JP2013109888A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器への湯水の温度が急激に変動することにより熱媒体の温度が変動する。
【解決手段】燃料電池１と、貯湯タンク５と、熱媒体温度検出器４と、貯湯循環経路６と、循環温度検出器１１と、バイパス経路７と、循環温度検出器１１で検出された温度が所定温度以上となった場合にバイパス経路７への通水から貯湯タンク５への通水に切り替える切替器８と、貯湯循環経路６またはバイパス経路７の湯水を循環させる循環器９と、熱媒体温度検出器４で検出された温度に基づき循環器９の出力を制御することによって貯湯循環経路６又はバイパス経路７を循環する湯水の量を制御する制御器１０とを備え、制御器１０は循環温度検出器１１で検出された温度が所定温度以上となった場合に、循環器９の出力を所定量変化させることを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池の発電電力及び排熱を利用する燃料電池システムに関するものである。

排熱を給湯に使用することを目的とした従来の燃料電池システムとして、以下に記載されているようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来の燃料電池システムの構成図である。図３に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料電池ユニット１と貯湯ユニット２により構成されている。そして、燃料電池ユニット１と貯湯ユニット２は、循環経路３、４と、貯湯タンク５上部に戻す循環経路６と、貯湯タンク５に戻さずに循環経路４に接続されるバイパス経路７とで構成され、循環ポンプ８により水を循環させている。燃料電池ユニット１と貯湯ユニット２を循環する水は、貯湯タンク５の下部より循環ポンプ８を通り、熱媒体経路２０を流れる燃料電池９の排熱を回収した熱媒体（例えば、水）と熱交換器１０により熱交換することによって加熱され湯水となる。

循環経路３を流れる湯水は、貯湯タンク５の上部温度を低下させないようにするために、温度センサー１１で検出され、その温度が貯湯タンク５の上部の温度よりも高い時は貯湯タンク５上部に戻す循環経路６によって貯湯タンク５の上部に搬送される。ここで加熱された熱回収の湯水の温度が貯湯タンク５の上部の温度よりも低い時は切替弁１２によってバイパス経路７に搬送され回路内を循環する。また、水は、給水配管１３で供給され、給湯として使用されるお湯１４は貯湯タンク５上部から給湯配管１５の温水と給水配管１３の水を混合弁１６で所定の温度に混合し出湯される。

また、従来の燃料電池の冷却装置として、ラジエータを用いて燃料電池の冷却を行うものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−２２３３８５号公報 特開２００４−１７８８２６号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池システムの構成では、排熱回収した湯水の温度により、切替弁１２で経路を切り替えた際に熱交換器１０へ流入する湯水の温度が変動することによって、熱媒体経路２０を流れる熱媒体の温度が変動し、燃料電池１の発電が不安定になるという課題を有していた。特に、貯湯タンク５の下部の湯水の温度よりバイパス経路７を流れる湯水の温度が高い場合、経路を切り替える際に熱交換器１０へ流入する湯水の温度が急激に変動することによって、熱交換器１０での授受熱量が変化し、熱媒体経路２０を流れる熱媒体の温度が変動する恐れがあった。この変動に伴って燃料電池９の電圧低下といった出力変動が起こり、燃料電池システムの運転が不安定となる恐れがあった。

より具体的には、循環経路６からバイパス経路７に経路を切り替える際に、熱交換器１０へ流入する湯水の温度が上昇する場合があり、燃料電池９に供給される熱媒体の温度が上昇する恐れがあった。これにより、燃料電池９の温度が上昇し、高分子電解質膜が十分
に湿潤されず、燃料電池９の出力が低下する恐れがあった。また、バイパス経路７から循環経路６に経路を切り替える際に、熱交換器１０へ流入する湯水の温度が低下する場合があり、燃料電池９に供給される熱媒体の温度が低下する恐れがあった。これにより、燃料電池９の温度が低下し、反応ガス中の水分が結露してフラッディングが起こり、膜電極接合体に反応ガスが十分に供給されず、燃料電池９の出力が低下する恐れがあった。

また、特許文献２に記載の従来の燃料電池の冷却装置の技術では、排熱を給湯に用いるという観点から、未だ改善の余地があった。

本発明は、上記従来の燃料電池システムの課題を解決するもので、燃料電池に供給される熱媒体の温度の変動を抑制し、安定した運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、温度センサーが所定温度以上となり循環経路上に構成された切替器によってバイパス経路から貯湯タンクへの通水に切り替える際に、制御器によって循環器の出力を所定量変化させる。

すなわち、切替器によって経路を切り替える際に、循環器によって循環経路を流れる湯水の量を変化させ、熱交換器に流入する湯水の量を変化させる。

本発明の燃料電池システムによれば、熱交換器に供給される熱量の変動を抑制することができ、燃料電池に供給される熱媒体の温度の変動を抑制することが出来る。そのため、燃料電池の発電状態が安定となり、燃料電池システムの安定した運転が可能となる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態１における制御器の出力決定処理手順のフローチャート 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池と、前記燃料電池の排熱を回収する熱交換器と、前記燃料電池と前記熱交換器間に熱媒体を循環させる熱媒体循環経路と、前記熱媒体の温度を検知する熱媒体温度検出器と、前記熱交換器で回収された排熱を溜める貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部の水を前記燃料電池の排熱を利用して湯水とし、前記貯湯タンクの上部に前記湯水を戻すように、前記貯湯タンク及び前記熱交換器を環状に接続された貯湯循環経路と、前記貯湯循環経路を流れる湯水の温度を検出する循環温度検出器と、前記貯湯タンクを迂回するように前記貯湯循環経路に接続されたバイパス経路と、前記循環温度検出器で検出された温度が第１の所定温度以上となった場合に前記バイパス経路への通水から前記貯湯タンクへの通水に切り替え、前記第１の所定温度より低い第２の所定温度以下となった場合に前記貯湯タンクへの通水から前記バイパス経路への通水に切り替える切替器と、前記貯湯循環経路または前記バイパス経路の湯水を循環させる循環器と、前記循環温度検出器で検出された温度が前記第１の所定温度以上となった場合に前記循環器の出力を第１の所定量低下させ、前記第２の所定温度以下となった場合に前記循環器の出力を第２の所定量増加させる制御器と、を備える燃料電池システムである。

すなわち、循環温度検出器で検出された温度が第１の所定温度以上となり、切替器によってバイパス経路への通水から貯湯タンクへ向かう貯湯循環経路に切り替える際に、循環
器によって循環経路を流れる湯水の量を低下させ、熱交換器に流入する湯水の量を低下させる。また、循環温度検出器で検出された温度が第２の所定温度以下となり、切替器によって貯湯タンクへの通水からバイパス経路への通水に切り替える際に、循環器によって循環経路を流れる湯水の量を増加させ、熱交換器に流入する湯水の量を増加させる。

これにより、これにより、熱交換器に供給される熱量の変動を抑制し、熱交換器での授受熱量を安定とすることができ、熱媒体の温度の変動を低減することが出来る。その結果、燃料電池の発電状態が安定し、安定した運転が可能な燃料電池システムが実現出来る。

第２の発明は、特に第１の発明において、制御器は前記第１所定量及び前記第２所定量を燃料電池の発電量に応じて変化させる。

つまり、切替器により通水を切り替える際に、燃料電池の発電量に応じた変化量で循環器の出力を変化させる。これにより循環経路を流れる湯水の量を変化させ、熱交換器での授受熱量を安定とすることができ、熱媒体の温度の変動を低減することができるので、燃料電池の運転を安定化できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。

図１に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと空気を用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池１と、燃料電池１の排熱を回収する熱交換器２と、燃料電池１と熱交換器２の間に熱媒体（例えば、水）を循環させる熱媒体循環経路３と、熱媒体の温度を検知する熱媒体温度検出器４と、熱交換器２で回収された排熱を溜める貯湯タンク５と、貯湯タンク５の下部の水を燃料電池１の排熱を利用して湯水とし、貯湯タンク５の上部に湯水を戻すように、貯湯タンク５及び熱交換器２を環状に接続された貯湯循環経路６と、貯湯循環経路６を流れる湯水の温度を検出する循環温度検出器１１と、貯湯タンク５を迂回するように貯湯循環経路６に接続されたバイパス経路７と、循環温度検出器１１により検出された温度が所定温度となった時にバイパス経路７への通水と貯湯タンク５への通水とを切り替える切替器である切替弁８と、貯湯循環経路６またはバイパス経路７の湯水を循環させる循環器である貯湯ポンプ９と、熱媒体温度検出器４で検出された温度に基づき貯湯ポンプ９の出力を制御することによって貯湯循環経路６またはバイパス経路７を循環する湯水の量を制御する制御器１０とを備えている。

燃料電池１では、燃料ガス供給器３０から供給された水素含有ガスなどの燃料ガスと、酸化剤ガス供給器３１から供給された空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。さらに、燃料電池１では発電に伴って発熱するため、熱媒体ポンプ１３により燃料電池１を経由して熱媒体循環経路３を循環する熱媒体により冷却される。熱媒体ポンプ１３としては、主に遠心ポンプ、斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられ、熱交換器２としては、おもにプレート式熱交換器や二重管式熱交換器などが用いられる。燃料電池１において熱を回収し温度が上昇した熱媒体は、熱交換器２で貯湯水と熱交換して熱媒体ポンプ１３によって再び燃料電池１に供給される。

貯湯循環経路６は、貯湯タンク５の下部と循環器である貯湯ポンプ９の吸入口とが接続され、貯湯ポンプ９の吐出口と熱交換器２の貯湯水入口とが接続されることで温度の低い貯湯水を貯湯タンク５の下部から取り出して熱交換器２に供給する。

循環温度検出器１１は熱交換器２の貯湯水出口側からの貯湯循環経路水の温度を検出する。この検出された温度が第１の所定温度（例えば４３℃）より高い場合には貯湯タンク５上部に貯湯水を戻し、第２の所定温度（例えば４０℃）より低ければバイパス経路７を経由するように切替器である切替弁８を切り替えることにより、貯湯タンク５上部より所定温度以上のお湯を貯湯する。また、タンク下部温度検出器１４が所定温度（例えば４３℃）となれば燃料電池１の発電を停止する。

このように貯湯タンク５上部より高温のお湯を貯える積層沸き上げ方式とすることで、貯湯タンク５全体を同時に沸き上げる場合と比較して短時間で必要な温度のお湯が貯湯タンク５上部より貯えられる。貯湯タンク５の底部には給水経路が接続されており、上部には貯湯タンク５に貯えられた高温の貯湯水を台所や洗面所、風呂などの熱負荷に供給する温水経路が接続され、貯湯タンク５に貯湯されたお湯を熱負荷に供給し、貯湯されたお湯が減少すると、給水経路より貯湯タンク５底部に給水される。

貯湯ポンプ９は熱媒体温度検出器４で検出される温度が一定（例えば５７℃）となるように制御器１０により出力を制御する。例えば熱媒体温度検出器４で検出される温度が目標とする温度（例えば５７℃）より高くなれば貯湯ポンプ９の出力を増加することにより貯湯循環経路６を流れる水量を増加させ、熱交換器２での授受熱量を安定とすることにより、熱媒体温度検出器４で検出される温度が目標とする温度となるように制御する。

さらに制御器１０は循環温度検出器１１で検出される温度が第１の所定温度以上（例えば４３℃以上）となった場合、貯湯ポンプ９の出力を第１の所定量低下させる。すなわち、循環温度検出器１１で検出される温度が第１の所定温度以上となった場合、切替器８が切り替わる動作と同時に貯湯ポンプ９の出力を低下させる。また、制御器１０は循環温度検出器１１で検出される温度が第２の所定温度以下となった場合、貯湯ポンプ９の出力を第２の所定量増加させる。すなわち、循環温度検出器１１で検出される温度が第２の所定温度以下となった場合、切替器８が切り替わる動作と同時に貯湯ポンプ９の出力を増加させる。

なお、制御器は前記第１の所定量及び前記第２の所定量を出力変化前の出力の大きさに対する一定割合としても良い。これにより、変化直前の熱媒体の流量に応じた変化量で循環器の出力を変化させ、熱交換器での授受熱量を安定とすることができ、熱媒体の温度の変動を低減することができるので、燃料電池の運転を安定化できる。

図２は、制御器１０での貯湯ポンプ９の出力決定処理手順をフローチャートで示している。制御器１０は、循環温度検出器１１で検出された温度が第１の所定温度以上（例えば４３℃）かを判断する（ステップＳ５０）。循環温度検出器１１で検出された温度が第１の所定温度以上になっていなければ次に、第２の所定温度以下（例えば４０℃）かを判断する（ステップ５２）。このとき、第１の所定温度以上であれば、貯湯ポンプ９の出力を第１所定量低下させた出力で動作させ（ステップ５１、ステップ５５）、第２の所定温度以下であれば貯湯ポンプ９の出力を第２所定量増加させた出力で動作させる（ステップ５２、ステップ５３、ステップ５５）。

ステップ５２において、第２の所定温度以下でなければ、循環温度検出器１１で前回検出時の温度で判定された第１の所定量もしくは第２の所定量を低下もしくは増加させる。例えば前回、循環温度検出器１１で検出された温度が第１の所定温度以上であって、今回
循環温度検出器１１で検出された温度が第１の所定温度より低く、第２の所定温度より高い場合は、第１の所定量を低下させた出力で貯湯ポンプ９を動作させる。このようにすることにより循環温度検出器１１で検出された温度で貯湯ポンプ９がチャタリングすることなく動作でき、貯湯循環経路６もしくはバイパス経路７を流れる湯水の流量を安定化することが出来る。熱媒体 本実施の形態によれば切替器８によりバイパス経路７への通水と貯湯タンク５への通水とを切り替える際に、貯湯循環経路６またはバイパス経路７を流れる湯水の量を変化させることにより熱交換器２での授受熱量の変動を抑制し、熱媒体の温度変動を低減することができるので、燃料電池１の運転を安定化できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有しており、実施の形態１と同様に運転されるが、以下の点が実施の形態１とは異なっている。

本実施の形態の燃料電池システムは、循環温度検出器１１で検出された温度が所定温度となった場合に貯湯ポンプ９の出力を燃料電池の発電量に基づく所定量で変化させることを特徴とする。すなわち循環温度検出器１１で検出された温度が第１の所定温度以上となった場合には、熱媒体温度検出器４で検出された温度に基づく出力に燃料電池１の発電量に基づく第１の所定量を低下させた出力で貯湯ポンプ９を制御し、循環温度検出器１１で検出された温度が第２の所定温度以下となった場合には、熱媒体温度検出器４で検出された温度に基づく出力に燃料電池１の発電量に基づく第２の所定量を増加させた出力で貯湯ポンプ９を制御する。

通常、燃料電池１の発電にともなう排熱は、発電量の大きさに伴い増減しており、燃料電池１の発電量に基づき貯湯ポンプ９の出力を変化させることにより、貯湯循環経路６もしくはバイパス経路７を流れる湯水の量をより早期に安定化することが出来る。

本実施の形態によれば、切替器８によりバイパス経路７への通水と貯湯タンク５への通水とを切り替える際に、貯湯循環経路６またはバイパス経路７を流れる湯水の量を燃料電池１の発電量に基づき変化させることにより熱交換器２での授受熱量の変動を抑制し、熱媒体の温度変動を低減することができるので、燃料電池１の運転を安定化できる。

なお、本実施の形態では、熱媒体として水を用いたが、これに限定されず、例えば、オイル又は不凍液を用いてもよい。不凍液としては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、及び、これらの水溶液を用いることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、バイパス経路の通水と貯湯タンクへの通水とを切り替わる際に、貯湯循環経路またはバイパス経路を流れる湯水の量を変化させることにより熱交換器の授受熱量の変動を低減することができるので、高分子電解質型燃料電池の運転を安定化できる。

１ 燃料電池
２ 熱交換器
３ 熱媒体循環経路
４ 熱媒体温度検出器
５ 貯湯タンク
６ 貯湯循環経路
７ バイパス経路
８ 切替弁（切替器）
９ 貯湯ポンプ（循環器）
１０ 制御器
１１ 循環温度検出器
１２ 燃料電池システム
１３ 熱媒体ポンプ
１４ タンク下部温度検出器
３０ 燃料ガス供給器
３１ 酸化剤ガス供給器

Claims (2)

1. 燃料ガスと空気を用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池と、
   前記燃料電池の排熱を回収する熱交換器と、
   前記燃料電池と前記熱交換器間に熱媒体を循環させる熱媒体循環経路と、
   前記熱媒体の温度を検知する熱媒体温度検出器と、
   前記熱交換器で回収された排熱を溜める貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの下部の水を前記燃料電池の排熱を利用して湯水とし、前記貯湯タンクの上部に前記湯水を戻すように、前記貯湯タンク及び前記熱交換器を環状に接続された貯湯循環経路と、
   前記貯湯循環経路を流れる湯水の温度を検出する循環温度検出器と、
   前記貯湯タンクを迂回するように前記貯湯循環経路に接続されたバイパス経路と、
   前記循環温度検出器で検出された温度が第１の所定温度以上となった場合に前記バイパス経路への通水から前記貯湯タンクへの通水に切り替え、前記第１の所定温度より低い第２の所定温度以下となった場合に前記貯湯タンクへの通水から前記バイパス経路への通水に切り替える切替器と、
   前記貯湯循環経路または前記バイパス経路の湯水を循環させる循環器と、
   前記循環温度検出器で検出された温度が前記第１の所定温度以上となった場合に前記循環器の出力を第１の所定量低下させ、前記第２の所定温度以下となった場合に前記循環器の出力を第２の所定量増加させる制御器と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記第１所定量及び前記第２所定量を、前記燃料電池の発電量に応じて変化させる請求項１記載の燃料電池システム。