JP2007242493A - 燃料電池システムおよびその運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転停止に要する時間を短縮し、その運転停止に伴う消費電力の削減を図ることができる燃料電池システムおよびその運転停止方法を提供する。
【解決手段】発明の運転停止方法を実施する燃料電池システムは、燃料電池スタック１８の冷却液循環経路４４から分岐され、冷却・回収熱交換器６０をバイパスするバイパス経路８８と、冷却液の流れをバイパス経路８８または冷却・回収熱交換器６０の何れかに切り換える切換弁８６と、バイパス経路８８に介挿された急速熱交換器９０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに係わり、特に、その運転停止を改善した燃料電池システムおよびその運転停止方法に関する。

燃料電池システムは燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックは、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟み込んだセルを積層した構造を有する。燃料極に水素を含んだ燃料ガスが供給される一方、酸化剤極に燃料ガスに対する酸化剤ガスが供給されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスは電解質膜を介して電気化学的に反応し、この電気化学反応は燃料極と酸化剤極との間に流れる電流を発生、つまり、発電する（例えば、特許文献１参照）。

上述の電気化学反応は発熱を伴うことから、燃料電池システムには熱エネルギを回収する熱回収装置が含まれており、具体的には熱回収装置は、回収した熱エネルギを利用して、給湯のために蓄えられている貯湯タンク内の水を加熱する。
このように燃料電池システムは、発電エネルギのみならず熱エネルギも同時に発生するから、そのエネルギの供給効率は高く、一般家庭用のエネルギ供給源として大きく期待されている。

ところで、この種の燃料電池システムは基本的に連続運転を前提として開発されているが、一般家庭で使用される燃料電池システムにおいては、その運転を適宜停止できるようにすることが望まれる。しかしながら、燃料電池スタックの電解質膜、特に固体高分子からなる電解質膜は常に加湿されていなければならないので、燃料電池システムを運転停止する際にも、電解質膜の加湿は必要不可欠である。

このため、特許文献１のシステムにあっては、燃料電池スタックの発電を停止した後にも、燃料電池スタックへの冷却液の供給を直ちに停止するのではなく、電解質膜の水分保持が達成するうえで、燃料電池スタックが所定の温度以下になるまで燃料電池スタックへの冷却液の供給を維持し、燃料電池スタックが前記所定温度よりも冷却された時点で、システム全体の運転を停止するようにしている。
特開2005-93374号公報

上述した特許文献１の燃料電池システムは、前述した熱回収装置を備えていないので、燃料電池スタックの発電停止後、燃料電池スタックは冷却液の供給を受けて速やか冷却されるものと考えられる。
しかしながら、燃料電池システムが一般家庭にて使用される場合、燃料電池スタックと熱回収装置との組み合わせは不可欠であるため、特許文献１の運転停止方式をそのまま採用しても、燃料電池スタックの冷却を速やかに行うことはできない。

詳しくは、熱回収装置を備えた燃料電池システムの場合、冷却液は燃料電池スタックの冷却に単に使用されているのではなく、熱エネルギの回収に使用されているため、外部環境から断熱された状態にある。それゆえ、燃料電池スタックが発電を停止しても、冷却液の温度は速やかに低下することはなく、燃料電池スタックを所定温度まで冷却するのに長い時間を要する。

また、燃料電池スタックの冷却に要する時間が長くなれば、冷却液を供給するポンプの消費電力もまた増大する。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、運転停止を短時間で行え、この運転停止に要する消費電力もまた削減可能となる燃料電池システムおよびその運転停止方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を有し、燃料極に水素を含んだ燃料ガスが供給され、酸化剤極に燃料ガスに対する酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器と、燃料電池スタックに冷却液を供給し、この冷却液により燃料電池スタックを冷却する冷却装置と、少なくとも冷却装置の冷却液を含む排熱媒体と熱回収媒体との間での熱交換により熱を回収する熱回収装置と、燃料電池スタックに冷却装置の冷却液よりも冷却能力が高い冷媒を供給可能な急冷手段とを備える（請求項１）。

請求項１の燃料電池システムによれば、システムの運転停止時、燃料電池スタックへの加湿酸化ガスの供給を維持しながら燃料電池スタックの発電が先ず停止され、そして、燃料電池スタックは、その冷却能力が急冷手段により一時的に高められた冷却装置の冷却液により急冷される。
具体的には、冷却装置は、燃料電池スタックを通じて前記冷却液を循環させる冷却液循環経路を含み、熱回収装置は、熱回収媒体を循環させる熱回収経路と、この熱回収経路及び冷却液循環経路がそれぞれ通過し、冷却液と熱回収媒体との間での熱交換を行う冷却・回収熱交換器とを含み、そして、急冷手段は、熱回収経路内の熱回収媒体とは熱的に分離された冷却液を前記冷媒として燃料電池スタックに供給する（請求項２）。

さらに具体的には、急冷手段は、冷却液循環経路から分岐して設けられ、冷却・回収熱交換器をバイパスするバイパス経路と、冷却液循環経路内の冷却液を冷却・回収熱交換器及びバイパス経路の一方を通じて切流す切換弁と、バイパス経路に介挿され、このバイパス経路を流れる冷却液と外気との間にて熱交換を行う急冷熱交換器とを含むことができる（請求項３）。

燃料電池システムの運転中、冷却液は冷却・回収熱交換器を経て冷却液循環経路を循環し、燃料電池スタックを冷却する。これに対し、燃料電池システムの運転停止時、切換弁は切換られ、冷却液は、バイパス経路つまり急冷熱交換器を経て冷却液循環経路を循環し、燃料電池スタックを急冷する。
好ましくは、急冷熱交換器は外気導入ファンを備えることができ（請求項４）、この外気導入ファンは急冷熱交換器を通過する外気量を増加させる。

また、本発明は上述したタイプの燃料電池システムの運転停止方法を提供し、この運転停止方法は、燃料電池スタックの発電停止後、燃料電池スタックに加湿された酸化剤ガスの供給を維持したまま、冷却液の流れを熱回収経路から分離し、冷却液を外気との熱交換により冷却しながら燃料電池スタックに供給し（請求項５）、請求項２または３の燃料発電システムと同様な作用を発揮する。

請求項１〜５の燃料電池システムおよびその運転停止方法は、燃料電池スタックの発電停止後、その冷却能力を一時的に高めた冷却液により燃料電池スタックを冷却するようにしたから、燃料電池スタックの温度を所望の温度まで速やかに低下させることができ、この結果、システム全体の運転停止が完了するまでの時間が大幅に短縮され、しかも、冷却液の供給に使用されるポンプの消費電力もまた大幅に削減される。

図１は、一実施例の燃料電池システムを概略的に示す。
燃料電池システムは原燃料の改質装置２を備え、この改質装置２は改質器４および燃焼器６を有する。改質器４は燃料供給経路８に接続され、この燃料供給経路８に燃料ポンプ１０および燃料弁１２が介挿されている。燃料弁１２は電磁開閉弁からなり、燃料ポンプ１０と改質器４との間に位置付けられている。また、燃料供給経路８には燃料弁１２の下流から分岐経路１４が延び、この分岐経路１４が燃焼器６に接続されている。

燃料ポンプ１０は原燃料として、メタンを主成分とした天然ガス（都市ガス）を改質器４および燃焼器６にそれぞれ供給する。改質器４は、燃焼器６内にて原燃料の燃焼から得られる熱エネルギや水蒸気の供給を受け、原燃料から水素を含んだ改質ガスを生成する。詳しくは、改質器４は、原燃料から硫黄成分を除去する脱硫部、脱硫後の原燃料を水素、二酸化炭素および一酸化炭素に分解し、これらを含む改質ガスを生成する改質部、改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変性させるＣＯ変性部、さらに、改質ガス中の一酸化炭素の濃度を１０ppm未満に低下させる選択酸化部などを有する。なお、原燃料は天然ガス以外に、上述した改質ガスが得られるのであれば、LPGや、メタノール、灯油、石油などの種々の炭化水素系燃料であってもよい。

改質器４からは改質ガス供給経路１６が延びており、この改質ガス供給経路１６は燃料電池スタック１８を通過する。燃料電池スタック１８は、燃料極２０、電解質膜２２、空気極２４および冷却部２６からなるセルを直列に積層したものであり、燃料極２０に改質ガスが供給される。
この実施例の場合、電解質膜２２には固体高分子型のイオン交換膜が使用されているが、これに限らず、リン酸あるいは珪素を用いた無機の固体電解質膜や、粘調性を有したゲル状の半固体電解質膜であってもよく、要はプロトン導電性を有する電解質であればよい。

改質ガス供給経路１６には燃料極２０の上流に改質ガス供給弁２８および加湿器３０が介挿され、これら改質ガス供給弁２８および加湿器３０は改質器４側から順次配置されている。加湿器３０は、改質器４にて生成された改質ガスを加湿した後、燃料極２０に供給する。
また、改質ガス供給経路１６には燃料極２０の下流に改質ガス排出弁３２が介挿され、この改質ガス排出弁３２は燃料極２０の近傍に位置付けられている。なお、改質ガス供給弁２８および改質ガス排出弁３２は何れも電磁開閉弁である。

一方、空気極２４に向けて空気供給経路３４が延びており、この空気供給経路３４は空気極２４を通過する。空気供給経路３４には空気極２４の上流側から空気極２４に向けて空気ポンプ３６、空気供給弁３８および加湿器４０が順次介挿されている。空気ポンプ３６はフィルタ処理された酸化剤ガスとしての空気を空気極２４に供給し、この際、空気は加湿器４０により加湿される。また、空気供給経路３４には空気極２４の直下流に空気排出弁４２が介挿され、これら空気供給弁３８および空気排出弁４２もまた電磁開閉弁からなる。

上述した加湿器３０，４０には水中に空気を散気させて加湿するバブラー方式、または、前述したイオン交換膜と同様な構造の水蒸気交換膜を使用した膜式の加湿器を使用することができる。
燃料極２０および空気極２４に改質ガスおよび空気がそれぞれ供給されると、燃料電池スタック１８は公知の如く電気化学反応により発電し、そして、この発電に伴い自己発熱し、昇温する。燃料電池スタック１８の発電エネルギはパワーコンディショナ（図示しない）を介して燃料電池システムの内外の負荷に供給される。

さらに、燃料電池システムは燃料電池スタック１８の冷却部２６に冷却液を供給する冷却装置および冷却液などを介して熱を回収する熱回収装置を備えており、冷却装置および熱回収装置に関し、以下に説明する。
冷却装置は冷却液循環経路４４を備え、この冷却液循環経路４４は冷却部２６を通過して延びている。冷却液循環経路４４には冷却ポンプ４６が介挿され、この冷却ポンプ４６は冷却液循環経路４４内の冷却液を一方向に流し、冷却部２６を通じて循環させる。このような冷却液の流れは燃料電池スタック１８から発電に伴う熱を奪うことで、燃料電池スタック１８を冷却し、この冷却に伴い、冷却液自身は昇温する。

一方、熱回収装置は回収水槽４８を備えており、この回収水槽４８から熱回収経路５０が延びている。熱回収経路５０にはその上流側に熱回収ポンプ５２および純水器５４が順次介挿され、そして、その下流側の部位は貯湯タンク５６内の熱交換器５８および電磁遮断弁５９を経て、回収水槽４８に戻っている。電磁遮断弁５９は熱交換器５８の直下流に位置付けられている。

なお、回収水槽４８および貯湯タンク５６は上水道（図示しない）から水の供給を受け、そして、貯湯タンク５６からは所望の箇所に配置された給湯栓まで給湯経路が延びている。
熱回収ポンプ５２は回収水槽４８内の水を純水器５４により純水化し、この純水化した水を熱回収水として熱回収経路５０に供給する。これにより、熱回収水は回収水槽４８と貯湯タンク５６内の熱交換器５８との間にて循環する。

図１から明らかなように、熱回収経路５０および冷却液循環経路４４は共に冷却・回収熱交換器６０を通過し、この冷却・回収熱交換器６０は冷却液循環経路４４内の冷却液と熱回収経路５０内の熱回収水との間にて熱交換させる。それゆえ、燃料電池スタック１８の発電に伴う熱エネルギは冷却液を介して熱回収水に回収され、熱回収水を昇温させる。そして、昇温された熱回収水は貯湯タンク５６内を通過する際、熱交換器５８にてタンク水と熱交換し、このタンク水を昇温させる。この結果、燃料電池スタック１８の熱エネルギ、つまり、その排熱が貯湯タンク５６に温水として蓄熱される。一方、冷却液は熱回収水に熱を奪われるので、燃料電池スタック１８の冷却に有効に使用される。

ここで、熱回収経路５０には純水器５４の直下流から補給経路６２が分岐され、この補給経路６２は冷却液循環経路４４に接続されている。補給経路６２には電磁開閉弁からなる補給弁６４が介挿されており、この補給弁６４が開かれたとき、純水器５４から出た熱回収水が冷却液循環経路４４に冷却液として供給または補給される。それゆえ、冷却液の電気伝導度は常時低く抑制され、燃料電池スタック１８の発電能力は安定して維持される。

さらに、熱回収経路５０は、純水器５４と冷却・回収熱交換器６０との間に熱交換器６６，６８，７０が介挿されている。熱交換器６６は、空気極２４よりも下流の空気供給経路３４の部位と接続され、熱交換器６６にて、熱回収水は空気極２４を通過した後の空気と熱交換する。熱交換器６８は、燃料極２０よりも下流の改質ガス供給経路１６の部位と接続され、熱交換器６６にて、熱回収水は燃料極２０を通過して後の改質ガスと熱交換する。さらに、熱交換器７０は、前述した改質装置２の燃焼器６からの燃焼排ガスを排出する排気経路７２と接続され、熱交換器７０にて、熱回収水は燃焼排ガスと熱交換する。

上述した熱交換器６６，６８，７０は、燃料電池スタック１８および改質装置２の排熱を効果的に熱回収水に回収し、燃料電池システム全体の熱回収効率を向上させる。
さらに、熱交換器６６，６８，７０からは凝縮経路７４，７６，７８がそれぞれ延び、これら凝縮経路７４，７６，７８は回収水槽４８に接続されている。また、凝縮経路７４，７６，７８にはドレイナ８０，８２，８４がそれぞれ介挿され、これらドレイナ８０，８２，８４は熱交換器６６，６８，７０内にて凝縮した凝縮水を受け取り、熱回収経路５０を外部から隔離した状態を保持しつつ、凝縮経路７４，７６，７８を通じて回収水槽４８に凝縮水を戻す。

本発明の燃料電池システムは前述した冷却装置の他に、その運転停止時、燃料電池スタック１８を急冷する急冷手段をさらに備えており、この急冷手段について以下に説明する。
急冷手段は、冷却液循環経路４４に介挿された電磁方向切換弁（以下、単に切換弁と称す）８６を備え、この切換弁８６は冷却ポンプ４６の吐出口と冷却・回収熱交換器６０との間に位置付けられている。切換弁８６からはバイパス経路８８が延びており、このバイパス経路８８は冷却液の流れ方向でみて冷却・回収熱交換器６０と冷却部２６との間の冷却液循環経路４４の部位に接続され、冷却・回収熱交換器６０をバイパスする。

切換弁８６は通常、冷却ポンプ４６と冷却・回収熱交換器６０とを接続しかつバイパス経路８８を閉じた運転位置にあるが、切換指令を受けたとき、冷却ポンプ４６とバイパス経路８８とを接続しかつ冷却液循環経路５０から冷却・回収熱交換器６０を切り離した運転停止位置に切り換えられる。
バイパス経路８８には急冷熱交換器９０が介挿され、この急冷熱交換器９０は冷却液がパイパス経路８８を通じて流れる際、冷却液を外気との熱交換により急冷する。さらに、急冷熱交換器９０には外気導入ファン９２を備えており、この外気導入ファン９２はその駆動により急冷熱交換器９０を通過する空気流量を増加させ、冷却液の急冷効果をさらに高める。

前述した切換弁８６への切換はコントローラ９４により制御され、このため、コントローラ９４には燃料電池システムの運転停止信号や、冷却部２６の温度を検出する電池温度センサ９６および周囲の環境温度を検出する環境温度センサ９８からの信号が供給される。
また、コントローラ９４は燃料電池スタック１８が発電した電力や外部電源１００からの電力の供給を受けて作動され、切換弁８６のみならず、改質装置２や、前述した種々のポンプ、弁、そして、ファンなどの補機の作動をも制御する。なお、外部電源１００は一般家庭の商用交流電源を直流に変換した直流電源またはバッテリーなどの蓄電池である。

図２は、燃料電池システムの定常運転中、その運転を停止する指令を受け取ったとき、コントローラ９４が実行する運転停止ルーチン（運転停止方法）を示しており、この運転停止ルーチンについて以下に説明する。
先ず、熱回収ポンプ５２の駆動が停止される（ステップＳ１）と同時に、電磁遮断弁５９が閉じられる（ステップＳ２）。それゆえ、熱回収水の循環が停止され、熱回収経路５０からの放熱が阻止される。

次に、コントローラ９４はその給電源を燃料電池スタック１８から外部電源１００に切り換え（ステップＳ３）、ステップＳ４以降のステップの流れと、改質装置２の停止動作ルーチンＭとを並列的に実行する。
ステップＳ４では改質ガス排出弁３２が閉じられ、これと同時に改質ガス供給弁２８が閉じられる（ステップＳ５）。それゆえ、燃料極２０への改質ガスの供給が停止されるので、燃料電池スタック１８は発電を停止するが、しかしながら、この時点では既に外部電源１００に切り換えられているので、コントローラ９４は燃料電池システムの改質装置２や補機の作動制御を継続することができる。また、改質ガスの供給弁２８および排出弁３２が閉弁されると、燃料電池スタック１８内に改質ガス供給経路１６を通じて不純物が侵入することはない。

この後、前述した切換弁８６が運転位置から運転停止位置に切り換えられ（ステップＳ６）、そして、急冷熱交換器９０の外気導入ファン９２が駆動される（ステップＳ７）。切換弁８６が運転停止位置に切換られると、冷却液循環経路４４内の冷却液は、冷却・回収熱交換器６０を通過することなく、バイパス経路８８および急冷熱交換器９０を経て循環するので、急冷熱交換器９０および外気導入ファン９２は互いに協働し、冷却液を速やかに冷却することができる。したがって、発電を停止した燃料電池スタック１８も急速に冷却されることになる。

この後、燃料電池スタック１８の温度と周囲温度との間の温度差ΔＴがＴ_１，Ｔ_２を下限値及び上限値とした温度範囲内（例えば５〜３０℃）に達したか否かが判別され（ステップＳ８）、ここで判別は、前述した電池温度センサ９６および環境温度センサ９８からの検出信号に基づいて実施される。
ステップＳ８の判別結果が真（Yes）になった時点で、空気排出弁４２および空気供給弁３８が順次閉じられる（ステップＳ９，Ｓ１０）。それゆえ、ステップＳ８の判別結果が真になるまでの間、つまり、燃料電池スタック１８が十分に冷却されるまでの間は、燃料電池スタック１８に加湿された空気が供給され続けているので、電解質膜２２の加湿状態は安定して維持され、そして、空気の排出弁４２および供給弁３８の閉弁は、燃料電池スタック１８内に空気供給経路３４を通じて不純物が侵入するのを防止する。

この後、空気ポンプ３６、外気導入ファン９２および冷却ポンプ４６の駆動が順次停止され（ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３）、そして、燃料電池システムの次回の起動に備えて、切換弁８６は運転停止位置から運転位置に切換られる（ステップＳ１４）。
なお、ここでは、改質装置２の停止動作ルーチンＭについて詳述しないが、この停止動作ルーチンＭは燃料ポンプ８や燃焼器６の作動停止を含み、そして、停止作動ルーチンＭおよびステップＳ１４までのステップが実行された時点で、燃料電池システムの運転停止が完了する。

運転停止指令が発せられた後、燃料電池システムの運転停止が完了するまで要する時間、つまり、ステップＳ８の判別結果が真になるまでの時間は、上述した燃料電池スタック１８の急冷により大幅に短縮されるので、ポンプや弁などの補機などの消費電力もまた大幅に削減される。
本発明は図１の燃料電池システムの構成や図２の運転停止ルーチンに制約されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、燃料電池スタック１８の急冷手段は冷却装置の冷却液と置換するような形態で、この冷却液によりも冷却能力に優れた冷媒を燃料電池スタック１８の冷却部２６に供給し、燃料電池スタック１８の急冷を行うものであってもよい。

一実施例の燃料電池システムを概略的に示した図である。 図１のシステムの運転停止ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１８ 燃料電池スタック
３４ 空気供給経路
４０ 加湿器
４４ 冷却液循環経路（冷却装置）
４６ 冷却ポンプ（冷却装置）
５０ 熱回収経路（熱回収装置）
５２ 熱回収ポンプ（熱回収装置）
５６ 貯湯タンク（熱回収装置）
６０ 冷却・回収熱交換器（冷却装置および熱回収装置）
８６ 電磁方向切換弁
８８ バイパス経路（急冷手段）
９０ 急冷熱交換器（急冷手段）
９２ 外気導入ファン

Claims (5)

1. 電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を有し、前記燃料極に水素を含んだ燃料ガスが供給され、前記酸化剤極に前記燃料ガスに対する酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに向かう前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
   前記燃料電池スタックに冷却液を供給し、この冷却液により前記燃料電池スタックを冷却する冷却装置と、
   少なくとも前記冷却装置の冷却液を含む排熱媒体と熱回収媒体との間での熱交換により熱を回収する熱回収装置と、
   前記燃料電池スタックに前記冷却装置の冷却液よりも冷却能力が高い冷媒を供給可能な急冷手段と
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却装置は、前記燃料電池スタックを通じて前記冷却液を循環させる冷却液循環経路を含み、
   前記熱回収装置は、前記熱回収媒体を循環させる熱回収経路と、この熱回収経路及び前記冷却液循環経路がそれぞれ通過し、前記冷却液と前記熱回収媒体との間での熱交換を行う冷却・回収熱交換器とを含み、
   前記急冷手段は、前記熱回収経路内の前記熱回収媒体とは熱的に分離された冷却液を前記冷媒して前記燃料電池スタックに供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記急冷手段は、
   前記冷却液循環経路から分岐して設けられ、前記冷却・回収熱交換器をバイパスするバイパス経路と、
   前記冷却液循環経路内の冷却液を前記冷却・回収熱交換器及び前記バイパス経路の一方を通じて切流す切換弁と、
   前記バイパス経路に介挿され、このバイパス経路を流れる冷却液と外気との間にて熱交換を行う急冷熱交換器と
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記急冷熱交換器は外気導入ファンを備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 水素を含む改質ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに向かう前記酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備え、
   発電中には、前記燃料電池スタックを通じて循環する冷却液により前記燃料電池スタックの冷却を行う一方、前記燃料電池スタックを通過した前記冷却液と熱回収経路内の熱回収媒体との間での熱交換により、熱の回収および前記冷却液の冷却を行う燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの発電停止後、前記燃料電池スタックに加湿された前記酸化剤ガスの供給を維持したまま、前記冷却液の流れを前記熱回収経路から分離し、前記冷却液を外気との熱交換により冷却しながら前記燃料電池スタックに供給することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。

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