JP2008269930A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】フラッディングが抑制された燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１００は、燃料極を備えた燃料電池１０１と、燃料ガス供給装置１０７と、前記燃料ガス供給装置と前記燃料電池の燃料極とを接続する燃料ガス供給流路１０８と、燃焼器１２０と、前記燃焼器から燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス流路１２１と、前記燃料電池を通るように形成され、その中を熱媒体が流れる熱媒体流路１５１と、前記熱媒体流路上に設けられた燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と、前記熱媒体流路上に前記燃料電池と前記燃料ガス／熱媒体熱交換器との間に位置するように設けられた燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９と、前記燃料ガス／熱媒体熱交換器、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器、前記燃料電池を順に経由するように前記熱媒体流路を通って前記熱媒体を流すための熱媒体ポンプ１１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、例えば、家庭用コージェネレーションシステムに用いる燃料電池システムに関する。

従来、エネルギーを有効利用することが可能な小規模な発電装置として、燃料電池システムを用いたコージェネレーションシステムが注目されている。

燃料電池システムに用いる燃料電池としては、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、リン酸形燃料電池、高分子電解質形燃料電池等が挙げられる。この中で、リン酸形燃料電池と、高分子電解質形燃料電池とは、他の燃料電池に比べて動作温度が低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として用いられることが多い。特に、高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高く、１００℃以下の温度で動作可能なことから、燃料電池システムを構成する燃料電池に適している。

高分子電解質形燃料電池は、燃料極及び酸化剤極を備えたＭＥＡと、このＭＥＡを挟持する平板状の燃料極側セパレータ及び平板状の酸化剤極側セパレータとを備えている。燃料極側セパレータの一方の主面には燃料ガス流路溝が、他方の主面には熱媒体流路溝が形成されていることが一般的である。また、酸化剤極側セパレータの一方の主面には酸化剤ガス流路溝が、他方の主面には熱媒体流路溝が形成されていることが一般的である。燃料極には、燃料極側セパレータに形成された燃料ガス流路溝を介して燃料ガスが供給される。酸化剤極には、酸化剤極側セパレータに形成された酸化剤ガス流路溝を介して酸化剤ガスが供給される。このように供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより、電気と熱とが発生する。ここで発生した熱は、熱媒体流路溝を流れる熱媒体（冷却水）により回収される。

ところで、燃料電池システムを用いたコージェネレーションシステムは、コスト削減等のため、負荷の電力消費量が少ない時間帯には燃料電池による発電を停止（待機運転）し、負荷の電力消費量が多い時間帯には燃料電池による発電を行う（発電運転）という、負荷の電力需要に応じたいわゆるＤＳＳ運転が行われる。

一方、燃料電池に供給される燃料ガスには、通常、安定した発電を行うため、所望の水蒸気が含まれている。上記ＤＳＳ運転を行う場合において、燃料電池の温度は、待機運転の際に周囲の温度（環境温度）と同じくらいの温度にまで低下する。そうすると、温度の低下した状態の燃料電池に水蒸気を含んだ燃料ガスを供給することになるため、燃料電池の温度が燃料ガスの露点よりも低いと、燃料ガス中の水蒸気が凝縮して燃料ガス流路溝を塞ぎ、フラッディングを発生させる。

そこで、フラッディングを防止する技術として、燃料電池内を循環する冷却水と燃料ガスとを熱交換することによって、燃料ガス中の過剰な水蒸気を除去するとともに、温度が高くなった冷却水によって燃料電池を昇温する燃料電池装置が開示されている（特許文献１参照）。
特開平１１−１６２４８９号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、いまだフラッディングの抑制が十分でないという問題があった。

すなわち、特許文献１の構成では、燃料電池の昇温が十分でなく、供給される燃料ガスの露点よりも燃料電池の温度が低いため、フラッディングの抑制が十分でなく、いまだ改善の余地があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、フラッディングが十分に抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置と前記燃料電池の燃料極とを接続する燃料ガス供給流路と、燃焼用ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス流路と、前記燃料電池を通るように形成され、その中を熱媒体が流れる熱媒体流路と、前記熱媒体流路上に設けられた、該熱媒体流路を流れる熱媒体と前記燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスとを熱交換させるための燃料ガス／熱媒体熱交換器と、前記熱媒体流路上に前記燃料電池と前記燃料ガス／熱媒体熱交換器との間に位置するように設けられた、該熱媒体流路を流れる熱媒体と前記燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスとを熱交換させるための燃焼排ガス／熱媒体熱交換器と、前記燃料ガス／熱媒体熱交換器、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器、前記燃料電池を順に経由するように前記熱媒体流路を通って前記熱媒体を流すための熱媒体ポンプと、を備える。

このような構成とすると、燃料電池に供給される熱媒体が、燃料ガス／熱媒体熱交換器によって燃料ガスと熱交換して温められた後、さらに燃焼排ガス／熱媒体熱交換器によって燃焼排ガスと熱交換して温められる。これにより、燃料電池に供給される熱媒体の温度が、燃料電池に供給される燃料ガスの露点よりも高くなる。したがって、燃料電池内において、燃料ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することが防止され、フラッディングが抑制される。

また、燃料ガス／熱媒体熱交換器によって燃料ガスと熱媒体とを熱交換する際、燃料ガス中に含まれる過剰な水蒸気が除去される。

前記燃料ガス供給装置は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成するものであってもよい。

前記燃焼排ガス流路は、その流れる燃焼ガスの熱を前記燃料ガス供給装置の原料ガスを改質する部分に伝達するように構成されていてもよい。

このような構成とすると、燃焼ガスの熱を原料ガスの改質に利用できるので、エネルギーを有効に活用することができる。

前記燃焼排ガス流路に、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器をバイパスするように設けられたバイパス流路と、前記燃焼器からの燃焼排ガスを、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器に至る流路と前記バイパス流路とに選択的に流すための流路選択器と、をさらに備えていてもよい。

このような構成とすると、燃料電池システムの起動時においては、流路選択器を燃焼排ガスが燃焼排ガス／熱媒体熱交換器に至る流路に流れるように動作させることにより、熱媒体が燃焼排ガス／熱媒体熱交換器によって昇温され、このように昇温された熱媒体が燃料電池に供給される。これにより、燃料電池に供給される熱媒体の温度が、燃料電池に供給される燃料ガスの露点よりも高くなる。したがって、フラッディングが抑制されると共に、燃料電池システムの起動時間が短縮される。

一方、燃料電池システムの定常発電時においては、流路選択器を燃焼排ガスがバイパス流路に流れるよう動作させることにより、熱媒体が燃焼排ガス／熱媒体熱交換器によって昇温されないので、熱媒体による燃料電池の冷却効率が向上する。

前記流路選択器が、前記燃焼排ガス流路の、前記バイパス流路の分岐点と前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器との間の部分に設けられた第１開閉弁と、前記バイパス流路に設けられた第２開閉弁とで構成されていてもよい。

このような構成とすると、燃焼排ガスを、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器に至る流路と前記バイパス流路とに選択して流すことが容易になる。また、第１開閉弁をノーマルクローズ形とし、第２開閉弁をノーマルオープン形とすると、それぞれの開閉弁を開閉するのに必要なエネルギー（電力）を低減させることができる。すなわち、起動時のみ、第１開閉弁を開き、かつ、第２開閉弁を閉じるための電力が必要となり、定常発電時においては、電力を供給しなくても、第１開閉弁は閉じられ、第２開閉弁は開かれる。起動時間は発電時間に比べると短いので、全体として電力を供給する時間が短縮され、開閉弁の操作に必要な電力が低減される。

三方弁を用いて前記燃焼排ガス流路から前記バイパス流路が分岐されており、前記流路選択器が前記三方弁で構成されていてもよい。

このような構成とすると、流路選択器の構成が簡素化される。

前記流路選択器を用いて前記燃焼器からの燃焼排ガスの流れを制御する制御器をさらに備え、該制御器は、前記燃料電池システムの起動時において、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器に至る流路に流すよう構成されていてもよい。

前記燃料電池の温度を検出する温度検出器をさらに備え、前記制御器は、前記温度検出器により検出された温度が所定の温度になると、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記バイパス流路に流すよう構成されていてもよい。

このような構成とすると、検出された燃料電池の温度が所定の温度以上になると、燃焼排ガスをバイパス流路に流れるよう制御し、熱媒体が燃焼排ガス／熱媒体熱交換器により過剰に温められることを防止できる。これにより、燃料電池システムの起動が速やかに行われると共に、定常発電時における燃料電池の冷却効率も向上する。

本発明の燃料電池システムは、上記のような構成としたため、フラッディングの発生が十分に抑制されるという効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、図１の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。以下、図１及び図２を参照しながら、本実施形態の燃料電池システムについて説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０１と、燃料ガス供給装置１０７と、酸化剤ガス供給装置１０９と、熱媒体供給装置１５０と、貯湯水循環装置１６０と、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９と、制御器１１５とを、主な構成要素として備えている。

燃料電池１０１は、本実施形態では高分子電解質形燃料電池で構成されている。高分子電解質形燃料電池は、複数個のセルが積層され、締結されることにより、燃料電池スタックに形成されている。個々のセルは、高分子電解質膜１０２を燃料極１０３及び酸化剤極１０４で挟んだＭＥＡ（図示せず）と、このＭＥＡの燃料極側の主面に配設された平板状の燃料極側セパレータ（図示せず）と、ＭＥＡの酸化剤極側の主面に配設された平板状の酸化剤極側セパレータ（図示せず）とを備えている。なお、高分子電解質形燃料電池は公知のように構成されているので、上記以外の詳しい説明は省略する。

燃料ガス供給装置１０７は、燃料ガス供給流路１０８を介して、燃料電池１０１の燃料極１０３に接続されている。燃料ガス供給装置１０７は、燃焼器１２０と、改質部１２３と、変成部１２４と、ＣＯ酸化部１２５とを備えている。

燃焼器１２０は、燃料ガス供給装置１０７から燃料電池１０１に供給する前の燃料ガス（一酸化炭素の濃度が燃料電池１０１に供給可能な濃度にまで低減されていない燃料ガス：燃焼用ガス）又は燃料電池１０１の燃料極１０３から排出された排出燃料ガス（オフガス：燃焼用ガス）を燃焼させることにより、燃焼されたガス（燃焼ガス）の熱を改質部１２３に伝達させる。燃焼器１２０は、例えば、公知のバーナーで構成される。なお、燃焼器１２０は、本実施形態のように燃料ガス供給装置１０７に組み込まれて構成されていてもよいし、燃料ガス供給装置１０７と別体として構成されていてもよい。

燃焼器１２０には燃焼排ガス流路１２１の一端が接続され、その他端は大気に開放されている（図示せず）。燃焼排ガス流路１２１の途中には、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９と、燃焼排ガス凝縮器１２２とが設けられている。すなわち、燃焼排ガス流路１２１は、燃焼排ガスを燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９に通過させ、その後、燃焼排ガスを燃焼排ガス凝縮器１２２に通過させるように構成されている。燃焼器１２０と燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９との間の燃焼排ガス流路１２１には、分岐点１３０Ａが設けられている。燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９と燃焼排ガス凝縮器１２２とを接続する燃焼排ガス流路１２１には、合流点１３０Ｂが設けられている。そして、分岐点１３０Ａと合流点１３０Ｂとを接続するように、燃焼排ガス流路のバイパス流路（以下、燃焼排ガスバイパス流路）１３０が設けられている。燃焼排ガスバイパス流路１３０は、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９をバイパスするように構成されている。分岐点１３０Ａから燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９に至る燃焼排ガス流路１２１には、第１開閉弁１３１が設けられている。燃焼排ガスバイパス流路１３０には、第２開閉弁１３２が設けられている。ここで、分岐点１３０Ａと、第１開閉弁１３１と、第２開閉弁１３２とが、燃焼排ガスの流路選択器を構成する。

改質部１２３は、改質触媒を備えている。改質部１２３には、原料（例えば、都市ガス）と水とが供給される。改質部１２３は、供給された原料と水とを改質触媒を用いて改質反応させることにより、水素含有ガスを生成する。この改質反応には、燃焼器１２０から伝達される熱が利用される。改質部１２３で生成された水素含有ガスは、変成部１２４に供給される。

変成部１２４は、変成触媒を備えている。変成部１２４は、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を、変成触媒を用いてシフト反応させることにより、一酸化炭素の濃度を低減させる。変成部１２４で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスは、ＣＯ酸化部１２５に供給される。

ＣＯ酸化部１２５は、ＣＯ酸化触媒を備えている。ＣＯ酸化部１２５は、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を、ＣＯ酸化触媒を用いてＣＯ酸化反応させることによりさらに低減させる。具体的には、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を、１０ｐｐｍ以下に低減させる。ＣＯ酸化部１２５は、燃料ガス供給流路１０８を介して、燃料電池１０１の燃料極１０３に接続されている。これにより、ＣＯ酸化部１２５によって低減された水素含有ガス（燃料ガス）が、燃料ガス供給流路１０８を介して燃料電池１０１の燃料極１０３に供給される。なお、ＣＯ酸化部１２５から燃料電池１０１の燃料極１０３に供給される燃料ガスは、高分子電解質膜１０２の劣化を抑制するため、図示しない加湿器によって加湿されている。

また、本実施形態の燃料電池システム１００は、改質部１２３、変成部１２４、及びＣＯ酸化部１２５の、それぞれの温度を検知するセンサ（図示せず）を備えている。

燃料ガス供給流路１０８の途中には、燃料ガス供給流路１０８の流路選択器（三方弁）１２６が配設されている。具体的には、三方弁１２６は、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と燃料電池１０１との間の燃料ガス供給流路１０８に配設されている。三方弁１２６は、第１のポート１２６ａと、第２のポート１２６ｂと、第３のポート１２６ｃとを有している。三方弁１２６は、第３のポート１２６ｃが第１のポート１２６ａと第２のポート１２６ｂとに選択的に連通可能なように構成されている。

三方弁１２６の第３のポート１２６ｃには、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８側の燃料ガス供給流路１０８が接続されている。

三方弁１２６の第１のポート１２６ａには、燃料電池１０１の燃料極１０３側の燃料ガス供給流路１０８が接続されている。燃料電池１０１の燃料極１０３には、さらに、燃料ガス排出流路１７１の一端が接続されている。燃料ガス排出流路１７１は、燃料ガス供給流路１０８から燃料極１０３に供給され、酸化剤ガスと反応しなかった未反応の燃料ガスを流すよう構成されている。燃料ガス排出流路１７１には、排出燃料ガス熱交換器１１９が設けられている。燃料ガス排出流路１７１の他端は、前述の燃焼器１２０に接続されており、未反応の燃料ガス（燃焼用ガス）が供給される。燃焼器１２０は、未反応の燃料ガス（燃焼用ガス）を燃焼させ、その際に発生した熱を改質部１２３に伝達する。これにより、改質部１２３での原料と水との改質反応が促進される。

三方弁１２６の第２のポート１２６ｂには、燃料ガス供給流路のバイパス流路（以下、燃料ガスバイパス流路）１２７の一端が接続されている。燃料ガスバイパス流路１２７は、燃料電池１０１及び排出燃料ガス熱交換器１１９をバイパスするように構成されている。燃料ガスバイパス流路１２７の他端は、合流点１７２において、燃料ガス排出流路１７１に接続されている。燃料ガス供給装置１０７によって生成が開始された直後の燃料ガスは、含まれる一酸化炭素の濃度が高いため、この状態で燃料電池１０１に供給すると、燃料極１０３における触媒を被毒させてしまう。そこで、一酸化炭素の濃度が所定の濃度以下になるまでは、燃料ガス供給装置１０７からの燃料ガスの供給先を、三方弁１２６の第２のポート１２６ｂを介して、燃料ガスバイパス流路１２７側に切り替える。燃料ガス排出流路１７１の他端は、前述のように、燃焼器１２０に接続されており、一酸化炭素の濃度の高い燃料ガス（燃焼用ガス）が供給される。燃焼器１２０は、一酸化炭素の濃度の高い燃料ガス（燃焼用ガス）を燃焼させ、その際に発生した熱を改質部１２３に伝達する。これにより、改質部１２３での原料と水との改質反応が促進される。

また、三方弁１２６を燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と燃料電池１０１との間の燃料ガス供給流路１０８に配設することにより、燃料電池１０１を停止させた状態で、三方弁１２６の第２のポート１２６ｂを介して、燃料ガスの供給先を燃料ガスバイパス流路１２７側に切り替えることができる。これにより、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８により水分が除去された燃料ガス（一酸化炭素の濃度の高い燃料ガス）が燃焼器１２０に供給される。

また、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給装置１０９を備えている。酸化剤ガス供給装置１０９は、例えば、ブロアで構成される。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いる。酸化剤ガス供給装置１０９には、酸化剤ガス供給流路１８１の一端が接続されている。酸化剤ガス供給流路１８１の他端は、燃料電池１０１の酸化剤極１０４に接続されている。酸化剤ガス供給装置１０９は、酸化剤ガス供給流路１８１を介して、酸化剤ガスを酸化剤極１０４に供給する。燃料電池１０１の酸化剤極１０４には、さらに、酸化剤ガス排出流路１８２の一端が接続され、その他端は大気に開放されている（図示せず）。酸化剤ガス排出流路１８２は、未反応の酸化剤ガス及び電池反応により生成された水を排出する。酸化剤ガス排出流路１８２には、排出酸化剤ガス熱交換器１１８が設けられている。排出酸化剤ガス熱交換器１１８は、酸化剤ガス排出流路１８２を流れる未反応の酸化剤ガス及び水を後述する冷却水と熱交換（冷却）させ、熱を回収すると共に、水分（水蒸気）を除去する。排出酸化剤ガス熱交換器１１８により水分が除去された酸化剤ガスは、大気中に放出される。

そして、上記のようにして、燃料極１０３に供給された燃料ガスと、酸化剤極１０４に供給された酸化剤ガスとが電池反応することにより、熱と電気とが発生する。

燃料電池システム１００は、熱媒体供給装置１５０を備えている。熱媒体供給装置１５０は、熱媒体タンク１１０と、熱媒体ポンプ１１１と、熱媒体循環流路（熱媒体流路）１５１と、を備えている。熱媒体循環流路１５１は、熱媒体（正確には、一次熱媒体）を燃料電池１０１に供給する熱媒体供給流路（熱媒体流路）１１２と、燃料電池１０１から熱媒体を排出させる熱媒体排出流路（熱媒体流路）１１３とからなっている。熱媒体タンク１１０は、熱媒体を貯蔵する。熱媒体タンク１１０には、熱媒体供給流路１１２の一端が接続されている。熱媒体供給流路１１２には、熱媒体ポンプ１１１が設けられている。熱媒体ポンプ１１１は、熱媒体タンク１１０に貯蔵された熱媒体を熱媒体循環流路１５１を通って図１の矢印の方向に循環させる。熱媒体供給流路１１２には、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９とが設けられている。熱媒体供給流路１１２の他端は、燃料電池１０１に接続されている。すなわち、熱媒体供給流路１１２は、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９と、燃料電池１０１とを、順に熱媒体が通過するように構成されている。燃料電池１０１には、熱媒体排出流路１１３の一端が接続されている。熱媒体排出流路１１３の他端は、前述の熱媒体タンク１１０に接続されている。熱媒体排出流路１１３には、熱媒体熱交換器１１４が設けられている。すなわち、熱媒体排出流路１１３は、燃料電池１０１から排出された熱媒体を熱媒体熱交換器１１４に通過させ、この熱媒体を熱媒体タンク１１０に戻すように構成されている。本実施形態では、熱媒体として水が用いられる。

燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８は、燃料ガス供給流路１０８を流れる燃料ガスと、熱媒体との間で熱交換を行う。これにより、燃料ガスから熱媒体に熱が伝わり、熱媒体の温度が上昇する。また、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８は、図示しないドレインを備えており、燃料ガス中の過剰な水蒸気を凝縮させて除去する。

燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９は、燃焼排ガス流路１２１を流れる燃焼排ガスと、熱媒体との間で熱交換を行う。これにより、燃焼排ガスから熱媒体に熱が伝わり、熱媒体の温度が上昇する。

このようにして、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８によって昇温された熱媒体が、さらに、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９によって昇温される。これにより、燃料電池１０１に供給される燃料ガスの露点よりも高い温度の熱媒体が、燃料電池１０１に供給される。なお、これについては、後に詳しく説明する。

貯湯水循環装置１６０は、貯湯タンク１１６を備えている。貯湯タンク１１６は、貯湯水（給湯用の温水：二次熱媒体）を蓄える。貯湯タンク１１６は、いわゆる積層沸上げ方式が採用されており、貯湯タンク１１６の下部には市水（図示せず）が供給されかつ貯湯水流路１１７の一端が接続され、その他端が貯湯タンク１１６の上部に接続されている。なお、貯湯タンク１１６には、給湯用の配管（図示せず）が接続されている。貯湯水流路１１７には、排出酸化剤ガス熱交換器１１８と、排出燃料ガス熱交換器１１９と、燃焼排ガス凝縮器１２２と、熱媒体熱交換器１１４と、が設けられている。すなわち、貯湯水流路１１７は、貯湯水タンクからの貯湯水を、排出酸化剤ガス熱交換器１１８と、排出燃料ガス熱交換器１１９と、燃焼排ガス凝縮器１２２と、熱媒体熱交換器１１４と、に通過させ、その後、この貯湯水を貯湯タンク１１６に戻すよう構成されている。なお、貯湯水流路１１７に設けられる各熱交換器（凝縮器）の順番は、これに限られない。

熱媒体熱交換器１１４は、貯湯水と、燃料電池１０１から熱を回収し熱媒体排出流路１１３を流れる熱媒体との間で熱交換を行う。これにより、熱媒体排出流路１１３を流れる熱媒体が冷却されると共に、貯湯水の温度が昇温される。

排出酸化剤ガス熱交換器１１８は、貯湯水と、燃料電池１０１の酸化剤極１０４から排出され酸化剤ガス排出流路１８２を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換を行う。これにより、前述のように、酸化剤ガス中の水蒸気が除去されると共に、貯湯水の温度が昇温される。

排出燃料ガス熱交換器１１９は、貯湯水と、燃料電池１０１の燃料極１０３から排出され燃料ガス排出流路１７１を流れる燃料ガスとの間で熱交換を行う。これにより、燃料ガス中の水蒸気が除去されると共に、貯湯水の温度が昇温される。

燃焼排ガス凝縮器１２２は、貯湯水と、燃焼器１２０から排出され燃焼排ガス流路１２１を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換を行う。これにより、燃焼排ガス中の水蒸気が除去されると共に、貯湯水の温度が昇温される。

このようにして、貯湯水流路１１７には、排出酸化剤ガス熱交換器１１８、排出燃料ガス熱交換器１１９、燃焼排ガス凝縮器１２２、及び熱媒体熱交換器１１４によって熱を回収し昇温された貯湯水が循環される。なお、熱媒体熱交換器１１４、排出酸化剤ガス熱交換器１１８、排出燃料ガス熱交換器１１９、及び燃焼排ガス凝縮器１２２は、公知のように構成されているので、その詳しい説明を省略する。

なお、燃料電池システム１００は、インバータ（図示せず）を備えている。インバータは、燃料電池１０１の電気出力端子（図示せず）に接続されている。インバータは、燃料電池１０１の発電により生じた直流電力を交流電力に変換する。その際、インバータは、燃料電池１０１の出力を調整する。

制御器１１５は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池システム１００の所要の構成要素を制御して、該燃料電池システム１００の動作を制御する。ここで、本明細書においては、制御器１１５とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して制御を実行する制御器群をも意味する。よって、制御器１１５は、必ずしも単独の制御器で構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するよう構成されていてもよい。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について、図１及び図２を参照しながら詳しく説明する。ここで、燃料電池システムの動作は、制御器１１５により遂行される。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。

初期状態においては、第１の開閉弁１３１は閉止され、第２の開閉弁１３２は開放されている。まず、制御器１１５は、燃料電池システム１００を起動する。具体的には、制御器１１５は、燃料ガス供給装置１０７により、原料（例えば、都市ガス）と水とを用いて、燃料ガスの生成を開始する（ステップＳ１）。前述のように、生成開始直後の燃料ガスは、含まれる一酸化炭素の濃度が高いため、燃料電池１０１に供給すると、燃料極１０３における触媒を被毒させてしまう。そこで、制御器１１５は、燃料ガス供給装置１０７からの燃料ガスの供給先を、三方弁１２６を用いて、燃料ガスバイパス流路１２７側に切り替える（ステップＳ２）。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給装置１０７（ＣＯ酸化部１２５）から、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８に流れ、その後、燃料ガスバイパス流路１２７を介して燃焼器１２０へと供給される。燃焼器１２０に供給された燃料ガスは燃焼され、改質部１２４に熱を供給する。

次に、制御器１１５は、第１の開閉弁１３１を開放し、第２の開閉弁１３２を閉止する（ステップＳ３）。これにより、燃焼排ガスが、燃焼器１２０から燃焼排ガス流路１２１を流れ、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９を経由し、燃焼排ガス凝縮器１２２に流れ、その後、大気中に放出される。また、制御器１１５は、熱媒体ポンプ１１１を動作させて、熱媒体の供給を開始する（ステップＳ４）。これにより、熱媒体が、熱媒体タンク１１０から熱媒体供給流路１１２に流れる。熱媒体供給流路１１２を流れる熱媒体は、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９と、燃料電池１０１とを順に経由するように流れる。このように、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８を流れる熱媒体と燃料ガスとの間で熱交換が行われると共に、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９を流れる熱媒体と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８により昇温された熱媒体が、さらに燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９によって昇温される。燃料電池１０１を通過した熱媒体は、熱媒体排出流路１１３を介して熱媒体熱交換器１１４を経由し、熱媒体タンク１１０に戻る。

次に、制御器１１５は、燃料ガス供給装置１０７により供給される燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を取得する（ステップＳ５）。ここで、制御器１１５は、図示されない温度検知器を用いて、改質部１２３の温度、変成部１２４の温度、ＣＯ酸化部１２５の温度から、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を取得する。そして、制御器１１５は、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が所定の濃度以下であり、燃料電池１０１に供給可能かどうかを判定する（ステップＳ６）。具体的には、制御器１１５は、改質部１２３の温度が７００℃、変成部１２４の温度が２００℃、ＣＯ酸化部１２５の温度が１３５℃になれば、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が所定の濃度以下になったものと判定する。燃料ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下でなければ、ステップＳ５とステップＳ６とを繰り返す。そして、ステップＳ６において燃料ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下になれば、制御器１１５は、三方弁１２６によって、燃料ガス供給流路１０８を燃料極１０３側に切り替える。これにより、燃料ガスが、燃料電池１０１の燃料極１０３に供給されかつそこから排出される。排出された燃料ガス（排出燃料ガス）は、排出燃料ガス熱交換器１１９で熱が回収され、その後、燃焼器１２０に供給される。燃焼器１２０に供給された排出燃料ガスは、そこで燃焼され、改質部１２３に熱を供給する。

次に、制御器１１５は、酸化剤ガス供給装置１０９により、燃料電池１０１の酸化剤極１０４に酸化剤ガスの供給を開始する（ステップＳ８）。そして、制御器１１５は、酸化剤極１０４に供給された酸化剤ガスと、上述の燃料極１０３に供給された燃料ガスとで、低出力発電を行う（ステップＳ９）。具体的には、本実施形態では３００Ｗの出力で発電が行われる。

次に、制御器１１５は、温度センサ１０６を用いて、燃料電池１０１の温度を取得する（ステップＳ１０）。そして、制御器１１５は、取得された温度が、安定発電可能温度がどうかを判定する（ステップＳ１１）。ここで、安定発電可能温度とは、５５℃から６０℃の範囲の温度をいう。ステップＳ１１において、燃料電池１０１の温度が安定発電可能温度でなければ（ステップＳ１１においてＮＯ）、ステップＳ９に戻り、ステップＳ９〜Ｓ１１のステップを繰り返す。そして、ステップＳ１１において、燃料電池１０１の温度が安定発電可能温度になれば（ステップＳ１１においてＹＥＳ）、制御器１１５は、第１開閉弁１３１を閉止し、第２開閉弁１３２を開放する（ステップＳ１２）。これにより、燃焼排ガスが、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９をバイパスして、燃焼排ガスバイパス流路１３０を流れ、燃焼排ガス凝縮器１２２を通った後、大気中へ放出される。

その後、制御器１１５は、燃料ガス供給装置１０７を用いて、燃料ガスの流量を調整する。また、制御器１１５は、酸化剤ガス供給装置１０９を用いて、酸化剤ガスの流量を調整する。また、制御器１１５は、熱媒体供給装置１５０を用いて、熱媒体の供給量を変更する。また、制御器１１５は、図示しないインバータを用いて、燃料電池１０１の出力を調整する（以上、ステップＳ１３）。具体的には、制御器１１５は、燃料電池１０１の出力を、３００Ｗから１ｋＷに段階的に上げていく。そして、制御器１１５は、燃料電池１０１の出力が定格出力（１ｋＷ）に到達したかどうかを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、燃料電池１０１の出力が定格出力に到達していなければ（ステップＳ１４においてＮＯ）、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１３〜Ｓ１４のステップを繰り返す。そして、ステップＳ１４において、燃料電池１０１の出力が定格出力に到達すれば（ステップＳ１４においてＹＥＳ）、制御器１１５は、その状態を維持する（エンド）。

次に、本実施形態の燃料電池システム１００を、比較形態の燃料電池システム２００と比較しながら、この利点を説明する。

図３は、比較形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

本比較形態の燃料電池システム２００は、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器が設けられていない。それ以外の構成については、実施形態の燃料電池システム１００と同様である。

＜実験例＞
比較形態の燃料電池システム２００を用い、以下のシミュレーションを行った。

燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８として、伝達面積が０．０９ｍ^２、熱交換板の厚みが０．００１ｍであるステンレス製のものを用いた。

起動時の燃料ガスの条件は、燃料ガスの流量を１４Ｌ／ｍｉｎ、燃料ガス供給装置における燃料ガスの露点を６０℃に設定した。

また、起動時の燃焼排ガスの条件は、燃焼排ガスの流量を１２Ｌ／ｍｉｎ、燃焼排ガスの露点を７０℃に設定した。

また、熱媒体の流量は、０．５Ｌ／ｍｉｎに設定した。

この条件でシミュレーションを行い、熱媒体タンク１１０における熱媒体の温度Ｔｗ１（実測値）、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８を通過し燃料極１０３に供給される燃料ガスの露点Ｔ´ｄ２（計算値）、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８を通過し燃料電池１０１に供給される熱媒体の温度Ｔ´ｗ３（計算値）を計算した。

また、比較形態の燃料電池システムにおいて、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９を配設した（実施形態の燃料電池システム）と仮定してシミュレーションを行い、熱媒体タンク１１０における熱媒体の温度Ｔｗ１（計算値）、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８を通過し燃料極１０３に供給される燃料ガスの露点Ｔｄ２（計算値）、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８及び燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９を通過し燃料電池１０１に供給される熱媒体の温度Ｔｗ３（計算値）を計算した。

＜検討＞
図４は、本実施形態の燃料電池システムにおける熱媒体の温度及び燃料ガスの露点の経時変化を示すグラフである。図５は、比較形態の燃料電池システムにおける熱媒体の温度及び燃料ガスの露点の経時変化を示すグラフである。図６は、本実施形態の燃料電池システム及び比較形態の燃料電池システムの、それぞれの燃料電池に供給される熱媒体の温度の経時変化を示すグラフである。

図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００においては、Ｔｗ１、Ｔｄ２、及びＴｗ３は、時間の経過と共に上昇した。また、Ｔｄ２とＴｗ３との関係は、Ｔｗ３はＴｄ２とほぼ同じか、もしくは、Ｔｗ３のほうがわずかながら高くなった。これは、熱媒体タンク１１０から供給される熱媒体が、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８によって燃料ガスと熱交換されて昇温され、さらに、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８から流出する熱媒体が、燃焼排ガス／熱媒体熱交換器１２９によって燃焼排ガスと熱交換されるため、温度上昇が大きくなるためと考えられる。したがって、燃料電池１０１に供給される熱媒体の温度Ｔｗ３が、燃料極１０３に供給される燃料ガスの露点Ｔｄ２よりも高くなるため、燃料電池１０１内において燃料ガス中の水蒸気が凝縮することが抑制される。

一方、図５に示すように、比較形態の燃料電池システム２００においては、Ｔｗ１、Ｔ´ｄ２、及びＴ´ｗ３は、時間の経過と共に上昇した。ここで、Ｔ´ｄ２とＴ´ｗ３との関係は、全期間において、Ｔ´ｗ３のほうがＴ´ｄ２よりも約１℃〜３℃、低くなった。これは、熱媒体タンク１１０から供給される熱媒体が、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８によって燃料ガスと熱交換されて昇温されるのみであるためと考えられる。したがって、燃料電池１０１に供給される熱媒体の温度Ｔ´ｗ３が、燃料極１０３に供給される燃料ガスの露点Ｔ´ｄ２よりも低くなるため、燃料極１０３に供給される燃料ガス中の水蒸気が凝縮し、フラッディングが発生すると予想される。さらに、熱媒体の温度がさらに上昇すると、燃料ガス中の水蒸気分圧が高くなるため、水蒸気の凝縮がさらに顕著となると予想される。

また、図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００においては、比較形態の燃料電池システム２００に比べて、燃料電池１０１に供給される熱媒体の温度が、約２℃〜３℃高くなった。また、本実施形態の燃料電池システム１００では、安定発電が可能になる温度（安定発電可能温度（本シミュレーションにおいては５５℃））になるまでの時間（起動時間）が約３０分であり、比較形態の燃料電池システム２００の起動時間（約３３分）に比べて短くなった。したがって、本実施形態の燃料電池システム１００では、フラッディングの抑制と共に、起動時間が短縮できるという利点がある。

以上の事項を総括すると、本実施形態の燃料電池システム１００は、上記のような構成としたため、熱媒体と燃料ガスとを熱交換させることにより熱媒体の温度を上昇させ、さらに、熱媒体と燃焼排ガスとを熱交換させることにより熱媒体の温度をさらに上昇させる。これにより、燃料電池１０１に供給される熱媒体の温度が、燃料極１０３に供給される燃料ガスの温度（露点）よりも高くなるため、燃料ガス中に含まれる水蒸気の凝縮が抑制される。したがって、燃料電池１０１の燃料極１０３におけるフラッディングが抑制される。

さらに、上記のように昇温された熱媒体が燃料電池１０１に供給されるため、燃料電池１０１を速やかに温度上昇させることができ、起動時間を短縮することができる。

なお、本実施形態においては、燃焼排ガス流路１２１にバイパス流路１３０を設けていたが、このバイパス流路１３０を設けない構成とすることもできる。このような構成とすると、発電時においても、熱媒体の温度が燃焼排ガス／媒体熱交換器１２９により熱交換されて上昇し、熱媒体による燃料電池１０１の冷却効率は低下する可能性があるが、フラッディングの抑制及び速やかな起動という効果を奏する。

［第１変形例］
上述の実施形態の燃料電池システム１００においては、燃焼排ガス流路の流路選択器が第１開閉弁１３１と第２開閉弁１３２とで構成されていた。ここで、燃焼排ガス流路選択器が三方弁で構成されていてもよい。具体的には、本変形例では、燃焼排ガス流路の分岐点１３０Ａの部分に三方弁を配設し、第１開閉弁及び第２開閉弁を配設しない構成とする。それ以外の構成については、図１に示した実施形態の燃料電池システムの構成と同様である。

このような構成としても、実施形態の燃料電池システム１００と同様の効果が得られる。

また、このような構成とすると、燃焼排ガス流路の流路選択器の構成が簡素化される。

［第２変形例］
上述の実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料ガス供給流路１０８の流路選択器１２６である三方弁が、燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８と燃料電池１０１との間の燃料ガス供給流路１０８に配設されていた。本変形例では、燃料ガス供給流路１０８の流路選択器１２６である三方弁が、燃料ガス供給装置１０７（ＣＯ酸化部１２５）と燃料ガス／熱媒体熱交換器１２８との間の燃料ガス供給流路１０８に配設されている。それ以外の構成については、図１に示した実施形態の燃料電池システムと同様である。

このような構成としても、実施形態の燃料電池システム１００と同様の効果が得られる。

本発明の燃料電池システムは、フラッディングの発生が十分に抑制された燃料電池システムとして有用である。

本発明の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 比較形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態の燃料電池システムにおける熱媒体の温度及び燃料ガスの露点の経時変化を示すグラフである。 比較形態の燃料電池システムにおける熱媒体の温度及び燃料ガスの露点の経時変化を示すグラフである。 実施形態の燃料電池システム及び比較形態の燃料電池システムの、それぞれの燃料電池に供給される熱媒体の温度の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１００，２００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 高分子電解質膜
１０３ 燃料極
１０４ 酸化剤極
１０６ 温度センサ
１０７ 燃料ガス供給装置
１０８ 燃料ガス供給流路
１０９ 酸化剤ガス供給装置
１１０ 熱媒体タンク
１１１ 熱媒体ポンプ
１１２ 熱媒体供給流路（熱媒体流路）
１１３ 熱媒体排出流路（熱媒体流路）
１１４ 熱媒体熱交換器
１１５ 制御器
１１６ 貯湯タンク
１１７ 貯湯水流路
１１８ 排出酸化剤ガス熱交換器
１１９ 排出燃料ガス熱交換器
１２０ 燃焼器
１２１ 燃焼排ガス流路
１２２ 燃焼排ガス凝縮器
１２３ 改質部
１２４ 変成部
１２５ ＣＯ酸化部
１２６ 燃料ガス供給流路の流路選択器（三方弁）
１２６ａ 第１のポート
１２６ｂ 第２のポート
１２６ｃ 第３のポート
１２７ 燃料ガス供給流路のバイパス流路（燃料ガスバイパス流路）
１２８ 燃料ガス／熱媒体熱交換器
１２９ 燃焼排ガス／熱媒体熱交換器
１３０ 燃焼排ガス流路のバイパス流路（燃焼排ガスバイパス流路）
１３０Ａ 分岐点
１３０Ｂ 合流点
１３１ 第１開閉弁（燃焼排ガス流路切替器）
１３２ 第２開閉弁（燃焼排ガス流路切替器）
１５０ 熱媒体供給装置
１５１ 熱媒体循環流路（熱媒体流路）
１６０ 貯湯水循環装置
１７１ 燃料ガス排出流路
１７２ 合流点
１８１ 酸化剤ガス供給流路
１８２ 酸化剤ガス排出流路

Claims (8)

1. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池と、
   燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料ガス供給装置と前記燃料電池の燃料極とを接続する燃料ガス供給流路と、
   燃焼用ガスを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス流路と、
   前記燃料電池を通るように形成され、その中を熱媒体が流れる熱媒体流路と、
   前記熱媒体流路上に設けられた、該熱媒体流路を流れる熱媒体と前記燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスとを熱交換させるための燃料ガス／熱媒体熱交換器と、
   前記熱媒体流路上に前記燃料電池と前記燃料ガス／熱媒体熱交換器との間に位置するように設けられた、該熱媒体流路を流れる熱媒体と前記燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスとを熱交換させるための燃焼排ガス／熱媒体熱交換器と、
   前記燃料ガス／熱媒体熱交換器、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器、前記燃料電池を順に経由するように前記熱媒体流路を通って前記熱媒体を流すための熱媒体ポンプと、を備える、燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス供給装置は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成するものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃焼排ガス流路は、その流れる燃焼ガスの熱を前記燃料ガス供給装置の原料ガスを改質する部分に伝達するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼排ガス流路に、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器をバイパスするように設けられたバイパス流路と、
   前記燃焼器からの燃焼排ガスを、前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器に至る流路と前記バイパス流路とに選択的に流すための流路選択器と、をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記流路選択器が、前記燃焼排ガス流路の、前記バイパス流路の分岐点と前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器との間の部分に設けられた第１開閉弁と、前記バイパス流路に設けられた第２開閉弁とで構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 三方弁を用いて前記燃焼排ガス流路から前記バイパス流路が分岐されており、前記流路選択器が前記三方弁で構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記流路選択器を用いて前記燃焼器からの燃焼排ガスの流れを制御する制御器をさらに備え、
   該制御器は、前記燃料電池システムの起動時において、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記燃焼排ガス／熱媒体熱交換器に至る流路に流すよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出器をさらに備え、
   前記制御器は、前記温度検出器により検出された温度が所定の温度になると、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記バイパス流路に流すよう構成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。

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