒とすぐに交じり合わないような冷媒の流れを作ことのできる機構であればよい。

また、本実施の形態においては、冷媒からの熱を回収して約７５℃になった熱回収水を直接給湯に用いる例を示したが、必ずしも熱回収水を直接給湯に用いる必要はない。例えば、熱回収水を貯湯槽および伝熱管で閉ループ化し、貯湯槽内で冷媒タンクと同様に熱交換するような配管構造とし、熱回収水と水道水との間で配管を介して熱交換するように構成してもよい。このように構成すると、熱回収水として水道水以外の流体、例えば不凍液や有機系の液体などを用いることができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの冷媒タンクの部分を示す構成図である。図１と同様、冷媒タンク４を平面図（上から見た図）として表している。冷媒タンク４以外の燃料電池発電システムの構成は、実施の形態１と同様である。

図２に示すように、本実施の形態の冷媒タンク４においては、冷媒の入口は右上、冷媒の出口は左上に位置している。ここで、仕切り板９は３枚設置されており、この３枚の仕切り板９で、冷媒は冷媒タンク４の内部を蛇行して流れるように構成されている。伝熱管５は実施の形態１と同様に金属製のフレキシブルチューブでコイル状に構成され、コイルの軸は、仕切り板９によって構成された冷媒の流路にほぼ添った形で設置されている。ここで、熱回収水の入口は冷媒タンク４の左上、熱回収水の出口は右上になるよう構成されているため、熱回収水の流れは、伝熱管５の全域に渡って冷媒の流れと対向することになる。

このような構成された燃料電池発電システムにおいては、熱回収水は冷媒から効率よく熱を回収でき、伝熱管の出口における熱回収水の温度を冷媒の入口温度近くまで上昇させることができる。本実施の形態では、伝熱管５の全領域に渡って熱回収水の流れを冷媒の流れと対向するように構成しているので、例えば、熱回収水の冷媒タンク４への（言い換えれば伝熱管５への）流入温度が常温よりも高くなり、熱回収水の入口での熱回収水の温度と冷媒の出口での冷媒の温度との温度差が小さくなった場合には、熱回収水の出口での温度上昇の効果がより大きくなる。入口での熱回収水の温度が常温よりも高くなった場合とは、例えば、何らかの理由で貯湯槽６の温度が上昇した場合、あるいは、冷媒タンク４より上流の熱回収ライン７に別途熱交換器が設けられている場合、あるいは熱回収水として、床暖房等の熱利用を行ったあとの中温水を用いる場合などが考えられる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの冷媒タンクの部分を示す構成図である。図１と同様、冷媒タンク４を平面図（上から見た図）として表している。冷媒タンク４以外の燃料電池発電システムの構成は、実施の形態１と同様である。

図３に示すように、本実施の形態の冷媒タンク４においては、冷媒の入口は右上、冷媒の出口は左下に位置している。ここで、仕切り板９は２枚設置されており、この２枚の仕切り板９と冷媒タンク４の側壁との間で、冷媒が冷媒タンク４の内部を蛇行して流れるように、流路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃが構成されている。伝熱管５は実施の形態１と同様に金属製のフレキシブルチューブでコイル状に構成され、コイルの軸は、仕切り板９によって構成された冷媒の流路にほぼ添った形で設置されている。ここで、熱回収水の入口は冷媒タンク４の左下、熱回収水の出口は右上になるよう構成されているため、熱回収水の流れは、伝熱管５の全域に渡って冷媒の流れとほぼ対向することになる。

図３に示す冷媒タンク４は、縦約１５ｃｍ、横約２０ｃｍ、高さ約１５ｃｍであり、燃料電池発電システムの運転中は、冷媒は約１０ｃｍの高さまで貯留されている。仕切り板９と仕切り板９あるいは冷媒タンク４の側壁との間で形成された冷媒の流路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃの幅は、それぞれ、１０ｃｍ、５ｃｍおよび５ｃｍとしている。幅を変えることによって、冷媒が流れる方向に垂直な面における流路１２ａの断面積より、流路１２ｂおよび１２ｃの断面積を小さくしている。

定性的には、冷媒の流路の幅が広い（断面積が広い）ほど対向流としての熱交換性能は低下する。本実施の形態においては、冷媒の流路の幅が広く対向流としての効果が小さい部分は、伝熱管５の上流側であり、逆に、熱回収水と冷媒との温度差が小さくなり対向流としての伝熱性能が要求される下流部においては、冷媒の流路の幅を狭くして（断面積を小さくして）、対向流としての熱交換性能を保っている。そのため、実施の形態２と同様に、伝熱管の出口における熱回収水の温度を冷媒の入口温度近くまで上昇させることができる。また、仕切り板の枚数が実施の形態２より少なくなるので、構成を簡略にできるという効果もある。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの冷媒タンクの部分を示す構成図である。図１と同様、冷媒タンク４を平面図（上から見た図）として表している。冷媒タンク４以外の燃料電池発電システムの構成は、実施の形態１と同様である。

図４に示すように、本実施の形態の冷媒タンク４においては、冷媒の入口は右上、冷媒の出口は左上に位置している。また、熱回収水の入口は冷媒タンク４の左下、熱回収水の出口は右下になるよう構成されている。冷媒タンク４の大きさ、仕切り板９の位置および伝熱管５の配置は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１と異なる点は、伝熱管５の出口の位置である。仕切り板９の右側において、伝熱管５のコイル状部分は実施の形態１と同様であるが、このコイル部の終端部すなわち冷媒タンク４の右上部において、伝熱管５が冷媒水面から上に出て、冷媒に浸漬せずに空間部分を通って冷媒タンク４の右下にある伝熱管５の出口に到達する。空間部分を通る伝熱管５の部分は、伝熱管５の周囲が気体であるため、伝熱管が冷媒に浸漬されている部分に比べて、伝熱管から外部への熱伝達率が非常に小さい。したがって、伝熱管５の空間部分では熱回収水の温度はほとんど変化せず、実質的には、熱回収水の出口が冷媒タンク４の右上（冷媒入口近傍）にある場合とほぼ同じ温度の熱回収水が得られる。

このような構成された燃料電池発電システムにおいては、熱回収水は冷媒から効率よく熱を回収でき、伝熱管の出口における熱回収水の温度を冷媒の入口温度近くまで上昇させることができる効果がある。また、タンク外部の制約条件などにより、伝熱管の出口を冷媒の入口近傍に設置できない場合でも、実質的に対向流となるような構成とすることが可能である。

なお、実施の形態１〜４において、伝熱管として金属製のフレキシブルチューブを用いているが、これに限るものではなく、伝熱管の材質としては樹脂、ゴムなどでもよい。また、チューブ状でなくても、単なる平滑管でも長さを最適化すれば問題はない。もちろん、熱交換性を上げるためのフィンなどがついた管でもよい。また、伝熱管はコイル状の構成のものを示したが、これに限るものではなく、蛇行あるいは局所的には周期的な構造でなくてもよい。さらには、伝熱管の下流部において、熱回収水の流れと冷媒の流れとが対向する領域において、部分的（ミクロ的に見た場合）には熱回収水が冷媒と対向していないところがあっても、マクロ的な流れが対向していれば、対向流と考えるものとする。

この発明の実施の形態１による燃料電池発電システムを示す構成図である。 この発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの冷媒タンクを示す構成図である。 この発明の実施の形態３による燃料電池発電システムの冷媒タンクを示す構成図である。 この発明の実施の形態４による燃料電池発電システムの冷媒タンクを示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：冷媒配管
３：冷媒ポンプ
４：冷媒タンク
５：伝熱管
５ａ：上流部
５ｂ：下流部
６：貯湯槽
７：熱回収ライン
８：熱回収水ポンプ
９：仕切り板
１０：水道水供給ライン
１１：給湯ライン
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：流路

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、
   この燃料電池スタックを冷却する冷媒を貯蔵する冷媒タンクと、
   この冷媒タンクに両端が接続され前記燃料電池スタックを経由して前記冷媒を循環させる冷媒配管と、
   この冷媒配管の下流の端部が前記冷媒タンクに接続された還流口と、
   この還流口の近傍の前記冷媒タンクの内部に設けられ、前記冷媒の熱を回収するための熱回収流体が流通する伝熱管と、
   この伝熱管を流れる前記熱回収流体の流れと前記冷媒タンク内の前記還流口の近傍を流れる前記冷媒の流れとが互いに対向流となるように制御する前記冷媒タンク内に設けられた冷媒流制御機構と
   を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 冷媒流制御機構は、冷媒タンク内の設けられた仕切り板であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電システム。
3. 冷媒タンクの側壁および仕切り板で冷媒の流路が形成されており、上記流路の上流側の断面積が、下流側の断面積より小さいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。

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