JP4929734B2

JP4929734B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4929734B2
Application number: JP2006017115A
Authority: JP
Inventors: 繁樹保田; 隆西川; 英夫小原; 正高尾関; 伸二宮内
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: JP2007200679A

Description

本発明は、燃料電池システムの水凍結の防止に関する。

燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池２８と、燃料電池２８の冷却を行う水循環部２９とを備える。このような燃料電池システムを屋外で一定時間以上運転せずに放置すると、外気温度の低下とともに、水循環部２９が凍結し、燃料電池２８が運転不能になる、水循環部２９の構成部品が破損するといった恐れがある。したがって、低温環境下においても内部の水が凍結しない燃料電池システムが求められる。

上記凍結を防止するための燃料電池システムの一例として、外部の温度を検出する温度検出部３０を備え、閾値以下の温度を検出した際に凍結防止運転を行っていた（例えば特許文献１参照）。

以下に、その詳細について説明する。図４は、上記特許文献１に記載された従来の燃料電池システム構成の概要を示す。

上記特許文献１記載の燃料電池システムは、水素供給部３１から供給される水素と空気供給部３２から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池２８と、燃料電池２８に水を循環させる水循環部２９と、外部の温度を検出する温度検出部３０および制御装置３３とを備えていた。水循環部２９は、メインタンク３４と、メインタンク３４内の水をポンプ３５によって燃料電池２８に供給する給水路３６と、燃料電池２８からの排水をメインタンク３４に回収する排水路３７とから構成されている。

次に、この燃料電池システムの凍結防止運転の動作について説明する。

温度検出部３０が閾値以下の温度を検出した際に、制御装置３３によって燃料電池２８へ水素供給部３１と空気供給部３２からそれぞれ水素と空気が供給され、燃料電池２８は発電を行う。同時に、水循環部２９を作動させる。このとき、燃料電池２８は発電反応で熱を発するため、水循環部２９であるメインタンク３４、給水路３６、排水路３７中の水は、その熱を利用することで凍結を防止することができる。
特開平１１−２１４０２５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、温度検出部または制御装置に異常が生じた場合、低温環境下においても凍結防止運転を作動させることができず、水循環部内部の水は凍結してしまう。

その結果、次回起動時に燃料電池の温度制御ができずに発電できない、もしくは効率が著しく低下する可能性がある。また、燃料電池が、凍結による機械的ダメージを受け変形することも想定され、それにより、発電効率低下、運転不能になる可能性もある。同様の機械的ダメージは、水を循環させるポンプ、タンク、及び配管等にも生じる可能性がありそれにより、燃料電池の冷却を行うのに充分な水量を循環させることが出来ず、消費電力の増加、発電効率低下あるいは運転不能になることが想定される。更には、破損箇所から漏れた水が漏電を引き起こし、安全上危険な状態になることも危惧される。また、仮に、解凍後、全構成部品が再使用可能であったとしても、耐久性が劣化することが予想される。

このように、燃料電池システムの水が凍結した場合、商品性、安全性に著しく悪影響を及ばすことが想定される。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度検出部または制御装置に異常が生じた場合でも、凍結防止運転が作動不可となる前記異常が生じた場合においても、水凍結防止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。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路と、前記燃料電池の排気ガス中の水分を回収する水回収経路と、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つを加熱する加熱部と、前記加熱部を動作させる制御部と、前記制御部の異常を検知する異常検知部とを備え、外気温度の低下に伴い前記加熱部を動作させる燃料電池システムであって、前記異常検知部で前記異常が検知されてない場合は、外気温度の低下に伴い前記制御部により第１のスイッチが接続され、前記加熱部が動作し、前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には、外気温度の低下
に伴い機械的に接続される第２のスイッチが接続され、前記加熱部が動作することを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムは、外気温度を検知する温度検知部を備え、前記温度検知部が故障していない場合は、外気温度の低下に伴い前記制御部により前記第１のスイッチが接続され、前記加熱部が動作し、前記温度検知部が故障した場合には、外気温度の低下に伴い前記第２のスイッチが接続され、前記加熱部が動作することを特徴とする。

本発明により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じ、温度検知部による凍結防止制御が不可となった場合においても、凍結防止制御のための凍結防止回路に第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチを用いることで、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能になる。

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。

（実施の形態１）
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。本実施の形態における燃料電池システムは、原料供給経路１から供給される原料ガスおよび水蒸気から水蒸気改質反応によって水素リッチガスを生成する改質器２と、改質器２に熱を供給するバーナー３と、水素リッチガスと空気中の酸素との化学反応により発電する燃料電池４と、燃料電池４の冷却を行う冷却水経路５と、冷却水経路５を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路６と、燃料電池４の反応で生じる生成水、バーナー３からの排気ガス７中に含まれる水分、および燃料電池４の反応に使われなかった排水素をバーナーに供給する排水素経路中８に含まれる水分を回収する水回収経路９と、水回収経路９と冷却水経路５との間を相互循環ポンプ１０によって循環させる相互循環経路１１と、改質器２での反応に使用される水を供給する改質水経路１２と、冷却水経路５、貯湯経路６、水回収経路９、相互循環経路１１、改質水経路１２に含まれる水をシステム外部へ排水する排水経路１３と、冷却水経路５、貯湯経路６、水回収経路９、相互循環経路１１、改質水経路１２、排水経路１３にそれぞれ設けられた加熱部１４と、外気温度を検出する位置に取付けられた温度検知部１５と、制御部１６と、制御部１６の異常を検知する異常検知部１７と、前記制御部１６により前記温度検知部１５の検知信号に基づき第１の設定温度以下であると判断された場合に、前記加熱部１４を作動させる凍結防止回路とを備える。

加熱部１４は、例えば、ヒーターとし、低温時に凍結する可能性がある箇所を加熱により凍結防止できる箇所であれば良いが、本実施の形態では、冷却水経路５、貯湯経路６、水回収経路９、相互循環経路１１、改質水経路１２、排水経路１３にそれぞれ取り付けられている。

温度検知部１５の場所は、燃料電池システム内の水凍結防止のために温度を検知できる場所であれば、燃料電池システム内外を問わず、いずれの箇所でもかまわないが、外気温度の低下を最も敏感に検知できる箇所が望ましい。本実施の形態では、燃料電池システムの底板部に取り付けられている。

次に、本実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する。原料供給経路１から供給された原料ガスはバーナー３により加熱され、改質水経路１２から供給される改質水との水蒸気改質反応により、水素リッチガスとなる。水素リッチガスは水素供給経路１８を通して、燃料電池４に供給され、空気供給部１９によって送り込まれた空気中の酸素と反応し、発電を行う。発電反応に消費されなかった排水素は排水素経路８を通して、バーナー３に供給され、改質器２の加熱に利用される。

燃料電池４での反応で生じる生成水は、水回収経路９に回収される。また、バーナー３からの排気ガス７中に含まれる水分、およびバーナー３での燃焼を安定させるために除去された排水素経路中８の水分も水回収経路９に回収される。水回収経路９で回収された水分は、凝縮水タンク２０に貯められ、相互循環ポンプ１０により相互循環経路１１を通して燃料電池４を冷却するための冷却水、そして改質水ポンプ２１により改質器２に供給される改質水として利用される。また、燃料電池４の発電反応で生じる熱は冷却水ポンプ２２により冷却水を循環させることにより冷却水経路５中の熱交換器２３を介して、貯湯経路６を流れる貯湯水に伝えられ、家庭の給湯、暖房等に使用される。

また、停電時など凍結防止運転を作動できない場合は、燃料電池システム内の水は各水経路と接続された排水経路１３を通して、外部へと排水される。

次に、本実施の形態における凍結防止回路、および凍結防止運転の動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態１における凍結防止部を作動させる凍結防止回路図である。図２において、図１と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。

凍結防止回路は、電源２４と、前記加熱部１４と、第１のスイッチ２５と、第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６とを備え、両スイッチは直列に接続されている。ここで、上記第１のスイッチは、通常時には、温度検出部１５で検出された温度が、第１の設定温度以下になった場合に、接続状態となるが、制御部１６に温度検出部１５が故障したと判定された場合には制御部１６により接続され、異常検知部１７により制御部１６が故障したと判定された場合にも接続される。なお、本実施の形態においては、上記温度検出部１５の故障の際の第１のスイッチの接続及び上記制御部１６の異常の際の第１のスイッチの接続のうち両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えていても構わない。

次に、本実施の形態における凍結防止運転の動作について説明する。

第１のスイッチ２５は温度検知部１５で検知された温度が、燃料電池システム内の水温が凍結領域またはその近傍と推定される温度である第１の設定温度以下になった場合、制御部１６により凍結防止回路に接続され、本実施の形態では、第１の設定温度を０℃とする。また、第２のスイッチ２６は、温度検知部１５または制御部１６が故障した場合に、加熱部１４を制御し燃料電池システムの凍結防止を行うための安全装置であり、第２の設定温度以下になった場合に、機械的に凍結防止回路に接続されるよう構成されている。この第２のスイッチ２６としては、例えば、第２の設定温度以下で接続状態となるバイメタルを用いたスイッチが挙げられる。なお、燃料電池システム内の水が凍結しないためには、第２の設定温度は第１の設定温度以上であることが望ましく、例えば本実施の形態では、第２の設定温度を４℃とする。

これにより、外気温度の低下と共に温度検知部１５が０℃以下であると制御部１６により判定された場合には、第１のスイッチ２５、第２のスイッチ２６共に回路接続状態となり、燃料電池システムの水経路に取り付けられた加熱部１４が作動し、凍結が防止される。さらに、制御部１６により温度検知部１５が故障したと判定された場合、または異常検知部１７により制御部１６がノイズ等の影響により異常が起きたと判定された場合においても第１のスイッチ２５は回路接続状態となり、４℃以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６によって加熱部１４が制御され、凍結が防止される。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における凍結防止部を作動させる凍結防止回路図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態において、凍結防止回路は、電源２４と、前記加熱部１４と、第３のスイッチ２７と、第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６とを備え、第３のスイッチ２７と第２のスイッチ２６は並列に接続されている。ここで、第３のスイッチは、通常時には、温度検出部１５で検出された温度が、第１の設定温度以下になった場合に、接続状態となるが、制御部１６により温度検出部１５が故障したと判定された場合には制御部１６により開放状態が維持され、異常検知部１７により前記制御部１６が故障したと判定された場合にはこの異常検知部１７により開放状態が維持される。

なお、本実施の形態においては、通常時に温度検知部で検知された温度が第１の設定温度以下になることで凍結防止運転が作動するよう、第２の設定温度は、第１の設定温度以下となっており、さらに、燃料電池システムの水経路の凍結防止を確実にするために、具体的には、第１の設定温度は４℃で、第２の設定温度が０℃となる。また、本実施の形態においては、上記温度検出部１５の故障の際の第３のスイッチの開放状態の維持及び上記制御部１６の異常の際の第３のスイッチの開放状態の維持のうち両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えていても構わない。

以上の構成により、本実施の形態の燃料電池システムは、通常時には温度検知部１５で検知された温度が第１の設定温度以下になった場合に、加熱部１６が動作し、燃料電池システムの水経路の凍結防止が可能となるが、制御部１６により温度検知部１５が故障したと判定された場合、または異常検知部１７により制御部１６が故障したと判定された場合においても、第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６によって加熱部１４が動作し、燃料電池システムの水経路内の水の凍結が防止される。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システム内の凍結防止運転を制御する温度検知部、制御部の少なくともひとつに異常が生じた際においても、凍結防止運転を作動させることが可能であり、水凍結による発電効率低下や運転不能になるといった商品性の低下を防止でき、かつ安全性も確保できるため、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。

実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図実施の形態１における凍結防止部を作動させる回路図実施の形態２における凍結防止部を作動させる回路図従来の技術における燃料電池システムを示す構成図

符号の説明

４燃料電池
５冷却水経路
６貯湯経路
９水回収経路
１１相互循環経路
１２改質水経路
１３排水経路
１４加熱部
１５温度検知部
１６制御部
１７異常検知部
２５第１のスイッチ
２６第２のスイッチ
２７第３のスイッチ

Claims

水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路と、前記燃料電池の排気ガス中の水分を回収する水回収経路と、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つを加熱する加熱部と、前記加熱部を動作させる制御部と、前記制御部の異常を検知する異常検知部とを備え、外気温度の低下に伴い前記加熱部を動作させる燃料電池システムであって、前記異常検知部で前記異常が検知されてない場合は、外気温度の低下に伴い前記制御部により第１のスイッチが接続され、前記加熱部が動作し、前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には、外気温度の低下に伴い機械的に接続される第２のスイッチが接続され、前記加熱部が動作することを特徴とする燃料電池システム。
外気温度を検知する温度検知部を備え、前記温度検知部が故障していない場合は、外気温度の低下に伴い前記制御部により前記第１のスイッチが接続され、前記加熱部が動作し、前記温度検知部が故障した場合には、外気温度の低下に伴い前記第２のスイッチが接続され、前記加熱部が動作することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。