JP2010113967A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路での気泡の滞留を抑制して、燃料電池の温度調整の安定化を図る。
【解決手段】熱電併給装置１に、燃料電池４と、冷却水を貯えた冷却水タンク６と、燃料電池内冷却水流路４ａを含み冷却水タンク６の出口６ａと入口６ｂにそれぞれ始端と終端とが接続された冷却水流路５とを備え、冷却水流路５の始端及び終端のうちいずれか一方又は両方が冷却水流路５の最も上部に位置するようにした。さらに、冷却水タンク６を燃料電池４よりも上方に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の冷却機構に関する。

燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により、電気と水と熱とを発生する装置である。燃料電池は、燃料の持つ化学的エネルギを力学的エネルギに変換することなく直接電気エネルギとして取り出せることと、発電の際に発生する熱を取り出して利用することから、熱機関を用いた発電と比較して発電と熱供給を併せた総合熱効率が高く、環境に優しいエネルギ源として発展が期待されている。

一般的に、燃料電池システムは、燃料電池を具備する発電ユニットと、発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを具備する電力変換ユニットと、発電の際に発生する熱を回収し温水として蓄える貯湯タンクを具備する貯湯ユニットとを、備えている。燃料電池システムでは、これらの各ユニットが各々別の筐体に収容されている形態のもの（特許文献１の図４、参照。）や、全てのユニットが１つの筐体に収容されている形態のもの（特許文献１の図１、参照。）が知られている。

特許文献１の図１には、燃料電池、水素生成器、及び補助装置ユニットから成る発電ユニットと、電力変換ユニットと、貯湯ユニットと、制御装置とが１つの筐体に収容された燃料電池システムが開示されている。そして、筐体内において、上から順に燃料電池、水素生成器、及び補助ユニットが階層的に配置されている。ここで、補助装置ユニットは、水素生成器や燃料電池からの熱を熱回収水によって回収する熱回収装置と、燃料電池を冷却水により冷却する冷却装置とを備えている。一般に、冷却装置は、冷却水が流れる冷却水流路を備えており、この冷却水流路には、燃料電池内に形成された燃料電池内冷却水流路が含まれており、燃料電池内に冷却水が導通されることによって、燃料電池が冷却される。
特開２００５−３２４６１号公報

上記のような燃料電池システムの冷却装置において、燃料電池を冷却することによって冷却水の温度が上昇すると、溶存酸素の溶け込み量が小さくなって、冷却水中に気泡が生じることがある。このようにして冷却水中に生じた気泡は、冷却効率を著しく低下させることが知られている。

特に、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池と、その下方に配置された冷却装置との間を循環するように冷却水流路が配管されていることから、冷却水中に生じた気泡は、冷却水流路の上部に位置する燃料電池近傍に滞留してしまい、これにより、燃料電池内を流れる冷却水流量に変動が生じて、燃料電池の温度調整が不安定となる虞がある。

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あって、燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路での気泡の滞留を抑制して、燃料電池の温度調整を安定化し、システムの安定した運転を行うことを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、冷却水を貯えた冷却水タンクと、前記燃料電池内に設けた燃料電池内冷却水流路を含み前記冷却水タンクの出口と入口にそれぞれ始端と終端とが接続された冷却水流路とを備え、前記冷却水流路の始端及び終端のうちいずれか一方又は両方が前記冷却水流路の最も上部に位置しているものである。ここで、前記冷却水タンクは、前記燃料電池よりも上方に配置されていることが望ましい。

上記構成の燃料電池システムでは、冷却水タンクに接続された冷却水流路の始端及び終端のうちいずれか一方又は両方が冷却水流路の最も上部に位置しているため、冷却水流路を流れる冷却水から発生した気泡は冷却水タンクに捕集され、冷却水流路における気泡の滞留を抑制することができる。これにより、燃料電池の温度調整がより安定化し、システムの安定した運転に寄与することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記冷却水タンクは、貯えられた冷却水の上方に、ガス空間を有するとともに、前記ガス空間が大気と連通するように構成されていることがよい。これにより、冷却水で発生した気泡は、冷却水タンクに捕集されたのち、ガス空間から大気中へ放出される。

さらに、前記燃料電池システムにおいて、前記冷却水タンクは、前記ガス空間と前記冷却水タンクの大気とを連通する通気路を備えることができる。これにより、冷却水タンクのガス空間は、大気開放されることとなり、冷却水タンクの内圧が過度に上昇し、冷却水流路内の気泡がガス空間に抜けにくくなるのを抑制することができる。

或いは、前記燃料電池システムにおいて、前記冷却水タンクは、前記ガス空間と前記冷却水タンクの外部とを連通する通気路と、前記冷却水タンク内が所定圧以上となった場合に前記通気路を開放する圧抜き器とを備えることができる。これにより、冷却水タンク内の内圧が過度に上昇し、冷却水流路内の気泡がガス空間に抜けにくくなるのを抑制することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記冷却水流路は、下り勾配から上り勾配に変化する勾配転換部を、前記燃料電池内冷却水流路を除いて一カ所だけ有していることが望ましい。これにより、勾配転換が繰返されることによる生じる気泡の滞留場所が低減されるので、冷却水流路への気泡の滞留を抑制することができる。

また、前記冷却水流路は、前記冷却水流路のうち前記燃料電池内冷却水流路を除いて最も下方に位置する箇所又はその近傍に水抜き部を備えることができる。或いは、前記冷却水流路は、前記勾配転換部又はその近傍に水抜き部を備えることができる。これにより、メンテナンス時等に水抜き部を開放させることにより、冷却水流路及び冷却水タンクから冷却水の大半を容易に取り除くことができる。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、冷却水タンクに接続された冷却水流路の始端及び終端のうちいずれか一方又は両方が冷却水流路の最も上部に位置しているため、冷却水流路を流れる冷却水から発生した気泡は冷却水タンクに捕集され、冷却水流路における気泡の滞留を抑制することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る燃料電池システム２１を備えた熱電併給装置１の概要から説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを備えた熱電併給装置の概略構成を示す正面図、図２は燃料電池システムの概略構成を示す平面図、図３は冷却水タンクの通気路から排出された水を凝縮水タンクに戻すための構成を示す図である。なお、図１では筐体の正面壁を、図２では筐体の天面壁を、それぞれ透過して見た様子が示されている。

〔熱電併給装置１の構成〕
図１に示すように、熱電併給装置１は、一つの筐体２０内に配置された燃料電池システム２１と、筐体２０の外に配置された貯湯タンク２２とで構成されている。燃料電池システム２１は、都市ガスなどの炭化水素系原料と水とを用いて水素を含有した燃料ガスを生成する水素生成器２と、水素生成器２の熱源となる燃焼バーナ３と、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池４と、燃料電池４で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ１１と、燃料電池４の冷却機構と、熱回収機構と、熱電併給装置１の運転を制御する制御装置１２とを備えている。燃料電池４の冷却機構は、冷却水タンク６と、冷却水流路５と、冷却水熱交換器８とを備えている。また、熱回収機構は、貯湯タンク２２と、熱回収流路７と、冷却水熱交換器８と、燃焼排ガス経路９と、燃焼排ガス熱交換器１０とを備えている。

燃料電池システム２１が備えるインバータ１１と冷却水タンク６とは、筐体２０内の最上部に横並びに配置され、これらの下方に、燃料電池４と冷却水熱交換器８とが横並びに配置されている。さらに、燃料電池４及び冷却水熱交換器８よりも下方に、燃焼バーナ３を備えた水素生成器２と燃焼排ガス熱交換器１０とが配置され、水素生成器２の下方に、制御装置１２が配置されている。この制御装置１２は、燃料電池システム２１を含む熱電併給装置１の全体の動作を制御するように構成されている。

さらに、図２に示すように、筐体２０内において、燃料電池４と、燃焼バーナ３を備える水素生成器２とが、上下方向に少なくとも一部が重なるように配置されている。これにより、燃料電池４と水素生成器２の側方にできた空間に冷却水熱交換器８と燃焼排ガス熱交換器１０とを上下に配置することが可能となる。このように冷却水熱交換器８と燃焼排ガス熱交換器１０とを上下に配置することによって、これらの熱交換器８，１０を繋ぐ熱回収流路７の短縮化による熱回収流路７からの放熱量の低減が期待できる。そのうえ、燃料電池４と水素生成器２が占める筐体２０の底面への投影面積を縮小して、筐体２０の底面の狭小化に寄与することができる。

また、筐体２０内において、燃料電池４と、冷却水タンク６とが、上下方向に少なくとも一部が重なるように配置されている。これにより、燃料電池４と冷却水タンク６を接続する冷却水流路５の短縮化による、冷却水流路５からの放熱量の低減が期待できる。そのうえ、冷却水タンク６と燃料電池４とが占める筐体２０の底面への投影面積を縮小して、筐体２０の底面の狭小化に寄与することができる。

ここで、燃料電池４の冷却機構について説明する。熱電併給装置１は、燃料電池４の冷却機構として、冷却水を貯えた冷却水タンク６と、冷却水タンク６の出口と入口にそれぞれ始端と終端とが接続された冷却水流路５と、冷却水流路５を流れる高温の冷却水と後述する熱回収流路７を流れる低温の熱回収水との熱交換を行う冷却水熱交換器８とを、筐体２０内に備えている。冷却水流路５は、燃料電池４内に設けられた燃料電池内冷却水流路４ａを一部分に含んでおり、燃料電池内冷却水流路４ａに冷却水を導通させることによって、燃料電池４を冷却するしくみとなっている。

冷却水タンク６には、貯留された冷却水の水面よりも上方に気体が滞留可能なガス空間６１が設けられている。具体的には、冷却水タンク６の冷却水の水位が、冷却水タンク６の上部にガス空間６１が形成されるように設定されている。そして、この冷却水タンク６内のガス空間６１と、大気に開放されている筐体２０の内部空間とは、通気路６２で連通されている。つまり、冷却水タンク６内のガス空間６１は大気と連通するように構成されている。

冷却水タンク６に設けた通気路６２は、冷却水タンク６の壁面に設けた孔で形成してもよいし、冷却水タンク６の壁面に挿通された管部材で形成してもよい。さらに、この通気路６２には、冷却水タンク６内が所定圧以上となった場合に通気路６２を開放する圧抜き器６３を設けることができる。ここで、圧抜き器６３は、例えば、リリーフバルブで構成することができる。或いは、圧抜き器６３は、例えば、冷却水タンク６内の圧力を検出する圧力センサと制御装置１２の制御を受けて動作する電磁弁とで構成することもできる。このように通気路６２に圧抜き器６３を備えることにより、冷却水タンク内で蒸発した水の大気への排出を抑制しながらも、ガス空間６１が所定圧以上となった場合に通気路６２を通じてガス空間６１の気体を排出することができる。

冷却水タンク６に貯留された冷却水は、冷却水タンク６の内部と、これに連通された冷却水流路５とを循環する。冷却水流路５は、冷却水タンク６の出口６ａと冷却水熱交換器８の高温側入口とを接続する第一接続流路５ａと、冷却水熱交換器８内の高温側流路８ａと、冷却水熱交換器８の高温側出口と燃料電池４の入口とを接続する第二接続流路５ｂと、燃料電池内冷却水流路４ａと、燃料電池４の出口と冷却水タンク６の入口６ｂとを接続する第三接続流路５ｃとで、構成されている。なお、本実施の形態において、各接続流路５ａ，５ｂ，５ｃは、何れも配管で構成されている。さらに、冷却水流路５の第二接続流路５ｂには、冷却水流路５に冷却水を循環させるために冷却水を圧送するポンプ２５が設けられ、第三接続流路５ｃには、冷却水流路５を流れる冷却水を熱不足時に燃料電池４の余剰電力を用いて予備的に加温するための予備ヒータ２６が設けられている。OLE_LINK1なお、上記余剰電力とは、燃料電池４から出力される電力から電力負荷に供給される電力を引いた残りの電力を指す。

この冷却水流路５において、冷却水タンク６の出口６ａから流出した冷却水は、第一接続流路５ａ、冷却水熱交換器８の高温側流路８ａ、第二接続流路５ｂ、燃料電池内冷却水流路４ａ、及び第三接続流路５ｃを順に通って、冷却水タンク６の入口６ｂから冷却水タンク６内に還流する。

ここで、冷却水流路５の始端（つまり、冷却水タンク６の出口６ａ）及び終端（つまり、冷却水タンク６の入口６ｂ）のいずれか一方又は両方は、冷却水流路５において最も高い位置に配置されている。このように、冷却水流路５内に発生した気泡が滞留しやすい冷却水流路５の最も高い位置が冷却水タンク６と接続されているため、冷却水流路５内の気泡が冷却水タンク６に捕集され、冷却水流路における気泡の滞留を抑制することができる。さらに、冷却水タンク６に捕集された気泡は、通常、ガス空間６１に抜けていくために、冷却水タンク６に捕集されたガスが冷却水流路５内に再度戻り、冷却水経路５内の冷却水流量が変動する可能性が抑制される。

また、冷却水タンク６の下方に燃料電池４と冷却水熱交換器８とが横並びに配置されていることから、第一接続流路５ａを流れる冷却水の鉛直方向運動成分は下向きであり、第二接続流路５ｂを流れる冷却水の鉛直方向運動成分は下向きと上向きであり、第三接続流路５ｃを流れる冷却水の鉛直方向運動成分は上向きである。つまり、冷却水流路５の第二接続流路５ｂには、冷却水の流れの鉛直方向運動成分が下方向から上方向に変わる部位、換言すれば、冷却水流路５が下り勾配から上り勾配に転換する部位（以下、「勾配転換部位」という。）が含まれている。

このように、冷却水流路５では、特に、燃料電池４を冷却することにより暖められた冷却水が流れ込む第三接続流路５ｃに気泡が発生しやすいが、冷却水タンク６が燃料電池４より上方に配置されるとともに、冷却水流路５において冷却水タンク６が燃料電池４の燃料電池内冷却水流路４ａより下流に配置されていることから、第三接続流路５ｃで発生した気泡は水流と自身の浮力とにより冷却水タンク６内に流入するので、より効率的に冷却水中の気泡の除去が行われる。

さらに、冷却水流路５の勾配転換部位は、燃料電池内冷却水流路４ａを除く冷却水流路５において一カ所だけ設けられている。これにより、冷却水流路５内の冷却水から気泡が発生しても、勾配転換が繰替えされることにより生じる気泡の滞留場所（特に、上り勾配から下り勾配に変化する勾配転換部）が低減されるので、冷却水流路５に気泡が留まることを抑制することができる。

なお、冷却水流路５の勾配転換部位に、水抜き部として開閉弁３０を設けることができる。本実施の形態では、開閉弁３０は、冷却水流路５の勾配転換部位であって、燃料電池内冷却水流路４ａを除く冷却水流路５の最下点となる場所に設けられている。この開閉弁３０は、通常は閉じられており、冷却水熱交換器８や冷却水流路５のメンテナンスを行う際に、冷却水流路５内の冷却水の大部分を抜き取るために開放するものである。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、冷却水流路５の最下点に設けられている勾配転換部位に開閉弁３０が設けられている。なお、冷却水流路５の最下点となる位置に開閉弁３０を設けることが望ましいが、冷却水流路５の勾配転換部位であって最下点の近傍であれば、冷却水を抜き取り易いという効果が得られる。また、冷却水流路５が下り勾配から上り勾配に転換する部位である勾配転換部位が、本実施の形態のように、冷却水経路５の最下点に位置していなくても、本部位は、通常冷却水流路５の最下部またはその近傍に設けられるため、このような場合であっても、本部位に開閉弁３０を設けても構わない。

また、図１に示す冷却水タンク６の通気路６２は、圧抜き器６３が開放されることで、筐体２０内に開放されているが、上記圧抜き器６３を設けずに、この通気路６２が、大気開放されたタンクと連通するよう構成されることで、冷却水タンク６内のガス空間６１が大気と連通するよう構成されていても構わない。例えば、図３に示すように、燃料電池４より排出される排気燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる燃料側凝縮器４２と、燃料電池４から排出される排気酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる空気側凝縮器４３と、燃料側凝縮器４２と空気側凝縮器４３とで凝縮した水を蓄える大気に開放された凝縮水タンク４４と、冷却水タンク６へ送る水供給ポンプ４５を設けた水供給路４６と、冷却水タンク６の通気路６２と凝縮水タンク４４とを接続する冷却水排出路４１とを、燃料電池システム２１に備える。この構成において、通気路６２は、凝縮水タンク４４に接続するよう構成されているため、本通気路６２及び凝縮水タンク４４を介してガス空間６１は大気開放される。従って、通気路６２に圧抜き器６３を設けて大気と連通するよう構成した場合に比べ、よりガス空間６１内の内圧上昇が抑制されるため、冷却水タンク６に流入した冷却水中に含まれる気泡は、よりスムーズにガス空間６１に抜けるため、冷却水流路５内の冷却水流量の変動がより抑制される。

ここで、熱回収機構について説明する。熱電併給装置１は、以下に説明する熱回収機構によって、燃料電池４で発生した熱と、燃焼バーナ３の排熱とを回収できるように構成されている。

熱電併給装置１は、熱回収機構として、熱回収用の水（熱回収水）を貯えた貯湯タンク２２と、貯湯タンク２２に両端が接続された熱回収流路７と、冷却水流路５を流れる高温の冷却水と熱回収流路７を流れる低温の熱回収水との熱交換を行う冷却水熱交換器８と、燃焼バーナ３から排出される燃焼排ガスを熱電併給装置１の筐体２０外へ排出する燃焼排ガス経路９と、燃焼排ガス経路９内の燃焼排ガスと熱回収流路７内の熱回収水との間で熱交換をする燃焼排ガス熱交換器１０とを、備えている。燃焼排ガス経路９は、燃焼バーナ３の出口と燃焼排ガス熱交換器１０の高温側入口とを接続する第一接続流路９ａと、燃焼排ガス熱交換器１０の高温側流路１０ａと、燃焼排ガス熱交換器１０の高温側出口から排出される燃焼排ガスを筐体２０の外へ排出する燃焼排ガス排出流路９ｂとで、構成されている。なお、図１に示す貯湯タンク２２は、燃料電池システム２１が収容された筐体２０の外に配置されているが、貯湯タンク２２を筐体２０内に配置することもできる。

貯湯タンク２２に貯留された熱回収水は、貯湯タンク２２の内部と、これに連通された熱回収流路７とを循環する。熱回収流路７は、貯湯タンク２２の下部に設けられた出口２２ａと、燃焼排ガス熱交換器１０の低温側入口とを接続する第一接続流路７ａと、燃焼排ガス熱交換器１０の低温側流路１０ｂと、燃焼排ガス熱交換器１０の低温側出口と冷却水熱交換器８の低温側入口とを接続する第二接続流路７ｂと、冷却水熱交換器８の低温側流路８ｂと、冷却水熱交換器８の低温側出口と貯湯タンク２２の上部に設けられた入口２２ｂとを接続する第三接続流路７ｃとで、構成されている。本実施の形態において、各接続流路７ａ，７ｂ，７ｃは、何れも配管で構成されている。

上記構成の熱回収流路７において、下方から、貯湯タンク２２の出口、燃焼排ガス熱交換器１０、冷却水熱交換器８、及び貯湯タンク２２の入口の順に位置しているので、第一接続流路７ａを流れる熱回収水の鉛直方向運動成分は上向きであり、第二接続流路７ｂを流れる熱回収水の鉛直方向運動成分は上向きであり、第三接続流路７ｃを流れる熱回収水の鉛直方向運動成分は上向きである。この熱回収流路７を流れる熱回収水は、燃焼排ガス熱交換器１０で熱交換により加熱されたのち、さらに、燃焼排ガス熱交換器１０の上方に配置された冷却水熱交換器８で熱交換により更に加熱される。ここで、熱回収流路７の燃焼排ガス熱交換器１０及び冷却水熱交換器８を流れる熱回収水の鉛直方向運動成分は上向きであり、熱回収流路７で発生した気泡は自身の浮力および熱回収水の循環によって熱回収流路７から排出される。よって、燃焼排ガス熱交換器１０及び冷却水熱交換器８を含む熱回収流路７に、気泡が滞留することを抑制できる。

また、熱回収流路７において、燃焼排ガス熱交換器１０、冷却水熱交換器８は上下方向に少なくとも一部が重なるように配設されているため熱回収流路７の経路長を短縮することができる。よって、熱回収流路７からの放熱量を低減して、熱回収量をより向上させることができる。

なお、一般的に熱電併給装置１では、燃焼排ガス経路９で回収可能な熱量と比較して、冷却水流路５で回収可能な熱量が多い。よって、熱電併給装置１では、熱回収流路７の上流側に燃焼排ガス熱交換器１０を、下流側に冷却水熱交換器８を配置することによって、熱回収の効率を向上させている。さらに、冷却水熱交換器８と燃焼排ガス熱交換器１０とにおいて、低温側流路８ｂ，１０ｂと高温側流路８ａ，１０ａとを流れる流体の向きが対向するように流路を形成することによって、熱回収の効率を向上させている。

〔熱電併給装置１の動作〕
次に、熱電併給装置１の発電時の動作について説明する。なお、熱電併給装置１の動作は、制御装置１２の制御により遂行される。

まず、熱電併給装置１の発電時の発電に係る動作について説明する。水素生成器２は、都市ガスなどの炭化水素系原料、改質水、及び空気の供給を受けて、水素を含有した燃料ガスを生成する。水素生成器２により生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路２７を通じて燃料電池４に供給される。燃料電池４は、酸化剤ガス供給路２８を通じて供給された酸化剤ガス（空気）と燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、直流電力を発電する。燃料電池４で発電された直流電力はインバータ１１で交流に変換されて、外部の電力負荷に供給される。

次に、熱電併給装置１の発電時の熱回収に係る動作について説明する。冷却水タンク６に貯留されている冷却水は、冷却水流路５の第二接続流路５ｂを通じて燃料電池内冷却水流路４ａに供給され、燃料電池４を冷却する。燃料電池４を冷却する際に高温となった冷却水は、第三接続流路５ｃを通じて冷却水タンク６に流入する。冷却水タンク６に流入した高温の冷却水は、第一接続流路５ａを通じて冷却水熱交換器８の高温側流路８ａへ供給される。冷却水熱交換器８では、冷却水流路５を流れる高温の冷却水と、熱回収流路７を流れる低温の熱回収水とが熱交換して、冷却水が冷却される。低温となった冷却水は、冷却水流路５の第二接続流路５ｂを通じて燃料電池内冷却水流路４ａに再び供給される。

一方、燃料電池４で発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス供給路２９を通じて燃焼バーナ３に供給され、水素生成器２の加熱に利用される。燃焼バーナ３で発生した燃焼排ガスは第一接続流路９ａを通じて燃焼排ガス熱交換器１０の高温側流路１０ａに供給される。燃焼排ガス熱交換器１０では、燃焼排ガス経路９を流れる高温の燃焼排ガスと、熱回収流路７を流れる低温の熱回収水とが熱交換して、燃焼排ガスが冷却される。低温となった燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出流路９ｂを通じて筐体２０の外へ排出される。なお、燃焼排ガスの冷却過程で生じる凝縮水は、図示しない凝縮水タンクに蓄水され、水処理の後、水素生成器２で改質水などに利用される。

そして、熱回収流路７を流れるうちに燃焼排ガス熱交換器１０及び冷却水熱交換器８での熱交換により温度が上昇した熱回収水は、第三接続流路７ｃを通じて貯湯タンク２２に還流する。貯湯タンク２２の上部に熱回収水（湯）として回収された熱は、熱負荷に供給されて利用される。

（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２１を備えた熱電併給装置１について説明する。実施の形態２に係る燃料電池システムは、前述の実施の形態１に係る燃料電池システムと比較して、冷却水流路５の構成が異なる。よって、以下では、冷却水流路５について詳細に説明し、他の実施の形態１に係る燃料電池システムと共通する部分の説明は省略する。

図４は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを備えた熱電併給装置の概略構成を示す正面図である。図４に示すように、熱電併給装置１の燃料電池システム２１の筐体２０内において、冷却水タンク６の下方に燃料電池４が配置され、燃料電池４の下方に冷却水熱交換器８が配置されている。

また、冷却水流路２３は、冷却水タンク６の出口と燃料電池４の入口とを接続する第一接続流路２３ａと、燃料電池内冷却水流路４ａと、燃料電池４の出口と冷却水熱交換器８の高温側入口とを接続する第二接続流路２３ｂと、冷却水熱交換器８の高温側流路８ａと、冷却水熱交換器８の高温側出口と冷却水タンク６の入口とを接続する第三接続流路２３ｃとで、構成されている。ここで、第一接続流路２３ａには、冷却水流路２３内の冷却水を循環させるためのポンプ２５が設けられ、第二接続流路２３ｂには、冷却水流路２３を流れる冷却水を燃料電池４の余剰電力を用いて予備的に加温するための予備ヒータ２６が設けられている。なお、上記余剰電力とは、燃料電池４から出力される電力から電力負荷に供給される電力を引いた残りの電力を指す。また、本実施の形態において、各接続流路２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、何れも配管で構成されている。

上記構成の冷却水流路２３において、冷却水タンク６の出口６ａから流出した冷却水は、第一接続流路２３ａ、燃料電池内冷却水流路４ａ、第二接続流路２３ｂ、冷却水熱交換器８の高温側流路８ａ、及び第三接続流路２３ｃを順に通って、冷却水タンク６の入口６ｂから冷却水タンク６内に還流する。

ここで、冷却水流路２３の始端（つまり、冷却水タンク６の出口６ａ）及び終端（つまり、冷却水タンク６の入口６ｂ）のいずれか一方又は両方は、冷却水流路２３において最も高い位置に配置されている。そして、冷却水タンク６の下方に燃料電池４と冷却水熱交換器８とが上下に配置されていることから、第一接続流路２３ａを流れる冷却水の鉛直方向運動成分は下向きであり、第二接続流路２３ｂを流れる冷却水の鉛直方向運動成分は下向きであり、第三接続流路２３ｃを流れる冷却水の鉛直方向運動成分は下向きから上向きに変化する。つまり、冷却水流路２３の第三接続流路２３ｃには、冷却水の流れの鉛直方向運動成分が下方向から上方向に変わる部位、換言すれば、冷却水流路２３が下り勾配から上り勾配に転換する部位（勾配転換部位）が含まれている。

さらに、冷却水流路２３の勾配転換部位は、燃料電池内冷却水流路４ａを除く冷却水流路２３に一カ所だけ設けられている。これにより、冷却水流路２３内の冷却水から気泡が発生しても、勾配転換が繰替えされることにより生じる気泡の滞留場所（特に、上り勾配から下り勾配に変化する勾配転換部）が低減されるので、冷却水流路２３に気泡が留まることを抑制することができる。これにより、燃料電池の温度調整が安定化するので、システムの安定した運転に寄与することができる。

また、本実施の形態２の燃料電池システムにおいては、冷却水熱交換器８を通過後の冷却水が冷却水タンク６に供給されるよう構成されているため、実施の形態１の燃料電池システムのように燃料電池４を通過して冷却水熱交換器８を通過する前の冷却水を貯える場合に比べて、冷却水タンク６内の冷却水温度は低く、その分、放熱を抑制することが可能になる。さらに、本実施の形態２の燃料電池システムは、予備ヒータ２６が、冷却水熱交換器８を通過前の冷却水が流れる冷却水経路（冷却水接続路２３ｂ）に設けられ、予備ヒータ２６で加熱された熱量の一部が冷却水熱交換器８で熱回収された後、冷却水タンク６に貯えられるよう構成されている。従って、実施の形態１の燃料電池システムのように予備ヒータで加熱された冷却水がそのまま冷却水タンクに貯えられる場合に比べて、冷却水タンク内の冷却水温度の低下が図られるため、冷却水タンクからの放熱を抑制することが可能になる。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、その冷却機構として冷却水タンク及び冷却水流路を備えるシステムに広く適用することができる。従って、本発明に係る燃料電池システムは、例えば、エンジン等を用いて発電とともに発生する熱を回収する熱電併給装置等の用途にも応用できる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを備えた熱電併給装置の概略構成を示す正面図である。 燃料電池システムの概略構成を示す平面図である。 冷却水タンクの通気路から排出された気体を回収するための構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを備えた熱電併給装置の概略構成を示す正面図である。

符号の説明

１ 熱電併給装置
２ 水素生成器
３ 燃焼バーナ
４ 燃料電池
５ 冷却水流路
６ 冷却水タンク
７ 熱回収流路
８ 冷却水熱交換器
９ 燃焼排ガス経路
１０ 燃焼排ガス熱交換器
１１ インバータ
１２ 制御装置
２０ 筐体
２１ 燃料電池システム
２２ 貯湯タンク
２３ 冷却水流路
３０ 開閉弁
６１ ガス空間
６２ 通気路
６３ 圧抜き器

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   冷却水を貯えた冷却水タンクと、
   前記燃料電池内に設けた燃料電池内冷却水流路を含み前記冷却水タンクの出口と入口にそれぞれ始端と終端とが接続された冷却水流路とを備え、
   前記冷却水流路の始端及び終端のうちいずれか一方又は両方が前記冷却水流路の最も上部に位置している、
   燃料電池システム。
2. 前記冷却水タンクは、前記燃料電池よりも上方に配置されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却水タンクは、貯えられた冷却水の上方に、ガス空間を有するとともに、前記ガス空間が大気と連通するように構成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却水タンクは、前記ガス空間と前記冷却水タンクの大気とを連通する通気路を備えている、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記冷却水タンクは、前記ガス空間と前記冷却水タンクの大気とを連通する通気路と、前記冷却水タンク内が所定圧以上になった場合に前記通気路を開放する圧抜き器とを備えている、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却水流路は、下り勾配から上り勾配に変化する勾配転換部を、前記燃料電池内冷却水流路を除いて一カ所だけ有している、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記冷却水流路は、前記冷却水流路のうち前記燃料電池内冷却水流路を除いて最も下方に位置する箇所又はその近傍に水抜き部を備えている、
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記冷却水流路は、前記勾配転換部又はその近傍に水抜き部を備えている、
   請求項６に記載の燃料電池システム。

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