JP2004207093A

JP2004207093A - Fuel cell system and its operation method

Info

Publication number: JP2004207093A
Application number: JP2002376016A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kadowaki; 正天門脇; Yukinori Akiyama; 幸徳秋山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a fuel cell system from being broken by freezing, even if the fuel cell is mounted in a place where outdoor air temperature is low. <P>SOLUTION: The fuel cell system 400 comprises a fuel cell 406, and a water supply line (such as piping 467, a water tank 411, 412) for supplying water to the fuel cell 406. The fuel cell system 400 further comprises a control part 455. The control part 455 performs an antifreeze process for preventing the water in the water supply line from freezing, if the outdoor air temperature of a casing 534 storing the fuel cell 406 is a predetermined degree or lower, for example, approximately 4°C or lower, while power generation of the fuel cell 405 is not performed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）が知られている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素、空気極に酸素を供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-（１）
空気極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（２）
【０００４】
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子電解質膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂および水素のいわゆる三相界面において進行する。
【０００５】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００６】
近年、このような固体高分子電解質型燃料電池を家庭用電源として用いる試みがなされている。特許文献１には、家庭用電源として固体高分子電解質型燃料電池を用いた例が記載されている。ここでは、図３に示すように、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池を含む燃料電池電源装置Ａが屋外に設置され、都市ガス等の原燃料ガスを供給して発電し、インバータＢで直流を交流に変換して屋内の電気機器に電力が供給される。
【０００７】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池では発熱が起こるため、発生した熱を冷却するために、燃料電池に冷却水が流される。また、燃料極に供給する水素を改質するために改質装置を用いる場合、改質装置においても発熱が起こるため、改質装置にも冷却水が流される。このとき、熱交換器を利用して冷却水が吸収した排熱により市水から温水が生成される。この温水は、屋内の台所・洗面所・風呂場等の水回りに給湯される。そのため、燃料電池システムには貯湯タンクＣが接続されている。
【０００８】
前記貯湯タンクＣには市水が供給され、この市水の一部が燃料電池電源装置Ａ内に配設された複数の熱交換器に送り込まれて温水とされ、この温水が貯湯タンクＣに戻されて貯湯される。給湯時には貯湯タンクＣから温水が取り出されて屋内の水回り箇所に利用される。
【０００９】
また、固体高分子電解質型燃料電池において、高い電流密度の領域では高分子電解質膜内でイオンの流れにより、燃料極側から水の持ち去りが起こり、膜が乾燥してしまう。その結果、電気抵抗の増大によって出力密度が低下することがある。そのため、膜の乾燥を抑えるために、水分管理が重要となる。水分管理の一例として、燃料電池の燃料極および空気極に、水をバブリングさせた水タンクを介して水素および酸素をそれぞれ供給する方法が行われる。これにより、高分子電解質膜の乾燥を避けることができ、出力密度の低下を抑えることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８１０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえば夜間に燃料電池システムの運転を停止するＤＳＳ（ＤａｉｒｙＳｔａｒｔＳｔｏｐ）方式や週末に燃料電池システムの運転を停止するＷＳＳ（ＷｅｅｋｌｙＳｔａｒｔＳｔｏｐ）方式の燃料電池システムにおいて、または年末年始等に燃料電池システムを運転しないとき等に外気温度が下がると、冷却水として用いる水の配管や水タンク中の水が凍結してしまうことがある。このような場合、配管が破裂するおそれがある。また、燃料電池を収容する容器が破裂する可能性もある。さらに、高分子電解質膜が凍ってしまうと、その後解凍されても、性能が低下してしまうおそれもある。
【００１２】
こうした事情に鑑み、本発明は、燃料電池が設置された場所の外気温度が低い場合でも、燃料電池システムに供給する水供給ラインの凍結等による燃料電池システムの破損を防止することのできる技術を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池と、当該燃料電池に水を供給する水供給ラインと、を含む燃料電池システムであって、当該燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電が行われていないときに、燃料電池が設置された場所の外気温度が所定温度以下になった場合に、水供給ライン中の水の凍結を防止する凍結防止処理を行う制御部を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１４】
ここで、所定の温度とは、その温度において水が凍結するおそれのある温度、または当該温度より数度高い程度の温度とすることができる。所定の温度は、たとえば約４℃とすることができる。また、凍結防止処理は、燃料電池の発電の開始、水供給ラインへの水の供給、および水供給ライン等の加熱の少なくとも一つを含むことができる。このようにすれば、燃料電池システムの外気温度が所定温度以下になっても、水供給ライン中の水の凍結を防ぐことができる。また、所定の温度を、水が凍結するおそれのある温度より数度高い温度としておけば、凍結防止処理の開始指令が行われてから実際に凍結防止処理が行われるのに時間を要する場合であっても、燃料電池システムの水供給ラインの凍結を防ぐことができる。また、ここで、燃料電池本体は筐体内に設けられてよく、この場合、燃料電池が設置された場所の外気温度とは、筐体外部の温度とすることができる。また、燃料電池システムは、たとえばボイラー室等の建物内に設置されてよく、この場合、燃料電池が設置された場所の外気温度とは、ボイラー室等の建物内の温度とすることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、燃料電池の発電を開始することができる。
【００１６】
このようにすれば、燃料電池自体の発熱により、水供給ライン中の水の凍結を防ぐことができる。ここで、発電の開始とは、燃料電池自体の発電に加えて、燃料ガスの投入、燃料ガスの改質処理の開始、空気の供給の開始等を含むことができる。また、凍結防止処理としては、燃料電池の発電量が最小となる程度に燃料電池を発電させれば充分である。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、外気温度に応じて、燃料電池の発電量を制御することができる。
【００１８】
制御部は、たとえば外気温度が低い場合は、燃料電池の発電量をより高くすることができる。このようにすれば、外気温度が低い場合であっても、燃料電池システムの水供給ライン中の水の凍結を防ぐことができ、燃料電池システムの損傷を防止することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、水供給ラインへの水の供給を行うことができる。
【００２０】
水供給ラインへの水の供給を継続的に行うことにより、外気温度が所定温度以下であっても、水供給ライン中の水の凍結を防止することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却部をさらに含むことができ、水供給ラインは、冷却部に水を供給することができる。
【００２２】
ここで、冷却部は、燃料電池の空気極および燃料極のいずれか一方、または両方を冷却するように構成することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、原燃料ガスを水素に改質する改質装置と、改質装置から発生する熱を冷却する冷却部と、をさらに含むことができ、水供給ラインは、冷却部に水を供給することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟んで設けられた燃料極および空気極と、を含む固体高分子型燃料電池であってよく、水供給ラインは、燃料極および空気極に供給する燃料および空気をそれぞれ加湿する水タンクに水を供給することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、水供給ラインに配設されたヒータをさらに含むことができ、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、ヒータをオンにすることができる。
【００２６】
ここで、燃料電池は、筐体内に収容することができ、この場合、ヒータは、水供給ラインのうち、筐体外部および筐体外部に近い側に設けられたものに配設することができる。さらに、ヒータは、排水ラインに配設してもよく、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、排水ラインに設けられたヒータをオンにすることもできる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は筐体内に設けることができ、当該燃料電池システムは、筐体の外部に設けられた温度センサをさらに含むことができ、制御部は、温度センサにより測定された温度に応じて凍結防止処理を行うことができる。
【００２８】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池から発生する熱を回収して外部から導入された水を加熱する熱交換器をさらに含むことができる。
【００２９】
このようにすれば、本発明の燃料電池システムを、燃料ガスの改質装置や燃料電池から排出される蒸気・温水を回収して、冷暖房や給湯、その他種々のものに利用するコジェネレーションタイプの燃料電池システムとすることができる。
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、電力蓄積部、または電力消費部をさらに含むことができる。ここで、電力消費部は、燃料電池システムから排出される熱を温水として貯蔵する貯湯タンクに設置したヒータ、または貯湯タンクに供給される水を加熱するためのヒータとすることもできる。なお、凍結防止処理を行った際に発生した電力を使い切るためのダミーヒータとすることもできる。また、たとえば積雪する寒冷地においては、融雪用の加熱手段を電力消費部とすることもできる。
【００３１】
本発明によれば、燃料電池と、当該燃料電池に水を供給する水供給ラインと、を含む燃料電池システムを運転する方法であって、当該燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電が行われていないときに、燃料電池が設置された場所の外気温度が所定温度以下になった場合に、水供給ライン中の水の凍結を防止する凍結防止処理を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法が提供される。
【００３２】
本発明の燃料電池システムの運転方法において、凍結防止処理は、当該燃料電池の発電の開始、水供給ラインへの水の供給、および水供給ラインの加熱の少なくとも一つを含むことができる。
【００３３】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
本実施の形態における燃料電池システム４００は、前述した図３に示したような住宅や、アパートやマンション等の集合住宅に配設される。
【００３５】
燃料電池システム４００は、固体高分子電解質型燃料電池の燃料電池４０６を含む。また、燃料電池システム４００は、燃料電池４０６の発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態をも採用している。
そのための構成として、燃料電池システム４００は貯湯タンク５０１を含む。
【００３６】
燃料電池システム４００は、燃料電池４０６および貯湯タンク５０１に加えて、燃料供給源４０１と、脱硫器４０２と、改質装置４１３と、空気供給源４３０と、水タンク４１１と、水タンク４１２と、水処理装置５０９と、水供給源５１０と、水タンク５０７と、熱回収用熱交換器５０３と、熱回収用熱交換器５０５と、ヒータ５１３と、電力交換装置４５７と、制御部４５５と、系統４５９と、温度センサ５３０と、蓄電部５３２と、を有する。
【００３７】
燃料供給源４０１は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスを燃料電池４０６の燃料の供給源として供給する。脱硫器４０２は、燃料ガスから硫黄成分を除去する。改質装置４１３は、改質器４０３と、ＣＯ変成器４０４と、ＣＯ除去器４０５とを含む。改質器４０３は、燃料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。ここで、図示していないが、改質器４０３における化学反応は吸熱反応であるので、改質器４０３にはバーナを設け、常時加熱しながら化学反応を行うのが好ましい。
【００３８】
ＣＯ変成器４０４は、改質器４０３により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。ＣＯ除去器４０５は、ＣＯ変成器４０４により変成されたガス中の未変成の一酸化炭素を除去する。ここでも図示していないが、ＣＯ変成器４０４およびＣＯ除去器４０５では発熱反応が行われるため、ＣＯ変成器４０４およびＣＯ除去器４０５にも、発熱反応により発生した熱を冷却する冷却部を設けることもできる。
【００３９】
燃料供給源４０１と脱硫器４０２とは、ガス管４１７により接続される。ガス管４１７には、電磁開閉弁４１８および昇圧ポンプ４１９が設けられる。また、脱硫器４０２と改質装置４１３とはガス管４２２により接続される。ここで、図示していないが、改質装置４１３において、改質器４０３、ＣＯ変成器４０４、およびＣＯ除去器４０５はそれぞれガス管により接続されている。
【００４０】
燃料電池４０６は、燃料極４０６ａおよび空気極４０６ｂを含む。燃料電池４０６は、改質ガスと酸素とを反応させて電力を発生させる。燃料極４０６ａには燃料である水素（改質ガス）が、空気極４０６ｂには空気中の酸素が供給され、これにより燃料電池４０６において電気化学反応が起こり、電力を取り出すことができる。燃料電池４０６から取り出された電力は、配線４３４を介して電力交換装置４５７に伝達される。
【００４１】
燃料電池４０６で行われる電気化学反応では、活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。そのため、本実施の形態における燃料電池システム４００において、燃料電池４０６は、空気極４０６ｂで発生した熱を冷却する冷却部４０６ｃをさらに含む。
【００４２】
燃料極４０６ａには、改質装置４１３で改質された改質ガスが配管４２４を介して供給される。ここで、上述したように、燃料電池４０６の高分子電解質膜の乾燥を避けるために、改質ガスは水タンク４１１を通過した後に燃料極４０６ａに供給される。また、空気極４０６ｂには、空気供給源４３０から空気中の酸素が配管４３１および配管４３２を介して供給される。ここでも、燃料電池４０６の高分子電解質膜の乾燥を避けるために、酸素は水タンク４１２を通過した後に空気極４０６ｂに供給される。空気極４０６ｂは、配管４６９を介して熱回収用熱交換器５０３に接続される。熱回収用熱交換器５０３には、排気ダクトおよびドレン水配管（ともに不図示）が接続される。燃料極４０６ａからの改質ガスは、再び改質器４０３（改質器４０３に設けられたバーナ）に循環され、熱源として利用される。
【００４３】
冷却部４０６ｃには、水タンク４１２から昇圧ポンプ４６３を介して水が供給される。なお、ここでは、冷却部４０６ｃが空気極４０６ｂを冷却する構成としているが、冷却部４０６ｃが燃料極４０６ａを冷却する構成とすることもできる。この場合、冷却部４０６ｃには、水タンク４１１から昇圧ポンプを介して水が供給される構成とすることができる。また燃料極４０６ａおよび空気極４０６ｂの両方を冷却する構成とすることもできる。冷却部４０６ｃを通過した水は配管４６５を介して熱回収用熱交換器５０５に導入される。熱回収用熱交換器５０５に導入された水は熱回収用熱交換器５０５を通過し、水タンク４１２に帰還する。なお、図示していないが、配管５６７にはドレン水配管が接続されてもよい。
また、このドレン水配管は配管４６１に接続されてもよい。
【００４４】
水処理装置５０９は、水供給源５１０から供給された市水を純水にする処理を行う。水タンク５０７は、水処理装置５０９において処理された純水を貯留する。水処理装置５０９において処理された純水は、昇圧ポンプ５２０により、配管４６７を介して水タンク４１１および水タンク４１２に搬送される。水タンク５０７と改質装置４１３との間は昇圧ポンプ５２４が設けられた配管５２２により接続され、改質装置４１３には、水タンク５０７からの純水が供給される。また、水供給源５１０からの水は、水道管５１５を通じて貯湯タンク５０１にも供給される。
【００４５】
貯湯タンク５０１は、昇圧ポンプ４４６により温水配管４４３を介して熱回収用熱交換器５０３と接続されているとともに、昇圧ポンプ４４５により温水配管４４２を介して熱回収用熱交換器５０５と接続されている。空気極４０６ｂから配管４６９に導出された空気は、燃料電池４０６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、熱回収用熱交換器５０３で熱回収される。これにより、貯湯タンク５０１から循環された水が温められ、温水配管４４３を介して貯湯タンク５０１に帰還する。同様に、冷却部４０６ｃを通過した水は発電の際に生じる熱を吸収して温度上昇しており、この温度上昇した水は熱回収用熱交換器５０５において、温水配管４４２を介して導入された貯湯タンク５０１からの水と熱交換する。そのため、貯湯タンク５０１の水が温度上昇し、水タンク４１２の水の温度が低下する。これにより、水タンク４１２の水が冷却部４０６ｃを循環して、燃料電池４０６を冷却することができる。また、貯湯タンク５０１の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇させることができるため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチン等に供給することができる。
【００４６】
電力交換装置４５７は、昇圧コンバータとインバータとを含む。昇圧コンバータは、燃料電池４０６により発電された電力をインバータに必要な電圧にまで昇圧する。インバータからの電力は系統４５９および蓄電部５３２に送られる。
【００４７】
系統４５９は、たとえば単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない電気配線を介して家庭に供給される。また、電力交換装置４５７のインバータは、貯湯タンク５０１ヘも電気的に接続されている。
【００４８】
温度センサ５３０は、燃料電池システム４００本体の外部に設けられ、燃料電池システム４００が設けられた場所周辺の外気温度を測定する。燃料電池システム４００が屋外に設置される場合、温度センサ５３０は屋外の温度を測定する。
また、たとえば、燃料電池システム４００がボイラー室に設けられた場合、温度センサ５３０は、ボイラー室内に設けられる。また、温度センサ５３０は、貯湯タンク５０１に配設して設けられてもよい。燃料電池４０６の運転時には、燃料電池システム４００の筐体５３４内の温度は約６０℃程度まで上昇するので、必ずしもヒータ５１３を設ける必要はないが、たとえば水供給源５１０からの水道管５１５や水タンク５０７、水処理装置５０９、配管５２２等の水供給ラインや改質装置４１３からのドレン水配管等、筐体５３４外部と接続された配管や装置、筐体５３４外部付近に設けられた配管や装置等にはヒータ５１３を配設するのが好ましい。通常、水は０℃で凍結し始めるが、冬季の乾燥時期には、風が吹くと０℃以上の約４℃程度であっても水面の気化熱が奪われ、表面から凍結が開始される。そのため、ドレン水配管等では４℃程度でも結露しやすいため、ヒータ５１３を設けるのが好ましい。
【００４９】
制御部４５５は、温度センサ５３０の温度に基づき、外気温度が所定温度以下になった場合、燃料電池システム４００の配管等の水供給ラインの凍結を防止する凍結防止処理を行う。凍結防止処理としては、（ｉ）燃料電池４０６の発電開始、（ｉｉ）水の供給開始、（ｉｉｉ）ヒータ５１３のスイッチオン等を行うことができる。蓄電部５３２は、凍結防止処理時に燃料電池４０６により発電された電力を蓄積する二次電池とすることができる。このようにして蓄電された電力は、商用電力やダミーヒータに利用することができる。また、蓄電された電力は、家庭内で消費される電力のうち、負荷変動が激しく、燃料電池システム４００の出力変動がその負荷変動に追随できない場合に利用することができる。なお、蓄電部５３２の代わりに直接ダミーヒータ等に電力が供給されるような構成とすることもできる。また、とくに積雪する寒冷地においては、凍結防止処理時に発電された電力を融雪用の加熱手段の電力源として用いることができる。また、この電力は、たとえばヒータ５１３を加熱したり昇圧ポンプ等を駆動するための電力源として用いることもできる。
【００５０】
図２は、制御部４５５による凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。
まず、制御部４５５は、燃料電池システム４００が通常運転状態であるか否かを判断する（Ｓ１０）。燃料電池システム４００が通常運転とは、たとえば日中等、燃料電池４０６の発電処理が行われていることをいう。燃料電池システム４００が通常運転状態である場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、制御部４５５は凍結防止処理を終了する。燃料電池システム４００が通常運転状態でない場合（Ｓ１０のＮｏ）、制御部４５５は、温度センサ５３０により測定された温度に基づき、外気温度が所定温度以下であるか否かを判断する（Ｓ１２）。ここで、所定温度にとくに限定はないが、たとえば４℃とすることができる。このような温度において、水が凍結し始めるからである。また、後述するように、制御部４５５は、凍結防止処理開始の指令を行うが、凍結防止処理開始の指令を行ってから実際に凍結を防止するための処理が開始されるまでには一定の期間を要することがあるため、この所定温度は４℃より高い温度とすることもできる。
【００５１】
ステップ１２において、外気温度が所定温度以下の場合（Ｓ１２のＹｅｓ）、制御部４５５は、凍結防止処理開始の指令を行う（Ｓ１４）。制御部４５５は、たとえば電力交換装置４５７を制御して燃料電池４０６の発電開始を行わせる。
また、制御部４５５は、昇圧ポンプ５２０や昇圧ポンプ４６３を制御して、冷却部４０６ｃへの冷却水の供給開始を行わせる。また、制御部４５５は、ヒータ５１３のスイッチをオンにして水タンク５０７、水処理装置５０９、配管５２２等を加熱させる。
【００５２】
この際、制御部４５５は、外気温度に応じて、たとえば燃料電池４０６の発電量（出力）や、冷却水の流量、ヒータの加熱温度を制御することができる。制御部４５５は、外気温度が低ければ低いほど、燃料電池４０６の発電量がより高く、冷却水の流量がより多く、ヒータの加熱温度がより高くなるように制御するのが好ましい。なお、以上の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の処理は、いずれか一つのみを行うこともできるが、適宜組み合わせて行うこともできる。この場合、たとえば、ヒータ５１３を加熱するための電力源や昇圧ポンプ５２０や昇圧ポンプ４６３等のポンプ等を駆動するための電力源として燃料電池４０６により発電された電力を用いることができる。また、凍結防止処理において、過剰な電力が発生した場合には、蓄電部５３２に蓄積したり、ダミーヒータ等、ダミーの抵抗を設けて電力を消費させるようにすることもできる。
【００５３】
また、ステップ１２において、外気温度が所定温度以下でなかった場合（Ｓ１２のＮｏ）、凍結防止処理を終了する。制御部４５５は、所定条件を満たすまで（Ｓ１６のＹｅｓ）凍結防止処理を行う。所定条件とは、たとえば凍結防止処理の開始から一定時間の経過や温度センサ５３０により測定された外気温度が所定温度以上になった場合とすることができる。所定条件を満たすと（Ｓ１６のＹｅｓ）、凍結防止処理を終了するが、温度センサ５３０は常に外気温度を測定しており、制御部４５５は、所定時間毎に、図２に示した凍結防止処理の判断を行う。
【００５４】
なお、凍結防止処理は、ある程度の長時間にわたって連続的に行うこともできるが、たとえば比較的短い一定時間毎に間欠的に行うこともできる。この場合、制御部４５５は、温度センサ５３０により測定された外気温度に応じて、間欠的な凍結防止処理の間隔を変更する等の制御を行うことができる。たとえば、外気温度が０℃程度の場合は、間欠的に凍結防止処理を行うが、外気温度が−２０℃程度まで下がった場合は、凍結防止処理を連続的に行うようにしてもよい。凍結防止処理として、燃料電池の発電を行う場合、燃料供給源４０１における燃料ガスの投入から燃料電池４０６から実際に電力が取り出されるまでに必要な時間がかかること、また起動時に比較的大きいエネルギーが必要等の理由から、外気温度が常に所定温度以下であるような寒冷地においては、連続的に凍結防止処理を行う方が好ましいこともある。
【００５５】
次に、燃料電池システム４００を運転させたときの通常運転状態の動作を説明する。
燃料電池システム４００の運転が開始されると、燃料供給源４０１から燃料ガスが、電磁開閉弁４１８を介して昇圧ポンプ４１９に入り、昇圧ポンプ４１９にて昇圧されて、脱硫器４０２に供給される。脱硫器４０２において、燃料ガスから硫黄成分が除去される。脱硫器４０２に、たとえば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器４０２を経た燃料ガスは、ガス管４２２を介して改質装置４１３の改質器４０３に供給される。改質器４０３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００５６】
改質器４０３を経たガスは、ＣＯ変成器４０４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。ＣＯ変成器４０４を経たガスは、ＣＯ除去器４０５に供給され、ＣＯ変成器４０４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。ＣＯ除去器４０５を経た一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管４２３、水タンク４１１および配管４２４を介して燃料電池４０６の燃料極４０６ａに供給される。
【００５７】
他方、空気供給源４３０から供給された空気は水タンク４１２を介して空気極４０６ｂに供給される。これにより、燃料極４０６ａに供給された水素と、空気極４０６ｂに供給された酸素とが反応し、電力が発生する。このとき、化学反応により生じ燃料極４０６ａに一部残存した水及び改質装置４１３において生じたドレン水は、ドレン水配管（不図示）により外部に排出される。また、化学反応により生じた排気は排気ダクト（不図示）を通じて外部に放出される。
【００５８】
このとき、熱回収用熱交換器５０３および熱回収用熱交換器５０５での熱交換によって、貯湯タンク５０１の水が温度上昇する。また、燃料電池４０６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器５０３にて貯湯タンク５０１から循環された水と熱交換する際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管（不図示）より外部に排出される。
【００５９】
本実施の形態においては、外気温度が所定温度以下になった場合であっても、燃料電池システム４００に供給される水が凍結しないような凍結防止処理が施されるため、燃料電池システム４００の損傷を防ぐことができる。さらに、凍結防止処理時に発電された電力も種々の用途に有効に利用することができ、省エネルギー化を実現することができる。また、燃料電池システム４００が、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量を低減することもできる。
【００６０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を述べる。
【００６１】
以上の実施の形態においては、非通常運転時には燃料電池システム４００を停止しておき、外気温度が所定の温度以下になった場合に凍結防止処理を行う例を説明したが、たとえばいわゆる寒冷地等、夜間には常に水が凍結するような温度の地域においては、非通常運転時にも燃料電池システム４００を稼働させておき、外気温度が所定の温度以上になった場合に燃料電池システム４００の運転を停止するような手順の処理を行うようにすることもできる。
【００６２】
また、以上の実施の形態において、温度センサ５３０により外気温度を常に測定し、外気温度が所定の温度以下になった場合に凍結防止処理を行う例を説明したが、必ずしも温度センサ５３０を設ける必要はなく、季節や地域に応じて、所定の時間になったら凍結防止処理を行うようにすることもできる。
【００６３】
また、たとえば、複数の家庭にそれぞれ設置された燃料電池システム４００をネットワークを介して接続し、図２に示したような凍結防止処理を行う際の制御方法等の設定は、統括して行うようにすることもできる。
【００６４】
また、以上の実施の形態において図示していないが、改質器４０３の排気系には、図示しない熱交換器が接続されてよく、水タンク５０７の水が昇圧ポンプ５２４を介して供給されると、熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器４０３に供給されてもよい。さらに、改質器４０３にバーナを設けた場合、改質器４０３のバーナでの燃焼排ガスをも熱交換に利用することができる。
【００６５】
なお、以上の実施の形態において、空気極４０６ｂおよび冷却部４０６ｃには水タンク４１２からの水が供給される形態を説明したが、これらはそれぞれ別々に供給してもよく、その場合、冷却部４０６ｃに供給する冷却水としてはたとえば電解質等を含む不凍液を用いることもできる。
【００６６】
水タンク５０７、水処理装置５０９、水タンク４１１、および水タンク４１２等の内部の水の凍結防止処理としては、これらの装置内に攪拌機を設け、水を攪拌させることによって行うこともできる。
【００６７】
さらに、温度センサ５３０は、たとえば燃料電池４０６が収容された筐体内の配管等に配設して設けられてもよく、その部分の温度が所定温度以下になった場合に、凍結防止処理を行うようにしてもよい。
【００６８】
なお、以上の実施の形態においては、燃料ガスを改質装置４１３により改質させた改質ガスを燃料電池４０６に供給するとして説明したが、燃料電池システム４００は、改質装置４１３を有しない構成とすることもでき、直接水素ガスが供給されてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、外気温度が低い場合でも、燃料電池システムに供給する水供給ラインの凍結等による燃料電池システムの破損を防止することのできる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】制御部による凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】家庭用電源として固体高分子電解質型燃料電池を用いた例を示す図である。
【符号の説明】
４００燃料電池システム、４０１燃料供給源、４０２脱硫器、４０３改質器、４０４ＣＯ変成器、４０５ＣＯ除去器、４０６燃料電池、４０６ａ燃料極、４０６ｂ空気極、４０６ｃ冷却部、４１１水タンク、４１２水タンク、４１３改質装置、４１７ガス管、４１８電磁開閉弁、４１９昇圧ポンプ、４２２ガス管、４２３ガス管、４２４配管、４３０空気供給源、４３１配管、４３２配管、４３４配線、４４２温水配管、４４３温水配管、４４５昇圧ポンプ、４４６昇圧ポンプ、４５５制御部、４５７電力交換装置、４５９系統、４６１配管、４６３昇圧ポンプ、４６５配管、４６７配管、４６９配管、４７１配管、５０１貯湯タンク、５０３熱回収用熱交換器、５０５熱回収用熱交換器、５０７水タンク、５０９水処理装置、５１０水供給源、５１３ヒータ、５１５水道管、５２０昇圧ポンプ、５２２配管、５２４昇圧ポンプ、５３０温度センサ、５３２蓄電部、５３４筐体、５６７配管。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system and a method for operating the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that operates at a low temperature of 100 ° C. or less is known.
[0003]
A solid polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a solid polymer electrolyte membrane is arranged between a fuel electrode and an air electrode, and supplies hydrogen to the fuel electrode and oxygen to the air electrode, and performs the following electrochemical reaction. This is a device that generates electric power.
Fuel electrode: H _Two → 2H ⁺ + 2e ^- (1)
Air electrode: 1 / 2O _Two + 2H ⁺ + 2e ^- → H _Two O (2)
[0004]
The fuel electrode and the air electrode have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are stacked. The catalyst layers of the respective electrodes are arranged to face each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and constitute a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer serves as a passage for oxygen and hydrogen. The power generation reaction proceeds at a so-called three-phase interface between the catalyst, the ion exchange resin, and hydrogen in the catalyst layer.
[0005]
At the fuel electrode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among them, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, at the air electrode, oxygen contained in the oxidant supplied to the air electrode reacts with the hydrogen ions and the electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above equation (2). As described above, in the external circuit, the electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is extracted.
[0006]
In recent years, attempts have been made to use such a solid polymer electrolyte fuel cell as a household power supply. Patent Document 1 describes an example in which a solid polymer electrolyte fuel cell is used as a household power supply. Here, as shown in FIG. 3, for example, a fuel cell power supply device A including a solid polymer electrolyte fuel cell is installed outdoors, supplies raw fuel gas such as city gas or the like, generates electric power, and uses an inverter B to generate DC power. Is converted into an alternating current to supply power to indoor electrical equipment.
[0007]
In such a fuel cell system, since heat is generated in the fuel cell, cooling water flows through the fuel cell in order to cool the generated heat. Further, when a reformer is used to reform the hydrogen supplied to the fuel electrode, heat is also generated in the reformer, so that cooling water is also flowed through the reformer. At this time, hot water is generated from city water by the exhaust heat absorbed by the cooling water using the heat exchanger. This hot water is supplied around the water in an indoor kitchen, washroom, bathroom, or the like. Therefore, a hot water storage tank C is connected to the fuel cell system.
[0008]
City water is supplied to the hot water storage tank C, and a part of the city water is sent to a plurality of heat exchangers disposed in the fuel cell power supply device A to generate hot water. It is returned and stored. At the time of hot water supply, hot water is taken out of the hot water storage tank C and is used at a place where water is supplied indoors.
[0009]
Further, in a solid polymer electrolyte fuel cell, in a region with a high current density, water flows away from the fuel electrode side due to the flow of ions in the polymer electrolyte membrane, and the membrane is dried. As a result, the output density may decrease due to an increase in electric resistance. Therefore, in order to suppress the drying of the film, water management is important. As an example of moisture management, a method of supplying hydrogen and oxygen to a fuel electrode and an air electrode of a fuel cell via a water tank in which water is bubbled, respectively, is performed. Thereby, drying of the polymer electrolyte membrane can be avoided, and a decrease in output density can be suppressed.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-216810
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, for example, in a fuel cell system of a DSS (Daily Start Stop) system in which the operation of the fuel cell system is stopped at night, a WSS (Weekly Start Stop) system in which the operation of the fuel cell system is stopped on a weekend, or at the end of the year and the new year, If the outside air temperature drops when the battery system is not operated, for example, water in a water pipe or a water tank used as cooling water may freeze. In such a case, the pipe may be ruptured. In addition, there is a possibility that the container containing the fuel cell may burst. Furthermore, if the polymer electrolyte membrane freezes, its performance may be reduced even if it is thawed thereafter.
[0012]
In view of such circumstances, the present invention provides a technique capable of preventing breakage of a fuel cell system due to freezing of a water supply line for supplying the fuel cell system even when the outside air temperature of a place where the fuel cell is installed is low. The purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell and a water supply line for supplying water to the fuel cell, wherein in the fuel cell system, when power generation of the fuel cell is not performed, Provided is a fuel cell system including a control unit that performs a freeze prevention process for preventing freezing of water in a water supply line when an outside air temperature of a place where a fuel cell is installed becomes equal to or lower than a predetermined temperature. Is done.
[0014]
Here, the predetermined temperature may be a temperature at which water may freeze at that temperature, or a temperature several degrees higher than the temperature. The predetermined temperature can be, for example, about 4 ° C. In addition, the anti-freezing process can include at least one of starting power generation of the fuel cell, supplying water to the water supply line, and heating the water supply line or the like. This can prevent freezing of water in the water supply line even when the outside air temperature of the fuel cell system falls below the predetermined temperature. Further, if the predetermined temperature is set to a temperature several degrees higher than the temperature at which water may freeze, it may take time to actually perform the antifreeze processing after the start instruction of the antifreeze processing is performed. Even if it does, the water supply line of the fuel cell system can be prevented from freezing. Here, the fuel cell main body may be provided in the housing, and in this case, the outside air temperature at the place where the fuel cell is installed may be the temperature outside the housing. Further, the fuel cell system may be installed in a building such as a boiler room. In this case, the outside air temperature at the place where the fuel cell is installed may be the temperature in the building such as the boiler room.
[0015]
In the fuel cell system according to the present invention, the control unit can start the power generation of the fuel cell when the outside air temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature.
[0016]
This can prevent freezing of water in the water supply line due to heat generation of the fuel cell itself. Here, the start of power generation can include the input of fuel gas, the start of fuel gas reforming processing, the start of air supply, and the like, in addition to the power generation of the fuel cell itself. Further, as the anti-freezing process, it is sufficient to cause the fuel cell to generate power to such an extent that the power generation amount of the fuel cell is minimized.
[0017]
In the fuel cell system according to the present invention, the control unit can control the power generation amount of the fuel cell according to the outside air temperature.
[0018]
For example, when the outside air temperature is low, the control unit can further increase the power generation amount of the fuel cell. In this way, even when the outside air temperature is low, freezing of water in the water supply line of the fuel cell system can be prevented, and damage to the fuel cell system can be prevented.
[0019]
In the fuel cell system according to the present invention, the control unit can supply water to the water supply line when the outside air temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature.
[0020]
By continuously supplying water to the water supply line, it is possible to prevent freezing of water in the water supply line even when the outside air temperature is equal to or lower than a predetermined temperature.
[0021]
The fuel cell system of the present invention may further include a cooling unit for cooling heat generated from the fuel cell, and the water supply line may supply water to the cooling unit.
[0022]
Here, the cooling unit can be configured to cool one or both of the air electrode and the fuel electrode of the fuel cell.
[0023]
The fuel cell system of the present invention may further include a reformer for reforming the raw fuel gas into hydrogen, and a cooling unit for cooling heat generated from the reformer, wherein the water supply line includes a cooling unit. Can be supplied with water.
[0024]
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell may be a solid polymer electrolyte fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane, a fuel electrode and an air electrode provided with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, The water supply line can supply water to a water tank that humidifies fuel and air supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively.
[0025]
The fuel cell system according to the present invention may further include a heater provided in the water supply line, and the control unit may turn on the heater when the outside air temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature.
[0026]
Here, the fuel cell can be housed in the housing, and in this case, the heater can be provided on the water supply line provided outside the housing and on the side close to the housing outside. . Further, the heater may be provided in the drain line, and the control unit may turn on the heater provided in the drain line when the outside air temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature.
[0027]
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell can be provided in the housing, and the fuel cell system can further include a temperature sensor provided outside the housing, and the control unit measures the temperature by the temperature sensor. The anti-freezing process can be performed according to the performed temperature.
[0028]
The fuel cell system of the present invention may further include a heat exchanger for recovering heat generated from the fuel cell and heating water introduced from the outside.
[0029]
By doing so, the cogeneration type of the fuel cell system of the present invention which collects steam / hot water discharged from a fuel gas reformer or a fuel cell and uses it for cooling, heating, hot water supply, and other various things. It can be a fuel cell system.
[0030]
The fuel cell system according to the present invention may further include a power storage unit or a power consumption unit. Here, the power consuming unit may be a heater installed in a hot water storage tank for storing heat discharged from the fuel cell system as hot water, or a heater for heating water supplied to the hot water storage tank. It should be noted that a dummy heater for using up the electric power generated when the anti-freezing process is performed can also be used. Further, for example, in a cold region where snow is accumulated, a heating unit for melting snow can be used as a power consuming unit.
[0031]
According to the present invention, there is provided a method for operating a fuel cell system including a fuel cell and a water supply line for supplying water to the fuel cell, wherein power generation of the fuel cell is performed in the fuel cell system. Operating the fuel cell system, wherein when the outside air temperature of the place where the fuel cell is installed falls below a predetermined temperature when the fuel cell system is not installed, a freezing prevention process for preventing freezing of water in the water supply line is performed. A method is provided.
[0032]
In the operating method of the fuel cell system according to the present invention, the anti-freezing processing may include at least one of starting power generation of the fuel cell, supplying water to the water supply line, and heating the water supply line.
[0033]
It is to be noted that any combination of the above-described components and any conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, a system, and the like are also effective as embodiments of the present invention.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
The fuel cell system 400 according to the present embodiment is disposed in a house as shown in FIG. 3 described above, or in an apartment house such as an apartment or a condominium.
[0035]
The fuel cell system 400 includes a fuel cell 406 of a solid polymer electrolyte fuel cell. Further, the fuel cell system 400 also adopts a form of a cogeneration system that effectively uses heat generated in the power generation of the fuel cell 406.
As a configuration for this, the fuel cell system 400 includes a hot water storage tank 501.
[0036]
The fuel cell system 400 includes, in addition to the fuel cell 406 and the hot water storage tank 501, a fuel supply source 401, a desulfurizer 402, a reformer 413, an air supply source 430, a water tank 411, a water tank 412, A water treatment device 509, a water supply source 510, a water tank 507, a heat recovery heat exchanger 503, a heat recovery heat exchanger 505, a heater 513, a power exchange device 457, a control unit 455, A system 459, a temperature sensor 530, and a power storage unit 532 are provided.
[0037]
The fuel supply source 401 supplies a fuel gas such as natural gas, city gas, methanol, LPG, or butane as a fuel supply source for the fuel cell 406. The desulfurizer 402 removes a sulfur component from the fuel gas. The reformer 413 includes a reformer 403, a CO shift converter 404, and a CO remover 405. The reformer 403 generates a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide from the fuel gas. Here, although not shown, since the chemical reaction in the reformer 403 is an endothermic reaction, it is preferable to provide a burner in the reformer 403 and perform the chemical reaction while constantly heating.
[0038]
The CO shift converter 404 shifts carbon monoxide contained in the reformed gas generated by the reformer 403 to carbon dioxide. The CO remover 405 removes unconverted carbon monoxide in the gas converted by the CO converter 404. Although not shown here, since an exothermic reaction is performed in the CO converter 404 and the CO remover 405, the CO converter 404 and the CO remover 405 are also provided with a cooling unit for cooling heat generated by the exothermic reaction. You can also.
[0039]
The fuel supply source 401 and the desulfurizer 402 are connected by a gas pipe 417. The gas pipe 417 is provided with an electromagnetic on-off valve 418 and a boost pump 419. Further, the desulfurizer 402 and the reformer 413 are connected by a gas pipe 422. Here, although not shown, in the reformer 413, the reformer 403, the CO shift converter 404, and the CO remover 405 are connected by gas pipes.
[0040]
The fuel cell 406 includes a fuel electrode 406a and an air electrode 406b. The fuel cell 406 generates electric power by reacting the reformed gas with oxygen. Hydrogen (reformed gas) as a fuel is supplied to the fuel electrode 406a, and oxygen in the air is supplied to the air electrode 406b, whereby an electrochemical reaction occurs in the fuel cell 406 and power can be taken out. Electric power extracted from the fuel cell 406 is transmitted to the power exchange device 457 via the wiring 434.
[0041]
In the electrochemical reaction performed in the fuel cell 406, heat is generated by activation overvoltage, concentration overvoltage, and resistance overvoltage. Therefore, in the fuel cell system 400 according to the present embodiment, the fuel cell 406 further includes a cooling unit 406c that cools the heat generated in the air electrode 406b.
[0042]
The reformed gas reformed by the reformer 413 is supplied to the fuel electrode 406a via a pipe 424. Here, as described above, in order to avoid drying of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell 406, the reformed gas is supplied to the fuel electrode 406a after passing through the water tank 411. Further, oxygen in the air is supplied from the air supply source 430 to the air electrode 406b via the pipe 431 and the pipe 432. Also in this case, oxygen is supplied to the air electrode 406b after passing through the water tank 412 to avoid drying of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell 406. The air electrode 406b is connected to a heat recovery heat exchanger 503 via a pipe 469. An exhaust duct and a drain water pipe (both not shown) are connected to the heat recovery heat exchanger 503. The reformed gas from the fuel electrode 406a is circulated again to the reformer 403 (a burner provided in the reformer 403) and is used as a heat source.
[0043]
Water is supplied to the cooling unit 406c from the water tank 412 via the boost pump 463. Although the cooling unit 406c cools the air electrode 406b here, the cooling unit 406c may cool the fuel electrode 406a. In this case, the cooling unit 406c may be configured to be supplied with water from the water tank 411 via a booster pump. In addition, a configuration in which both the fuel electrode 406a and the air electrode 406b are cooled may be employed. The water that has passed through the cooling unit 406c is introduced into the heat recovery heat exchanger 505 via the pipe 465. The water introduced into the heat recovery heat exchanger 505 passes through the heat recovery heat exchanger 505 and returns to the water tank 412. Although not shown, a drain water pipe may be connected to the pipe 567.
This drain water pipe may be connected to the pipe 461.
[0044]
The water treatment device 509 performs a process of converting city water supplied from the water supply source 510 into pure water. The water tank 507 stores the pure water treated in the water treatment device 509. The pure water treated in the water treatment device 509 is conveyed to the water tank 411 and the water tank 412 via the pipe 467 by the boost pump 520. The water tank 507 and the reformer 413 are connected by a pipe 522 provided with a booster pump 524, and pure water from the water tank 507 is supplied to the reformer 413. The water from the water supply source 510 is also supplied to the hot water storage tank 501 through the water pipe 515.
[0045]
The hot water storage tank 501 is connected to the heat recovery heat exchanger 503 via the hot water pipe 443 by the booster pump 446, and is connected to the heat recovery heat exchanger 505 via the hot water pipe 442 by the booster pump 445. I have. The temperature of the air discharged from the air electrode 406b to the pipe 469 is increased by the exothermic reaction of the fuel cell 406, and the exhaust air having the increased temperature is recovered by the heat recovery heat exchanger 503. Thereby, the water circulated from the hot water storage tank 501 is warmed and returned to the hot water storage tank 501 via the hot water pipe 443. Similarly, the water that has passed through the cooling unit 406c absorbs heat generated during power generation and rises in temperature, and the temperature-raised water is introduced into the heat recovery heat exchanger 505 through the hot water pipe 442. It exchanges heat with water from the hot water storage tank 501. Therefore, the temperature of the water in hot water storage tank 501 increases, and the temperature of the water in water tank 412 decreases. This allows the water in the water tank 412 to circulate through the cooling unit 406c, thereby cooling the fuel cell 406. In addition, since the temperature of the water in the hot water storage tank 501 can be raised by using heat generated during power generation, hot water is generated from city water by using the heat. It can be supplied to kitchens and the like.
[0046]
Power exchange device 457 includes a boost converter and an inverter. The boost converter boosts the power generated by the fuel cell 406 to a voltage required for the inverter. Power from the inverter is transmitted to system 459 and power storage unit 532.
[0047]
The system 459 is supplied to the home via electric wiring (not shown) as a single-phase three-wire 100 V / 200 V power supply, for example. Further, the inverter of power exchange device 457 is also electrically connected to hot water storage tank 501.
[0048]
The temperature sensor 530 is provided outside the fuel cell system 400 main body, and measures the outside air temperature around the place where the fuel cell system 400 is provided. When the fuel cell system 400 is installed outdoors, the temperature sensor 530 measures the outdoor temperature.
Further, for example, when fuel cell system 400 is provided in a boiler room, temperature sensor 530 is provided in the boiler room. Further, temperature sensor 530 may be disposed and provided in hot water storage tank 501. During the operation of the fuel cell 406, the temperature inside the housing 534 of the fuel cell system 400 rises to about 60 ° C., so that it is not always necessary to provide the heater 513. For example, the water pipe 515 from the water supply source 510 or the water A pipe or device connected to the outside of the housing 534, such as a water supply line such as a tank 507, a water treatment device 509, or a pipe 522, or a drain water pipe from the reforming device 413, a pipe provided near the outside of the housing 534, It is preferable to provide a heater 513 in the apparatus or the like. Normally, water begins to freeze at 0 ° C, but in the dry season in winter, when wind blows, even at about 4 ° C above 0 ° C, the heat of vaporization of the water surface is taken away and freezing starts from the surface . For this reason, it is preferable to provide the heater 513 because the dew condensation easily occurs at about 4 ° C. in a drain water pipe or the like.
[0049]
Based on the temperature of the temperature sensor 530, the control unit 455 performs an anti-freezing process for preventing freezing of a water supply line such as a pipe of the fuel cell system 400 when the outside air temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature. As the anti-freezing processing, (i) start of power generation of the fuel cell 406, (ii) start of water supply, (iii) switch-on of the heater 513, and the like can be performed. The power storage unit 532 may be a secondary battery that stores the power generated by the fuel cell 406 during the freeze prevention processing. The electric power stored in this manner can be used for commercial electric power and dummy heaters. In addition, the stored power can be used when the load fluctuation among the power consumed in the home is severe and the output fluctuation of the fuel cell system 400 cannot follow the load fluctuation. Note that a configuration in which power is supplied directly to a dummy heater or the like instead of the power storage unit 532 may be employed. In addition, particularly in cold regions where snow is accumulated, the power generated during the freeze prevention process can be used as a power source for the heating means for melting snow. Further, this electric power can be used as an electric power source for heating the heater 513 or driving a booster pump or the like.
[0050]
FIG. 2 is a flowchart illustrating a procedure of the freeze prevention process performed by the control unit 455.
First, the control unit 455 determines whether the fuel cell system 400 is in a normal operation state (S10). The normal operation of the fuel cell system 400 means that power generation processing of the fuel cell 406 is being performed, for example, during the day. When the fuel cell system 400 is in the normal operation state (Yes in S10), the control unit 455 ends the freeze prevention processing. If the fuel cell system 400 is not in the normal operation state (No in S10), the control unit 455 determines whether the outside air temperature is equal to or lower than a predetermined temperature based on the temperature measured by the temperature sensor 530 (S12). Here, the predetermined temperature is not particularly limited, but may be, for example, 4 ° C. At such a temperature, the water starts to freeze. As will be described later, the control unit 455 issues a command to start the freeze prevention process. However, after the command to start the freeze prevention process is issued, the control unit 455 keeps a fixed time from when the process for actually preventing the freeze is started. Since a period may be required, the predetermined temperature may be higher than 4 ° C.
[0051]
In step 12, when the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined temperature (Yes in S12), the control unit 455 issues a command to start the freeze prevention process (S14). The control unit 455 controls, for example, the power exchange device 457 to start the power generation of the fuel cell 406.
Further, the control unit 455 controls the boost pump 520 and the boost pump 463 to start the supply of the cooling water to the cooling unit 406c. The control unit 455 turns on the switch of the heater 513 to heat the water tank 507, the water treatment device 509, the pipe 522, and the like.
[0052]
At this time, the control unit 455 can control, for example, the power generation amount (output) of the fuel cell 406, the flow rate of the cooling water, and the heating temperature of the heater according to the outside air temperature. It is preferable that the control unit 455 controls the fuel cell 406 such that the lower the outside air temperature is, the higher the power generation amount of the fuel cell 406, the higher the flow rate of the cooling water, and the higher the heating temperature of the heater. Note that the above processes (i) to (iii) can be performed by only one of them, or can be performed by appropriately combining them. In this case, for example, power generated by the fuel cell 406 can be used as a power source for heating the heater 513 or a power source for driving a pump such as the boost pump 520 or the boost pump 463. Further, in the freezing prevention process, when excessive power is generated, the power can be stored in the power storage unit 532, or the power can be consumed by providing a dummy resistor such as a dummy heater.
[0053]
If the outside air temperature is not equal to or lower than the predetermined temperature in step 12 (No in S12), the freezing prevention process ends. The control unit 455 performs the anti-freezing process until a predetermined condition is satisfied (Yes in S16). The predetermined condition may be, for example, a lapse of a predetermined time from the start of the freezing prevention process or a case where the outside air temperature measured by the temperature sensor 530 is equal to or higher than the predetermined temperature. When the predetermined condition is satisfied (Yes in S16), the freeze prevention process is terminated, but the temperature sensor 530 always measures the outside air temperature, and the control unit 455 performs the freeze prevention process shown in FIG. Make a judgment.
[0054]
In addition, the anti-freezing process can be performed continuously for a certain long time, but can also be performed intermittently, for example, at relatively short fixed time intervals. In this case, the control unit 455 can perform control such as changing the interval of intermittent freezing prevention processing according to the outside air temperature measured by the temperature sensor 530. For example, when the outside air temperature is about 0 ° C., the anti-freezing processing is performed intermittently, but when the outside air temperature drops to about −20 ° C., the anti-freezing processing may be continuously performed. When the fuel cell performs power generation as the anti-freezing process, it takes a long time from the input of the fuel gas in the fuel supply source 401 to the actual extraction of the electric power from the fuel cell 406. For reasons such as necessity, in cold regions where the outside air temperature is always equal to or lower than a predetermined temperature, it may be preferable to continuously perform the antifreezing treatment.
[0055]
Next, the operation in the normal operation state when the fuel cell system 400 is operated will be described.
When the operation of the fuel cell system 400 is started, the fuel gas from the fuel supply source 401 enters the booster pump 419 via the electromagnetic switching valve 418, is boosted in pressure by the booster pump 419, and is supplied to the desulfurizer 402. . In the desulfurizer 402, a sulfur component is removed from the fuel gas. When a catalyst utilizing an adsorption reaction of, for example, activated carbon is used in the desulfurizer 402, the sulfur component can be removed at room temperature. The fuel gas having passed through the desulfurizer 402 is supplied to the reformer 403 of the reformer 413 via the gas pipe 422. In the reformer 403, a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide is generated.
[0056]
The gas that has passed through the reformer 403 is supplied to a CO converter 404, where carbon monoxide contained in the reformed gas is converted into carbon dioxide. The gas that has passed through the CO converter 404 is supplied to a CO remover 405, and unconverted carbon monoxide in the gas that has passed through the CO converter 404 is removed. Hydrogen from which carbon monoxide has been removed through the CO remover 405 is supplied to the fuel electrode 406a of the fuel cell 406 via the gas pipe 423, the water tank 411, and the pipe 424.
[0057]
On the other hand, the air supplied from the air supply source 430 is supplied to the air electrode 406b via the water tank 412. Thereby, the hydrogen supplied to the fuel electrode 406a reacts with the oxygen supplied to the air electrode 406b to generate electric power. At this time, water partially generated by the chemical reaction and remaining in the fuel electrode 406a and drain water generated in the reformer 413 are discharged to the outside through a drain water pipe (not shown). Further, exhaust gas generated by the chemical reaction is discharged to the outside through an exhaust duct (not shown).
[0058]
At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 501 increases due to heat exchange in the heat recovery heat exchanger 503 and the heat recovery heat exchanger 505. Further, since water generated in the chemical reaction of the fuel cell 406 exists as steam in the exhaust air whose temperature has increased, the water exchanges heat with the water circulated from the hot water storage tank 501 in the heat recovery heat exchanger 503. At the same time, and is discharged outside as drain water from a drain water pipe (not shown).
[0059]
In the present embodiment, even when the outside air temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature, the anti-freezing process is performed so that the water supplied to the fuel cell system 400 is not frozen. Damage can be prevented. Further, the electric power generated during the anti-freezing process can be effectively used for various uses, and energy saving can be realized. Further, since the fuel cell system 400 takes the form of a cogeneration system, effective utilization of energy is achieved. Therefore, a high overall thermal efficiency can be obtained, so that the consumption of the raw fuel is reduced and the emission of carbon dioxide can be reduced.
[0060]
The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. . Hereinafter, such an example will be described.
[0061]
In the above-described embodiment, an example has been described in which the fuel cell system 400 is stopped during the non-normal operation, and the anti-freezing process is performed when the outside air temperature falls below a predetermined temperature. In an area where the temperature of water always freezes at night, the fuel cell system 400 is operated even during the non-normal operation, and the operation of the fuel cell system 400 is performed when the outside air temperature exceeds a predetermined temperature. May be performed in such a procedure as to stop the process.
[0062]
Further, in the above-described embodiment, an example has been described in which the outside air temperature is constantly measured by the temperature sensor 530 and the anti-freezing process is performed when the outside air temperature falls below a predetermined temperature. Instead, the anti-freezing process may be performed at a predetermined time according to the season or region.
[0063]
Also, for example, the fuel cell system 400 installed in each of a plurality of homes is connected via a network, and the setting of the control method and the like when performing the anti-freeze processing as shown in FIG. You can also
[0064]
Although not shown in the above embodiment, a heat exchanger (not shown) may be connected to the exhaust system of the reformer 403, and the water in the water tank 507 is supplied through the booster pump 524. The steam may be converted into steam in the heat exchanger, and the steam may be mixed with the raw fuel and supplied to the reformer 403. Further, when a burner is provided in the reformer 403, the combustion exhaust gas from the burner of the reformer 403 can also be used for heat exchange.
[0065]
Note that, in the above-described embodiment, the form in which the water from the water tank 412 is supplied to the air electrode 406b and the cooling unit 406c has been described. However, these may be supplied separately. As the cooling water supplied to 406c, for example, an antifreeze containing an electrolyte or the like can be used.
[0066]
The antifreezing treatment of the water inside the water tank 507, the water treatment device 509, the water tank 411, the water tank 412, and the like can also be performed by providing a stirrer in these devices and stirring the water.
[0067]
Further, the temperature sensor 530 may be provided, for example, in a pipe or the like in a housing in which the fuel cell 406 is housed, and performs an antifreezing process when the temperature of the portion becomes lower than a predetermined temperature. You may do so.
[0068]
In the above embodiment, the reformed gas obtained by reforming the fuel gas by the reformer 413 is described as being supplied to the fuel cell 406. However, the fuel cell system 400 does not include the reformer 413. Alternatively, a hydrogen gas may be directly supplied.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a technique capable of preventing damage to a fuel cell system due to freezing of a water supply line supplied to the fuel cell system even when the outside air temperature is low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a procedure of a freeze prevention process performed by a control unit.
FIG. 3 is a diagram showing an example in which a solid polymer electrolyte fuel cell is used as a household power supply.
[Explanation of symbols]
400 fuel cell system, 401 fuel supply source, 402 desulfurizer, 403 reformer, 404 CO converter, 405 CO remover, 406 fuel cell, 406a fuel electrode, 406b air electrode, 406c cooling unit, 411 water tank, 412 Water tank, 413 reformer, 417 gas pipe, 418 solenoid on-off valve, 419 booster pump, 422 gas pipe, 423 gas pipe, 424 pipe, 430 air supply source, 431 pipe, 432 pipe, 434 wiring, 442 hot water pipe, 443 Hot water piping, 445 boost pump, 446 boost pump, 455 control unit, 457 power exchange device, 459 system, 461 piping, 463 boost pump, 465 piping, 467 piping, 469 piping, 471 piping, 501 hot water storage tank, 503 heat recovery Heat exchanger, 505 heat exchange for heat recovery , 507 water tank, 509 water treatment device, 510 water supply source, 513 a heater, 515 water pipes, 520 boost pump, 522 pipe, 524 boost pump, 530 temperature sensor, 532 power storage unit, 534 housing, 567 pipe.

Claims

A fuel cell system including a fuel cell and a water supply line for supplying water to the fuel cell,
In the fuel cell system, when the power generation of the fuel cell is not performed, the freezing of water in the water supply line is performed when the outside air temperature of the place where the fuel cell is installed becomes equal to or lower than a predetermined temperature. A fuel cell system comprising a control unit for performing a freeze prevention process for preventing the fuel cell.

The fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit starts the power generation of the fuel cell when the outside air temperature falls below the predetermined temperature.

The fuel cell system according to claim 2,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls a power generation amount of the fuel cell according to the outside air temperature.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller supplies the water to the water supply line when the outside air temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell further includes a cooling unit for cooling heat generated from the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the water supply line supplies water to the cooling unit.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
A reformer for reforming raw fuel gas to hydrogen,
And a cooling unit for cooling heat generated from the reformer,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the water supply line supplies water to the cooling unit.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane, a fuel electrode and an air electrode provided with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the water supply line supplies water to a water tank that humidifies fuel and air supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The apparatus further includes a heater disposed on the water supply line,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit turns on the heater when the outside air temperature falls below the predetermined temperature.

A method of operating a fuel cell system including a fuel cell and a water supply line that supplies water to the fuel cell,
In the fuel cell system, when the power generation of the fuel cell is not performed, the freezing of water in the water supply line is performed when the outside air temperature of the place where the fuel cell is installed becomes equal to or lower than a predetermined temperature. A method for operating a fuel cell system, characterized by performing a freeze prevention process for preventing the fuel cell system.

The method for operating a fuel cell system according to claim 9, wherein the anti-freezing processing includes at least one of starting power generation of the fuel cell, supplying water to the water supply line, and heating the water supply line. A method for operating a fuel cell system, comprising: