JP2009036473A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式給湯システムを逆サイクル運転することにより、燃料電池システムの排熱を大気に放熱する。
【解決手段】貯湯タンク３７内の給湯水は、燃料電池システムＦＣＳの排熱によって加熱されて温水熱交換器３８に循環する温水との間で熱交換されされる。燃料電運転時の排熱とヒートポンプの通常運転とによって、貯湯部３６内の貯湯タンク３７に加熱した給湯水を貯留する。燃料電池システムの運転時に、貯湯部３６の貯湯タンク３７に熱が貯まりきってしまった場合は放熱の必要がある。燃料電池システムの運転は継続したまま、逆ヒートポンプサイクルにより、通常凝縮器５４が蒸発器になり、しかも燃料電池システムＦＣＳの温水熱交換器３８の下流側にあるために、燃料電池システムの排熱を回収し、凝縮器として機能する通常蒸発器５６により大気にその排熱を放出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯システムと組み合わせて運転される燃料電池システムに関するもので、特に、燃料電池システム運転において給湯等に熱が使われずに貯湯部の熱が余った場合に、ヒートポンプ式給湯システムを逆サイクル運転することにより、その排熱を大気に放熱することができる燃料電池システムに係る。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード側電極と酸化剤極であるカソード側電極を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を、複数枚積層して構成されている。

車載用等の燃料電池では、機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から、燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。

いずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギが得られる。

ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。

一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。このような熱を利用すれば、電気エネルギとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギ効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。

近年、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発活動が日本を中心に非常に高まっている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ないこのエネルギが脚光を浴び、その省エネ性や経済性に注目が集まっているためである。

システムとしては、発電負荷の高い昼間が運転に適しており、夜間は発電負荷が低くなるため運転効率は低下し易い。また、連続運転をする場合、発電負荷が低下しきれずにシステムから系統電力線への電力が供給される、所謂逆潮流運転を防止するための機能が必要となる。

一方、ヒートポンプを利用した給湯システムも近年注目を浴びており、急速な市場拡大が見られている。このシステムは、熱源として大気を利用しているため成績係数が高ければ高いほど、より省エネ性や経済性が優れるが、運転時間は料金の安い夜間であることが多く、昼間の運転は経済的に不利である。

これより、燃料電池システムは昼間、ヒートポンプを利用した給湯システムは夜間に適したシステムと言える。そして、両者の運転を上手く組み合わせることによって、発電負荷の高い昼間と発電負荷の低い夜間に対して大型発電所の発電負荷をより平準化でき、結果的にその増設を少なくし、地球環境にも優しくなる。

下記特許文献１〜３に記載の発明は、このような燃料電池システムとヒートポンプとを組合せた従来技術の一例である。
特開2005-337516号公報 特開2004-139914号公報 特開2007-132539号公報

前記のように従来技術では、主に夜間にヒートポンプ式給湯システム、昼間に燃料電池システムを組み合わせて運転することにより、各システムの省エネ性や経済性の組み合わせのみならず、電力需要に見合った発電供給を可能としている。この場合、燃料電池システムとヒートポンプ式給湯システムとでは、貯湯タンクや配管の共用化を図ることで、システム全体の構成の単純化、部品点数の削減などを可能としている。

一方、家庭用の燃料電池は、冬季や厳寒期の凍結防止の観点から、屋内に設置されることが多く、その場合、運転時に発生する排熱の処理が問題になる。通常、燃料電池運転時の排熱は、貯湯タンクに送られてタンク内の貯溜水を加熱し、この加熱された温水を給湯や暖房に使用することで、有効利用されている。

しかしながら、屋内設置形の燃料電池の運転時において、温水や暖房などの熱需要が少ない場合には、排熱によって加熱した温水で貯湯タンクが満杯となってしまい、それ以上排熱を貯蔵することが不可能になる。その場合、燃料電池の運転を継続すると、排熱の処理ができなくなり、燃料電池からの排熱を屋内に放出せざるを得ない問題が発生する。

これを防止するためには、排熱による温水の加熱ラインとは別に、燃料電池から発生した排熱を屋外に排出するためのダクトや換気扇など設備が別途必要となり、設置器具やスペースの増加などを招く問題があった。

本発明は、前記のようなヒートポンプ給湯を併用した燃料電池システムにおける排熱処理の問題点を解決するために提案されたもので、ヒートポンプ式給湯システムを利用して燃料電池の排熱を屋外に排出することで、排熱放出用のダクトなどの設備を使用することなく、貯湯タンクにおける排熱の処理が満杯となった場合でも、燃料電池の排熱を屋外に効率よく排出することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、給湯水の貯湯タンク内に貯留する給湯水を燃料電池の排熱とヒートポンプ式給湯システムとによって加熱する燃料電池システムにおいて、前記ヒートポンプ式給湯システムには、通常運転時に凝縮器となり逆サイクル運転時には蒸発器となる通常凝縮器と、通常運転時に蒸発器となり逆サイクル運転時には凝縮器となる通常蒸発器と、通常運転時及び逆サイクル運転時においてこれら凝縮器と蒸発器に対して冷媒の供給方向を切り替えるための手段を設け、前記通常凝縮器を前記給湯水の循環路に配置し、前記ヒートポンプ式給湯システムの通常運転時には前記通常凝縮器によって給湯水を加熱し、燃料電池の排熱放出時には、前記ヒートポンプ式給湯システムを逆サイクル運転させることにより、前記通常凝縮器を蒸発器として機能させて燃料電池の排熱を吸収すると共に、通常蒸発器を凝縮器として機能させて吸収した燃料電池排熱を凝縮器として機能する通常蒸発器から放出することを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプ式給湯システムを逆サイクル運転することにより、ヒートポンプの熱移動路を燃料電池の排熱の放出用としてそのまま使用することが可能となり、その結果、排熱放出用のダクトなどの設備を使用することなく、貯湯タンクにおける排熱の処理が満杯となった場合でも、燃料電池の排熱を屋外に効率よく排出することができる。

(１)第１実施形態の構成
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示す燃料電池システムの全体構成を示す配置図である。

(a) 燃料電池システム部分
第１実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、本発明を固体高分子型燃料電池システムに適用したものである。この第１実施形態において、燃料電池システムＦＣＳは、主に燃料処理系(FPS；Fuel Processing System)１及び電池本体(CSA；Cell Stack Assembly)２から構成される。

燃料処理系１は、燃料３、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用燃焼器１０、改質用水ポンプ１１、タンク形の排熱熱交換器１２ａ，１２ｂなどから構成される。燃料は炭化水素系燃料、例えば都市ガスやプロパンである。一方、電池本体２は、アノード極１３、カソード極１４から構成される。

本実施形態における固体高分子型燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。燃料に例えば都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、燃料処理系１で行われる。都市ガス燃料３は、燃料機器用ブロア３１によって送風されることで脱硫器４を通過し、例えば活性炭やゼオライト吸着等によって硫黄分が取り除かれ、次に改質器６を通過する。

この手前の水蒸気発生器５で水が加熱され、ガス化した水蒸気が燃料ガスに合流する。改質器６では触媒により都市ガスと水蒸気の反応から、水素が生成するが同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器６には加熱用の燃焼器１０が含まれており、燃焼用の燃料供給配管２５と、ブロア２６を備えた燃焼用空気の供給配管２７が接続されている。

固体高分子型燃料電池は、電池本体２の電解質膜及び触媒層から構成されるＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly：膜／電極接合体)でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ₂へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器７ではＨ₂Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１５の空気供給により酸化反応を進める必要がある。

また、簡単化のため図示しなかったが、改質器を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際には下流側温度を下げるための水熱交換器が必要となる。

次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。例えばメタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は(1)式、ＣＯシフト反応は(2)式、ＣＯ選択酸化反応は(3)式のようになる。

ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂…(1)
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂…(2)
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂…(3)

ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等より構成される。これらのガスが、アノード極１３に送り込まれる。アノード極１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ^＋が電解質膜を通過、カソード極用空気ブロア１６によりカソード極１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。したがって、アノード極は−極、カソード極は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。

発電に使われずに残ったアノード極出口ガスは、水蒸気加熱器５及び改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器１２ａにより、水分を回収し、システムでの水自立を図る。すなわち、ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガス中の余った水蒸気は、水蒸気分離器９によって分離された後、熱交換器１２ａ内で凝縮され、改質用ポンプ１１によって、活性炭やイオン交換樹脂などの改質水用フィルタ３０を通過した後、再び改質器に送られる。

一方、電池本体２の排熱は、冷却水ポンプ２９によって電池本体２に供給される冷却水を加熱することによって取り出され、この加熱された冷却水を電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器１２ａ及び１２ｂにおいて給湯水などと熱交換させることによって熱回収される。この排熱熱交換器１２ａ及び１２ｂで熱交換して暖められた給湯水（温水）は、温水循環ポンプ３３の運転により、温水熱交換器３８を通して、貯湯部３６の貯湯タンク３７に蓄熱され、給湯や風呂の温水さらには床暖房などの暖房用として使われる。

ここで、貯湯部３６は、燃料電池システムＦＣＳの排熱を温水として貯留するためのものであると同時に、後述するヒートポンプ式給湯システム５０における貯湯部としても機能するものである。すなわち、この貯湯部３６における貯湯タンク３７には、給湯用などに使用する水道水が供給されると共に、この貯湯タンク３７と前記温水交換器３８との間には、貯湯部温水ポンプ３９によって貯湯タンク３７内に供給された水道水が循環しており、前記温水熱交換器３８部分に循環する燃料電池システムＦＣＳの排熱によって加熱された温水との間で熱交換がされ、所定の温度にまで加熱される。

(b) ヒートポンプ式給湯システム部分
次に、本実施形態におけるヒートポンプ式給湯システム５０の詳細を、図２に示す。本システムは、ヒートポンプ部５１と前記貯湯部３６から構成され、ヒートポンプ部５１は、主として圧縮機５２、四方弁５３、通常凝縮器５４、膨張機構５５、通常蒸発器５６から構成される。

ここで、通常凝縮器５４または通常蒸発器５６はヒートポンプ部５１が温水を加熱する場合（通常運転時）には凝縮器または蒸発器として機能し、燃料電池システムＦＣＳの排熱を屋外に排出する場合（排熱放出時）には、通常凝縮器５４が蒸発器として、通常蒸発器５６が凝縮器として機能するものである。そして、この通常凝縮器５４部分が貯湯タンク３７との間で循環する給湯水（水道水）との熱交換器になっている。

本ヒートポンプ式給湯システムの簡単な動作原理を説明する。本システムには冷媒、例えばＣＯ₂が封入され、圧縮機５２で加熱、加圧された冷媒が超臨界サイクルで四方弁５３を順方向に通過後、通常凝縮器５４でエンタルピ低下して、通常凝縮器５４に循環される給湯水に熱を放熱する。その後、冷媒は、膨張機構５５で絞られた後、気液２相流になり、通常蒸発器５６で大気から熱を奪い、圧縮機５２に戻るサイクルを繰り返している。

通常凝縮器５４において熱を与えられた給湯水は、貯湯部３６内に配置された貯湯部温水ポンプ３９により貯湯タンク３７に送られて貯留され、必要に応じて台所や風呂等の給湯や温水暖房などに利用される。

なお、本実施形態において、通常凝縮器５４は、貯湯部３６に供給される給湯水の循環系のなかで、燃料電池システムＦＣＳの排熱熱交換器３８の下流側に位置しており、燃料電池システムより放熱温度が高いために、貯湯タンク３７により高温の給湯水を貯留することができる。

（２）第１実施形態の作用
前記のように本実施形態の燃料電池システムは、燃料電運転時の排熱とヒートポンプの通常運転とによって、貯湯部３６内の貯湯タンク３７に加熱した給湯水を貯留することができるものである。すなわち、本システムの場合、基本的運転時間は、発電負荷の高い昼間が燃料電池運転、発電負荷の低い夜間がヒートポンプ式給湯システムの運転である。

具体例としては、主として系統電気料金の安い夜間の夜１１時から朝７時迄がヒートポンプ式給湯システムの運転であり、それ以外の昼間は燃料電池システムの運転となるが、必ずしも各運転をその間継続する必要は無い。但し、昼間に電力需要が低くなり、発電負荷を低くしても系統への逆潮流が発生する恐れの有る場合は、その間だけヒートポンプ式給湯システム運転も同時に行う。これにより、余分な逆潮流防止のための電気負荷例えば電気ヒータ等は不要となる。

一方、昼間に燃料電池システムを運転しており、貯湯部３６の貯湯タンク３７に熱が貯まりきってしまった場合は放熱の必要があるが、この場合、燃料電池システムの運転は継続したまま、図３に示した逆ヒートポンプサイクルにより、通常凝縮器５４が蒸発器になり、しかも燃料電池システムＦＣＳの温水熱交換器３８の下流側にあるために、燃料電池システムの排熱を回収し、凝縮器として機能する通常蒸発器５６により大気にその排熱を放出することができる。

すなわち、図３は、前記図２のシステムにおける逆ヒートポンプサイクルを示している。この運転では、四方弁５３の反転で冷媒の流れが逆方向となり、通常時の蒸発器５６が凝縮器として、通常時の凝縮器５４が蒸発器としての機能を果たすことになる。なお、通常凝縮器５４と通常蒸発器５６に対して冷媒の供給方向を切り替えるための手段としては、前記四方弁５３に限らず、その他複数の弁を組み合わせて使用することもできる。

（３）第１実施形態の効果
以上のような構成を有する本実施形態によれば、以下のような効果を有する燃料電池システムを提供することができる。

(a) 主に夜間にヒートポンプ式給湯システム、昼間に燃料電池システムを組み合わせて運転することにより、各システムの省エネ性や経済性の組み合わせのみならず、電力需要に見合った発電供給が可能となり、特に発電負荷調整幅を大きくすることが困難な系統電力の供給電力量の平準化を図ることができ、結果的にその増設を少なくし、地球環境にも優しくなる。

(b) 昼間に電力需要が減少し、燃料電池システムから系統への逆潮流発生しそうな場合には同時にヒートポンプ式給湯システムを運転することにより、余分な逆潮流防止装置が不要となり、コスト低減につながる。

(c) 燃料電池システム運転において給湯等に熱が使われずに貯湯部の熱が余った場合は、同時にヒートポンプ式給湯システムを逆サイクル運転することにより、その排熱を大気に放熱することができるため、従来必要だった余分な排熱熱交換器が不要となり、コスト低減につながる。

(d) 貯湯部と排熱温水ポンプをヒートポンプ式給湯システムと燃料電池システムで共通化することにより、全体システムの大幅なコスト低減のみならず、設置スペースの省スペース化を図ることができて、販売市場を広めることができる。

(e) 各システム、特に燃料電池システムの運転を主に昼間だけにすることができるため、一昼夜連続の運転に比べて各機器の運転時間が短くなり、耐久性が向上するのみならす、コスト低減効果も得られる。
(f) 本実施形態では、燃料電池システムと貯湯部３６との間に、温水循環系（温水熱交換器３８と温水循環ポンプ３３）を設けることにより、貯湯タンク内の給湯水（水道水）を燃料電池システム側と完全に分離している。そのため、燃料電池の運転停止時に給湯水を燃料電池側にまで循環させる必要がなく、給湯水をヒートポンプ側にのみ循環させるだけで済み、停止した燃料電池システム側の機器や配管によって給湯水の熱が奪われることがない。また、循環経路が短いので貯湯部温水ポンプ３９も小型のもので良い。

（４）他の実施形態
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含するものである。

(a) 図４は、図１のヒートポンプ式給湯システムと燃料電池システムを組み合わせた構成の変形例であり、燃料電池システムの温水熱交換器３８と温水循環ポンプ３３を省略し、貯湯部温水ポンプ３９のみで各システムの排熱を貯湯タンク３７に回収するシステム構成を示している。

すなわち、図４の実施形態は、貯湯タンク３７の給湯水を、排熱熱交換器１２ａ及び１２ｂに直接循環させることで、図１の実施の形態に設けた燃料電池システムＦＣＳと貯湯部間の温水循環系を省略したものである。これにより、循環系の構成が単純化される利点がある。
(b) 図１の実施形態は、水蒸気分離器９を通過した改質器側の排熱を排熱熱交換器１２ａで、また冷却水ポンプ９によって循環する燃料電池本体側の排熱を排熱熱交換器１２ｂによって回収している。しかし、本発明においては、これら２つの排熱熱交換器を備えることを限定するものではなく、いずれか一方の排熱熱交換器を使用した燃料電池システムにも適用可能である。また、１つの排熱熱交換器で、改質器側と燃料電池本体側の両方の排熱を、給湯水と熱交換するようなシステムに対しても本発明を適用することができる。

本発明の燃料電池システムの一実施形態を全体構成を示す配置図である。 図１の燃料電池システムにおけるヒートポンプ式給湯システム部分の詳細を示す配置図で、ヒートポンプの通常運転時の状態を示す。 図１の燃料電池システムにおけるヒートポンプ式給湯システム部分の詳細を示す配置図で、燃料電池の排熱放出運転時の状態を示す。 本発明の別の実施形態における貯湯部と燃料電池システムとの熱交換部分を示す配置図である。

符号の説明

ＦＣＳ…燃料電池システム
１…燃料処理系
２…電池本体
３…燃料
４…脱硫器
５…水蒸気発生器
６…改質器
７…ＣＯシフト反応器
８…ＣＯ選択酸化器
９…水蒸気分離器
１０…改質用燃焼器
１１…改質用水ポンプ
１２ａ…排熱熱交換器（燃料電池本体側）
１２ｂ…排熱熱交換器（改質器側）
１３…アノード極
１４…カソード極
１５…ＣＯ選択酸化用空気ブロア
１６…カソード極用空気ブロア
２９…電池冷却水ポンプ
３０…改質水用フィルタ
３１…燃料機器用ブロア
３３…温水循環ポンプ
３６…貯湯部
３７…貯湯タンク
３８…温水熱交換器
３９…貯湯部温水ポンプ
５０…ヒートポンプ式給湯システム
５１…ヒートポンプ
５２…圧縮機
５３…四方弁
５４…通常凝縮器
５５…膨張機構
５６…通常蒸発器

Claims (6)

1. 給湯水の貯湯タンク内に貯留する給湯水を燃料電池の排熱とヒートポンプ式給湯システムとによって加熱する燃料電池システムにおいて、
   前記ヒートポンプ式給湯システムには、通常運転時に凝縮器となり逆サイクル運転時には蒸発器となる通常凝縮器と、通常運転時に蒸発器となり逆サイクル運転時には凝縮器となる通常蒸発器と、通常運転時及び逆サイクル運転時においてこれら凝縮器と蒸発器に対して冷媒の供給方向を切り替えるための手段を設け、
   前記通常凝縮器を前記給湯水の循環路に配置し、前記ヒートポンプ式給湯システムの通常運転時には前記通常凝縮器によって給湯水を加熱し、
   燃料電池の排熱放出時には、前記ヒートポンプ式給湯システムを逆サイクル運転させることにより、前記通常凝縮器を蒸発器として機能させて燃料電池の排熱を吸収すると共に、吸収した燃料電池排熱を凝縮器として機能する通常蒸発器から放出することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池の排熱によって温水を加熱する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器と温水熱交換器との間で温水を循環させるための温水循環ポンプを備え、
   前記温水熱交換器と前記貯湯タンクとの間で貯湯部温水ポンプを用いて給湯水を循環させ、温水熱交換器において排熱熱交換器で加熱された温水と給湯水とを熱交換させることにより、給湯水を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記給湯水の循環路において、前記ヒートポンプ給湯システムの通常凝縮器を、温水熱交換器の上流側に配置したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池の排熱と貯湯タンクからの給湯水との熱交換を行う排熱熱交換器と、貯湯タンクと排熱熱交換器との間で給湯水を循環させるための貯湯部温水ポンプとを備え、排熱熱交換器によって直接給湯水を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記給湯水の循環路において、前記ヒートポンプ給湯システムの通常凝縮器を、排熱熱交換器の上流側に配置したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記排熱熱交換器が、燃料電池本体または改質器の少なくとも一方の排熱の熱交換を行うものであることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。