JP2009212045A - 燃料電池システム及び燃料電池の除水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内の残留水の凍結防止対策を効率よく行うことができる燃料電池システム及び燃料電池の除水方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１０は、アノード３１とカソード３２とを有する燃料電池３０と、冷却水ｃを流す冷却水ライン７４、７５と、冷却水ポンプ７３と、冷却水ｃを昇温する昇温器１３と、カソード３２に空気ｒ１を供給する第１の送風機２９と、燃料電池３０の発電が行われていない状況で、冷却水ｃを熱媒体として燃料電池３０を昇温しつつカソード３２に空気ｒ１を供給する除水運転をするように、昇温器１３、冷却水ポンプ７３及び第１の送風機２９を稼働させる制御装置３６とを備える。燃料電池３０の発電が行われていないときに、燃料電池３０を昇温してカソード３２内の水分を気化させ、カソード３２に空気ｒ１を供給して水蒸気を燃料電池３０から排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池の除水方法に関し、特に残留水の凍結に伴う燃料電池電解質膜の損傷を回避する燃料電池システム及び燃料電池の除水方法に関する。

燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池における電気化学的反応の際には、発熱と共に水分が生成される（例えば、特許文献１参照。）。燃料電池の発電によって生成された水分は、燃料電池の発電中は液体の水あるいは水蒸気として存在する。燃料電池の停止後に燃料電池内に残留した水分が気温の低下により凍結すると、燃料電池を構成する電解質膜や触媒の破壊に至る可能性が高い。他方、発電中の燃料電池は停止中の場合に比べて温度が高く、燃料電池内の水分は一般に温度が高いほど水蒸気の割合が増えるため、温度が高いほど供給される酸素含有ガスによって燃料電池から排出されやすい。このような事情を背景に、発電が停止する際に掃気ガスを供給して燃料電池内の残留水を排出することが行われている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００８−０１０１７８号公報（段落００３３等） 特開２００５−３１７２２４号公報（段落０００２等）

しかしながら、燃料電池を掃気するには多くのエネルギーを消費するため、燃料電池を停止させるたびに掃気するのはエネルギー使用量が嵩む。したがって、例えば家庭用に設置されるような商用電源に連系されている燃料電池の凍結防止対策としては、商用電源から受電して発熱するヒータ等を設ける方が経済的である。ところが、長期にわたって燃料電池を起動する予定のない場合等は、ヒータの設置が必ずしも有利とはいえない。

本発明は上述の課題に鑑み、長期にわたって燃料電池を起動する予定のない場合における燃料電池内の残留水の凍結防止対策を効率よく行うことができる燃料電池システム及び燃料電池の除水方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素含有ガスｇを導入するアノード３１と酸素含有ガスｔを導入するカソード３２とを有し、水素含有ガスｇ中の水素と酸素含有ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電し発熱して水が生成される燃料電池３０と；燃料電池３０の発電が行われているときに燃料電池３０で発生した熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水ライン７４、７５と；冷却水ライン７４、７５内の冷却水ｃを燃料電池３０に供給する冷却水ポンプ７３と；冷却水ライン７４に配設され、冷却水ライン７４を流れる冷却水ｃを昇温する昇温器１３と；カソード３２に空気ｒ１を供給する第１の送風機２９と；燃料電池３０の発電が行われていない状況で、冷却水ｃを熱媒体として燃料電池３０を昇温しつつカソード３２に空気ｒ１を供給する除水運転をするように、昇温器１３、冷却水ポンプ７３及び第１の送風機２９を稼働させる制御装置３６とを備える。

このように構成すると、燃料電池の発電が行われていない状況で冷却水を熱媒体として燃料電池を昇温しつつカソードに空気を供給するので、除水運転をする際に燃料電池の温度を上昇させることができ、これにより供給した空気の相対湿度を低下させ、燃料電池内に残留していた水の蒸発量を増加させることができて、燃料電池内から残留水を効率よく除去することが可能となる。この際、燃料電池システムの既存の構成を有効に活用しつつ効率よい燃料電池の除水を行うことができる。

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１０において、燃料電池３０の発電が行われているときに第１の送風機２９から供給された空気を酸素含有ガスｔとしてカソード３２に導く酸素含有ガスラインであって、酸素含有ガスｔを加湿する加湿器３８を有する酸素含有ガスライン５４Ａと；除水運転をするときに第１の送風機２９から供給された空気ｒ１を加湿器３８を経由せずにカソード３２へと導くバイパスライン５４Ｂとを備える。

このように構成すると、除水運転をするときに第１の送風機から供給された空気を加湿器を経由せずにカソードへと導くバイパスラインを備えるので、除水運転をする際にカソードに供給する空気に含まれる水分量の増加を抑制することができる。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池システム１０において、昇温器１３が、燃料電池３０及び商用電源９９に電気的に接続された電気ヒータであって、燃料電池３０で発電した電力が商用電源９９に逆潮流することを防ぐために燃料電池３０で発電した余剰電力を消費する逆潮流防止電気ヒータを兼ねる。

このように構成すると、燃料電池システムの既存の構成を有効に活用しつつ効率よい燃料電池の除水を行うことができる。

また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、冷却水ライン内７４、７５に空気ｒ２を供給する第２の送風機２９を備え；制御装置３６が、燃料電池３０が所定の温度に昇温した後に冷却水ライン７４、７５内に空気ｒ２を供給するように、第２の送風機２９を制御する。

このように構成すると、カソードのみならず冷却水ラインの除水も行うことができ、燃料電池システムの凍結による被害をさらに減少させることができる。

上記目的を達成するために、本発明の第５の態様に係る燃料電池の除水方法は、例えば図１及び図２に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱して水が生成される燃料電池３０であって酸素含有ガスｔを導入するカソード３２を有する燃料電池３０の発電が行われていないときに、燃料電池３０を昇温してカソード３２内の水分を気化させる水蒸気化工程（Ｓ１）と；カソード３２に空気ｒ１を供給して水蒸気化工程で気化させた水分を燃料電池３０から排出する水蒸気排出工程（Ｓ２）とを備える。

このように構成すると、燃料電池を昇温してカソード内の水分を気化させてからカソードに空気を供給して水蒸気を燃料電池から排出するので、カソードに空気を供給しながら燃料電池を昇温する場合に比べて燃料電池の昇温に要する時間を短縮することができ、燃料電池内から残留水を効率よく除去することが可能となる。

また、本発明の第６の態様に係る燃料電池の除水方法は、例えば図１及び図２に示すように、上記本発明の第５の態様に係る燃料電池の除水方法において、燃料電池３０が発熱を除去する冷却水ｃを導入する冷却部３３を有し；水蒸気化工程（Ｓ１）が、加熱した冷却水ｃを冷却部３３に供給することにより燃料電池３０を昇温するように構成され；水蒸気化工程（Ｓ１）の後に、冷却水ｃを冷却部３３から排出する冷却水排出工程（Ｓ６〜Ｓ７）を備える。

このように構成すると、水蒸気化工程の後に冷却水を冷却部から排出するので、冷却水排出後に冷却部に残留する冷却水が加熱してあるために蒸発しやすく、カソードのみならず冷却部の除水も効率よく行うことができる。

また、本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第５の態様又は第６の態様に係る燃料電池の除水方法を実行する制御装置３６を備える。

このように構成すると、燃料電池内から残留水を効率よく除去することができる燃料電池システムとなる。

本発明によれば、燃料電池の発電が行われていない状況で冷却水を熱媒体として燃料電池を昇温しつつカソードに空気を供給するので、除水運転をする際に燃料電池の温度を上昇させることができ、これにより供給した空気の相対湿度を低下させ、燃料電池内に残留していた水の蒸発量を増加させることができて、燃料電池内から残留水を効率よく除去することが可能となる。この際、燃料電池システムの既存の構成を有効に活用しつつ効率よい燃料電池の除水を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０を説明する。図１は、燃料電池システム１０の系統図である。燃料電池システム１０は、水素含有ガスとしての改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇ及び酸素含有ガスとしての酸化剤ガスｔを導入して水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池３０と、酸化剤ガスｔを燃料電池３０に送る第１の送風機としての空気ブロワ２９と、発熱した燃料電池３０を冷却する冷却水ｃを燃料電池３０に供給する冷却水ラインとしての冷却水管７４、７５と、冷却水管７４内を流れる冷却水ｃを昇温する昇温器としての電気ヒータ１３と、燃料電池システム１０を制御する制御装置３６とを備えている。

改質器２０は、原料ｍ１と改質用水（不図示）とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、又はメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入する改質用水（不図示）は水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５５と、改質用水（不図示）を導入するための改質用水管（不図示）とが接続されている。改質用水管（不図示）は、改質部２５直近の原料管５５に接続されていると、原料ｍ１と改質用水（不図示）とが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、改質用水管（不図示）が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５５には、原料ｍ１の流れを遮断可能な原料弁６５が設けられている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。さらに改質部２５には、原料ｍ１の水蒸気改質を行う部分の温度を検出する温度検出器（不図示）が設けられている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼用燃料ｍ２、並びに、共に水素を含むアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１０の状態に応じて、燃焼用燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼用燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼用燃料ｍ２は、原料供給ラインとしての燃料管５７を流れる燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、原料あるいはその化合物（例えばメタン等）が含まれている。燃料管５７には、気体の燃料ｍを送る燃料ブロワ２８が配設されている。燃料ブロワ２８は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃料ｍの流量を増減することができるように構成されている。なお、燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ２８に代えて燃料ポンプが配設されるが、本実施の形態では燃料ブロワ２８として説明する。

燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管５６とが接続されている。燃焼燃料管５６には、燃焼用燃料ｍ２の流れを遮断可能な燃焼燃料弁６６が設けられており、燃焼燃料弁６６の下流には燃焼用空気ａを流す燃焼空気管５４Ｄが接続されている。燃焼空気管５４Ｄには、燃焼用空気ａの流れを遮断可能な遮断弁６４Ｄが設けられている。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の排ガスｅを排出する排ガス管５９が接続されている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜（電解質膜）をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０は、出力ケーブル４１を介してパワーコンディショナ３４と電気的に接続されている。燃料電池３０には、凍結防止ヒータ（不図示）が設けられている。

燃料電池３０は、出力ケーブル４１及び商用電源ケーブル４９を介して商用電源９９に接続されている。出力ケーブル４１と商用電源ケーブル４９との接続部には、電力負荷９８につながる電力負荷ケーブル４８が接続されている。すなわち、燃料電池３０と、商用電源９９と、電力負荷９８とは電気的に接続されている。電力負荷９８は、典型的には、家電や生産機械等の電気機器である。出力ケーブル４１には、燃料電池３０で発電された直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ３４が配設されている。パワーコンディショナ３４よりも商用電源ケーブル４９側の出力ケーブル４１には、電気ヒータ１３につながるヒータ用ケーブル４２が接続されている。ヒータ用ケーブル４２には開閉器４３が配設されている。開閉器４３は、典型的には、ソリッドステートリレーである。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガスｇの流れを遮断可能な改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガスｐの流れを遮断可能なアノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸素含有ガスラインとしての酸化剤ガス管５４Ａと、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４Ａは、空気管５４から分岐した管の１つであり、空気管５４から分岐した他の１つは燃焼空気管５４Ｄである。空気管５４には、酸化剤ガス管５４Ａ及び燃焼空気管５４Ｄに空気（酸化剤ガスｔ、燃焼用空気ａ等）を送る空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより圧送する空気の流量を増減することができるように構成されている。カソードオフガス管５４Ｑには、流路を遮断する遮断弁６７が配設されている。

酸化剤ガス管５４Ａには、流路を遮断可能な遮断弁６４Ａが配設されている。遮断弁６４Ａより下流の酸化剤ガス管５４Ａには、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器３８が配設されている。また、酸化剤ガス管５４Ａには、遮断弁６４Ａ及び加湿器３８をバイパスするバイパス空気管５４Ｂが接続されている。バイパス空気管５４Ｂには、主としてカソード３２の除水運転をする際に空気（カソード除水空気ｒ１）が流れる。カソード除水空気ｒ１を、バイパス空気管５４Ｂを通すことにより、遮断弁６４Ａ及び加湿器３８を経由せずに加湿器３８の下流に導くことができる。バイパス空気管５４Ｂには、流路を遮断可能な遮断弁６４Ｂが配設されている。

燃料電池３０の冷却部３３の冷却水導入口には冷却水管７５が、冷却水導出口には冷却水管７４が、それぞれ接続されている。冷却水管７４、７５により、燃料電池３０から導出された冷却水ｃが熱交換器７０を通過し、熱交換器７０を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管７５には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ７３が配置されている。冷却水ポンプ７３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、燃料電池３０の発熱量に応じて冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ７３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

冷却水管７４には電気ヒータ１３が配置されている。電気ヒータ１３は、燃料電池３０で発電された電力のうち電灯や電気機器等の電力負荷９８で消費されない余剰電力を熱に変換し、変換した熱を冷却水管７４を流れる冷却水ｃに伝達するように構成されている。すなわち、電気ヒータ１３は、逆潮流防止電気ヒータとして利用されるものである。電気ヒータ１３は、燃料電池３０で発電された電力で作動するほか、商用電源９９から電力の供給を受けてこの商用電源電力によっても作動するように構成されている。電気ヒータ１３は、典型的には、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータであり、冷却水管７４の外周に巻きつけられテープで固定される。また、電気ヒータ１３は発熱部を収容したケーシングに冷却水ｃを導入し、発熱部と冷却水ｃとが接触して冷却水ｃの温度を上昇させるように構成されていてもよい。電気ヒータ１３で発熱がある場合、冷却部３３で温度が上昇した冷却水ｃは、電気ヒータ１３でさらに温度が上昇して熱交換器７０に流入することになる。

冷却水ポンプ７３より下流側の冷却水管７５には、冷却水管７５に冷却部除水空気ｒ２を導入する冷却水空気管５４Ｃの一端が接続されている。冷却水空気管５４Ｃの他端は、遮断弁６４Ｄより上流側の燃焼空気管５４Ｄに接続されている。このように構成されていることにより、空気ブロワ２９で圧送された空気を冷却部除水空気ｒ２として、燃焼空気管５４Ｄ、冷却水空気管５４Ｃを経て冷却水管７５に導入することが可能になっている。本実施の形態では、空気ブロワ２９が第１の送風機と第２の送風機とを兼ねている。しかしながら、制御を容易にする観点から、第１の送風機と第２の送風機とを別々に備えていてもよい。冷却水空気管５４Ｃには、冷却部除水空気ｒ２の流れを遮断可能な遮断弁６４Ｃと、冷却部除水空気ｒ２の逆流を防ぐ逆止弁６８Ｃとが配設されている。逆止弁６８Ｃは、遮断弁６４Ｃよりも下流側に配設されている。

冷却水ポンプ７３より上流側の冷却水管７５には、冷却水管７５に冷却水ｃを供給する水供給管７６の一端が接続されている。水供給管７６の他端は、水供給タンク７８に接続されている。水供給タンク７８は、冷却水ポンプ７３の起動により水供給管７６との接続部分の冷却水管７５が最も負圧となる吸込揚程分以上冷却水管７４、７５の最低位よりも高所に配設されている。冷却水管７４、７５には、水供給タンク７８の高さまでは、水供給タンク７８内の水が重力により流入する。冷却水ポンプ７３と冷却水空気管５４Ｃの接続部分との間の冷却水管７５には、不純物を除去するイオン交換樹脂塔７７が配設されている。冷却水空気管５４Ｃの接続部分と冷却部３３との間の冷却水管７５には、流路を遮断可能な遮断弁７１が配設されている。また、冷却水ポンプ７３とイオン交換樹脂塔７７との間の冷却水管７５には、流路を遮断可能な遮断弁７２が配設されている。また、冷却水ポンプ７３の起動により正圧となる部分の冷却水管７４、７５には、冷却水管７４、７５内の水を排出する排水管７９が接続されている。本実施の形態では、熱交換器７０より上流側の冷却水管７４に排水管７９が接続されている。排水管７９には、冷却水ｃの排出を遮断する排水弁７９ｖが配設されている。

熱交換器７０は、冷却水ｃと蓄熱水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い蓄熱水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池３０の排熱を冷却水ｃから蓄熱水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導入する冷却水導入口と蓄熱水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口とを有している。熱交換器７０の冷却水導入口には冷却水管７４が、冷却水導出口には冷却水管７５が、それぞれ接続されている。

熱交換器７０の蓄熱水導出口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導入口には蓄熱水管８５が、それぞれ接続されている。蓄熱水管８４は、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈが貯湯槽８０の上部に流入するように貯湯槽８０の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。蓄熱水管８５は、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈが貯湯槽８０の下部から採水されるように貯湯槽８０の下部に接続されており、好適には底部に接続される。蓄熱水管８４、８５は熱交換器７０及び貯湯槽８０と接続されて循環流路を形成している。蓄熱水管８５には内部を流れる蓄熱水ｈを循環する蓄熱水ポンプ８３が配置されている。蓄熱水ポンプ８３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、熱交換器７０での交換熱量に応じて蓄熱水ｈの流量を調整することができるように構成されている。蓄熱水ポンプ８３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

貯湯槽８０は、頂部に温度が高い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口が、底部に温度が低い蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口が形成されている。上述のように、貯湯槽８０の蓄熱水導入口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導出口には蓄熱水管８５が接続されている。熱交換器７０で燃料電池３０の排熱を受熱した蓄熱水ｈは蓄熱水管８４を通って貯湯槽８０に流入し、貯湯槽８０に燃料電池３０の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽８０に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。さらに貯湯槽８０の上部には、温水ｗ１を導出する熱負荷温水導出口が設けられており、この熱負荷温水導出口から給湯や暖房等の熱需要で利用されるために温水ｗ１が導出される。また、貯湯槽８０の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補う補給水導入口が設けられている。補給水導入口からは補給水ｗ２が導入される。

制御装置３６は、燃料電池システム１０の運転を制御する。制御装置３６は、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９から吐出される流体の流量を制御する。また、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３に信号を送信して発停を制御すると共に、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３から吐出される流体の流量を制御する。なお、各ブロワ２８、２９及び各ポンプ７３、８３に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置３６は、パワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０における発電電流を設定する。また、制御装置３６は、各弁６１〜６７（６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ、６４Ｄを含む）、７１、７２とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置３６は、開閉器４３に信号を送信して電気ヒータ１３への通電の有無を制御する。また、制御装置３６は、改質部２５の温度を検出する温度検出器（不図示）と信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。なお、排水弁７９ｖは、典型的には手動で開閉されるが、制御装置３６と信号ケーブルで接続され、開閉信号を受信して弁の開閉動作がされるように構成されていてもよい。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。停止している燃料電池システム１０の運転を開始するには、燃料ブロワ２８を起動して燃焼部２３に燃焼用燃料ｍ２を供給すると共に空気ブロワ２９を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給する。このとき、燃焼燃料弁６６は開、その他の弁６１〜６５、６７は閉となっている。燃焼部２３で燃焼用燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、原料弁６５を開にして原料ｍ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。改質部２５には改質用水（不図示）も導入され、燃焼部２３から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。なお、運転開始当初の改質ガスｇの組成が安定していないときは、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させてもよい。

改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置３６が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置３６は、遮断弁６４Ａ及び遮断弁６７を開にする。これによって燃料電池３０のカソード３２に加湿器３８で加湿された酸化剤ガスｔが導入される。燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。燃料電池３０は、作動中は温度が高温（例えば８０℃）になっているため、カソード３２で生成された水分の多くは水蒸気としてカソードオフガスｑに含まれる。

燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ３４で交流電力に変換されて電力負荷９８に、及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３、各弁６１〜６７、７１、７２に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、電力負荷９８及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３、各弁６１〜６７、７１、７２の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ３４で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置３６により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。不足分の電力は、商用電源９９から交流電力の供給を受ける。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼用燃料ｍ２を燃焼部２３に導入する。燃焼部２３における燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス管５９を介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５４Ｑを介して系外に排出される。

上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置３６は、遮断弁７１、７２を開にする（閉になっていた場合）と共に冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３を起動して冷却水ｃ及び蓄熱水ｈを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度に維持される。冷却部３３から導出された冷却水ｃは熱交換器７０に向かって流れ、熱交換器７０に導入される。なお、電気ヒータ１３が作動しているときは、冷却部３３から導出されたときの温度からさらに温度が上昇して熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された冷却水ｃは、蓄熱水ｈと熱交換して温度が低下し、再び冷却部３３に導入され、以降は上述のサイクルを続ける。

他方、熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇する。温度が上昇した蓄熱水ｈは熱交換器７０から導出されて貯湯槽８０に向かって流れ、典型的には上部から貯湯槽８０に流入する。貯湯槽８０に流入した蓄熱水ｈは、給湯や暖房等の熱需要（不図示）で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽８０内は、蓄熱水ｈの密度差により、上部に温度が高い水が、下部に温度が低い水が貯留されて温度成層が形成される。貯湯槽８０内に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度の高い水が温水ｗ１として熱需要（不図示）に供給され、温水ｗ１の熱が消費される。このように燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１０の効率が向上することとなる。熱需要（不図示）に供給された温水ｗ１は、熱が利用されて温度が低下した後に貯湯槽８０の下部に戻される。あるいは、温水ｗ１の熱だけでなく温水ｗ１自体が消費される場合は、減少した分の水を補給水ｗ２として外部（例えば市水等）から貯湯槽８０の下部に導入する。これにより、貯湯槽８０の下部に温度が低い水が貯留される。貯湯槽８０下部の温度が低い蓄熱水ｈは、蓄熱水管８５を流れて熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇し、熱交換器７０から導出される。

運転している燃料電池システム１０を停止するには、遮断弁６４Ａを閉じてカソード３２への酸化剤ガスｔの供給を停止すると共に、カソードオフガス管５４Ｑの遮断弁６７を閉じてカソード３２を密封する。また、各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３を停止し、既に閉になっている遮断弁６４Ａ、６４Ｃ及び遮断弁６７以外の各弁６１〜６６のうち開になっている弁を閉にする。なお、遮断弁７１、７２は開のままとなっている。

燃料電池システム１０が停止しているときの燃料電池３０の温度は、停止直後は運転時の温度に近いが、時間の経過と共に周囲環境温度に近づくように下がっていく。燃料電池３０の温度が低下すると、カソード３２に封入されているカソードオフガスｑに含まれる水蒸気が凝縮し、液体の水となってカソード３２内に溜まる。カソード３２内に残留している水分が凍結すると、燃料電池３０の固体高分子膜（電解質膜）の破壊に至る可能性が高くなる。このような不都合を回避すべく、凍結防止ヒータ（不図示）を作動させてカソード３２内の残留水を凍結させないようにするのが好ましい。つまり、燃料電池システム１０の停止時も常に商用電源９９から電力の供給を受けられる場合は、エネルギー消費量が大きい水抜きをするよりも、凍結防止ヒータ（不図示）を作動させる方がよい。しかし、外出等で長期にわたって燃料電池システム１０を作動させる予定がない場合は、その間に停電が生じて商用電源９９からの電力供給が受けられなくなる可能性をも考慮すると、水抜きをするのが好ましい。このとき、カソード３２の残留水を、常温・常湿の空気の圧力で除去しようとすると所要時間が長くなってエネルギー消費量が多くなってしまう。さらに、除水に使用した空気の温度及び／又は湿度が異なるとカソード３２内の乾燥状態が異なって電解質膜に損傷を与える可能性があるため、これらの不都合を回避すべく、以下に説明するような除水処理をするとよい。また、冷却部３３の凍結防止のために冷却水ｃも抜くとよい。

図２は、燃料電池システム１０が停止している状態から除水を行う手順を説明するフローチャートである。まず、電気ヒータ１３に通電するように開閉器４３を切り替えると共に冷却水ポンプ７３を起動する（Ｓ１）。このとき、蓄熱水ポンプ８３は起動していない。典型的には、冷却水管７４、７５を循環する冷却水ｃが６０℃以上になるように電気ヒータ１３の出力が調節される。冷却部３３を流れる冷却水ｃが昇温すると、カソード３２の温度も上昇する。カソード３２の温度が上昇すると、カソード３２内に封入されているガスの飽和水蒸気量が増加するため、カソード３２に残留している液体の水の少なくとも一部は蒸発する。ゆえに、このカソード３２の温度を上昇させる工程は水蒸気化工程といえる。

次に、遮断弁６４Ｂ及び遮断弁６７を開にすると共に空気ブロワ２９を起動する（Ｓ２）。遮断弁６４Ｂを開にするので、カソード除水空気ｒ１は、加湿器３８を通らずにバイパス空気管５４Ｂを流れてカソード３２に導入される。したがって、カソード３２に導入されるカソード除水空気ｒ１の絶対湿度は大きくなることはない。カソード除水空気ｒ１をカソード３２に導入するタイミングは、冷却水ｃの温度が所定の温度（例えば６０℃）以上に上昇してからとするとよい。所定の温度の冷却水ｃが冷却部３３に導入されると、カソード３２及びアノード３２も実質的に所定の温度（伝熱ロス分低いほぼ所定の温度）となる。このように、所定の温度はカソード３２の除水に適した温度である。カソード３２が所定の温度に上昇したことは、電気ヒータ１３に通電を開始してからカソード３２が所定の温度に至るまでの時間を予め計測しておき、この予め計測した時間が経過したか否かを把握することにより判断することができる。カソード３２が昇温すると、昇温前よりも相対湿度が低下するため、カソード３２に封入されていたカソードオフガスｑが含むことができる水分の量が増加する。そして、カソード３２が所定の温度以上となってカソード３２にカソード除水空気ｒ１が導入されると、カソード３２に封入されていたカソードオフガスｑが押し出されるようにカソード３２から排出される。このとき、カソード３２の残留水から蒸発してカソードオフガスｑに含まれていた水分もカソード３２から除去される。このように、残留水を気体にして排出することで、液体の水のままカソード除水空気ｒ１の動圧で排出するのに要するエネルギーよりも大幅に少ないエネルギーで排出することができる。

なお、カソード３２の温度によっては残留水のすべてが蒸発せずに液体の水のままカソード３２に残留することとなる。しかし、カソード除水空気ｒ１をカソード３２に導入し続けると、カソード除水空気ｒ１はカソード３２で暖められ温度が上昇して飽和水蒸気量が増加する（相対湿度が低下する）ため、残留水の蒸発を促し、残留水を水蒸気にしてカソード３２から排出することができる。また、凍結防止対策を施す場面では、カソード除水空気ｒ１の温度は低いことが多く、氷点下の場合もある。しかし、所定の温度以上のカソード３２に導入させることでカソード除水空気ｒ１の温度が上昇するため燃料電池３０の凍結を防ぐことができる。他方、温度が低い空気（カソード除水空気ｒ１）は絶対湿度が低いため、温度を上昇させたとき新たに水蒸気として含ませることができる水分量が多くなり、供給するカソード除水空気ｒ１の圧力（動圧）でカソード３２の残留水を除去しようとする際に使用するエネルギーよりも少ないエネルギーで、より多くの水分をカソード３２から排出することができる。カソード除水空気ｒ１は外気であってもよい。

空気ブロワ２９を起動したら、カソード３２の除水が完了したか否かを判断する（Ｓ３）。カソード３２の除水が完了したか否かは、典型的には試運転の結果や過去の除水運転の経験に基づいて判断される。カソード３２の除水が完了していない場合は再びカソード３２の除水が完了したか否かを判断する工程（Ｓ３）に戻る。他方、カソード３２の除水が完了している場合は、電気ヒータ１３への通電を遮断するように開閉器４３を切り替えると共に冷却水ポンプ７３を停止する（Ｓ４）。その後、空気ブロワ２９を停止すると共に遮断弁６４Ｂ及び遮断弁６７を閉にする（Ｓ５）。以上でカソード３２の除水運転が終了する。本実施の形態では、引き続き冷却部３３の除水も行う。

まず、排水弁７９ｖを開にして、冷却水管７４、７５系統の冷却水ｃを排水する（Ｓ６）。排水弁７９ｖを開にすると、冷却水ｃは重力の作用により冷却水管７４、７５から排出される。冷却水管７４、７５に冷却水ｃが残留する場合は、冷却水ポンプ７３を起動して排水させてもよい。冷却水ｃを排水したら、遮断弁６４Ｃを開に、遮断弁７２を閉にすると共に空気ブロワ２９を起動する（Ｓ７）。すると、空気が冷却部除水空気ｒ２として冷却水管７５、冷却部３３及び冷却水管７４に供給され、排水管７９から排気される。このとき、冷却部３３に残留していた冷却水ｃが蒸発して排出される。このときの冷却部３３に残留していた冷却水ｃは、カソード３２の除水運転で所定の温度に昇温されていたため蒸発しやすい状態になっており、冷却水ｃが昇温されていない場合よりも少ないエネルギーで水分を冷却部３３から排出することができる。

空気ブロワ２９を起動したら、冷却部３３の除水が完了したか否かを判断する（Ｓ８）。冷却部３３の除水が完了したか否かは、典型的には試運転の結果や過去の除水運転の経験に基づいて判断される。冷却部３３の除水が完了していない場合は再び冷却部３３の除水が完了したか否かを判断する工程（Ｓ８）に戻る。他方、冷却部３３の除水が完了している場合は、空気ブロワ２９を停止すると共に遮断弁６４Ｃ及び排水弁７９ｖを閉にする（Ｓ９）。以上で冷却部３３の除水運転が終了する。

なお、図２のフローチャートにおいて、冷却部３３の除水完了後、続けてイオン交換樹脂塔７７の除水を行うこととしてもよい。イオン交換樹脂塔７７の除水を行う場合は、図２のフローチャートにおいて、冷却部３３の除水が完了したか否かを判断する工程（Ｓ８）で除水が完了している場合に、工程Ｓ９に進む前に、遮断弁７２を開にすると共に遮断弁７１を閉にする。すると、冷却部除水空気ｒ２が、冷却水管７５、イオン交換樹脂塔７７及び冷却水管７４に供給され、排水管７９から排気される。このとき、イオン交換樹脂塔７７に残留していた冷却水ｃも、冷却部３３の除水の場合と同様、カソード３２の除水運転で所定の温度に昇温されていたため蒸発しやすい状態になっており、冷却水ｃが昇温されていない場合よりも少ないエネルギーで水分をイオン交換樹脂塔７７から排出することができる。そして、イオン交換樹脂塔７７の除水が完了した後に工程Ｓ９に進むことになる。

以上で説明したカソード３２の除水運転及び冷却部３３（場合によりイオン交換樹脂塔７７も）の除水運転における、電気ヒータ１３への作動、空気ブロワ２９及び冷却水ポンプ７３の発停、各弁６４Ｂ、６４Ｃ、６７、７１、７２、７９ｖの作動は、制御装置３６からの指令により行われることとしてもよく、全部又は一部の作動を手動で行うこととしてもよい。特に、遮断弁７１、７２、排水弁７９ｖの操作、カソード３２の除水運転の開始及び冷却部３３の除水運転の開始の指令は、手動で行うとよい。このとき、手動で操作する弁は、アクチュエータを有しない手動弁（例えば、手動で開閉操作するハンドルがついたゲートバルブやグローブバルブ等）を用いてもよい。特に、遮断弁７１、７２をアクチュエータを有しない手動弁とすると、イオン交換樹脂塔７７のメンテナンスを行う場合に、基板操作をせずに弁を閉にすることができ、これにより冷却水ｃを抜かずにメンテナンスを行うことが可能となるため好ましい。

以上の説明では、カソード３２の除水運転に引き続き冷却部３３（場合によりイオン交換樹脂塔７７も）の除水運転も行うこととしたが、カソード３２の除水運転が終了した時点で除水運転を終了させることとしてもよい（この場合図２における工程Ｓ６〜Ｓ９は省略される。）。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの系統図である。 カソード及び冷却部の除水を行う手順を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１３ 電気ヒータ
２９ 空気ブロワ
３０ 燃料電池
３１ アノード
３２ カソード
３３ 冷却部
３６ 制御装置
３８ 加湿器
５４Ａ 酸化剤ガス管
５４Ｂ バイパス空気管
７３ 冷却水ポンプ
７４、７５ 冷却水管
９９ 商用電源
ｃ 冷却水
ｇ 改質ガス
ｔ 酸化剤ガス
ｒ１ カソード除水空気
ｒ２ 冷却部除水空気

Claims (7)

1. 水素含有ガスを導入するアノードと酸素含有ガスを導入するカソードとを有し、前記水素含有ガス中の水素と前記酸素含有ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し発熱して水が生成される燃料電池と；
   前記燃料電池の発電が行われているときに前記燃料電池で発生した熱を奪う冷却水を流す冷却水ラインと；
   前記冷却水ライン内の前記冷却水を前記燃料電池に供給する冷却水ポンプと；
   前記冷却水ラインに配設され、前記冷却水ラインを流れる前記冷却水を昇温する昇温器と；
   前記カソードに空気を供給する第１の送風機と；
   前記燃料電池の発電が行われていない状況で、前記冷却水を熱媒体として前記燃料電池を昇温しつつ前記カソードに空気を供給する除水運転をするように、前記昇温器、前記冷却水ポンプ及び前記第１の送風機を稼働させる制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電が行われているときに前記第１の送風機から供給された空気を前記酸素含有ガスとして前記カソードに導く酸素含有ガスラインであって、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器を有する酸素含有ガスラインと；
   前記除水運転をするときに前記第１の送風機から供給された空気を前記加湿器を経由せずに前記カソードへと導くバイパスラインとを備える；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記昇温器が、前記燃料電池及び商用電源に電気的に接続された電気ヒータであって、前記燃料電池で発電した電力が前記商用電源に逆潮流することを防ぐために前記燃料電池で発電した余剰電力を消費する逆潮流防止電気ヒータを兼ねる；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却水ライン内に空気を供給する第２の送風機を備え；
   前記制御装置が、前記燃料電池が所定の温度に昇温した後に前記冷却水ライン内に空気を供給するように、前記第２の送風機を制御する；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱して水が生成される燃料電池であって酸素含有ガスを導入するカソードを有する燃料電池の発電が行われていないときに、前記燃料電池を昇温して前記カソード内の水分を気化させる水蒸気化工程と；
   前記カソードに空気を供給して前記水蒸気化工程で気化させた水分を前記燃料電池から排出する水蒸気排出工程とを備える；
   燃料電池の除水方法。
6. 前記燃料電池が前記発熱を除去する冷却水を導入する冷却部を有し；
   前記水蒸気化工程が、加熱した前記冷却水を前記冷却部に供給することにより前記燃料電池を昇温するように構成され；
   前記水蒸気化工程の後に、前記冷却水を前記冷却部から排出する冷却水排出工程を備える；
   請求項５に記載の燃料電池の除水方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の燃料電池の除水方法を実行する制御装置を備える；
   燃料電池システム。

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