JP3215489B2 - 燃料電池排熱利用システムとその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池から放出され
る排熱を回収することにより、吸収式冷凍機を駆動して
冷熱を得る、燃料電池排熱利用システムとその制御方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池から放出される排熱を
利用して冷熱を得るためには、燃料電池の電池本体を冷
却している冷却水系より回収された熱（高温側排熱）に
より二重効用吸収式冷凍機を駆動している。図４は、こ
のような二重効用吸収式冷凍機を用いた燃料電池排熱利
用システムを示す第一の従来例の構成図である。

【０００３】燃料電池１００′は、燃料電池本体１，水
蒸気分離器２，燃料改質装置３を有し、都市ガス等を燃
料改質装置３で改質して燃料電池本体１に供給される水
素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させ、発電を行
っている。この発電は熱を発生するので、燃料電池冷却
水系が設けられ、これに排熱を水蒸気として取り出すた
め水蒸気分離器２が接続されている。この水蒸気は、吸
収式冷凍機１０１′へ供給されるとともに、都市ガス等
の改質用として燃料改質装置３へ供給されている。ま
た、燃料電池１００′の排ガス系には凝縮水回収用熱交
換器５が設けられ、排ガスから凝縮水を回収して凝縮水
タンク４を介し水蒸気分離器２へ補給している。この凝
縮水回収用熱交換器５に冷却水を通すために、室外熱交
換器２６が設けられている。

【０００４】吸収式冷凍機１０１′は、高温再生器７，
低温再生器８，凝縮器９，吸収器１０，蒸発器１１，溶
液熱交換器１２，１３を有し、室外熱交換器２０により
冷却された冷却水が凝縮器９，吸収器１０に循環されて
熱交換を行う吸収冷凍サイクルにより、蒸発器１１を通
して冷熱を得るものである。この冷熱は図略の室内機な
どへ冷水として搬送される。上記燃料電池の水蒸気分離
器２から水蒸気として回収された燃料電池１００′から
の高温側排熱は、吸収式冷凍機１０１′の高温再生器７
に供給されている。

【０００５】図５は、図４の従来システムに比べ、燃料
電池１００′の排ガス系より回収される低温側排熱も低
温側排熱回収回路を用いて吸収式冷凍機１０１′に供給
し、一重二重効用併用運転を行なう燃料電池排熱利用シ
ステムを示す第二の従来例である。この従来例では、上
記第一の従来例の構成に加えて燃料電池排ガス系におい
ては、低温側排熱回収回路を構成する低温側排熱回収用
熱交換器６が設けられ、排ガス中に含まれる水蒸気を冷
却し、凝縮させ、燃料電池冷却水系の水蒸気分離器２に
供給することにより、燃料改質装置３で必要とされる水
蒸気の補給を行い、この際に回収される排ガス系の排熱
を吸収式冷凍機１０１′の低温再生器８に供給してい
る。この構成により、単効用吸収式サイクルを同時に駆
動するものである。

【０００６】図４，図５のいずれの従来システムでも、
吸収式冷凍機１０１′の負荷が変動した場合における冷
凍能力制御は、高温再生器７に供給される水蒸気を流量
調節三方弁２４で分流し、排熱回収熱交換器２１を介し
て室外熱交換器２３から放熱する熱量を、駆動用蒸気制
御装置３６が温度センサー３３で検出した蒸発器１１へ
の冷水の戻り温度をもとに流量調節三方弁２４を制御し
て、燃料電池１００′から回収され吸収式冷凍機１０
１′に供給される熱量を制御すること（入熱制御）によ
り行っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術による燃料電池排熱利用システムにおいては、冷
熱が供給される室内機の負荷状態、すなわち吸収式冷凍
機１０１′の負荷状態に応じた吸収式冷凍機１０１′の
能力制御を、高温再生器７での蒸気消費量あるいは、低
温再生器８への投入熱量を調節する入熱制御で行い、吸
収式冷凍機１０１′の運転を部分負荷運転とすることに
より行っている。

【０００８】一方、燃料電池１００′の運転は、吸収式
冷凍機１０１′の運転とは関係なく、電力需要により制
御されるため、吸収式冷凍機１０１′の駆動用熱源とし
ての消費熱量とは関係なく、燃料電池１００′の運転状
態に応じて燃料電池１００′から発生する排熱を外部に
放出する必要がある。このため、燃料電池本体１から放
出される排熱の全てを吸収式冷凍機１０１′で消費しき
れない場合に、回収不可能な余剰排熱を処理するため、
吸収式冷凍機１０１′の再生器へ導かれる排熱回収回路
とは別に外部に排熱を放出する冷却回路が必要となる。
燃料電池冷却水系から排熱を回収する高温側排熱回収回
路においては、燃料電池本体１の冷却水が純水であり、
不純物混入を避けるため閉循環回路を構成しており、外
部に放熱するために排熱回収熱交換器２１を介した室外
熱交換器２３による放熱回路を設置する必要があった。

【０００９】また、燃料電池排ガス系から排熱を回収す
る低温側排熱回収回路において、排ガス中に含まれる水
蒸気を冷却し、凝縮させて回収した後、燃料電池冷却水
として用い、燃料電池本体１を冷却した後、再び水蒸気
として燃料改質装置３に供給するため、必要十分な量の
凝縮水が回収できるように凝縮水回収用熱交換器５を設
けて冷却水を通し、室外熱交換器２６より外部に放熱す
る必要があった。このように、従来システムでは、室外
熱交換器等の冷却設備が冗長設置となる問題があった。

【００１０】また、負荷変動に応じた吸収式冷凍機の能
力制御を、高温再生器７，低温再生器８に投入する駆動
用熱量を調節して熱容量の大きな高温再生器７，低温再
生器８における冷媒再生能力を制御することにより行っ
ているため、冷熱発生側である蒸発器１１の能力制御は
非常に緩慢となる問題があった。

【００１１】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、吸収式冷凍機の運転状
態に関係なく燃料電池の冷却水系で放出される排熱を全
て回収し、得られた回収熱量に対応する冷凍能力より負
荷が小さいときには、駆動用排熱の入熱制限を行なうこ
となく冷凍能力の制御を行なうシステムにすること、お
よび、燃料電池排ガス系については吸収式冷凍機で利用
できる排熱を回収した後、必要に応じて凝縮水回収用熱
交換器を作用させ、吸収式冷凍機の室外熱交換器との共
用を図ることにより、室外熱交換器等の冗長設置を避け
ることができ、かつ吸収式冷凍機の能力制御性の向上が
期待できる燃料電池排熱利用システムとその制御方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の燃料電池排熱利用システムにおいては、燃
料電池本体の冷却水系に設けた水蒸気分離器から該燃料
電池本体で発生した高温側排熱を水蒸気として回収して
吸収式冷凍機の高温再生器に供給し、さらに燃料電池の
排ガス系に設けた低温側排熱回収用熱交換器により排ガ
スから低温側排熱を回収して該吸収式冷凍機の低温再生
器に供給し、該高温側排熱により該高温再生器で冷媒吸
収溶液から蒸発させた冷媒と該低温側排熱により該低温
再生器で該冷媒吸収溶液から蒸発させた冷媒とを凝縮器
で吸収式冷凍機冷却回路により冷却して凝縮させ、該凝
縮した冷媒を蒸発器で蒸発させて該冷媒の蒸発熱により
熱搬送媒体を冷却して冷熱を得、該蒸発器で蒸発した冷
媒を吸収器で該吸収式冷凍機冷却回路により冷却して前
記冷媒吸収溶液に吸収させる吸収式冷凍機の吸収冷凍サ
イクルを駆動する燃料電池排熱利用システムにおいて、
前記凝縮器で凝縮し前記蒸発器に送られる冷媒の一部を
前記吸収器または前記高温再生器または前記低温再生器
のいずれかにバイパスする冷媒バイパス回路と、この冷
媒バイパス回路へ分流される該冷媒流量を調節する冷媒
流量調節手段と、前記蒸発器へ導かれる熱搬送媒体の入
口温度を測定する温度センサーと、この温度センサーで
検出した温度が低下した場合には前記冷媒流量調節手段
により該冷媒バイパス回路に冷媒の一部を分流させて冷
凍能力を低下させるように制御するための操作信号を送
信する制御装置とを具備するとともに、前記水蒸気分離
器から前記吸収式冷凍機の高温再生器へ供給する排蒸気
量を調節する水蒸気流量調節手段と、該水蒸気分離器内
の水蒸気圧力を検知する圧力センサーと、該圧力センサ
ーから所定の水蒸気圧力から変化した検知信号を受けた
場合には該水蒸気流量調節手段に対し該燃料電池の温度
を発電反応に適した値に維持するために冷却水の温度を
一定にする該水蒸気分離器内の水蒸気圧力を維持するよ
うに該排蒸気量を変化させる操作信号を送る制御装置と
を具備し、前記燃料電池の排ガス中に含まれる水蒸気を
凝縮させる凝縮水回収用熱交換器と、この凝縮水回収用
熱交換器への冷却媒体を前記吸収式冷凍機冷却回路より
分岐しその冷却媒体量を調節する冷却媒体流量調節手段
と、前記低温側排熱回収用熱交換器の凝縮水および前記
凝縮水回収用熱交換器の凝縮水を溜め必要な箇所へ供給
する凝縮水タンクと、該凝縮水タンク内の液面高さを検
出する液面センサーと、この液面センサーから液面が所
定の高さから低下した検出信号を受けた場合には該冷却
媒体流量調節手段に対し該凝縮水量を所定量に保つため
に該液面が所定の高さに達するように該冷却媒体量を分
岐させる操作信号を送信する制御装置とを具備すること
を特徴としている。

【００１３】また、同じく本発明の燃料電池排熱利用シ
ステムの制御方法においては、燃料電池本体の冷却水系
に設けた水蒸気分離器から該燃料電池本体で発生した高
温側排熱を水蒸気として回収して吸収式冷凍機の高温再
生器に供給し、さらに燃料電池の排ガス系に設けた低温
側排熱回収用熱交換器により排ガスから低温側排熱を回
収して該吸収式冷凍機の低温再生器に供給し、該高温側
排熱により該高温再生器で冷媒吸収溶液から蒸発させた
冷媒と該低温側排熱により該低温再生器で該冷媒吸収溶
液から蒸発させた冷媒とを凝縮器で吸収式冷凍機冷却回
路により冷却して凝縮させ、該凝縮した冷媒を蒸発器で
蒸発させて該冷媒の蒸発熱により熱搬送媒体を冷却して
冷熱を得、該蒸発器で蒸発した冷媒を吸収器で該吸収式
冷凍機冷却回路により冷却して前記冷媒吸収溶液に吸収
させる吸収式冷凍機の吸収冷凍サイクルを駆動する燃料
電池排熱利用システムの制御方法において、前記吸収式
冷凍機の冷凍能力制御については、まず負荷と前記蒸発
器の間の熱搬送媒体についての該負荷に応じて変化する
戻り温度を検出し、次に該戻り温度と設定値とを比較す
ることにより該負荷に対して該吸収式冷凍機の冷凍能力
が過剰になったかを判断し、次に該吸収式冷凍機の冷凍
能力が過剰になった場合に前記凝縮器から該蒸発器に送
られる冷媒の一部を前記吸収器または前記高温再生器ま
たは前記低温再生器のいずれかにバイパスさせて行い、
前記燃料電池の冷却水系から回収される高温側排熱量の
制御については、まず該燃料電池を冷却した冷却水の前
記水蒸気分離器内での飽和水蒸気圧力を検知し、次に前
記吸収式冷凍機の冷凍能力制御とは独立して該燃料電池
の温度を発電反応に適した値に維持するために該冷却水
の温度が一定となるように該水蒸気分離器内の飽和水蒸
気圧力を維持するよう該吸収式冷凍機へ供給される前記
水蒸気の排蒸気量を制御して行い、前記燃料電池の排ガ
ス系の排熱処理制御については、まず、前記低温側排熱
回収用熱交換器からの凝縮水および該燃料電池の排ガス
系に設けた凝縮水回収用熱交換器からの凝縮水を溜め必
要な箇所へ供給する凝縮水タンクの液面が所定の高さに
達しているかを検出し、次に該液面が所定の高さに達し
ていない場合に該凝縮水量が足りないと判断し、次にこ
の凝縮水量が足りない場合のみ該凝縮水回収用熱交換器
が作用するように前記吸収式冷凍機冷却回路より分岐し
て流す冷却媒体量を制御し該凝縮水タンク内の凝縮水量
を一定値以上に保つように行うことを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明の燃料電池排熱利用システムとその制御
方法では、吸収式冷凍機の能力制御を冷媒のバイパス制
御により行なうことにより、負荷が吸収式冷凍機の冷凍
能力より小さい場合に、駆動熱源としての蒸気消費量を
絞る入熱制御を行なうことなく冷凍能力を低下させるこ
とを可能にし、蒸発器内の冷媒の凍結を防止している。

【００１５】また、燃料電池の冷却水系の高温側排熱量
については、燃料電池本体の冷却を行なう冷却水温度を
一定にし、電池セルにおける発電反応に適した温度を維
持するため、吸収式冷凍機の運転に関係なく燃料電池冷
却水系の水蒸気分離器における水蒸気圧力を常に一定に
保つように制御される。従って、本発明の燃料電池排熱
利用システムにおける排熱利用形態としては、電力需要
に応じた燃料電池の運転制御が最優先され、そこで放出
される排熱を吸収式冷凍機に取り込み、回収された熱量
で駆動できる範囲内で吸収式冷凍機の能力制御を行うこ
とが可能となる。

【００１６】また、燃料電池排ガス系からの低温側排熱
回収する場合、吸収式冷凍機の一重二重効用併用運転が
行える範囲内で排ガスより排熱を回収している。それと
同時に、燃料電池冷却水系の冷却水や燃料改質装置の水
蒸気生成などに必要な凝縮水を回収している。この凝縮
水量の変動に備え排ガス中から必要十分な凝縮水量が得
られるよう、排ガス系には凝縮水回収用熱交換器が設け
られるが、それに通す冷却媒体を吸収式冷凍機冷却水回
路より分流する。これらにより、本発明では、燃料電池
の排熱を処理するために従来のシステムでは冗長設置が
必要とされていた高温側排熱回収回路における排熱回収
用熱交換器、室外熱交換器を含む放熱回路、および凝縮
水回収用熱交換器に冷却水を供給する室外熱交換器等の
冷却設備を省くことを可能にしている。

【００１７】また、吸収式冷凍機においては、その能力
制御を冷媒のバイパス制御によって行うことにより、従
来の駆動用投入熱量を調節する入熱制御法に比べ、蒸発
器における冷凍能力制御の応答性を良くし、制御性の向
上を図っている。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１９】図１に、本発明における第一の実施例を示
す。図において、１は燃料電池本体、２は燃料電池冷却
水系の水蒸気分離器、３は燃料改質装置、４は凝縮水タ
ンク、５は凝縮水回収用熱交換器、６は排ガス系からの
低温側排熱回収用熱交換器、２７は圧力センサー、２８
は流量調節二方弁、２９は排蒸気流量制御装置、３０は
液面センサー、３７は燃料電池冷却水循環用ポンプであ
り、以上の機器は燃料電池１００を構成する主な要素で
ある。また、７は高温再生器、８は低温再生器、９は凝
縮器、１０は吸収器、１１は蒸発器、１２は高温側溶液
熱交換器、１３は低温側溶液熱交換器、１４は溶液ポン
プ、１５は冷媒ポンプ、３３は温度センサー、３４は冷
媒流量調節三方弁、３５は冷媒流量制御装置であり、以
上の機器は吸収式冷凍機１０１を構成する。さらに、１
６は高温側排熱回収ポンプ、１７は気水分離器、１８は
低温側排熱回収ポンプ、１９は冷却水ポンプ、２０は室
外熱交換器、３１は冷却水流量調節三方弁、３２は冷却
水流量制御装置を示す。この図に従って本実施例を説明
する。

【００２０】まず、燃料電池１００側の構成において、
燃料電池本体１は、水素と酸素を燃料として入力するこ
とにより発電を行い、それとともに熱を発生する。燃料
改質装置３は、水素を都市ガスの改質により製造し、燃
料電池本体１に供給する。燃料電池本体１には発生熱を
冷却する冷却水系配管が設けられ、その配管の途中に、
燃料電池冷却水循環用ポンプ３７と、燃料電池冷却水循
環用ポンプ３７に液を供給するために設けた水蒸気分離
器２とを配置する。この水蒸気分離器２には、燃料電池
本体で発生した熱を水蒸気として回収し吸収式冷凍機１
０１の高温再生器７に供給するための高温側排熱回収回
路が接続される。この高温側排熱回収回路には、水蒸気
分離器２から燃料改質装置３に送られる水蒸気圧力を制
御するため流量調節二方弁２８が設けられ、排蒸気流量
制御装置２９が制御水蒸気分離器２内の圧力を計測する
圧力センサー２７からの信号を受けて、流量調節二方弁
２８に操作信号を送信し、その水蒸気圧力を一定に制御
する。燃料電池本体１および燃料改質装置３からの排ガ
ス系には、それらの排ガスより排熱を回収し吸収式冷凍
機１０１の低温再生器８に供給するための低温側排熱回
収回路を構成する低温側排熱回収用熱交換器６と、凝縮
水回収用熱交換器５が設けられる。これらの熱交換器
５，６で回収される凝縮水は、凝縮水タンク４を経由し
て水蒸気分離器２に補給される。

【００２１】吸収式冷凍機１０１は、燃料電池１００に
接続された高温側排熱回収回路，低温側排熱回収回路か
ら供給される熱により一重二重効用併用の吸収冷凍サイ
クルを駆動して冷水をつくる。この吸収式冷凍機１０１
の構成において、凝縮器９および吸収器１０を冷却する
ために吸収式冷凍機冷却回路が設けられ、その冷却で受
け取った熱を大気に放出するために、吸収式冷凍機冷却
回路には室外熱交換器２０が冷却水ポンプ１９を介して
接続される。本実施例の吸収式冷凍機１０１自体の構成
は、基本的には図５の従来例と同様であるが、本実施例
では、凝縮器９内で凝縮した冷媒を蒸発器１１に送る回
路の途中に、その冷媒の一部を吸収器１０にバイパスす
る冷媒バイパス回路を設けている点が異なる。この冷媒
バイパス回路の接続には冷媒バイパス回路へ分流される
冷媒流量を調節する冷媒流量調節三方弁３４を用い、冷
媒流量制御装置３５を用いて、蒸発器１１へ図略の室内
機から導かれる冷水の入口温度を測定する温度センサー
３３により検出した温度をもとに、冷媒流量調節三方弁
３４に冷凍能力を制御するための操作信号を送信し、負
荷状態による蒸発器１１の凍結を防止する。

【００２２】高温側排熱回収回路においては、吸収式冷
凍機１０１の高温再生器７からの駆動蒸気ドレンを燃料
電池冷却水系の水蒸気分離器２に戻す高温側排熱回収ポ
ンプ１６と、このポンプ１６の手前に気水分離器１７と
が設けられる。低温側排熱回収回路においては、燃料電
池排ガス系から排熱を回収するために設けられた低温側
排熱回収熱交換器６で回収された低温側排熱を吸収式冷
凍機１０１の低温再生器８に温水として供給する温水循
環用の低温側排熱回収ポンプ１８が設けられる。燃料電
池排ガス中に含まれる水を凝縮させる凝縮水回収熱交換
器５への冷却水の通水は、吸収式冷凍機冷却回路に冷却
水流量三方弁３１を設けて冷却水量を調節して分流す
る。冷却水調節三方弁３１の調節は、冷却水流量制御装
置３２が、凝縮水を貯蔵する凝縮水タンク４内の液面高
さを検出する液面センサー３０からの検出信号を受け
て、凝縮水量を所定量に保つための操作信号を冷却水流
量調節三方弁３１に送信して行う。

【００２３】以上の構成において、本実施例における燃
料電池１００から回収される排熱の利用方法について説
明する。燃料電池冷却水系より回収された高温側排熱は
水蒸気分離器２を通って吸収式冷凍機１０１の駆動用熱
源として高温再生器７に蒸気の状態で送られる。高温再
生器７には、吸収器１０において冷媒を吸収して濃度の
低くなったＬｉＢｒ希溶液が溶液ポンプ１４により送ら
れ、前記の燃料電池１００から回収された蒸気により加
熱され、冷媒が蒸発する。発生した冷媒蒸気は低温再生
器８内において、高温再生器７と同様に吸収器１０より
送られたＬｉＢｒ希溶液に熱を与え、凝縮した後、凝縮
器９へと導かれる。また、低温再生器８には、高温再生
器７より送られる冷媒蒸気とともに、燃料電池排ガス系
からの低温側排熱回収用熱交換器６により回収される低
温側排熱としての温水が導かれ、これらと吸収器１０か
ら送られるＬｉＢｒ希溶液とが熱交換することで冷媒が
蒸発する。蒸発した冷媒は、凝縮器９に送られ、吸収式
冷凍機冷却回路の冷却水により冷却され、凝縮する。凝
縮器９において凝縮した冷媒は蒸発器１１に送られ、こ
こで伝熱管表面に散布され、管内を流れる水より熱を奪
って再び蒸発する。熱を奪われ、冷却された水は冷水と
して蒸発器１１より室内機などへ搬送される。

【００２４】一方、高温再生器７，低温再生器８におい
て加熱され、濃縮したＬｉＢｒ濃溶液は、吸収器１０よ
り送り出されるＬｉＢｒ希溶液と溶液熱交換器１２，１
３において熱交換した後、吸収器１０に導かれ、ここで
蒸発器１１において再度蒸発した冷媒を吸収し、吸収熱
を吸収式冷凍機冷却水回路に放出する。冷媒を吸収して
濃度の低くなったＬｉＢｒ希溶液は、溶液熱交換器１
２，１３でＬｉＢｒ濃溶液と熱交換した後、再び、高温
再生器７，低温再生器８にそれぞれ分配されて送られ
る。

【００２５】以上のサイクルを繰り返すことにより、燃
料電池１００の排熱を、冷却水系からは高温側排熱であ
る蒸気として、排ガス系からは低温側排熱である温水と
して回収し、これらを熱源として吸収冷凍サイクルを駆
動し、冷熱の供給を行なう。

【００２６】次に、吸収式冷凍機１０１の能力制御につ
いて説明する。吸収式冷凍機１０１にかかる負荷が、吸
収式冷凍機１０１の冷凍能力より小さくなった場合に
は、室内機より蒸発器１１にもどる冷水の温度が低くな
る。これにともなって、蒸発器１１内での冷媒蒸発温度
も次第に低下してくるため、下限値を設けて蒸発器１１
の能力を制御し、蒸発器１１内での冷媒の凍結を防止す
る必要がある。この下限値を、冷水の戻り温度を温度セ
ンサー３３により検出し、冷媒流量調節三方弁３４を操
作して凝縮器９より蒸発器１１に供給される冷媒の一部
を、例えば吸収器１０にバイパスする。これにより、蒸
発器１１には、外部負荷に応じて冷媒量のみが供給さ
れ、その結果、冷却能力が制御され、蒸発温度を異常に
低下させることなく運転を継続させることが可能とな
る。一方、冷媒流量調節三方弁３４によりバイパスされ
た冷媒は、吸収器１０においてＬｉＢｒ溶液と混合した
後、溶液ポンプ１４により溶液熱交換器１２，１３を経
て高温再生器７，低温再生器８に分配される。従って、
高温再生器７，低温再生器８におけるＬｉＢｒ希溶液の
濃度，冷媒循環量等については、定格運転時の場合とな
んら変わるところがなく、冷媒再生に必要とされる蒸気
消費量，温水消費量については、定格値を維持したまま
である。

【００２７】燃料電池冷却水系においては、燃料電池１
００の運転が部分負荷運転となった場合には燃料電池本
体１からの発熱量が変動するが、電池セルを発電反応に
適した温度に維持するよう冷却水温度を一定にするた
め、部分負荷運転時にも水蒸気分離器２での圧力を一定
に保つよう、流量調節二方弁２８により燃料電池外部に
放出される蒸気量を制御する。

【００２８】燃料電池排ガス系においても、燃料電池１
００の運転状態にともない、必要凝縮水量確保のための
必要放熱量は変動する。また、吸収式冷凍機１０１の低
温再生器８で、単効用サイクルでの再生器として機能さ
せるための排熱取り込み温度は、吸収式冷凍機１０１の
吸収器１０，凝縮器９を冷却している冷却水の温度、即
ち外気温度の影響を受けて変化する。このため、燃料電
池排ガス系より排熱を回収し、吸収式冷凍機１０１に温
水として回収熱を供給する低温側排熱回収用熱交換器６
において、吸収式冷凍機１０１の冷却水温度が上昇し、
低温再生器８への供給温水温度が上昇した場合には必要
十分な冷却水が確保できなくなる。この場合には、凝縮
水タンク４に設置された液面センサー３０により、凝縮
水量を検知して、冷却水量調節三方弁３１を調節して凝
縮水回収用熱交換器５で不足分の凝縮水量を確保する制
御を行なう。

【００２９】以上の、冷媒バイパスによる吸収式冷凍機
能力制御、燃料電池冷却水系放熱蒸気量制御、凝縮水回
収用の冷却水量制御を実施することにより、燃料電池の
運転を最優先したうえで発電と同時に発生し、放熱する
必要のある排熱を全て吸収式冷凍機に取り込み、その得
られた熱量で駆動できる吸収式冷凍機の能力の範囲内で
能力制御を行なうとともに燃料電池から回収された余剰
排熱については、吸収式冷凍機冷却回路を利用して大気
に放出することが可能となり、外部放熱用の室外熱交換
器、排熱回収熱交換器の冗長設置が不要となる。

【００３０】また、吸収式冷凍機の冷凍能力制御を、冷
媒バイパス制御により行うことで、これまでの再生器へ
の入熱量制御に比べ、負荷変動に対する蒸発器能力の応
答性が良く、従来の吸収式冷凍機により構成される場合
よりも制御性の高いシステムを構築することが可能とな
る。

【００３１】図２に本発明の第二の実施例を示す。本実
施例では、第一の実施例における冷媒バイパス回路に代
えて、高温再生器７において蒸発し、さらに低温再生器
８において熱をＬｉＢｒ希溶液に与えて凝縮した後、凝
縮器９に戻る冷媒の一部をバイパスし、高温再生器７に
再び戻す冷媒バイパス回路を設けることで、蒸発器１１
に送られる冷媒量を制御し、吸収式冷凍機１０１の能力
制御を行っている。冷媒をバイパスするのが吸収器１０
ではなく、高温再生器７であることが第一の実施例と異
なる点であり、その他の構成およびシステムの作用は第
一の実施例と共通である。

【００３２】図３に本発明の第三の実施例を示す。本実
施例では、第一の実施例における冷媒バイパス回路に代
えて、凝縮器９から蒸発器１１に導かれる冷媒の一部を
低温再生器８にバイパスする冷媒バイパス回路を設ける
ことで、蒸発器１１に送られる冷媒量を制御し、吸収式
冷凍機１０１の能力制御を行っている。冷媒をバイパス
するのが吸収器１０ではなく、低温再生器８であること
が第一の実施例と異なる点であり、その他の構成および
システムの作用は第一の実施例と共通である。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
燃料電池排熱利用システムとその制御方法によれば、電
力需要に応じた燃料電池の運転を最優先したうえで、発
電とともに発生する排熱のうち、冷却水系での蒸気量に
おいては必要放出熱量総量を吸収式冷凍機に取り込むよ
う吸収式冷凍機を制御し、排ガス系においては吸収式冷
凍機で回収できる分以外に排ガス中より凝縮水を回収す
る必要がある場合のみ専用の凝縮水回収用熱交換器を使
用するよう制御することで、燃料電池の冷却水系および
排ガス系での放熱用熱交換器が不要となり、システム全
体の排熱を外部に放出する室外熱交換器の冗長設置を避
け、吸収式冷凍機の室外熱交換器を兼用することが可能
となる。

【００３４】また、吸収式冷凍機の冷凍能力制御を冷媒
バイパス制御により行うことで、これまでの再生器への
駆動用熱量投入量を制御する入熱制御に比べ、負荷に対
する応答性がよく、制御性の高いシステムを構築するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す構成図

【図２】本発明の第二の実施例を示す構成図

【図３】本発明の第三の実施例を示す構成図

【図４】第一の従来例を示す構成図

【図５】第二の従来例を示す構成図

【符号の説明】

１…燃料電池本体、２…水蒸気分離器、３…燃料改質装
置、４…凝縮水タンク、５…凝縮水回収用熱交換器、６
…低温側排熱回収用熱交換器、７…高温再生器、８…低
温再生器、９…凝縮器、１０…吸収器、１１…蒸発器、
１２…高温側溶液熱交換器、１３…低温側溶液熱交換
器、１４…溶液ポンプ、１５…冷媒ポンプ、１６…高温
側排熱回収ポンプ、１７…気水分離器、１８…低温側排
熱回収ポンプ、１９…冷却水ポンプ、２０…室外熱交換
器、２７…圧力センサー、２８…流量調節二方弁、２９
…排蒸気流量制御装置、３０…液面センサー、３１…冷
却水流量調節三方弁、３２…冷却水流量制御装置、３３
…温度センサー、３４…冷媒流量調節三方弁、３５…冷
媒流量制御装置、３７…燃料電池冷却水循環用ポンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大島 一夫 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 植草 常雄 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 町沢 健司 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 山本 公治 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 河野 恭二 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体の冷却水系に設けた水蒸気
   分離器から該燃料電池本体で発生した高温側排熱を水蒸
   気として回収して吸収式冷凍機の高温再生器に供給し、
   さらに燃料電池の排ガス系に設けた低温側排熱回収用熱
   交換器により排ガスから低温側排熱を回収して該吸収式
   冷凍機の低温再生器に供給し、該高温側排熱により該高
   温再生器で冷媒吸収溶液から蒸発させた冷媒と該低温側
   排熱により該低温再生器で該冷媒吸収溶液から蒸発させ
   た冷媒とを凝縮器で吸収式冷凍機冷却回路により冷却し
   て凝縮させ、該凝縮した冷媒を蒸発器で蒸発させて該冷
   媒の蒸発熱により熱搬送媒体を冷却して冷熱を得、該蒸
   発器で蒸発した冷媒を吸収器で該吸収式冷凍機冷却回路
   により冷却して前記冷媒吸収溶液に吸収させる吸収式冷
   凍機の吸収冷凍サイクルを駆動する燃料電池排熱利用シ
   ステムにおいて、 前記凝縮器で凝縮し前記蒸発器に送られる冷媒の一部を
   前記吸収器または前記高温再生器または前記低温再生器
   のいずれかにバイパスする冷媒バイパス回路と、この冷
   媒バイパス回路へ分流される該冷媒流量を調節する冷媒
   流量調節手段と、前記蒸発器へ導かれる熱搬送媒体の入
   口温度を測定する温度センサーと、この温度センサーで
   検出した温度が低下した場合には前記冷媒流量調節手段
   により該冷媒バイパス回路に冷媒の一部を分流させて冷
   凍能力を低下させるように制御するための操作信号を送
   信する制御装置とを具備するとともに、前記水蒸気分離器から前記吸収式冷凍機の高温再生器へ
   供給する排蒸気量を調節する水蒸気流量調節手段と、該
   水蒸気分離器内の水蒸気圧力を検知する圧力センサー
   と、該圧力センサーから所定の水蒸気圧力から変化した
   検知信号を受けた場合には該水蒸気流量調節手段に対し
   該燃料電池の温度を発電反応に適した値に維持するため
   に冷却水の温度を一定にする該水蒸気分離器内の水蒸気
   圧力を維持するように該排蒸気量を変化させる操作信号
   を送る制御装置とを具備し、 前記燃料電池の排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる
   凝縮水回収用熱交換器と、この凝縮水回収用熱交換器へ
   の冷却媒体を前記吸収式冷凍機冷却回路より分岐しその
   冷却媒体量を調節する冷却媒体流量調節手段と、前記低
   温側排熱回収用熱交換器の凝縮水および前記凝縮水回収
   用熱交換器の凝縮水を溜め必要な箇所へ供給する凝縮水
   タンクと、該凝縮水タンク内の液面高さを検出する液面
   センサーと、この液面センサーから液面が所定の高さか
   ら低下した検出信号を受けた場合には該冷却媒体流量調
   節手段に対し該凝縮水量を所定量に保つために該液面が
   所定の高さに達するように該冷却媒体量を分岐させる操
   作信号を送信する制御装置とを具備することを特徴とす
   る燃料電池排熱利用システム。
2. 【請求項２】 燃料電池本体の冷却水系に設けた水蒸気
   分離器から該燃料電池本体で発生した高温側排熱を水蒸
   気として回収して吸収式冷凍機の高温再生器に供給し、
   さらに燃料電池の排ガス系に設けた低温側排熱回収用熱
   交換器により排ガスから低温側排熱を回収して該吸収式
   冷凍機の低温再生器に供給し、該高温側排熱により該高
   温再生器で冷媒吸収溶液から蒸発させた冷媒と該低温側
   排熱により該低温再生器で該冷媒吸収溶液から蒸発させ
   た冷媒とを凝縮器で吸収式冷凍機冷却回路により冷却し
   て凝縮させ、該凝縮した冷媒を蒸発器で蒸発させて該冷
   媒の蒸発熱により熱搬送媒体を冷却して冷熱を得、該蒸
   発器で蒸発した冷媒を吸収器で該吸収式冷凍機冷却回路
   により冷却して前記冷媒吸収溶液に吸収させる吸収式冷
   凍機の吸収冷凍サイクルを駆動する燃料電池排熱利用シ
   ステムの制御方法において、 前記吸収式冷凍機の冷凍能力制御については、まず負荷
   と前記蒸発器の間の熱搬送媒体についての該負荷に応じ
   て変化する戻り温度を検出し、次に該戻り温度と設定値
   とを比較することにより該負荷に対して該吸収式冷凍機
   の冷凍能力が過剰になったかを判断し、次に該吸収式冷
   凍機の冷凍能力が過剰になった場合に前記凝縮器から該
   蒸発器に送られる冷媒の一部を前記吸収器または前記高
   温再生器または前記低温再生器のいずれかにバイパスさ
   せて行い、 前記燃料電池の冷却水系から回収される高温側排熱量の
   制御については、まず該燃料電池を冷却した冷却水の前
   記水蒸気分離器内での飽和水蒸気圧力を検知し、次に前
   記吸収式冷凍機の冷凍能力制御とは独立して該燃料電池
   の温度を発電反応に適した値に維持するために該冷却水
   の温度が一定となるように該水蒸気分離器内の飽和水蒸
   気圧力を維持するよう該吸収式冷凍機へ供給される前記
   水蒸気の排蒸気量を制御して行い、 前記燃料電池の排ガス系の排熱処理制御については、ま
   ず、前記低温側排熱回収用熱交換器からの凝縮水および
   該燃料電池の排ガス系に設けた凝縮水回収用熱交換器か
   らの凝縮水を溜め必要な箇所へ供給する凝縮水タンクの
   液面が所定の高さに達しているかを検出し、次に該液面
   が所定の高さに達していない場合に該凝縮水量が足りな
   いと判断し、次にこの凝縮水量が足りない場合のみ該凝
   縮水回収用熱交換器が作用するように前記吸収式冷凍機
   冷却回路より分岐して流す冷却媒体量を制御し該凝縮水
   タンク内の凝縮水量を一定値以上に保つように行うこと
   を特徴とする燃料電池排熱利用システムの制御方法。