JP5025929B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に排熱回収効率の低下を抑制した燃料電池発電システムに関するものである。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、地球温暖化抑制に資する燃料電池で発電する燃料電池システムが注目を集めている。燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する装置であるところ、この電気化学的反応が発熱反応であることからこの熱を有効利用すべく、一般に、燃料電池システムは貯湯槽を付加してシステムを構成する場合が多い。燃料電池からの発熱はスタック冷却水に奪われ、温度が上昇したスタック冷却水は排熱回収温水と熱交換器にて熱交換を行うことにより温度が低下し再び燃料電池の冷却に用いられる。他方、スタック冷却水と熱交換を行った排熱回収温水は貯湯槽に導かれて蓄熱され、熱需要に応じて利用される。

排熱回収温水は燃料電池から熱を奪ったスタック冷却水により加熱されるが、この加熱の際、排熱回収温水中に溶解していた空気が放出されて管内に空気溜まりが発生しやすい。このため、排熱回収温水を下方から上方に流れるように熱交換器に供給することにより、管内に発生した空気溜まりを排熱回収温水の流れと共に除去して貯湯槽まで導くのが一般的である。他方、スタック冷却水と排熱回収温水との熱交換に使用される熱交換器は、熱交換効率を向上させるためにスタック冷却水と排熱回収温水とが対向流で流れるように構成されていることが好ましい。排熱回収温水を下方から上方に流し、これに対しスタック冷却水を対向流で流すときは、スタック冷却水は熱交換器を上方から下方へ流れることとなる。

しかしながら、スタック冷却水は窒素や酸素、あるいは炭酸ガスが溶存した状態となっている場合が多く、スタック冷却水からも気体が発生する場合がある。前述のように、スタック冷却水を上方から下方へ熱交換器に流すと熱交換器の上部にガス溜まりが発生することとなる。熱交換器内にガス溜まりが生じると、気体と接している部分は熱交換に寄与しないため、結果的に伝熱面積が減少することとなり、系内の温度バランスが崩れるという不具合が生じる。また、熱交換器内にガス溜まりが発生していることを直接的に認知することは困難であり、認知するためには過大な付帯設備を要することとなる。

本発明は上述の課題に鑑み、過大な付帯設備を要することなく排熱回収効率の低下を抑制する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、水素を含有する改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入して発電し発熱する燃料電池１０と；燃料電池１０で発生した熱を奪う冷却水ｃと冷却水ｃから熱を奪う熱回収水ｈとを導入し、冷却水ｃと熱回収水ｈとを対向流で流すことにより熱交換させた後に冷却水ｃと熱回収水ｈとを導出する熱交換器３６と；熱交換器３６に導入する冷却水ｃの温度と熱交換器３６から導出した熱回収水ｈの温度との温度差、又は熱交換器３６に導入する熱回収水ｈの温度と熱交換器３６から導出した冷却水ｃの温度との温度差を検知する温度差検知手段６３、６５、６４、６６と；温度差検知手段６３、６５、６４、６６で検知した温度差が所定の条件を満たしたときに、熱交換器３６を流れる冷却水ｃの流量が増加するように制御する制御装置６０とを備える。熱交換器３６は、冷却水ｃを上部から導入し上方から下方へ流して下部から導出し、熱回収水ｈを下部から導入し下方から上方へ流して上部から導出する。所定の条件は、検知した温度差が所定の温度差以上のときに第１の所定の時間を積算時間に対して加算し、検知した温度差が所定の温度差未満かつ積算時間が０及び負の値でないときに第１の所定の時間を積算時間から減算して、積算時間が第２の所定の時間になったときである。熱交換器３６を流れる冷却水ｃが重力にしたがって流れる方になる。「重力にしたがって」とは、熱交換器を流れる流体の出入口の高さの関係をいうものであって、入口の位置が出口の位置よりも上方にあることをいい、流れる流体が機械力等の外力を受けないという意味ではない。

このように構成すると、温度差検知手段で検知した温度差が所定の条件を満たしたときに、熱交換器を流れる冷却水又は熱回収水のうち、重力にしたがって流れる方の流量が増加するように制御するので、温度差の所定の条件が熱交換器に気体溜まりが発生することに伴う伝熱量の減少による場合に、重力にしたがって流れる方の流量を増加させて気体溜まりを除去することができる。

上述のように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、熱交換器３６が、冷却水ｃを重力にしたがって流すように構成されている。

このように構成すると、冷却水を重力にしたがって流すのとは反対に、気体が発生しやすい熱回収水を重力に逆らって流すこととなり、熱交換器内に滞留する気体の量が少なくなって伝熱面積の減少を抑制することができ、排熱回収効率の低下を抑制することができる。ここで「重力に逆らって」とは、熱交換器を流れる流体の出入口の高さの関係をいうものであって、入口の位置よりも出口の位置が上方にあることをいい、流れる流体が機械力等の外力を受けないという意味ではない。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム１において、燃料電池１０に冷却水ｃを導入し導出し、熱交換器３６に冷却水ｃを導入し導出する冷却水流路８３と；燃料電池１０の上流側かつ熱交換器３６の下流側の冷却水流路８３に配設され、冷却水ｃを循環する冷却水ポンプ４３と；冷却水ポンプ４３の上流側及び冷却水ポンプ４３の下流側の少なくとも一方の冷却水流路８３に配設された気体抜き手段５８、８８、５９、８９とを備える。

このように構成すると、流量の増加によって熱交換器から除去された気体を冷却水流路内から除去することができ、排熱回収効率の低下を抑制することができると共に冷却水ポンプのキャビテーションを防止することができる。

上述のように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１及び図２に示すように、制御装置６０が、第１の所定時間毎に温度差検知手段６３、６５により温度差を検知し（Ｓ１）、検知した温度差が所定の温度差以上のときに第１の所定の時間を積算時間に対して加算し（Ｓ４）、検知した温度差が所定の温度差未満かつ積算時間が０及び負の値でないときに第１の所定の時間を積算時間から減算して（Ｓ５、Ｓ６）、積算時間が第２の所定の時間になったときに冷却水ｃの流量を増加させる（Ｓ８）ように構成されている。

このように構成すると、過大な付帯設備を要することなく熱交換器内に発生し滞留する気体の存在を認知して、適切なタイミングで熱交換器内の気体を除去することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムによれば、温度差検知手段で検知した温度差が所定の条件を満たしたときに、熱交換器を流れる冷却水又は熱回収水のうち、重力にしたがって流れる方の流量が増加するように制御するので、温度差の所定の条件が熱交換器に気体溜まりが発生することに伴う伝熱量の減少による場合に、重力にしたがって流れる方の流量を増加させて気体溜まりを除去することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１を説明する系統図である。燃料電池発電システム１は、燃料電池１０と、改質装置２０と、三流体熱交換器３１と、熱交換器３６（三流体熱交換器３１との区別を容易にするために以下「冷却水熱交換器３６」という。）と、貯湯槽４１と、冷却水ポンプ４３と、熱回収水ポンプ４４と、制御装置６０とを備えている。

燃料電池１０は、改質ガスｇと酸化剤ガスｔとを導入し、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電して水及び熱を発生する装置である。燃料電池１０は、典型的には、固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、改質ガスｇを導入するアノード部１１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード部１２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部１３とを含んで構成されている。燃料電池１０は、図１では簡略化して図示されているが、典型的には固体高分子膜をアノード部１１とカソード部１２とで挟んで一層が形成され、これを多層積層して構成されている。アノード部１１からは燃料電池１０における電気化学反応に使用されなかった水素を含むアノード排ガスｐが排出され、カソード部１２からは燃料電池１０における電気化学的反応に使用されなかった酸素を含むカソード排ガスｑが排出されるように構成されている。

改質装置２０は、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等の原料燃料ｒとプロセス水ｓとを導入し、原料燃料ｒを改質して水素に富む改質ガスｇを生成する装置である。水素に富む改質ガスｇは、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池１０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池１０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質装置２０は改質触媒充填層を有しており、改質反応が促進されるように構成されている。原料燃料ｒを改質する水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質装置２０は改質に必要な改質熱を得るための改質熱発生器２１を有している。改質熱発生器２１は、典型的にはバーナーを有しており、燃料を燃焼させて改質熱を得ることができるように構成されている。改質熱発生器２１で燃焼させる燃料は、原料燃料ｒやアノード排ガスｐが用いられる。改質熱発生器２１には、燃料を燃焼した後の排ガスを排出する燃焼排ガスライン２１ｅが接続されている。

三流体熱交換器３１は、スタック冷却水ｃと酸化剤ガスｔとを熱交換し、さらにスタック冷却水ｃと、改質装置２０から導出される改質ガスｇとを熱交換する三流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。さらに好適には、酸化剤ガスｔと改質ガスｇとの流路には、フィンを設けた管を備える多管式熱交換器が用いられる。あるいは、三重管型熱交換器も好適に用いられる。

冷却水熱交換器３６は、燃料電池１０で発生した熱を奪ったスタック冷却水ｃと、貯湯槽４１内下部の温度が低い熱回収水ｈとの間で熱交換を行わせる機器であり、プレート式熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器３６は、伝熱面が波形状に形成されたプレートが複数枚積層されており、スタック冷却水ｃ及び熱回収水ｈを１層毎に交互に流すように構成されている。図１では便宜上、スタック冷却水ｃ及び熱回収水ｈが冷却水熱交換器３６の上面と底面との間を通過するように示してあるが、実際には、冷却水熱交換器３６は、スタック冷却水ｃが上部側面から流入して内部上方に形成された冷却水往路孔を流れて冷却水往路孔と連通している１枚おきのプレートに分配され、各プレートを上方から下方に流れて内部下方に形成された冷却水還路孔に集まった後に下部側面から流出するように構成されている。また、冷却水熱交換器３６は、熱回収水ｈが下部側面から流入して内部下方に形成された熱回収水往路孔を流れて熱回収水往路孔と連通している１枚おきのプレートに分配され、各プレートを下方から上方に流れて内部上方に形成された熱回収水還路孔に集まった後に上部側面から流出するように構成されている。すなわち、冷却水熱交換器３６は、スタック冷却水ｃと熱回収水ｈとを対向流（カウンターフロー）で流すように構成されており、典型的には、加熱によって溶存空気が出てきやすい熱回収水ｈを下方から上方へ流し、スタック冷却水ｃを上方から下方へと流すように構成されている。冷却水熱交換器３６により、スタック冷却水ｃは冷却され、熱回収水ｈは加熱される。

貯湯槽４１は、冷却水熱交換器３６で熱を回収した熱回収水ｈを蓄えるタンクである。貯湯槽４１に貯留される熱回収水ｈは、下部よりも上部の方が高温になっている。貯湯槽４１は、下部に貯留されている温度が低い熱回収水ｈを冷却水熱交換器３６に向けて導出し、冷却水熱交換器３６で燃料電池１０の発熱を回収して温度が上昇した熱回収水ｈを上部に導入することにより熱を回収して蓄熱することができるように構成されている。貯湯槽４１には、上部に給湯や暖房等の熱需要（熱負荷）に向けて温水ｗを導出する温水往管８７が接続されており、下部に熱需要から戻されてきた温水ｗを導入する温水還管８６が接続されている。

燃料電池１０のアノード部１１には、改質装置２０で生成された改質ガスｇを導入する改質ガスライン８１と、アノード排ガスｐを排出するアノード排ガスライン９１とが接続されており、改質ガスライン８１は三流体熱交換器３１を介して改質装置２０に接続され、アノード排ガスライン９１は改質装置２０の改質熱発生器２１に接続されている。三流体熱交換器３１の下流側の改質ガスライン８１には、分岐点となる改質ガス三方弁５１が配設されている。改質ガス三方弁５１の分岐口とアノード排ガスライン９１とは改質ガスバイパスライン８１Ｂで接続されている。改質ガス三方弁５１は、制御装置６０からの信号を受信して、三流体熱交換器３１から流れてきた改質ガスｇを引き続き改質ガスライン８１を流すか、又は改質ガスバイパスライン８１Ｂを流すかを切り替えることができるように構成されている。改質ガスバイパスライン８１Ｂとの合流点より上流側のアノード排ガスライン９１にはアノード遮断弁５２が配設されている。アノード遮断弁５２は、制御装置６０からの信号を受信して、開閉動作をすることができるように構成されている。

カソード部１２には、酸化剤ガスとしてのスタック空気ｔを導入する空気ライン８２と、カソード排ガスｑを排出するカソード排ガスライン９２とが接続されており、空気ライン８２は三流体熱交換器３１を介して系外に開放されており、カソード排ガスライン９２は系外に開放されている。三流体熱交換器３１の下流側の空気ライン８２には、分岐点となる酸化剤ガス三方弁５３が配設されている。酸化剤ガス三方弁５３の分岐口とカソード排ガスライン９２とは空気バイパスライン８２Ｂで接続されている。酸化剤ガス三方弁５３は、制御装置６０からの信号を受信して、三流体熱交換器３１から流れてきたスタック空気ｔを引き続き空気ライン８２を流すか、又は空気バイパスライン８２Ｂを流すかを切り替えることができるように構成されている。空気バイパスライン８２Ｂとの合流点より上流側のカソード排ガスライン９２にはカソード遮断弁５４が配設されている。カソード遮断弁５４は、制御装置６０からの信号を受信して、開閉動作をすることができるように構成されている。

冷却部１３には、燃料電池１０で発生した熱を奪うスタック冷却水ｃを流す冷却水ライン８３が接続されており、冷却水ライン８３はスタック冷却水ｃを冷却部１３、冷却水熱交換器３６、三流体熱交換器３１にこの順で流して再び冷却部１３に戻す循環流路を形成している。つまり、冷却部１３から出て冷却部１３に戻る冷却水ライン８３には、冷却水熱交換器３６と三流体熱交換器３１とが配設されている。冷却水熱交換器３６と三流体熱交換器３１との間の冷却水ライン８３には、スタック冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ４３が配設されている。冷却水ポンプ４３は、制御装置６０からの信号を受信して、回転速度を変えることにより循環するスタック冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ４３と冷却水熱交換器３６との間の冷却水ライン８３からはサクション脱気管８８が分岐しており、サクション脱気管８８の先には冷却水ライン８３中に存在する空気を排出するエア抜き弁５８が設けられている。このサクション脱気管８８とエア抜き弁５８とで気体抜き手段を構成している。エア抜き弁５８は、上方に通気口が形成されたケーシング内に浮き球が挿入されており、ケーシング内が満水時は浮き球が浮力で上昇して通気口を塞いで漏水を防ぎ、ケーシング内に気体が流入すると浮き球が下がることにより気体が通気口から排出されるように構成されている。また、エア抜き弁５８に代えて、又はエア抜き弁５８と共に、冷却水ポンプ４３と三流体熱交換器３１との間の冷却水ライン８３からデリベリ脱気管８９を分岐し、デリベリ脱気管８９の先にエア抜き弁５９を設けてもよい。デリベリ脱気管８９とエア抜き弁５９もまた気体抜き手段である。エア抜き弁５９は、エア抜き弁５８と同様に構成されている。

冷却水熱交換器３６とサクション脱気管８８との間の冷却水ライン８３には、補給水ライン９３が接続されている。補給水ライン９３には補給水遮断弁５５が配設されている。補給水遮断弁５５は、制御装置６０からの信号を受信して、開閉動作をすることができるように構成されている。冷却部１３と冷却水熱交換器３６との間の冷却水ライン８３には、冷却水ライン８３内の圧力を検知する圧力検知器６１が設置されている。圧力検知器６１で検知された圧力は信号として制御装置６０に送信され、補給水遮断弁５５の開閉動作の判断の基礎とされるように構成されている。また、冷却部１３の入口付近の冷却水ライン８３には、スタック冷却水ｃの温度を検知する温度検知器６２が配設されている。温度検知器６２には、サーミスタ、熱電対あるいは抵抗測温体などが用いられる。温度検知器６２は、冷却部１３に配設されていてもよい。この場合は、冷却部１３に導入されるスタック冷却水ｃの温度を検知することができる。なお、温度検知器６２は、冷却水ポンプ４３と三流体熱交換器３１との間の冷却水ライン８３に配設されていてもよい。温度検知器６２で検知された温度は信号として制御装置６０に送信され、熱回収水ポンプ４４の回転速度を決定する際の基礎とされるように構成されている。

貯湯槽４１には、熱回収水ｈを流す熱回収ライン８４が接続されている。熱回収ライン８４は、貯湯槽４１の下部から出て冷却水熱交換器３６を介し、貯湯槽４１の上部に戻る循環流路を形成している。つまり、熱回収ライン８４には、冷却水熱交換器３６が配設されている。貯湯槽４１から冷却水熱交換器３６に向かう熱回収ライン８４には熱回収水ポンプ４４が配設されている。熱回収水ポンプ４４は、制御装置６０からの信号を受信して、回転速度を変えることにより循環する熱回収水ｈの流量を調整することができるように構成されている。

冷却水熱交換器３６のスタック冷却水ｃ入口側の冷却水ライン８３には、スタック冷却水ｃの温度を検知する温度検知器６３が配設されている。また、冷却水熱交換器３６の熱回収水ｈ出口側の熱回収ライン８４には、熱回収水ｈの温度を検知する温度検知器６５が配設されている。温度検知器６３、６５には、サーミスタ、熱電対あるいは抵抗測温体などが用いられる。温度検知器６３はスタック冷却水ｃ入口側の冷却水熱交換器３６に、温度検知器６５は熱回収水ｈ出口側の冷却水熱交換器３６に、それぞれ配設されていてもよい。すなわち、冷却水熱交換器３６に入るスタック冷却水ｃの温度及び冷却水熱交換器３６から出る熱回収水ｈの温度を検知することができればよい。温度検知器６３、６５で検知された温度は信号として制御装置６０に送信される。温度検知器６３、６５で検知された温度に基づいて、制御装置６０で冷却水熱交換器３６に入るスタック冷却水ｃの温度と冷却水熱交換器３６から出る熱回収水ｈの温度との温度差が演算され、温度検知器６３、６５及び制御装置６０で温度差検知手段を構成している。また、温度検知器６３で検知された温度信号は、冷却水ポンプ４３の回転速度を決定する際の基礎とされるように構成されている。

制御装置６０は、圧力検知器６１及び温度検知器６２、６３、６５から圧力信号及び温度信号を受信し、受信した信号に基づいて、冷却水ポンプ４３や熱回収水ポンプ４４の回転速度の調整、あるいは改質ガス三方弁５１や酸化剤ガス三方弁５３の切り替え動作やアノード遮断弁５２、カソード遮断弁５４、補給水遮断弁５５の開閉動作をさせることができるように構成されている。制御装置６０は、改質装置２０での改質ガスｇの生成量や燃料電池１０へ導入する改質ガスｇ、スタック空気ｔ、冷却水ｃの流量等の調整をして燃料電池１０の発電電力や貯湯槽４１の蓄熱量を調節する等して燃料電池発電システム１の運転を制御することができるように構成されている。また、制御装置６０は、時間を計測することができるタイマーを備えている。さらに制御装置６０は、受信した圧力信号や温度信号に基づいて各種の演算をすることができるように構成されている。

引き続き図１を参照して、燃料電池発電システム１の作用を説明する。
燃料電池発電システム１の運転が開始されると、改質熱発生部２１に原料燃料ｒの一部が導入され燃焼されて改質熱を発生すると共に、改質装置２０に原料燃料ｒとプロセス水ｓとが導入され、改質装置２０内で原料燃料ｒが改質されて改質ガスｇが生成される。生成された改質ガスｇは、改質ガスライン８１を、アノード部１１に向かって流れる。ここで、燃料電池システム１の立ち上げ時は改質装置２０における原料燃料ｒの改質反応が不安定なため、改質ガスｇの組成が所望のものとなるまで改質ガス三方弁５１を改質ガスバイパスライン８１Ｂ側に切り替え、改質ガスｇを、アノード部１１をバイパスしてアノード排ガスライン９１へと導くと同時にアノード遮断弁５２を閉じる。アノード排ガスライン９１に導かれた改質ガスｇは改質熱発生器２１に導入され、燃焼用の燃料として用いられる。改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が燃料電池１０が許容しうる程度まで減少したら、改質ガス三方弁５１を切り替えて改質ガスｇをアノード部１１へと導く。改質ガスｇの組成が所望のものとなったか否かは、濃度検知器（不図示）によって検知するようにしてもよく、あるいは予め改質ガスｇが所望の組成となる時間を計測しておき起動時から所定の時間経過後に改質ガス三方弁５１切り替えるようにしてもよい。

他方、スタック空気ｔがブロワ（不図示）によって空気ライン８２内に送り込まれる。燃料電池システム１の運転時は、酸化剤ガス三方弁５３が空気バイパスライン８２Ｂへの連通を遮断するようになっており、空気ライン８２を流れるスタック空気ｔは、加湿器（不図示）によって加湿された後にカソード部１２へと導かれる。また、冷却水ポンプ４３が起動してスタック冷却水ｃが冷却水ライン８３の内部を通過する。改質ガスｇ、スタック空気ｔ、スタック冷却水ｃは燃料電池１０に導入される前に三流体熱交換器３１を並流することによりそれぞれの出口温度は同じになる。

燃料電池１０では、アノード部１１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード部１２に導入されたスタック空気ｔ中の酸素との電気化学的反応により発電し、熱と水とを発生する。改質ガスｇ中の水素は燃料電池１０の発電に伴いアノード部１１で消費されるが、アノード部１１における燃料欠乏を防止するため一定の利用率で運用され、一部の水素はアノード排ガスｐに含まれてアノード部１１から排出される。他方、スタック空気ｔ中の酸素は燃料電池１０の発電に伴い消費され、酸素が消費された後のスタック空気ｔはカソード排ガスｑとしてカソード部１２から排出される。なお、燃料電池システム１の運転中はアノード遮断弁５２及びカソード遮断弁５４が開状態となっている。アノード部１１から排出されたアノード排ガスｐは、凝縮器（不図示）で余分な水分が除かれた後、改質熱発生器２１に導かれて燃焼用の燃料として利用される。カソード部１２から排出されたカソード排ガスｑは、凝縮器（不図示）で余分な水分が除かれた後、大気に放出される。燃料電池１０で発電された電力は直流電力であり、この電力は交流電力に変換された後、又は直流電力のまま電力需要に供給される。

また、冷却部１３に導入されるスタック冷却水ｃにより、発電に伴って発生した熱が燃料電池１０から奪われる。制御装置６０は、温度検知器６３で検知した温度が一定の温度になるように冷却水ポンプ４３の回転速度を変化させる。温度検知器６３で検知した温度が一定の温度よりも高いときは冷却水ポンプ４３の回転速度を増加させ、逆に一定の温度よりも低いときは回転速度を減少させる。このように冷却部１３に導入されるスタック冷却水ｃの流量を変化させることにより、燃料電池１０の温度が７０〜１００℃に維持される。また、制御装置６０は、圧力検知器６１で冷却水ライン８３中の圧力を検知しており、冷却水ライン８３中の圧力が所定の圧力を下回ったら補給水遮断弁５５を開にして冷却水ライン８３に補給水ポンプ（不図示）で補給水を圧送し、所定の圧力を回復したら補給水遮断弁５５を閉にする。

燃料電池１０から熱を奪って温度が上昇したスタック冷却水ｃは、冷却水熱交換器３６で熱回収水ｈと熱交換されることにより冷却される。熱回収水ｈは、熱回収水ポンプ４４が起動することにより貯湯槽４１の下部から採水され、熱回収ライン８４を流れて冷却水熱交換器３６に導入される。制御装置６０は、温度検知器６２で検知した温度に基づいて熱回収水ポンプ４４の回転速度を変化させる。温度検知器６２で検知した温度が所定の温度よりも高いときは熱回収水ポンプ４４の回転速度を増加させ、逆に所定の温度よりも低いときは回転速度を減少させる。冷却水熱交換器３６では、スタック冷却水ｃが上方から導入されて下方から導出され、熱回収水ｈが下方から導入されて上方から導出され、スタック冷却水ｃと熱回収水ｈとの間でカウンターフローにより効率よく熱交換が行われる。また、冷却水熱交換器３６で加熱される熱回収水ｈが冷却水熱交換器３６に下方から導入されて上方から導出されるので、加熱によって溶存酸素等の気体が発生しやすい熱回収水ｈを重力に逆らって流すこととなり、気体（一般に水よりも密度が小さい）が発生しても熱回収水ｈの流れと共に冷却水熱交換器３６から排出される。

スタック冷却水ｃと熱交換して温度が上昇した熱回収水ｈは、熱回収ライン８４を流れて貯湯槽４１の上部に戻される。温度が上昇した熱回収水ｈが貯湯槽４１に還水することにより、燃料電池１０から奪った熱が温水として貯湯槽４１内に蓄熱される。貯湯槽４１内の温水は、上部の温度が高く下部の温度が低くなっている。貯湯槽４１に蓄熱された熱は、温水ｗとして給湯や暖房等の熱需要（不図示）で消費される。熱需要へ送られる温水ｗは、温度が高い温水が貯留されている蓄熱槽４１の上部から採水される。他方、熱需要からの還温水、あるいは熱需要で温水が消費された場合は消費された分の補給水が貯湯槽４１の下部に導入される。

ところで、燃料電池発電システム１の運転中、スタック冷却水ｃからも気体が発生することがある。スタック冷却水ｃには、冷却部１３における放電現象を抑止するために不純物を除去して電気伝導度を低下させた、いわゆるイオン交換水を用いている。冷却水ライン８３には、スタック冷却水ｃとして初めに純水を充填するが、燃料電池発電システム１の運転開始後に補給されるときは、燃料電池１０の発電に伴って発生した水を凝縮器（不図示）で回収したものを再利用したり、イオン交換樹脂層を通した水道水を利用することが行われる。水道水には溶存酸素が含まれている。凝縮器（不図示）には、アノード排ガスｐ及びカソード排ガスｑに含まれる水分を回収した凝縮回収水も含まれており、凝縮回収水はスタック空気ｔの成分である窒素や酸素、あるいは改質ガスｇに含まれる炭酸ガスが溶存したものとなっている。したがって、スタック冷却水ｃには各種の気体が溶存しており、冷却水ライン８３中に気体が発生することがある。

前述のように、スタック冷却水ｃは、冷却水熱交換器３６に上方から導入され下方から導出される。冷却水ライン８３中に気体が発生すると、発生した気体は冷却水熱交換器３６の上方に気体溜まりとなって現れることがある。冷却水熱交換器３６の上方に気体溜まりが生じると、冷却水熱交換器３６中の気体と接している部分は熱交換に寄与しないこととなり、冷却水熱交換器３６における伝熱面積が減少することとなる。冷却水熱交換器３６における伝熱面積の減少は、燃料電池発電システム１の温度バランスを崩すという弊害をもたらす。他方、冷却水熱交換器３６に気体溜まりが生じたことを認知することは困難である。

本発明者らは、鋭意研究を行った結果、冷却水熱交換器３６内の気体溜まりの発生が冷却水熱交換器３６内に出入りするスタック冷却水ｃと熱回収水ｈとの温度差と相関関係があることを見出し、本発明を完成するに至った。そこで以下に、図１に加えて図２を参照して、冷却水熱交換器３６に溜まった気体を除去して燃料電池発電システム１を安定的に運転するための制御を説明する。

図２は、燃料電池発電システム１の温度バランスの崩れを是正する運転を説明するフローチャートである。制御装置６０は、温度検知器６３、６５により、所定時間毎に冷却水熱交換器３６の入口側のスタック冷却水ｃ温度及び出口側の熱回収水ｈ温度を検知する（Ｓ１）。この温度を検知する間隔が第１の所定時間である。制御装置６０は、温度検知器６３、６５により各温度を検知したら両温度の差（温度差）を演算する（Ｓ２）。すなわち、制御装置６０は、第１の所定時間毎に温度差を演算する。温度差を演算したら、その温度差が所定の温度差以上か否かを判断する（Ｓ３）。なお、燃料電池発電システム１の起動後しばらくの間は定常運転時に比べて温度差が大きいため所定の温度差以上となる場合が多い。そこで、温度差が所定の温度差以上か否かを判断する工程（Ｓ３）を、ある一定時間（これを第３の所定時間とする）経過後に実行するか、あるいは一旦温度差が所定の温度差よりも小さくなってから実行するようにするとよい。

温度差が所定の温度差以上か否かを判断する工程（Ｓ３）を実行し、所定の温度差以上であれば、温度検知の間隔（第１の所定時間）を積算値に加算する（Ｓ４）。積算値は、燃料電池発電システム１の起動時は０である。他方、所定の温度差未満であれば積算値が０であるか否かを判断する（Ｓ５）。ここでは積算値の最低値は０として、積算値が負の値にならないようにしている。積算値が０であるか否かを判断する工程（Ｓ５）において、積算値が０であれば再び温度検知器６３、６５で温度を検知する工程（Ｓ１）に戻る。積算値が０でなければ、温度検知の間隔（第１の所定時間）を積算値から減算する（Ｓ６）。第１の所定時間を積算値から減算したら、再び温度検知器６３、６５で温度を検知する工程（Ｓ１）に戻る。

さて、温度差が所定の温度差以上か否かを判断する工程（Ｓ３）を実行し、所定の温度差以上であるとして第１の所定時間を加算したら（Ｓ４）、積算値が所定の値以上か否かを判断する（Ｓ７）。この積算値の所定の時間が第２の所定の時間である。積算値が所定の値よりも小さければ再び温度検知器６３、６５で温度を検知する工程（Ｓ１）に戻る。他方、積算値が所定の値以上であれば、制御装置６０は、冷却水ライン８３側の冷却水熱交換器３６内に気体溜まりが生じて伝熱面積が減少したと推定して、冷却水ポンプ４３の回転速度を増加させ、冷却水ライン８３を流れるスタック冷却水ｃの流量を増加させる（Ｓ８）。スタック冷却水ｃを増やす量は、用いられる機器等によっても異なるが、冷却水ライン８３側の冷却水熱交換器３６内の気体溜まりを排出できる流量であればよい。また、どのくらいの時間増加させるかは、予め試験運転する等して調べておくとよい。

スタック冷却水ｃの流量を増加させると、冷却水熱交換器３６内に発生した気体溜まりはスタック冷却水ｃに押し出され、冷却水ライン８３を流れる。そして気体溜まりがサクション脱気管８８の分岐部までくると、水よりも密度が小さい気体が冷却水ライン８３の上部から分岐しているサクション脱気管８８内を通ってエア抜き弁５８に至り、ここから系外に排出される。なお、冷却水ライン８３はクローズ回路であり、補給水ライン９３から供給される補給水で加圧されていて、冷却水ポンプ４３の吸込側も正圧になっているので、エア抜き弁５８及びサクション脱気管８８を通して冷却水ライン８３に空気が混入することはない。このように冷却水ポンプ４３の吸込側で気体が排出されるので、冷却水ポンプ４３のキャビテーションを防止することができる。空気抜き弁５８で除去されずに残った気体は、冷却水ポンプ４３の吐出側のデリベリ脱気管８９及びエア抜き弁５９から排出される。

冷却水ライン８３を流れるスタック冷却水ｃを、気体溜まりを排出できたと推定される程度増加させ、完了したら、スタック冷却水ｃの流量を定常運転時の流量に戻す（Ｓ９）。スタック冷却水ｃの流量を定常運転時の流量に戻したら、再び温度検知器６３、６５で温度を検知する工程（Ｓ１）に戻り、以降同様のフローを繰り返す。なお、積算値のリセットは、燃料電池発電システム１の停止時に行う。

以上の説明では、燃料電池１０は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。

以上の説明では、冷却水熱交換器３６に対するスタック冷却水ｃの入口温度と熱回収水ｈの出口温度との温度差に基づいて冷却水ポンプの吐出流量を制御することとしたが、温度検知器６３に代えて冷却水熱交換器３６の出口側のスタック冷却水ｃの温度を検知する温度検知器６４を設け、また温度検知器６５に代えて冷却水熱交換器３６の入口側の熱回収水ｈの温度を検知する温度検知器６６を設けて温度検知器６４と温度検知器６６とで温度差検知手段を構成し、冷却水熱交換器３６に対するスタック冷却水ｃの出口温度と熱回収水ｈの入口温度との温度差に基づいて冷却水ポンプの吐出流量を制御するようにしてもよい。

以上の説明では、冷却水熱交換器３６に対し、スタック冷却水ｃが上方から導入されて下方から導出され、熱回収水ｈが下方から導入されて上方から導出されるとしたが、両流体の流れ方向を逆にして、冷却水熱交換器３６に対し、スタック冷却水ｃが下方から導入されて上方から導出され、熱回収水ｈが上方から導入されて下方から導出されるようにしてもよい。この場合は、上述の温度差から冷却水熱交換器３６に気体溜まりが発生したと認知されたときに熱回収水ｈの流量を増加させるようにするとよい。

図３は、本発明の実施例における冷却水と熱回収水との温度差及び冷却水ポンプの流量の変動を示すグラフである。図３中、Ｔ６３は冷却水熱交換器３６入口のスタック冷却水ｃの温度（典型的には温度検知器６３で検知した温度）の推移を、Ｔ６５は冷却水熱交換器３６出口の熱回収水ｈの温度（典型的には温度検知器６５で検知した温度）の推移を示している。また、Ｑｃはスタック冷却水ｃの流量の推移を示している。なお、図３では冷却水ポンプ４３の出力の推移Ｐｃ及び冷却部１３入口のスタック冷却水ｃの温度（典型的には温度検知器６２で検知した温度）の推移Ｔ６２を参考として示している。図３のグラフに示す例では、第１の所定の時間を１秒、所定の温度差ΔＴ（Ｔ６３−Ｔ６５）を２℃、積算値の所定の値を７２００秒とした。すなわち、１秒毎に温度差ΔＴを演算し、温度差ΔＴが２℃以上あれば１秒を積算値に加算し、２℃より小さければ積算値が０でない限り１秒を減算し、積算値が７２００秒に達するまでこれを繰り返して７２００秒に達したときにスタック冷却水ｃの流量を２．５〜３．３倍増加させた。

図３によれば、温度差ΔＴは２１：４５の時点で２℃を超えているので積算値に１秒加算した。これを１秒毎に温度差ΔＴの演算と加減算を行い、２３：３５過ぎに積算値が７２００秒に達したためスタック冷却水ｃの流量を約３倍に増加させた。流量が約３倍に増加するまで約３〜５分を要した。スタック冷却水ｃの流量増加により気体溜まりが除去された。図３中、スタック冷却水ｃの流量が一旦急増した後に急減するのは気体が排出されていることを反映しているものである。また、図３から、気体溜まりが除去されることにより冷却水熱交換器３６内の伝熱面積が回復し、検知し演算した温度差ΔＴが極めて小さくなっていることがわかる。すなわち、図３より、一連の制御を実行することにより、冷却水ポンプ４３の出力が安定し、気体溜まりが解消されたことにより円滑で安定な燃料電池システム１の運転状態に回復したことが明らかである。

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを説明する系統図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの温度バランスの崩れを是正する運転を説明するフローチャートである。 本発明の実施例における冷却水と熱回収水との温度差及び冷却水ポンプの流量の変動を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池発電システム
１０ 燃料電池
３６ 熱交換器
４３ 冷却水ポンプ
５８、５９ 気体抜き弁
６０ 制御装置
６３、６４、６５、６６ 温度検知器
８３ 冷却水流路
ｃ 冷却水
ｇ 改質ガス
ｈ 熱回収水
ｔ 酸化剤ガス

Claims (3)

1. 水素を含有する改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電し発熱する燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を奪う冷却水を上部から、前記冷却水から熱を奪う熱回収水を下部から、それぞれ導入し、導入した前記冷却水を上方から下方へと流し、導入した前記熱回収水を下方から上方へ流して、前記冷却水と前記熱回収水とを対向流で流すことにより熱交換させた後に、前記冷却水を下部から、前記熱回収水を上部から、それぞれ導出する熱交換器と；
   前記熱交換器に導入する冷却水の温度と前記熱交換器から導出した熱回収水の温度との温度差、又は前記熱交換器に導入する熱回収水の温度と前記熱交換器から導出した冷却水の温度との温度差を検知する温度差検知手段と；
   第１の所定時間毎に前記温度差検知手段により前記温度差を検知し、検知した前記温度差が所定の温度差以上のときに前記第１の所定の時間を積算時間に対して加算し、検知した前記温度差が所定の温度差未満かつ前記積算時間が０及び負の値でないときに前記第１の所定の時間を前記積算時間から減算して、前記積算時間が第２の所定の時間になったときに前記冷却水の流量を増加させる制御装置とを備える；
   燃料電池発電システム。
2. 前記温度差検知手段が、前記熱交換器に導入する冷却水の温度と前記熱交換器から導出した熱回収水の温度との温度差を検知するように構成された；
   請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記燃料電池に前記冷却水を導入し導出し、前記熱交換器に前記冷却水を導入し導出する冷却水流路と；
   前記燃料電池の上流側かつ前記熱交換器の下流側の前記冷却水流路に配設され、前記冷却水を循環する冷却水ポンプと；
   前記冷却水ポンプの上流側及び前記冷却水ポンプの下流側の少なくとも一方の前記冷却水流路に配設された気体抜き手段とを備える；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。

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