JP2002289236A - 燃料電池を用いた排熱回収システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の起動に際して燃料ガスを改質器に
供給した直後に発生する改質ガスを、構成的に簡単にか
つ排熱回収効率を向上できる状態で処理する。 【解決手段】 燃料電池１を構成する改質器２に、炭化
水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給管４を接続し、
改質器２と電池スタック３とを第１のガス配管５を介し
て接続する。燃料電池１に、第１のポンプ７を介装した
第１の循環配管８を介して貯湯槽９を接続し、燃料電池
１からの排熱を回収して得た湯を貯湯槽９に貯め、給湯
管１０を通じて給湯する。給湯管１０に給湯器１１を設
け、給湯器１１に、燃料電池１からの排熱では不足する
熱を追い焚きによって補うバーナー１２を付設する。第
１のガス配管５に改質ガス供給管１３を分岐接続し、バ
ーナー用燃料供給管４ａに介装した予混合器１４に改質
ガス供給管１３を接続し、組成の不安定な改質ガスをバ
ーナー１２に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、家庭用コ
ージェネレーションシステムで用いられる固体高分子型
の燃料電池などの燃料電池からの排熱を回収し、それに
よって得た湯を貯湯槽に貯めるとともに給湯などに利用
するように構成した燃料電池を用いた排熱回収システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述した固体高分子型の燃料電池では、
燃料改質システムから電池スタックのアノード側に供給
される水素に富んだガス（水素リッチガス）中の水素
と、電池スタックのカソード側に供給される空気中の酸
素とを電池スタック中で反応させて電荷を生じさせ、発
電するように構成されている。

【０００３】燃料改質システムでは、天然ガスやメタノ
ールなどの炭化水素を含む燃料ガスを改質器に供給し、
その改質器で水蒸気改質反応などにより水素に変換する
とともにＣＯ濃度を低減した水素リッチガスを製造して
いる。

【０００４】ところが、燃料電池の起動に際して燃料ガ
スを改質器に供給した直後では、改質処理後のガスの組
成が不安定であり、このようなガスを電池スタックに供
給することができない。これは、改質器での改質反応が
吸熱反応のために、改質器の熱が奪われて改質器の温度
を定常状態まで上昇できず、電池スタックで要求される
組成のガスを製造できないからである。また、非定常状
態で改質されたガスを電池スタックに供給すると、白金
触媒などが一酸化炭素に被毒されて劣化する可能性があ
った。

【０００５】そこで、改質器での改質反応が安定するま
での間、電池スタックに供給せずに改質器での改質反応
を継続している。この電池スタックに供給せずに製造さ
れる改質ガスは、水素を含んだ可燃性ガスであるため
に、従来、大気放出する場合には、空気などにより安全
な濃度まで希釈するとか、また、改質ガスを燃焼させて
排ガスとして放出するといった手段を講じていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空気な
どにより安全な濃度まで希釈する場合、希釈のためのブ
ロアーなどの装置が必要になるとともにガス配管を配設
しなければならないなど、システムが複雑になって高価
になる欠点があった。

【０００７】また、改質ガスを燃焼させる場合には、別
途専用のバーナーとそこへの配管が必要で、上述した希
釈の場合と同様に、システムが複雑になって高価になる
欠点があった。また、改質器に備えられている昇温用の
バーナーを利用し、追い焚き用の燃料に使用することも
考えられたが、改質ガスの熱量が大きいために、改質器
での反応部の温度が上昇し、前述した定常状態の温度以
上に上昇して改質反応を安定させることができず、好ま
しくないのが実情である。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、請求項１に係る発明は、燃料電池の起
動に際して燃料ガスを改質器に供給した直後に発生する
改質ガスを、構成的に簡単にかつ排熱回収効率を向上で
きる状態で処理できるようにすることを目的とし、ま
た、請求項２に係る発明は、構成を一層簡単にできるよ
うにすることを目的とし、また、請求項３に係る発明
は、貯湯槽からの給湯管に追い焚き用のバーナーを設け
たタイプにも良好に適用できるようにすることを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明の燃
料電池を用いた排熱回収システムは、上述のような目的
を達成するために、炭化水素を含む燃料ガスを改質して
水素に富んだ改質ガスを取り出す改質器と、前記改質器
からの改質ガスと酸素とにより電気と熱を発生させる電
池スタックと、前記電池スタックまたは／および前記改
質器からの排熱を回収して得た湯を貯める貯湯槽と、前
記貯湯槽からの湯を取り出す給湯管と、前記貯湯槽また
は前記給湯管に接続されて不足する熱を補うバーナー
と、前記改質器と前記バーナーとを接続する改質ガス供
給管と、前記改質器からの改質ガスを前記電池スタック
に供給する状態と前記改質ガス供給管を通じて前記バー
ナーに供給して燃焼する状態とに切り換える切換手段と
を備えて構成する。

【００１０】また、請求項２に係る発明の燃料電池を用
いた排熱回収システムは、前述のような目的を達成する
ために、請求項１に記載の燃料電池を用いた排熱回収シ
ステムにおいて、バーナーに燃料を供給する燃料供給管
に予混合器を設け、前記予混合器に改質ガス供給管を接
続して構成する。

【００１１】また、請求項３に係る発明の燃料電池を用
いた排熱回収システムは、前述のような目的を達成する
ために、請求項１または２に記載の燃料電池を用いた排
熱回収システムにおいて、バーナーに接続した給湯管と
貯湯槽とを、ポンプを付設した循環配管を介して接続
し、改質ガスをバーナーに供給して燃焼する状態で給湯
負荷が低いときに、得られた温水を前記貯湯槽に戻すよ
うに構成する。

【００１２】

【作用】請求項１に係る発明の燃料電池を用いた排熱回
収システムの構成によれば、定常運転状態では、改質器
からの改質ガスを電池スタックに供給しながら、燃料電
池の起動に際しては、燃料ガスを改質器に供給した直後
に発生する組成の不安定な改質ガスを、給湯において不
足する熱を補うバーナーに供給して燃焼させることがで
きる。

【００１３】また、請求項２に係る発明の燃料電池を用
いた排熱回収システムの構成によれば、燃料ガスを改質
器に供給した直後に発生する組成の不安定な改質ガス
を、バーナーに供給する燃料に予混合して燃焼処理でき
る。

【００１４】また、請求項３に係る発明の燃料電池を用
いた排熱回収システムの構成によれば、燃料ガスを改質
器に供給した直後に発生する組成の不安定な改質ガス
を、貯湯槽からの給湯管に設けたバーナーに供給して燃
焼したときに、給湯負荷が低くても、得られた湯を貯湯
槽に戻して貯めていくことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池
を用いた排熱回収システムの第１実施例を示すシステム
構成図であり、１は固体高分子型の燃料電池発電システ
ムを示し、改質器２と電池スタック３とを備えて構成さ
れている。

【００１６】改質器２には、天然ガスやメタノールなど
の炭化水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給管４が接
続され、改質器２と電池スタック３とが第１のガス配管
５を介して接続されている。改質器２では、炭化水素を
含む燃料ガスを改質して水素に富んだ改質ガスを製造
し、その改質ガスを第１のガス配管５を通じて電池スタ
ック３に供給するようになっている。電池スタック３で
は、改質ガスと酸素とにより電気と熱を発生させるよう
に構成されている。図中６は、電池スタック３からのア
ノードオフガスを改質器２の改質バーナー（図示せず）
に供給する第２のガス配管を示している。

【００１７】燃料電池１には、第１のポンプ７を介装し
た第１の循環配管８（一部省略している）を介して貯湯
槽９が接続され、電池スタック３または／および改質器
２からの排熱を回収して得られた湯を貯湯槽９に貯める
ように構成されている。

【００１８】貯湯槽９に給湯管１０が接続されて貯湯槽
９からの湯を給湯用として取り出すように構成されてい
る。給湯管１０に給湯器１１が設けられるとともに、そ
の給湯器１１にバーナー１２が付設され、燃料電池１か
らの排熱では熱量が不足する場合、あるいは、給湯負荷
が高くて熱量が不足する場合などに、その不足分の熱を
バーナー１２の追い焚きによって補えるように構成され
ている。バーナー１２に、前記燃料供給管４から分岐さ
れたバーナー用燃料供給管４ａが接続されている。

【００１９】第１のガス配管５に改質ガス供給管１３が
分岐接続されている。バーナー用燃料供給管４ａの途中
箇所に予混合器１４が介装され、その予混合器１４に、
改質ガスをバーナー１２に供給する改質ガス供給管１３
が接続されている。

【００２０】特許請求の範囲における改質ガス供給管と
しては、上記改質ガス供給管１３と、第１のガス配管５
の一部、および、予混合器１４とバーナー１２との間の
バーナー用燃料供給管４ａの一部をも含んで総称してい
る。すなわち、請求項１においては、改質ガス供給管と
して、改質器２とバーナー１２とにわたって直接接続す
るように構成するものをも含む。

【００２１】第１のガス配管５の改質ガス供給管１３と
の分岐接続箇所よりも電池スタック３側に第１の電磁開
閉弁１５が設けられ、一方、改質ガス供給管１３に第２
の電磁開閉弁１６が設けられ、第１の電磁開閉弁１５を
開いて第２の電磁開閉弁１６を閉じることにより、改質
器２からの改質ガスを電池スタック３に供給し、逆に、
第１の電磁開閉弁１５を開いて第２の電磁開閉弁１６を
閉じることにより、改質器２からの改質ガスをバーナー
１２に供給するように構成されている。

【００２２】改質器２からの改質ガスを電池スタック３
に供給する状態と改質ガス供給管１３を通じてバーナー
１２に供給して燃焼する状態とに切り換える、上記第１
および第２の電磁開閉弁１５，１６から成る構成をして
切換手段と称する。この切換手段としては、第１のガス
配管５と改質ガス供給管１３との分岐接続箇所に三方弁
を設けて構成するようにしても良い。

【００２３】上記構成により、定常運転状態では、改質
器２からの改質ガスを電池スタック３に供給しながら、
燃料電池１の起動に際しては、その起動後の10分間と
か、あるいは、プレパージ分を見込んで燃料電池１の起
動前から起動後の10分間など、燃料ガスを改質器２に供
給した直後に発生する、電池スタック３で要求される組
成を満たさないガスをバーナー１２に供給して燃焼さ
せ、給湯において不足する熱を補うのに利用して有効に
回収できる。

【００２４】給湯管１０と貯湯槽９とにわたって第２の
ポンプ１７を付設した第２の循環配管１８が接続され、
燃料ガスを改質器２に供給した直後に発生する組成の不
安定な改質ガスをバーナー１２に供給して燃焼する状態
にあって、その時点での給湯負荷が低くても、得られた
温水を貯湯槽９に戻して貯めていくことができ、必要以
上に高温の湯を供給することを回避できるように構成さ
れている。

【００２５】図２は、本発明に係る燃料電池を用いた排
熱回収システムの第２実施例を示すシステム構成図であ
り、第１実施例と異なるところは次の通りである。すな
わち、燃料電池１からの排熱によって得た温水を貯湯槽
９に供給する第１の循環配管８に給湯器１１が付設され
ている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番
を付すことにより、その説明は省略する。

【００２６】この第２実施例によれば、燃料ガスを改質
器２に供給した直後に発生する組成の不安定な改質ガス
をバーナー１２に供給して燃焼する状態での給湯負荷の
いかんにかかわらず、温水として貯湯槽９に供給して貯
めていくから、前述第１実施例におけるような、給湯管
１０と貯湯槽９とにわたる第２のポンプ１７を付設した
第２の循環配管１８を設けずに済む利点がある。

【００２７】上記実施例では、燃料電池１の起動の前後
または起動後の所定時間、燃料ガスを改質器２に供給し
た直後に発生する組成の不安定な改質ガスをバーナー１
２に供給するようにしているが、本発明としては、例え
ば、その発生する組成の不安定な改質ガスの水素濃度を
測定し、測定水素濃度が所定の濃度になったときに、改
質ガスをバーナー１２に供給する状態から電池スタック
３に供給する状態に自動的に切り換えるように構成して
も良い。

【００２８】次に、前述第１実施例の排熱回収システム
を用いて行った具体実験例について説明する。燃料ガス
を改質器２に供給した直後に発生する組成の不安定な改
質ガス（低発熱量ベースのプロセス熱量：約3500Ｗで、
流量25リットル/min）に追い焚き用燃料（天然ガス）（低発
熱量ベースのプロセス熱量：約4360Ｗで、流量 6.3リットル
/min）を予混合してバーナー１２で燃焼させ、バーナー
１２に供給される温水行き温度を25℃、貯湯槽９への戻
り温度を60℃、その温水流量を 2.7リットル/minとして10分
間排熱回収を行ったところ、1098Ｗｈの排熱を回収する
ことができた。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明の燃料電池を用いた排熱回収システムによ
れば、給湯において不足する熱を補うバーナーを利用し
て、燃料ガスを改質器に供給した直後に発生する組成の
不安定な改質ガスを燃焼処理するから、専用のバーナー
などを設けずに済み、構成的に簡単に処理して排熱を回
収できる。しかも、貯湯槽または給湯管に接続されたバ
ーナーに供給して燃焼するから、例えば、燃料電池側で
湯を得て配管で貯湯槽などに供給する場合に比べて放熱
を少なくでき、排熱回収効率を向上できる。

【００３０】また、請求項２に係る発明の燃料電池を用
いた排熱回収システムによれば、燃料ガスを改質器に供
給した直後に発生する組成の不安定な改質ガスを、バー
ナーへの本来の燃料に予混合するから、構成を一層簡単
にできる。詳述すると、バーナーへの本来の燃料が、天
然ガスなどの炭化水素を主成分とするものであるのに対
して、改質ガスの主成分が水素であるために、その改質
ガス自体をバーナーに直接供給しようとすると、燃焼速
度が違うために専用のノズルを必要とするが、本来の燃
料に予混合することにより、水素濃度を希釈できて、ノ
ズルを変更せずに済むからである。

【００３１】また、請求項３に係る発明の燃料電池を用
いた排熱回収システムによれば、給湯負荷が低くても、
得られた湯を貯湯槽に戻して貯めていくから、給湯用と
して異常に高温の湯になることを回避でき、貯湯槽から
の給湯管に追い焚き用のバーナーを設けたタイプにも良
好に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池を用いた排熱回収システ
ムの第１実施例を示すシステム構成図である。

【図２】本発明に係る燃料電池を用いた排熱回収システ
ムの第２実施例を示すシステム構成図である。

【符号の説明】

２…改質器 ３…電池スタック ４…燃料供給管 ４ａ…バーナー用燃料供給管 ９…貯湯槽 １０…給湯管 １１…給湯器 １２…バーナー １３…改質ガス供給管 １４…予混合器 １５…第１の開閉弁（切換手段） １６…第２の開閉弁（切換手段） １７…第２のポンプ １８…循環配管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素を含む燃料ガスを改質して水素
   に富んだ改質ガスを取り出す改質器と、 前記改質器からの改質ガスと酸素とにより電気と熱を発
   生させる電池スタックと、 前記電池スタックまたは／および前記改質器からの排熱
   を回収して得た湯を貯める貯湯槽と、 前記貯湯槽からの湯を取り出す給湯管と、 前記貯湯槽または前記給湯管に接続されて不足する熱を
   補うバーナーと、 前記改質器と前記バーナーとを接続する改質ガス供給管
   と、 前記改質器からの改質ガスを前記電池スタックに供給す
   る状態と前記改質ガス供給管を通じて前記バーナーに供
   給して燃焼する状態とに切り換える切換手段とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池を用いた排熱回収システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池を用いた排熱
   回収システムにおいて、 バーナーに燃料を供給する燃料供給管に予混合器を設
   け、前記予混合器に改質ガス供給管を接続してある燃料
   電池を用いた排熱回収システム。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の燃料電池を用
   いた排熱回収システムにおいて、 バーナーに接続した給湯管と貯湯槽とを、ポンプを付設
   した循環配管を介して接続し、改質ガスをバーナーに供
   給して燃焼する状態で給湯負荷が低いときに、得られた
   温水を前記貯湯槽に戻すように構成してある燃料電池を
   用いた排熱回収システム。