JP2002216824A

JP2002216824A - 固体高分子形燃料電池発電装置

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Publication number: JP2002216824A
Application number: JP2001006349A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tajima; 収田島; Akira Fujio; 昭藤生; Koji Shindo; 浩二進藤; Kazuhiro Tajima; 一弘田島; Satoshi Yamamoto; 聡史山本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2002-08-02
Anticipated expiration: 2021-01-15
Also published as: JP3416653B2

Abstract

(57)【要約】【課題】装置停止時における水系統の凍結を自動的に
防止して、寒冷地や冬季における保守作業を省くことが
でき、装置寿命が向上して信頼性が高い固体高分子形燃
料電池発電装置の提供。【解決手段】改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、起動
時に各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガ
スバーナ、燃料電池、燃料電池を冷却するための水を収
納した水タンク、温水を蓄える貯湯タンクなどを備え、
装置停止時に水系統が凍結する恐れがある場合は、それ
を検知して前記プロセスガスバーナを作動させて前記貯
湯タンクの温水を前記水系統の一部あるいは全部に循環
して送って凍結防止する制御システムを備えたことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば家庭用の小
型電源として好適な固体高分子形燃料電池発電装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、天然ガス、都市ガス、メタノー
ル、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改
質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭
素を除去するＣＯ除去器と、起動時に各反応器が安定す
るまで水素を燃焼するプロセスガスバーナと、このよう
にして得られた水素と空気中の酸素とを化学反応させて
発電する燃料電池と、燃料電池の電極部を冷却するとと
もに反応空気の加湿のためのイオン交換樹脂などの水処
理装置で処理された水（純水）を収納した水タンクと、
前記改質器、燃料電池、プロセスガスバーナなどの排ガ
スの熱を回収して温水とする熱交換器と、この温水を蓄
える貯湯タンクなどを備えた小型電源としての固体高分
子形燃料電池発電装置が提案されている。

【０００３】固体高分子形燃料電池発電装置で使用する
固体高分子電解質膜は含水させることによりプロトン導
電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電
池においては、反応空気や燃料ガスなどの反応ガスに水
蒸気を飽和に含ませて電極部に供給して運転する方法が
採られている。

【０００４】燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に空
気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと
電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イ
オンと電子から水を生成する以下の電気化学反応がそれ
ぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移
動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空
気極側に水が生成される。

【０００５】図４は、従来の固体高分子形燃料電池発電
装置（ＰＥＦＣ装置ＧＳ）の系統図である。燃料電池６
を用いたＰＥＦＣ装置ＧＳは、例えば、燃料電池６の他
に熱回収，置ＲＤを含んでいる。この熱回収装置ＲＤ
は、貯湯タンク５０、熱交換器３２、４６、７１、ポン
プ３３、４７、７２とを備えた温水の循環路などで連結
されている。

【０００６】燃料電池６は、脱硫器２、改質器３、ＣＯ
変成器４、ＣＯ除去器５などからなる燃料ガス供給装置
および空気ポンプ１１、水タンク２１などからなる反応
空気供給装置ならびに燃料極６ａ、空気極６ｋなどの電
極および水タンク２１、ポンプ４８、冷却部６ｃなどか
らなる燃料電池６の冷却装置を備えている。

【０００７】燃料電池６で発電された電力は図示しない
ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない配電系統
連携インバータを介して商用電源に接続される、一方、
ここから家庭や事務所などの照明や空調機のの他の電気
機器用の電力として供給される。

【０００８】このような燃料電池６を用いたＰＥＦＣ装
置ＧＳでは、発電と同時に、例えば燃料電池６による発
電時に発生する熱を利用して市水から温水を生成し、こ
の温水を貯湯タンク５０に蓄えて、風呂や台所などに供
給するなど、燃料電池６に使用される燃料がもつエネル
ギーの有効利用を図っている。

【０００９】上記のＰＥＦＣ装置ＧＳの燃料ガス供給装
置では、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブ
タンなどの原燃料１が脱硫器２に供給され、ここで原燃
料から硫黄成分が除去される。この脱硫器２を経た原燃
料は、昇圧ポンプ１０で昇圧されて改質器３に供給され
る際に、水タンク２１から水ポンプ２２を経て温水が送
られ、熱交換器１７で加熱されて生成した水蒸気と合流
して、供給される。改質器３では、水素、二酸化炭素、
および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改
質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここで
は改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成さ
れる。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に
供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成
の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ以下に低減され、水素
濃度の高い水性ガス（改質ガス）がパイプ６４を経て燃
料電池６の燃料極６ａに供給される。

【００１０】このとき、水タンク２１から改質器３へ供
給される温水の量を調節することにより改質ガスへの水
分の添加量が調節される。反応空気供給装置では、空気
ポンプ１１から水タンク２１に、空気を供給し、水タン
ク２１内の温水中に反応空気を泡立てつつ気相部５３に
送出することによって加湿が行われる。このようにし
て、燃料電池６における反応が適度に維持されるように
水分を与えられた後の反応空気が水タンク２１からパイ
プ２５を経て燃料電池６の空気極６ｋに供給される。

【００１１】燃料電池６では、燃料極６ａに供給された
改質ガス中の水素と、空気ポンプ１１、水タンク２１の
気相部５３を経て空気極６ｋへ供給された空気中の酸素
との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池６
の冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電
池６が過熱しないようにするため、燃料電池６の電極６
ａ、６ｋに並置された冷却装置であり、冷却部６ｃに水
タンク２１の温水をポンプ４８で冷却水として循環さ
せ、この冷却水で燃料電池６内の温度が発電に適した温
度（例えば７０〜８０℃程度）に保たれるように制御し
ている。

【００１２】改質器３における化学反応は吸熱反応であ
るので、加熱しながら化学反応を継続させるためのバー
ナ１２を有し、ここにはパイプ１３を介して原燃料が供
給され、ファン１４を介して空気が供給され、パイプ１
５を介して、燃料極６ａを経た未反応水素が供給され
る。本ＰＥＦＣ装置ＧＳの始動時には、バーナ１２にパ
イプ１３を介して原燃料が供給されて燃焼が行われ、起
動後に、燃料電池６の温度が安定したときにはに、パイ
プ１３からの原燃料の供給が断たれ、替わりにパイプ１
５を介して燃料極６ａから排出される未反応水素（オフ
ガス）が供給されて燃焼が継続される。

【００１３】一方、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行わ
れる化学反応は発熱反応である。運転中は、発熱反応の
熱により反応温度以上に昇温しないように冷却制御が行
われる。このようにして改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ
除去器５および燃料電池６では所定の化学反応と発電が
継続される。

【００１４】上記改質器３とＣＯ変成器４間、ＣＯ変成
器４とＣＯ除去器５間にはそれぞれ熱交換器１８、１９
が接続されている。そして各熱交換器１８、１９には水
タンク２１の温水が、ポンプ２３、２４を介して循環
し、これらの温水で改質器３、ＣＯ変成器４を経たガス
がそれぞれ冷却される。図示しないがＣＯ除去器５と燃
料電池６との間にも熱交換器を接続してＣＯ除去器５を
経たガスを冷却することができる。上記改質器３の排気
系３１には熱交換器１７が接続され、水タンク２１の温
水がポンプ２２を介して供給されると、この熱交換器１
７で水蒸気化し、この水蒸気が原燃料と混合して改質器
３に供給される。

【００１５】ＰＥＦＣ装置ＧＳには、プロセスガスバー
ナ（ＰＧバーナ）３４が備えられている。ＰＥＦＣ装置
ＧＳの起動時には、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去
器５を経た改質ガスの組成が燃料電池６の運転に適した
安定した規定値に達していないので、それが安定するま
では、このガスを燃料電池６に供給することができな
い。そこで、各反応器が安定するまでは、ガス組成が規
定値に達していないガスをこのＰＧバーナ３４に導いて
燃焼させる。３７はＰＧバーナ３４に燃焼用空気を送る
ファンである。

【００１６】そして、各反応器が安定しガス中のＣＯ濃
度が規定値（例えば、１０〜２０ｐｐｍ以下）に達した
後、燃料電池６に導入して発電を行う。燃料電池６での
発電に使用できなかった未反応ガスは、当初ＰＧバーナ
３４に導いて燃焼し、燃料電池６の温度が安定した後
は、燃料電池６からのオフガスをパイプ１５経由、改質
器３のバーナ１２に導入して燃焼させる。

【００１７】すなわち、ＰＥＦＣ装置ＧＳの起動後、各
反応器が温度的に安定するまでは、開閉弁９１が閉じら
れ、改質ガスは管路３５および開閉弁３６を経てＰＧバ
ーナ３４に供給される。

【００１８】各反応器が温度的に安定した場合、今度は
燃料電池６の温度が作動温度（例えば７０〜８０℃）近
くの温度域で安定するまで、開閉弁９１が開かれ、開閉
弁９２が閉じられて、改質ガスが管路３８および開閉弁
３９を経てＰＧバーナ３４に供給され、そこで燃焼され
る。

【００１９】燃料電池６の温度が作動温度で安定し、連
続して発電が行われるようになった場合、開閉弁９１、
開閉弁９２が開かれ、開閉弁３６、開閉弁３９が閉じら
れて、燃料電池６を経た未反応ガス（オフガス）は管路
１５を経てバーナ１２に供給される。

【００２０】貯湯タンク５０には水道管６１を経て市水
が供給される。この貯湯タンク５０に供給された市水
は、ＰＥＦＣ装置ＧＳから発生する排熱によって加熱さ
れ、この昇温された温水は、温水供給管６２を通じて外
部に給湯される。例えば排気系３１には、熱交換器１７
の他に、さらに別の熱交換器３２が接続され、この熱交
換器３２には貯湯タンク５０の水が、ポンプ３３を介し
て循環し、排熱回収が行われる。

【００２１】またＰＧバーナ３４の排気系４５には、熱
交換器４６が接続され、この熱交換器４６には、ポンプ
４７を介して貯湯タンク５０の水が循環され貯湯タンク
５０に熱回収が行われる。水タンク２１には、ポンプ２
３、２４、４８によって熱交換器１８、１９を経て戻る
水や燃料電池６の冷却部６ｃを循環する冷却水が水管７
３を経て流入する一方、水タンク２１に水を供給する水
補給装置６８が接続されている。水補給装置６８は電動
弁５６と供給タンク６７およびポンプ７４などから構成
されている。供給タンク６７は市水補給装置６９および
燃料電池６から生じる水をパイプ７０を経て一旦貯えて
水タンク２１に水を供給できるようにしたタンクであ
る。

【００２２】燃料電池６から生じる水には、例えば、燃
料電池６の空気極６ｋから排出されたガスを熱交換器７
１に導き、この熱交換器７１中をポンプ７２によって貯
湯タンク５０との間を循環する水で冷却することによっ
て得られたドレン水や燃料極６ａから排出されたガスに
含まれている水がある。

【００２３】市水補給装置６９は、電動弁７６を有する
水道管５２を介して水源７８に接続されており、供給タ
ンク６７の水量が減って水位が低下したことを水位計７
９が検知したときに液面制御装置７７が電動弁７６を開
き、水源７８の水圧を利用して水道管５２、水処理装置
（イオン交換樹脂）５１を経て供給タンク６７に水を補
給し、水タンク２１に水を供給するのに支障のない水量
を保持する装置である。水タンク２１には、タンク内の
上部に常に空気部分（気相部）５３が形成されるように
水の水位を保つ液面制御装置ＬＣおよび水タンク２１内
の水温を設定範囲に保つ温度調節装置ＴＣとを有してい
る。

【００２４】液面制御装置ＬＣは、水位計５４と電動弁
５６の制御装置を備えて水タンク２１内の水量を常時監
視しつつ、反応用空気が、水タンク２１の中を通過する
際に適度に加湿されて燃料電池６に供給されるようにタ
ンク内に水を貯え、かつ上部に気相部５３が形成される
ように水量を制御し、水位が低下した場合はポンプ７４
を運転し、電動弁５６の開度を調節して供給タンク６７
からパイプ８４を経て処理水を導入し、水タンク２１内
の水位を設定範囲に保つようにしている。５５は、水位
計５４による水位の検出が泡立ちなどにより不安定にな
るのを防止する消波板である。

【００２５】温度調節装置ＴＣは、燃料電池６の空気極
６ｋに反応空気を供給する際に、水タンク２１内で適度
に加湿が行えるように水の温度を例えば６０〜８０℃の
温度範囲（設定温度）に保つ装置である。６３はバブリ
ング用の多孔板である。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような構成のＰ
ＥＦＣ装置ＧＳは、発電と熱利用のコジェネレーション
システムの形態をとるので、燃料電池の発電効率が図ら
れるばかりでなく、このシステムで使用される水の有効
な再利用が図られる効果がある。しかし、装置停止時
に、例えば水タンク２１内の水の温度が低下して凍結す
ると、水タンク２１や燃料電池６が損傷を受けるととも
に、水系統の配管、弁、ポンプなどが損傷を受け、装置
を再起動できなくなる重大な問題が発生する。

【００２７】本発明の目的は、従来の上記問題を解決
し、装置停止時における水系統の凍結を防止して、凍結
による水タンク２１、燃料電池６、貯湯タンク５０、水
系統の熱交換器３２、４６、７１など、配管類、弁類、
ポンプ類、パイプ類などが損傷を受けるのを防止した信
頼性の高い、例えば家庭用などに使用できる小型電源と
して好適な固体高分子形燃料電池発電装置を提供するこ
とである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の請求
項１の固体高分子形燃料電池発電装置は、天然ガス、都
市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを
水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変
成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、起動時に
各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガスバ
ーナと、水素によって発電する燃料電池と、燃料電池を
冷却するための水を収納した水タンクと、前記改質器、
燃料電池、プロセスガスバーナなどの排ガスの熱を回収
して温水とする熱交換器と、この温水を蓄える貯湯タン
クとを備えた固体高分子形燃料電池発電装置であって、
装置停止時に水系統が凍結する恐れがある場合は、それ
を検知して前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯
湯タンクの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部
に循環して送って凍結防止する制御システムを備えたこ
とを特徴とするものである。

【００２９】また、本発明の請求項２の固体高分子形燃
料電池発電装置は、天然ガス、都市ガス、メタノール、
ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改質器
と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を
除去するＣＯ除去器と、起動時に各反応器が安定するま
で水素を燃焼するプロセスガスバーナと、水素によって
発電する燃料電池と、燃料電池を冷却するための水を収
納した水タンクと、前記改質器、燃料電池、プロセスガ
スバーナなどの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換
器と、この温水を蓄える貯湯タンクとを備えた固体高分
子形燃料電池発電装置であって、装置停止時に水系統が
凍結する恐れがある場合は、それを検知して前記プロセ
スガスバーナを燃焼させずに前記貯湯タンクの温水を前
記水系統の一部あるいは全部に循環して送って凍結防止
する制御システムを備えたことを特徴とする。

【００３０】本発明の請求項３の固体高分子形燃料電池
発電装置は、請求項１あるいは請求項２記載の固体高分
子形燃料電池発電装置において、燃料電池の冷却部に冷
却水を送るポンプを作動させ、前記水タンク内の水を循
環して燃料電池本体を暖めて凍結を防止することを特徴
とする。

【００３１】本発明の請求項４の固体高分子形燃料電池
発電装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の
固体高分子形燃料電池発電装置において、前記水タンク
あるいは燃料電池本体の温度がある定められた温度以上
になると、前記プロセスガスバーナの燃焼を行っている
場合はそれを停止し、かつ排熱回収用ポンプを停止する
ことを特徴とする。

【００３２】本発明の請求項５の固体高分子形燃料電池
発電装置は、請求項１、請求項３あるいは請求項４記載
の固体高分子形燃料電池発電装置において、凍結を検知
する手段が前記水タンクの温度を検知する手段であり、
水タンクの温度がある定められた値以下になった場合
に、前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯湯タン
クの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部に循環
して送って凍結防止することを特徴とする。

【００３３】本発明の請求項６の固体高分子形燃料電池
発電装置は、請求項１、請求項３、請求項４あるいは請
求項５記載の固体高分子形燃料電池発電装置において、
凍結を検知する手段が燃料電本体の温度を検知する手段
であり、燃料電池本体の温度がある定められた値以下に
なった場合に、前記プロセスガスバーナを燃焼させて前
記貯湯タンクの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは
全部に循環して送って凍結防止することを特徴とする。

【００３４】本発明の請求項７の固体高分子形燃料電池
発電装置は、請求項１、請求項３、請求項４、請求項５
あるいは請求項６記載の固体高分子形燃料電池発電装置
において、凍結を検知する手段が固体高分子形燃料電池
発電装置内の雰囲気の温度を検知する手段であり、前記
雰囲気の温度がある定められた値以下になった場合に、
前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯湯タンクの
温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部に循環して
送って凍結防止することを特徴とする。

【００３５】本発明の固体高分子形燃料電池発電装置
は、装置停止時に、例えば水タンク２１内の水の温度が
低下して約２℃以下になると、あるいは燃料電池６本体
の温度や固体高分子形燃料電池発電装置内の雰囲気の温
度が低下して凍結する恐れがある場合は、それらを検知
して前記プロセスガスバーナ３４を燃焼させて前記貯湯
タンク５０の温水を昇温し水タンク２１を含む前記水系
統の一部あるいは全部に循環して送るとともにポンプ４
８を作動させて燃料電池６の冷却部６ｃに温水を循環し
て送って燃料電池６本体の温度を上昇させて凍結防止し
たり、あるいはプロセスガスバーナ３４を燃焼させずに
貯湯タンク５０の温水を前記水系統の一部あるいは全部
に循環して送って凍結防止する制御システムを備えたの
で、凍結による燃料電池６本体、水タンク２１、燃料電
池６、貯湯タンク５０、水系統の熱交換器３２、４６、
７１など、配管類、弁類、ポンプ類、パイプ類などが損
傷を受けるのを防止でき、寒冷地や冬季における保守作
業を省力化できるとともに、信頼性が向上し、例えば、
寒冷地における家庭用小型電源などに好ましく使用でき
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。図１〜３は、本発明の固体高
分子形燃料電池発電装置の実施形態を説明する系統図で
ある。図１〜３において、図４に示した構成部分と同じ
構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した
説明を省略する。

【００３７】図１に示した本発明の固体高分子形燃料電
池発電装置ＧＳ１は、排気系３１の熱交換器３２、排気
系４５の熱交換器４６および燃料電池６の空気極ｋから
排出されたガスの熱交換器７１の後に、さらに熱交換器
ＨＥＸを設置し、貯湯タンク５０中の水をポンプＰによ
りこの熱交換器ＨＥＸを経て、熱交換器７１、３２、４
６に送って熱交換して排熱回収した温水Ａを、直接水タ
ンク２１へ熱交換可能に循環して送るラインＬ１を設け
てある。そして、前記温水ＡをラインＬ１を経て水タン
ク２１へ送らなくてもよい場合に温水Ａを貯湯タンク５
０へ送るラインＬ２が併設されており、ラインＬ１には
開閉弁８２、ラインＬ２には開閉弁８１がそれぞれ設け
てある。Ｔ１はパイプ（水管）７３に設けられた温度計
で燃料電池６の冷却部６ｃを循環する冷却水の温度を検
知する手段であり、Ｔ２は水タンク２１中に設けられた
温度計であり水タンク２１の温度を検知する手段であ
る。また図示しないが燃料電池６には燃料電池６本体の
温度を検知する手段（温度計）が取り付けられており、
さらに図示しないが固体高分子形燃料電池発電装置ＧＳ
１には装置内部の雰囲気の温度を検知する手段（温度
計）が取り付けられている。本発明の固体高分子形燃料
電池発電装置ＧＳ１はこのような熱回収装置ＲＤ１など
を備えた以外は図４に示した固体高分子形燃料電池発電
装置ＧＳと同様になっている。

【００３８】（本発明の固体高分子形燃料電池発電装置
ＧＳ１の停止時、水タンク２１中の水が凍結する恐れが
ある場合）水タンク２１の水温（温度計Ｔ２で常時監視
して測定される水温）が設定温度以下（例えば２℃以
下）になって凍結する恐れがある場合、図示しない制御
装置から信号をＰＧバーナ３４、ファン３７、開閉弁８
１、８２、ポンプＰに送って、ファン３７を作動させ、
ＰＧバーナ３４を作動させて点火するとともに、ライン
Ｌ２の開閉弁８１を閉め、ラインＬ１の開閉弁８２を開
け、そしてポンプＰを作動させて、ＰＧバーナ３４に連
結された熱交換器４６で熱回収され昇温した温水Ａを含
む貯湯タンク５０の温水をラインＬ１に循環して送っ
て、水タンク２１中の水を加熱する（図２参照。太実線
で温水の流れを示す。開閉弁８１、８２の開閉状態、フ
ァン３７およびＰＧバーナ３４の作動状況を図２中の表
に示す）。

【００３９】さらに燃料電池６本体の温度を検知する図
示しない手段（温度計）が設定温度以下（例えば２℃以
下）になって燃料電池６本体が凍結する恐れがある場
合、同様にしてＰＧバーナ３４を作動させて上記のよう
に温水を循環するとともに図示しない制御装置から信号
をポンプ４８に送ってポンプ４８を作動させて燃料電池
６の冷却部６ｃに温水を循環して送って燃料電池６本体
の温度を上昇させて凍結防止する。

【００４０】また、固体高分子形燃料電池発電装置ＧＳ
１の装置内部の雰囲気の温度を検知する図示しない手段
（温度計）が設定温度以下（例えば２℃以下）になって
上記水系統が凍結する恐れがある場合、同様にしてＰＧ
バーナ３４を作動させて上記のように温水を循環すると
ともに図示しない制御装置から信号をポンプ４８に送っ
てポンプ４８を作動させて燃料電池６の冷却部６ｃに温
水を循環して送って燃料電池６本体の温度を上昇させて
凍結防止する。

【００４１】また、上記の例ではプロセスガスバーナ３
４を燃焼させた場合について説明したが、プロセスガス
バーナ３４を燃焼させずに貯湯タンク５０の温水を前記
水系統の一部あるいは全部に循環して送って凍結防止す
ることもできる。

【００４２】そして、水タンク２１の水温（前記温度計
Ｔ２で測定される水温）が例えば１０℃以上になった場
合は図示しない制御装置から信号をＰＧバーナ３４、フ
ァン３７、ポンプＰ（排熱回収用ポンプ）などへ送っ
て、これらを停止する。このように間欠的にポンプＰ、
ＰＧバーナ３４、ファン３７などを作動させることによ
り水系統の凍結を防止できる。

【００４３】（本発明の固体高分子形燃料電池発電装置
ＧＳ１の停止時、貯湯タンク５０を含む水系統中の水が
凍結する恐れがある場合）水タンク２１の水温（温度計
Ｔ２で常時監視して測定される水温）は設定温度以上
（例えば２℃以上）であるが、貯湯タンク５０を含む水
系統に設置した図示しない温度計で常時監視して測定さ
れる水温が設定温度以下（例えば２℃以下）になって凍
結する恐れがある場合、図示しない制御装置から信号を
ＰＧバーナ３４、ファン３７、開閉弁８１、８２、ポン
プＰに送って、ファン３７を作動させ、ＰＧバーナ３４
を作動させて点火するとともに、ラインＬ２の開閉弁８
１を開け、ラインＬ１の開閉弁８２を閉め、そしてポン
プＰを作動させて、ＰＧバーナ３４に連結された熱交換
器４６で熱回収された温水Ａを貯湯タンク５０に循環し
て送って、貯湯タンク５０を含む水系統中の水を加熱す
る（図３参照。太実線で温水の流れを示す。開閉弁８
１、８２の開閉状態、ファン３７およびＰＧバーナ３４
の作動状況を図３中の表に示す）。

【００４４】そして、貯湯タンク５０を含む水系統中の
水温が例えば１０℃以上になった場合は図示しない制御
装置から信号をＰＧバーナ３４、ファン３７へ送って、
これらを停止する。このように間欠的にポンプＰ、ＰＧ
バーナ３４、ファン３７を作動させることにより水系統
の凍結を防止できる。

【００４５】なお、上記実施形態の説明は、本発明を説
明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発
明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本
発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範
囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【００４６】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の固体高分子形燃
料電池発電装置は、燃料電池のメンテナンスが簡略化さ
れ、発電と熱利用のコジェネレーションシステムの形態
をとるので、燃料電池の発電効率が図られるばかりでな
く、このシステムで使用される水の有効な再利用が図ら
れる効果があるとともに、装置停止時における水系統の
凍結を自動的に防止して、凍結により水タンク、燃料電
池、貯湯タンク、水系統の熱交換器類、配管類、弁類、
ポンプ類、パイプ類などが損傷を受けるのを防止でき、
寒冷地や冬季における保守作業を省くことができ、装置
寿命が向上して信頼性が高くなるなどの顕著な効果を奏
する。

【００４７】本発明の請求項２記載の固体高分子形燃料
電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池
発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、前記プロセ
スガスバーナを燃焼させずに装置停止時における水系統
の凍結を自動的に容易に防止できるという顕著な効果を
奏する。

【００４８】本発明の請求項３記載の固体高分子形燃料
電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池
発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、燃料電池の
冷却部に冷却水を送るポンプを作動させ、前記水タンク
内の水を循環して燃料電池本体を暖めて凍結を防止する
ので、凍結により燃料電池本体が損傷を受けるのをより
効果的に防止できるという顕著な効果を奏する。

【００４９】本発明の請求項４記載の固体高分子形燃料
電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池
発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、前記水タン
クあるいは燃料電池本体の温度がある定められた温度以
上になると、前記プロセスガスバーナの燃焼を行ってい
る場合はそれを停止し、かつ排熱回収用ポンプを停止す
るので、凍結防止に必要なエネルギーを必要最小限に留
めることができるという顕著な効果を奏する。

【００５０】本発明の請求項５記載の固体高分子形燃料
電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池
発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、凍結を検知
する手段が前記水タンクの温度を検知する手段であり、
水タンクの温度がある定められた値以下になった場合
に、前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯湯タン
クの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部に循環
して送って凍結防止するので、凍結により水タンクおよ
び前記水系統が損傷を受けるのをより効率的に防止でき
るという顕著な効果を奏する。

【００５１】本発明の請求項６記載の固体高分子形燃料
電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池
発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、凍結を検知
する手段が燃料電本体の温度を検知する手段であり、燃
料電池本体の温度がある定められた値以下になった場合
に、前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯湯タン
クの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部に循環
して送って凍結防止するので、凍結により燃料電本体お
よび前記水系統が損傷を受けるのをより効率的に防止で
きるという顕著な効果を奏する。

【００５２】本発明の請求項７記載の固体高分子形燃料
電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池
発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、凍結を検知
する手段が固体高分子形燃料電池発電装置内の雰囲気の
温度を検知する手段であり、前記雰囲気の温度がある定
められた値以下になった場合に、前記プロセスガスバー
ナを燃焼させて前記貯湯タンクの温水を昇温し前記水系
統の一部あるいは全部に循環して送って凍結防止するの
で、凍結により燃料電本体および前記水系統などが損傷
を受けるのをより効率的に防止できるという顕著な効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体高分子形燃料電池発電装置の
一実施形態を示す系統図である。

【図２】図１に示した本発明による固体高分子形燃料電
池発電装置の凍結防止のための温水の流れの一実施形態
を示す説明図である。

【図３】図１に示した本発明による固体高分子形燃料電
池発電装置の凍結防止のための温水の流れの他の実施形
態を示す説明図である。

【図４】従来の固体高分子形燃料電池発電装置の系統図
である。

【符号の説明】

３改質器４ＣＯ変成器５ＣＯ除去器６燃料電池６ｃ冷却部１０、２３〜２５、２８、４３、４７、４８ポンプ２１水タンク３４プロセスガスバーナ１７、１８、１９、３２、７１熱交換器３７プロセスガスバーナに燃焼用空気を送るファン４６プロセスガスバーナに連結された熱交換器５０貯湯タンクＬ１温水Ａを熱交換可能に水タンクへ循環して送るラ
インＬ２温水Ａを貯湯タンクへ送るラインＧＳ、ＧＳ１固体高分子形燃料電池発電装置ＲＤ、ＲＤ１熱回収装置ＨＥＸ熱交換器Ｔ１、Ｔ２温度計Ｐ排熱回収用ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者進藤浩二大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者田島一弘大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者山本聡史大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 CC06 DD06 KK41 KK46 KK48 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰ
Ｇ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改質器と、
一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去
するＣＯ除去器と、起動時に各反応器が安定するまで水
素を燃焼するプロセスガスバーナと、水素によって発電
する燃料電池と、燃料電池を冷却するための水を収納し
た水タンクと、前記改質器、燃料電池、プロセスガスバ
ーナなどの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器
と、この温水を蓄える貯湯タンクとを備えた固体高分子
形燃料電池発電装置であって、装置停止時に水系統が凍結する恐れがある場合は、それ
を検知して前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯
湯タンクの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部
に循環して送って凍結防止する制御システムを備えたこ
とを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項２】天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰ
Ｇ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改質器と、
一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去
するＣＯ除去器と、起動時に各反応器が安定するまで水
素を燃焼するプロセスガスバーナと、水素によって発電
する燃料電池と、燃料電池を冷却するための水を収納し
た水タンクと、前記改質器、燃料電池、プロセスガスバ
ーナなどの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器
と、この温水を蓄える貯湯タンクとを備えた固体高分子
形燃料電池発電装置であって、装置停止時に水系統が凍結する恐れがある場合は、それ
を検知して前記プロセスガスバーナを燃焼させずに前記
貯湯タンクの温水を前記水系統の一部あるいは全部に循
環して送って凍結防止する制御システムを備えたことを
特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項３】燃料電池の冷却部に冷却水を送るポンプ
を作動させ、前記水タンク内の水を循環して燃料電池本
体を暖めて凍結を防止することを特徴とする請求項１あ
るいは請求項２記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項４】前記水タンクあるいは燃料電池本体の温
度がある定められた温度以上になると、前記プロセスガ
スバーナの燃焼を行っている場合はそれを停止し、かつ
排熱回収用ポンプを停止することを特徴とする請求項１
から請求項３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池
発電装置。
【請求項５】凍結を検知する手段が前記水タンクの温
度を検知する手段であり、水タンクの温度がある定めら
れた値以下になった場合に、前記プロセスガスバーナを
燃焼させて前記貯湯タンクの温水を昇温し前記水系統の
一部あるいは全部に循環して送って凍結防止することを
特徴とする請求項１、請求項３あるいは請求項４記載の
固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項６】凍結を検知する手段が燃料電本体の温度
を検知する手段であり、燃料電池本体の温度がある定め
られた値以下になった場合に、前記プロセスガスバーナ
を燃焼させて前記貯湯タンクの温水を昇温し前記水系統
の一部あるいは全部に循環して送って凍結防止すること
を特徴とする請求項１、請求項３、請求項４あるいは請
求項５記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項７】凍結を検知する手段が固体高分子形燃料
電池発電装置内の雰囲気の温度を検知する手段であり、
前記雰囲気の温度がある定められた値以下になった場合
に、前記プロセスガスバーナを燃焼させて前記貯湯タン
クの温水を昇温し前記水系統の一部あるいは全部に循環
して送って凍結防止することを特徴とする請求項１、請
求項３、請求項４、請求項５あるいは請求項６記載の固
体高分子形燃料電池発電装置。