JP2010205631A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】停電時の燃料電池システムの凍結を抑制する。
【解決手段】低温側流路３１が形成された排熱回収熱交換器４を備えた燃料電池発電装置１と、燃料電池発電装置１の外部に配置された貯湯槽７とを有する燃料電池システムにおいて、温水循環復配管１０の低温側流路３１と貯湯槽７との間に気抜き弁１４と第１閉止弁１３とを設け、温水循環往配管１１の貯湯槽７と低温側流路３１との間に第２閉止弁１５と水抜き弁１６とを設ける。停電時に、第１閉止弁１３および第２閉止弁１５を閉じ、気抜き弁１４および水抜き弁１６を開くことにより、気抜き弁１４を介して空気導入口２３から温水循環復配管１０に空気が導入され、水抜き弁１６を介して水排出口２４から水が排出される。第１閉止弁１３、第２閉止弁１５、気抜き弁１４および水抜き弁１６を電磁弁としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

家庭用燃料電池コージェネレーションシステムは、通常、燃料電池発電装置と、燃料電池発電装置にて生成した温水を貯める貯湯装置とを組み合わせたものである。燃料電池発電装置は、直流電力を発生する燃料電池本体と、都市ガスやＬＰガスなどの燃料から水素ガスを生成する燃料処理装置と、燃料電池発電装置で発生する熱を回収する排熱回収熱交換器と、燃料電池発電装置で生成し凝縮した水を回収する水タンクによって構成されている。また、貯湯装置は、燃料電池発電装置の排熱を利用して生成した温水を貯める貯湯槽、およびラジエータを備えている。燃料電池発電装置および貯湯装置の間には、温水循環ラインが設けられる。

このような燃料電池システムでは、一般に、燃料電池発電装置および貯湯装置は、互いに独立した筐体内に設けられている。このため、温水循環ラインは、直接外気に晒されている。

燃料電池システムは、内部に多くの水を保有し、多くの機器・プロセスに水が介在している。このため、特に寒冷地では、燃料電池システムの停止時に、内部の水が凍結するおそれがある。燃料電池システムの内部の水の凍結は、燃料電池本体の性能に致命的な劣化をもたらす可能性がある。また、極端な場合には、水の体積膨張によって機器の破損に至る場合もある。

とりわけ、停電した場合には、燃料電池発電装置内のポンプやファン、ブロアが停止して流体の流れが無くなって凍結の危険性は格段に高くなる。その中でも特に、温水循環ラインは直接外気に晒されていることから、凍結の可能性が最も高い。

燃料電池発電装置および貯湯装置の内部に保有する水は、運転中には、高い温度に保持されている。このため、停電の場合、寒冷地であっても短時間に凍結に至ることはない。逆に、早計な凍結防止対策は、復電時の速やかな起動の妨げになる場合もある。日本国内の電力事情を鑑みると、停電が数日に及ぶことは稀であるため、短時間の停電に対応した実効のある凍結防止対策が強く望まれている。

燃料電池システムの凍結対策として、燃料電池発電装置内にスペースヒータを設置する方法がある。また、特許文献１には、運転停止中、外気温度を検知して燃料電池発電装置内のタンクの水を排出してしまう方法が開示されている。特許文献２には、燃料電池発電装置と貯湯装置の間に、温水循環ラインとは別の凍結防止用循環ラインを設け、貯湯槽の温水を熱源として燃料電池発電装置内機器の凍結防止を図る方法が開示されている。特許文献３には、運転を行わないとき、燃料電池発電装置内の水を水タンク内に導入し、水タンクを特殊な断熱方法で保温し長時間に亘って凍結を防止する方法が開示されている。

特開平１１−２７３７０４号公報 特開２００３−２８２１０５号公報 特願２００５−０６３３４０号公報

燃料電池システムの凍結対策として、スペースヒータを用いるなどの電力を用いる方法では、停電時には効果が得られない。

そこで、本発明は、停電時の燃料電池システムの凍結を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、排熱回収熱交換器を備えた燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置の外部に配置された貯湯槽と、前記排熱回収熱交換器の低温側流路の一方の端に接続されて前記貯湯槽に延びた第１配管と、前記低温側流路の他方の端に接続されて前記貯湯槽に延びた第２配管と、前記第１配管に設けられた第１閉止弁と、前記第２配管に設けられた第２閉止弁と、前記排熱回収熱交換器と前記第１閉止弁との間で前記第１配管に空気を導入する気抜き弁と、前記気抜き弁よりも低い位置に設けられて前記排熱回収熱交換器と前記第２閉止弁との間で前記第２配管から水を排出する水抜き弁と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、停電時の燃料電池システムの凍結を抑制できる。

本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの第３の実施の形態におけるブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの第４の実施の形態におけるブロック図である。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池発電装置１と、貯湯槽７と、循環ラインとを有している。燃料電池発電装置１は、燃料電池本体２と、燃料処理装置３と、水タンク５と、排熱回収熱交換器４とを有している。

燃料処理装置３は、外部から都市ガスやＬＰガスなどの燃料を受け、また、水タンク５から改質水３６を供給されて、水蒸気改質反応により水素リッチガス３７を生成する。燃料処理装置３が生成した水素リッチガス３７は、燃料電池本体２のアノード極に供給される。燃料電池本体２は、この水素リッチガス３７中の水素と、外部からカソード極に供給される空気中の酸素を用いて発電する。

燃料電池本体２のアノード極から排出されるアノード排ガス３８には、電池反応に用いられずに残存した水素が含まれる。このアノード排ガス３８は、燃料処理装置３に供給されて燃焼し、水蒸気改質反応に必要な温度の維持に用いられる。

燃料電池本体２のカソード極から排出されるカソード排ガス３９には、電池反応で生じた水分が含まれる。このカソード排ガス３９は、排熱回収熱交換器４で凝縮され、水タンク５に貯えられる。

排熱回収熱交換器４の高温側と燃料電池本体２の間には冷却配管が延びていて、冷却水が循環している。燃料電池本体２を冷却し、つまり、燃料電池本体２の排熱を回収して温度が上昇した冷却水３４は、排熱回収熱交換器４の低温側流路３１を流れる水と熱交換し、温度が低下する。排熱回収熱交換器４で温度が低下した冷却水３５は、再び燃料電池本体２の冷却に用いられる。

排熱回収熱交換器４に形成された低温側流路３１の入口端３２と、貯湯槽７との間には、温水循環往配管１１が延びている。排熱回収熱交換器４に形成された低温側流路３１の出口端３３と、貯湯槽７との間には、温水循環復配管１０が延びている。つまり、温水循環往配管１１および温水循環復配管１０によって、貯湯槽７と排熱回収熱交換器４との間で温水が循環する温水循環ラインが形成されている。

この温水循環ラインの途中には、水を循環させる温水循環ポンプ９が燃料電池発電装置１の筐体内に設けられている。また、温水循環往配管１１には貯湯装置６の筐体内にラジエータ８が設けられていて、排熱回収熱交換器４の低温側流路３１に流れ込む水の温度が高くなり過ぎないようになっている。貯湯槽７あるいは温水循環往配管１１には、水道管などが接続されて、外部から水が供給される。

貯湯槽７は、燃料電池発電装置１の外部に設けられた貯湯装置６の筐体の内部に設けられる。このため、温水循環往配管１１および温水循環復配管１０の少なくとも一部は、外気に晒される。

温水循環復配管１０には、貯湯装置６の筐体の内部に第１閉止弁１３が設けられている。温水循環往配管１１には、貯湯装置６の筐体の内部に第２閉止弁１５が設けられている。

また、温水循環復配管１０には、出口端３３と第１閉止弁１３との間で、燃料電池発電装置１の筐体の外部でかつ貯湯装置６の筐体の外部で分岐して空気導入口２３まで延びる配管が取り付けられていて、この配管の途中には気抜き弁１４が設けられている。つまり、この気抜き弁１４は、出口端３３と第１閉止弁１３との間で温水循環復配管１０に空気を導入する弁である。

温水循環往配管１１には、入口端３２と第２閉止弁１５との間で、燃料電池発電装置１の筐体の外部でかつ貯湯装置６の筐体の外部で分岐して水排出口２４まで延びる配管が取り付けられていて、この配管の途中には水抜き弁１６が設けられている。水抜き弁１６は、気抜き弁１４よりも低い位置に設けられている。つまり、この水抜き弁１６は、入口端３２と第２閉止弁１５との間で温水循環往配管１１から水を排出する弁である。

第１閉止弁１３および第２閉止弁１５は、通常いずれも開いた状態である。気抜き弁１４および水抜き弁１６は、通常いずれも閉じた状態である。

たとえばこの燃料電池システムを寒冷地で長期間停止する場合などに電力系統に停電が発生すると、電気を用いて凍結を防止する装置を燃料電池システムに設けていたとしても、その凍結防止装置が機能しなくなってしまう。このような場合、温水循環往配管１１および温水循環復配管１０の外気に晒された部分で、配管内部の水が凍結する可能性がある。

本実施の形態では、電力系統など外部から電力が供給されず、温水循環ラインの水が凍結するおそれがある場合に、温水循環ラインの水を抜いておくことにより、水の凍結を回避する。温水循環ラインの水抜きは、次の手順で行う。

まず、第１閉止弁１３および第２閉止弁１５を閉じる。次に、気抜き弁１４および水抜き弁１６を開く。これにより、空気導入口２３から気抜き弁１４を通って空気が温水循環復配管１０に流れ込み、温水循環ラインの水が水抜き弁１６を通って、燃料電池発電装置１の筐体の外部でかつ貯湯装置６の筐体の外部に設けられた水排出口２４から排出される。これらの弁の開閉は、手動で行う。

このようにして、本実施の形態の燃料電池システムは、電気の供給がない場合でも、外気に晒される温水循環往配管１１および温水循環復配管１０から水を排出し、凍結の可能性を低減できる。また、凍結防止対策を最も凍結の可能性が高い部位に限定している。すなわち、最も凍結の可能性が高い温水循環往配管１１および温水循環復配管１０から水を排出している。このため、この燃料電池システムは、複電後に速やかに起動が可能となる。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池システムは、第１の実施の形態の燃料電池システムにおける第１閉止弁１３および第２閉止弁１５、並びに、気抜き弁１４および水抜き弁１６を、第１遮断弁１７および第２遮断弁１９、並びに、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０に置き換えたものである。第１遮断弁１７および第２遮断弁１９、並びに、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０は、いずれも外部の電力系統に蓄電池２５を介して接続された電磁弁である。

第１遮断弁１７および第２遮断弁１９は、電力が供給されると開き、電力の供給が停止すると閉じる。電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０は、電力が供給されると閉じ、電力の供給が停止すると開く。したがって、第１遮断弁１７および第２遮断弁１９は、通常開いた状態であり、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０は、通常閉じた状態である。

電力系統に停電が発生して電力が供給されなくなると、第１遮断弁１７および第２遮断弁１９、並びに、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０には、蓄電池２５から所定の期間電力が供給される。所定の期間の経過後、第１遮断弁１７および第２遮断弁１９、並びに、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０に電力が供給されなくなると、第１遮断弁１７および第２遮断弁１９は自動的に閉じ、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０は自動的に開く。これにより、空気導入口２３から電磁気抜き弁１８を通って空気が温水循環復配管１０に流れ込み、温水循環ラインの水が電磁水抜き弁２０を通って水排出口２４から排出される。

このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、電力系統が停電すると、外気に晒される温水循環往配管１１および温水循環復配管１０から自動的に水を排出し、凍結の可能性を低減できる。また、凍結防止対策を最も凍結の可能性が高い部位に限定しているため、この燃料電池システムは、複電後に速やかに起動が可能となる。

さらに、本実施の形態では、蓄電池２５を設けているため、系統電力での停電の発生のから所定の時間が経過した後に温水循環ラインの水が排出されるようになっている。このため、系統電力で瞬間的な停電が発生した場合には温水循環ラインの水が排出されることがない。

［第３の実施の形態］
図３は、本発明に係る燃料電池システムの第３の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池システムは、第２の実施の形態の燃料電池システムにおける第１遮断弁１７および第２遮断弁１９を第１三方弁２１に、電磁気抜き弁１８および電磁水抜き弁２０を第２三方弁２２に置き換えたものである。第１三方弁２１および第２三方弁２２は、いずれも外部の電力系統に蓄電池２５を介して接続された電磁弁である。第１三方弁２１および第２三方弁２２は、たとえば貯湯装置６の筐体の内部に設けられる。

温水循環復配管１０に設けられた第１三方弁２１は、電力が供給されている間は排熱回収熱交換器４と貯湯槽７とをつないでいる温水循環復配管１０の流路を、電力の供給が停止すると、排熱回収熱交換器４と空気導入口２３とをつなぐように切り替える。温水循環往配管１１に設けられた第２三方弁２２は、電力が供給されている間は排熱回収熱交換器４と貯湯槽７とをつないでいる温水循環往配管１１の流路を、電力の供給が停止すると、排熱回収熱交換器４と水排出口２４とをつなぐように切り替える。

電力系統に停電が発生して電力が供給されなくなると、空気導入口２３から第１三方弁２１を通って空気が温水循環復配管１０に流れ込み、温水循環ラインの水が第２三方弁２２を通って水排出口２４から排出される。

このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、電力系統が停電すると、外気に晒される温水循環往配管１１および温水循環復配管１０から自動的に水を排出し、凍結の可能性を低減できる。また、凍結防止対策を最も凍結の可能性が高い部位に限定しているため、この燃料電池システムは、複電後に速やかに起動が可能となる。

さらに、本実施の形態では、蓄電池２５を設けているため、系統電力での停電の発生から所定の時間が経過した後に温水循環ラインの水が排出されるようになっている。このため、系統電力で瞬間的な停電が発生した場合には温水循環ラインの水が排出されることがない。また、本実施の形態では、第２の実施の形態における２つの電磁弁を１つの三方弁で置き換えているため、部品点数が減少し、製造コストが低減されるとともに、保守に要するコストも低減される。

［第４の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料電池システムの第４の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池システムは、第２三方弁２２から第１三方弁２１に至る流路が、上昇しながら温水循環往配管１１と排熱回収熱交換器４の低温側流路３１と温水循環復配管１０とを順次通過するように、排熱回収熱交換器４と温水循環往配管１１と前記第２配管とが設けられている。また、第２三方弁２２は、温水循環往配管１１の最も低い位置に設けられている。

このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、流路が適切に傾斜しているため、弁の開閉により、温水循環ラインから完全に排水することができる。このため、凍結の可能性をより低減することができる。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…燃料電池発電装置、２…燃料電池本体、３…燃料処理装置、４…排熱回収熱交換器、５…水タンク、６…貯湯装置、７…貯湯槽、８…ラジエータ、９…温水循環ポンプ、１０…温水循環復配管、１１…温水循環往配管、１３…第１閉止弁、１４…気抜き弁、１５…第２閉止弁、１６…水抜き弁、１７…第１遮断弁、１８…電磁気抜き弁、１９…第２遮断弁、２０…電磁水抜き弁、２１…第１三方弁、２２…第２三方弁、２３…空気導入口、２４…水排出口、２５…蓄電池、３１…低温側流路、３２…入口端、３３…出口端、３４…冷却水、３５…冷却水、３６…改質水、３７…水素リッチガス、３８…アノード排ガス、３９…カソード排ガス

Claims (5)

1. 排熱回収熱交換器を備えた燃料電池発電装置と、
   前記燃料電池発電装置の外部に配置された貯湯槽と、
   前記排熱回収熱交換器の低温側流路の一方の端に接続されて前記貯湯槽に延びた第１配管と、
   前記低温側流路の他方の端に接続されて前記貯湯槽に延びた第２配管と、
   前記第１配管に設けられた第１閉止弁と、
   前記第２配管に設けられた第２閉止弁と、
   前記排熱回収熱交換器と前記第１閉止弁との間で前記第１配管に空気を導入する気抜き弁と、
   前記気抜き弁よりも低い位置に設けられて前記排熱回収熱交換器と前記第２閉止弁との間で前記第２配管から水を排出する水抜き弁と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１閉止弁と前記第２閉止弁と前記水抜き弁と前記気抜き弁とは外部の電力系統に接続され、
   前記第１閉止弁と前記第２閉止弁とは電力が供給されると開く電磁弁であり、
   前記水抜き弁と前記気抜き弁とは電力が供給されると閉じる電磁弁である、
   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. 外部の電力系統から電力を供給されて蓄電し、前記電力系統が停電しても所定の期間、前記第１閉止弁と前記第２閉止弁と前記水抜き弁と前記気抜き弁とに電力を供給する蓄電池をさらに有する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. 前記排熱回収熱交換器と前記第１配管と前記第２配管とは前記水抜き弁から前記第１閉止弁に至る流路が上昇しながら前記第２配管と前記低温側流路と前記第１配管とを順次通過するように設けられ、前記水抜き弁は前記第２配管の最も低い位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１閉止弁と前記水抜き弁とは一つの三方弁で形成され、
   前記第２閉止弁と前記気抜き弁とは一つの三方弁で形成され、
   ていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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