JP2017016961A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部から水を供給しなくても燃料電池システムの運転を継続可能であり、カビ菌の繁殖を抑制可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、水循環経路３の冷却水と排ガス経路１の排ガスとを第１熱交換器４で熱交換させて排ガスから凝縮水を水回収手段５に回収する燃料電池システム１００であって、水循環経路３に冷却水を放熱するラジエータ６と、ラジエータ６での冷却水の放熱量を制御する制御器８とを備え、制御器８が、ラジエータ６を通った後の冷却水の温度を第１の所定温度に制御する第１の運転モードと、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度に制御する第２の運転モードとを、切り替えながら運転することにより、カビ菌を繁殖させることなく、燃料電池システム１００内で必要な水を、燃料電池システム１００内で回収した水により賄うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、水素含有ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
燃料電池の発電時の燃料として用いる水素含有ガスは一般的なインフラガスとして整備されていない。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備える。この改質器は、改質反応により、一般的なインフラである都市ガス、天然ガス、あるいはＬＰガスから、水素含有ガスを生成する。改質反応としては、例えば、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。
この水蒸気改質反応は、原料となる都市ガス等と水蒸気とを、Ｎｉ系またはＲｕ系等の貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成する。水蒸気改質反応には、原料だけでなく、水も必要であり、水蒸気改質反応に使用する水を改質水と呼ぶ。
改質水は、改質触媒の劣化を防止するために、純水を用いることが一般的であり、水道水などの市水を用いる場合は、イオン交換樹脂などを用いて、純水にしてから改質器に供給する。
また、改質器を水蒸気改質反応に適した温度にするため、燃焼器によって改質器を加熱している。起動時は、水素生成装置を通流した原料ガスを燃焼器に戻して燃焼させ、燃料電池に水素含有ガスを供給している時は、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器で燃焼させる方法が一般的である。
ところで、燃料電池システムでは、一般的に、改質器での水蒸気改質反応に用いる改質水として、燃料電池システム内部で生成する水蒸気を含んだガスを冷却し、凝縮した水を回収して用いる。
これにより、改質水を全量市水から供給する場合に比べてイオン交換樹脂への負担が軽減され、燃料電池システムの運転に必要なコストを抑制することが可能となる。ただし、凝縮水を回収して貯える燃料電池システムでは、長期間にわたって凝縮水を貯えておくとカビ菌が繁殖し腐敗する可能性があるため、水が腐敗する前に、回収した凝縮水を排出して、新たに市水を供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第４０４００６２号公報
しかしながら、特許文献１で提案されたものでは、凝縮水からカビ菌が繁殖する前に水を入れ替えることで、カビ菌の繁殖による経路詰まりや改質水供給装置の詰まり故障を防止することが出来るが、外部から新たに給水する必要があるため、燃料電池システム外部から新たに菌を燃料電池システム内部に持ち込む可能性が高まり、カビ菌が繁殖し易くなるという課題を有していた。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システム内部で水を回収し、燃料電池システム外部から水を供給しなくても燃料電池システムの運転を継続可能であり、かつ、カビ菌の繁殖を抑制することが可能な燃料電池システム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、本発明の燃料電池システムは、水循環経路の冷却水と排ガスとを第１熱交換器で熱交換させて排ガスから凝縮水を回収する燃料電池システムであって、水循環経路に冷却水を放熱するラジエータを備え、ラジエータを通った後の冷却水の温度を第１の所定温度に制御する第１の運転モードと、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度に制御する第２の運転モードとを、切り替えながら運転するのである。
これにより、燃料電池システム内で必要な水を、燃料電池システム内で回収した水だけで賄いながら、燃料電池システム内でのカビ菌の繁殖を防止することが出来る。
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システム内で必要な水を、燃料電池システム内で回収し賄うことができる。それにより、燃料電池システム内部で水自立を成立させることができる。さらに、燃料電池システム内で水経路の温度をカビ菌が死滅する温度に上昇させることで、カビ菌の繁殖を防止することができる。水自立とカビ菌対策とを両立することで、燃料電池システムの安定した運転を実現できる。
本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャート
第１の発明は、燃料を用いて発電する燃料電池と、排ガスが流通する排ガス経路と、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する水循環経路と、排ガス経路および水循環経路に設けられ、排ガスと冷却水との間で熱交換させる第１熱交換器と、排ガスを第１熱交換器で冷却して生成した凝縮水を回収する水回収手段と、水循環経路に設けられ、冷却水を放熱するラジエータと、水循環経路に設けられ、水循環経路の冷却水を循環させる循環ポンプと、ラジエータでの冷却水の放熱量を制御する制御器と、を備え、制御器が、ラジエータでの放熱量を調整することで、ラジエータを通った後の冷却水の温度を第１の所定温度に制御する第１の運転モードと、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度に制御する第２の運転モードを有し、第１の運転モードと第２の運転モードを切り替えながら運転することを特徴とする燃料電池システムである。
これにより、燃料電池システム内で必要な水量を、燃料電池システム内で回収した水量だけで賄いながら、燃料電池システム内でのカビ菌の繁殖を防止することができる。
第２の発明は、特に、第１の発明における排ガスが、固体酸化物形燃料電池から排出される燃焼排ガスであるものであり、これにより、固体酸化物形燃料電池から排出される燃焼排ガスから回収される水量で燃料電池システム内にて消費される水量を賄いながら、水
回収手段及び水循環経路でのカビ菌の繁殖を防止することができる。
第３の発明は、特に、第１の発明における排ガスが、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置から排出される燃焼排ガスであるものであり、これにより、水素生成装置から排出される燃焼排ガスから回収される水量で燃料電池システム内にて消費される水量を賄いながら、水回収手段及び水循環経路でのカビ菌の繁殖を防止することができる。
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明における制御器が、第２の運転モードとして、ラジエータを通った冷却水の温度を第２の所定温度に一定周期で上げるように運転するものであり、これにより、カビ菌の繁殖を長期的に防止することができる。
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、第１の所定温度を、水回収手段により燃料電池システムの運転に必要な水量を回収可能な温度とし、第２の所定温度を、水循環経路の冷却水、及び、水回収手段により回収された水中のカビ菌が死滅する温度とするものである。
これにより、燃料電池システム内で必要な水量を燃料電池システム内で回収した水量だけで賄いながら、燃料電池システム内でのカビ菌の繁殖を防止することをより確実に行うことができる。
第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明に加えて、水回収手段で得た水を一時的に貯える第１タンクと、この第１タンク内の水残量を検知する水残量検知手段を備え、制御器が、水残量検知手段により検知された水残量が所定量以上の場合において、ラジエータを通った冷却水の温度を第２の所定温度に制御する第２の運転モードで運転するものである。
これにより、カビ菌を殺菌することよりも、燃料電池システム内での水回収を優先することで、燃料電池システム内で水が不足することを防止することができる。
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、制御器が、ラジエータを通った冷却水の温度を第２の所定温度に上げた状態を、カビ菌が死滅する所定時間以上継続させるものであり、これにより、カビ菌をより確実に殺菌することができ、燃料電池システムのカビ菌に対する信頼性を向上させることができる。
第８の発明は、燃料を用いて発電する燃料電池と、排ガスが流通する排ガス経路と、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する水循環経路と、排ガス経路および水循環経路に設けられ、排ガスと冷却水との間で熱交換させる第１熱交換器と、排ガスを第１熱交換器で冷却して生成した凝縮水を回収する水回収手段と、水循環経路に設けられ、冷却水を放熱するラジエータと、水循環経路に設けられ、水循環経路の冷却水を循環させる循環ポンプと、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、ラジエータでの放熱量を調整することで、ラジエータを通った後の冷却水の温度を第１の所定温度にするステップと、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度にするステップと、を有する。
この運転方法により、燃料電池システム内で必要な水を燃料電池システム内で回収した水だけで賄いながら、燃料電池システム内での菌の繁殖を防止することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、排ガス経路１と、固体酸化物形燃料電池２と、水循環経路３と、第１熱交換器４と、水回収手段５と、ラジエータ６と、循環ポンプ７と、制御器８とを備える。
排ガス経路１は、排ガスが流通する経路である。本実施の形態では、排ガス経路１を通流する排ガスを、固体酸化物形燃料電池２から排出される燃焼排ガスとした。
一般的に、固体酸化物形燃料電池２は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、生成した水素含有ガスを燃料として用いて発電する燃料電池とが一体化したホットモジュールとして構成され、燃料電池で使用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させて、改質器及び燃料電池での反応に必要な温度帯を改質器及び燃料電池が維持するためのエネルギーとしている。
そして、燃焼した後の燃焼排ガスは、排ガス経路１を通して固体酸化物形燃料電池２の外部に供給される。
水循環経路３は、排ガス経路１を通して排出される排ガスを冷却するための冷却水が循環する経路である。また、水循環経路３は、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する経路でもある。本実施の形態では、燃料電池である固体酸化物形燃料電池２から排出される排ガスを冷却するために冷却水を用いる。
第１熱交換器４は、排ガス経路１の排ガスと水循環経路３の冷却水とを熱交換させるための熱交換器であり、排ガス経路１と水循環経路３の両方の経路にまたがって設けらる。
水回収手段５は、排ガス経路１を通して第１熱交換器４に供給された排ガスが冷却水により熱交換され冷却されることで生成した凝縮水を回収するものである。本実施の形態での水回収手段５は、凝縮水を貯えるタンクであって、排ガスはタンク内の上部空間を流通して排出され、凝縮水だけがタンク内に貯まるような構成とした。
ラジエータ６は水循環経路３を流れる冷却水が保有する熱を放熱させ冷却する装置である。本実施の形態では、ラジエータ６に別途設けたファン（図示せず）により、燃料電池システム外部から空気を取り込み、取り込んだ空気により冷却水を冷却した上で、温められた空気を燃料電池システム外部に放出するように構成した。
循環ポンプ７は、水循環経路３の冷却水を循環させるポンプである。また、本実施の形態では、循環ポンプ７は水循環経路３上の第１熱交換器の下流で、ラジエータ６の上流に設置した。
制御器８は、ラジエータ６での冷却水の放熱量を制御する装置である。制御器８は、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。
制御器８は、ラジエータ６の放熱量を制御し、ラジエータ６後の冷却水温度を所定値もしくは所定範囲内に調整する。本実施の形態では、ラジエータ６後の冷却水温度を温度センサで計測する構成（図示せず）とした。
以上の様に構成された本実施の形態の燃料電池システム１００について、以下、その動作、作用を説明する。なお、以下の動作は、制御器８が燃料電池システム１００を制御することによっておこなわれる。
固体酸化物形燃料電池２は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）を有しており、改質反応に用いるために、固体酸化物形燃料電池２には別途改質水を供給する（図示せず）。改質水は固体酸化物形燃料電池２内の熱を用いて蒸発させるのが一般的である。
ここで、改質水として、水道水をそのまま用いると、水道水中に含まれる塩素やカルシウムなどが改質触媒を劣化させたり、改質器を詰まらせたりするため、改質水はイオン交換樹脂などで純水にしたものを用いる。
ここで、改質水を全て水道水で賄うと、イオン交換樹脂の負荷が大きく、非常に大きなイオン交換樹脂が必要となるため、燃料電池システム１００が大きくなり設置可能な場所に制約が増えたり、イオン交換樹脂のコストが増加し、燃料電池システム１００が高コスト化してしまう。そこで、改質水として用いる水は、燃料電池システム１００内の水を回収して、利用する。
燃料電池システム１００内で回収される水は、水道水に比べると、改質反応に用いるのに適した純度であり、イオン交換樹脂の負荷を軽減したり、イオン交換樹脂を不要としたりすることが可能となる。
固体酸化物形燃料電池２では、燃料電池で使用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスを燃焼させて、改質器での改質反応及び燃料電池での発電に必要な温度帯に改質器及び燃料電池を維持するためのエネルギーとする。その燃焼排ガス中には、固体酸化物形燃料電池２で必要な改質水量よりも多くの水量が含有されている。
そこで、排ガス経路１を通して、燃焼排ガスを第１熱交換器４に供給し、第１熱交換器４にて冷却水により冷却することで、排ガス中に含有している水蒸気を凝縮させる。凝縮した水は水回収手段５により回収され、改質水として改質器に供給される。ここで、第１熱交換器４にて排ガスを何℃まで冷却するかにより、水回収手段５により回収される水量は変化する。
第１熱交換器４に流通する冷却水の温度が上昇すると、第１熱交換器４から出る排ガスの温度も上昇する。本実施の形態の燃料電池システムでは、排ガスを４５℃程度まで冷却することが出来れば、水回収手段５にて改質水に必要な水量を確保することが出来るが、４５℃を上回ると、改質水に必要な水量よりも少ない水量しか回収出来なくなる。改質水に必要な水量以上の水を水回収手段５にて回収することを、水自立と呼ぶ。
次に、第１熱交換器４にて排ガスを冷却する冷却水が流れる水循環経路３について述べる。第１熱交換器４を通過した冷却水は排ガスの熱を受けて温度が上昇する。冷却水温度が上昇したままでは、再度、第１熱交換器４に循環ポンプ７を用いて供給しても排ガスを冷却することが出来ない。
そのため、冷却水をラジエータ６にて冷却する。本実施の形態において、燃料電池システム１００にて、水自立を成立させるためには、排ガスを４５℃程度まで冷却する必要があるため、排ガスを冷却する冷媒である冷却水の温度が４２℃以下になるように、ラジエータ６での放熱量を調整する。
ここで、各部温度を、本実施の形態の燃料電池システム１００の水自立が成立するように制御し続けると、水回収手段５や、ラジエータ６から第１熱交換器４までの水循環経路３に、カビ菌が繁殖する可能性がある。
ここで、カビ菌とは、大気中に存在する菌類であり、繁殖すると水経路の詰まりを引き起こす可能性がある。カビ菌は高温にすることで殺菌可能であり、例えば５０℃以上に加熱すれば約３０分程度でカビ菌を滅殺することができる。
そこで、カビ菌を殺菌する場合には、ラジエータ６での放熱量を通常運転時よりも減らし、第１熱交換器４に供給する冷却水の温度を５０℃以上に制御する。そうすることで、ラジエータ６から第１熱交換器４までの水循環経路３を含めて、水循環経路３全域を５０℃以上にすることができ、カビ菌を殺菌することができる。
また、第１熱交換器４に供給される冷却水温度は５０℃以上であるため、第１熱交換器４から排出される排ガスの温度も５０℃以上に高くなる。その高温になった排ガスが水回収手段５内の凝縮水と接触することにより、凝縮水を加熱し、カビ菌を殺菌することができる、
なお、水回収手段５内の凝縮水は排ガスと同等温度以下にしか温まらないため、装置構成によっては、凝縮水の温度が５０℃以上に温まるように、ラジエータ６にて冷却水の放熱量を下げ、冷却水の温度を高める必要がある。
図２は、実施の形態１における燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、図２のフローチャートに示すように、まず、ラジエータ６を通った冷却水温度を第１の所定温度に制御する第１の運転モードで運転する（Ｓ１０１）。ここで、第１の所定温度は、燃料電池システム１００にて水自立が成立する温度であれば良く、本実施の形態では、第１の所定温度を４０℃とした。
次に、第１タイマをカウント開始する（Ｓ１０２）。次に、第１タイマが所定時間を経過したか判定する（Ｓ１０３）。ここで、所定時間は、カビ菌を殺菌する周期であり、本実施の形態では、所定時間を１００時間とした。Ｓ１０３にてタイマが所定時間経過すれば、次に、ラジエータ６を通った冷却水温度を第２の所定温度に制御する第２の運転モードで運転する（Ｓ１０４）。
ここで、第２の所定温度とは、カビ菌を殺菌するための冷却水温度であり、本実施の形態では、第２の所定温度を５５℃とした。この温度にすることで、水循環経路３の殺菌だけでなく、水回収手段５内の凝縮水の殺菌も行える。温度設定は、装置構成によって異なるため、カビ菌を殺菌できれば如何なる温度であっても構わない。
次に、第２タイマをカウント開始する（Ｓ１０５）。次に、第２タイマが所定時間を経過したか判定する（Ｓ１０６）。この所定時間はカビ菌を殺菌するのに必要な時間であり、本実施の形態では、所定時間を３０分とした。所定時間は、カビ菌を殺菌するときの温度によって異なり、殺菌時の温度である第２の所定温度を高温にすればするほど、殺菌に要する時間（所定時間）を短縮することが可能である。
第２タイマが所定時間経過すれば、次に、第１タイマと第２タイマのカウントをリセットする（Ｓ１０７）。第１タイマと第２タイマをリセットした上で、Ｓ１０１に制御を戻す。燃料電池システム１００が発電している間は、Ｓ１０１からＳ１０７までの動作を繰り替えし実行する。
以上の様に、本実施の形態によれば、燃料電池システム１００にて改質反応などに必要な水を市水など外部から供給することなく賄うことができ、外部から燃料電池システム１００にカビ菌を持ち込むリスクを低減できる。さらに、定期的にラジエータ６後の冷却水温度を通常の運転時よりも高い温度にすることで、カビ菌を殺菌し、燃料電池システム１００内でカビ菌が繁殖し、水経路の詰まりが発生することを防止できる。
なお、排ガス経路１を流通する排ガスは燃料電池システム１００内部で発生する水蒸気を含有したガスであれば、如何なるものであっても構わない。例えば、燃料電池での発電に用いる水素含有ガスを生成する水素生成装置から排出される燃焼排ガスや、燃料電池から排出されるアノードオフガスやカソードオフガスなどが挙げられる。
また、本実施の形態では、燃料電池である固体酸化物形燃料電池２から排出される排ガスを冷却するために冷却水を用いているが、燃料電池から発生する熱は、排ガスに限らない。
例えば、燃料電池から発生する熱が、燃料電池内部を通流した冷却用の冷媒で運ばれてもよく、その冷媒と冷却水が第１熱交換器４とは別の水循環経路３上の熱交換器を用いて熱交換しても構わない。その冷媒は熱交換器を出た後、燃料電池内部に戻るような循環構成としても構わない。水循環経路３を流れる冷却水により燃料電池から発生する熱が冷却されれば、如何なる構成であっても構わない。
また、第１熱交換器４は、熱交換器の方式は如何なる方式でもよく、排ガスと冷却水が互いに混合されることなく、熱を移動させることが出来ればよい。
なお、水回収手段５は、排ガスから凝縮した水が排ガスとともに燃料電池システム１００の外部に排出されることがないように、凝縮水を回収することが出来れば、如何なる構成であっても構わない。
また、ラジエータ６にて冷却水を冷却する熱媒体は、空気や水などが挙げられるが、冷却出来れば如何なる熱媒体や構成であっても構わない。
なお、循環ポンプ７は、水循環経路３の冷却水を循環させることが出来れば如何なる方式のポンプであっても構わない。本実施の形態では、循環ポンプ７は水循環経路３上の第１熱交換器の下流で、ラジエータ６の上流に設置したが、それに限ることなく、ラジエータ６の下流で、第１熱交換器の上流であっても構わない。
また、制御器８は、制御機能を有するものであれば、燃料電池システム１００全体あるいは一部を制御可能などのような制御装置でもよい。また、制御器８の演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。制御器８の記憶部としては、メモリが例示される。
また、制御器８は、単独の制御器でも複数の制御器でもよい。つまり、制御器８のそれぞれが、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。この点は、後述の他の実施形態の制御器においても同様である。
さらに、本実施の形態では、制御器８は、ラジエータ６の放熱量を制御し、ラジエータ６後の冷却水温度を所定値もしくは所定範囲内に調整する。その際、ラジエータ６後の冷却水温度を熱電対やサーミスタなどの温度センサで計測したが、それに限らず、例えば、第１熱交換器４から排出される排ガスの温度を計測して、それをもとに冷却水温度を推定し、ラジエータ６での放熱量を制御しても構わない。
また、ラジエータ６での放熱量を決めるファンなどの冷却手段の回転数や動作電圧などから冷却水温度を推定しても構わない。冷却水温度をラジエータ６により制御出来れば如何なる構成であっても構わない。
なお、冷却水の流れに対して、ラジエータ６の下流から第１熱交換器４の上流までの水循環経路３において、冷却水が滞留し易い部位にて、カビ菌は繁殖し易くなる。冷却水が滞留し易い部位がカビ菌を殺菌可能な温度以上になるように、ラジエータ６での冷却水の放熱量を調整することが望ましい。
特に、水質維持のために、イオン交換樹脂をラジエータ６の下流から第１熱交換器４の上流までの水循環経路３に設置する場合は、イオン交換樹脂内で水の滞留が発生する可能性があるため、カビ菌殺菌時は、水の滞留部まで水温をカビ菌が滅びる温度に制御することが望ましい。
また、水回収手段５で回収した凝縮水をイオン交換樹脂により純度を高めてから改質水として供給する燃料電池システム１００においては、カビ菌殺菌時には、イオン交換樹脂の温度も上昇するように設計することが望ましい。
そのようにすることで、イオン交換樹脂内の水が滞留し易い部位にカビ菌が繁殖して経路が詰まってしまうことを防止することができる。なお、イオン交換樹脂の温度を上昇する際は、イオン交換樹脂の耐熱温度を上回らないように制御することが望ましい。
なお、燃料電池システム１００は、水自立が成立しない状態になっても、すぐに改質水として供給する水が不足することがないように、水自立が成立している時に余った水をタンクなどに貯えておいても構わない。
また、本実施の形態では、燃料電池システム１００にて水自立を成立させるためには、排ガスを４５℃程度まで冷却する必要があるため、排ガスを冷却する冷媒である冷却水の温度が４２℃以下になるように、ラジエータ６での放熱量を調整したが、冷却水の温度は装置構成によって異なるため、装置構成に応じて適切に設定すれば良い。
なお、第１タイマとは、Ｓ１０１を実施してからの時間経過が分かれば、如何なるものであっても構わない。また、第２タイマは、Ｓ１０４にてカビ菌の殺菌動作を実施してからの時間経過が分かれば、如何なるものであっても構わない。
なお、Ｓ１０３の所定時間は、カビ菌が繁殖して経路詰まりを起こさない時間であれば如何なる時間であっても構わない。また、カビ菌を殺菌する第２の所定温度と所定時間とは、カビ菌を殺菌出来れば、如何なる温度と時間の組合せであっても構わない。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成は、図３に示すように、実施の形態１の燃料電池システム１００の構成において、実施の形態１の固体酸化物形燃料電池２の代わりに排ガスを排出する水素生成装置９を備え、さらに、第１タンク１０、水残量検知手段１１、第２熱交換器１２を加えたものであり、上記の点以外は、実施の形態１と同様である。
本実施の形態の燃料電池システム２００で使用する燃料電池は固体高分子形燃料電池であり、水素生成装置９は、固体高分子形燃料電池に水素含有ガスを供給する装置である。なお、水素生成装置９は、水素含有ガスを生成するための改質器（図示せず）を有しており、改質器を加熱するための燃焼器（図示せず）を備えており、その燃焼器から排出される燃焼排ガスが排ガス経路１を流通する。
第１タンク１０は、水回収手段５により排ガスから回収された凝縮水を貯めるためのタ
ンクである。第１タンク１０に貯められた水は、改質水として水素生成装置９内の改質器に供給される。第１熱交換器４から排出される排ガス、または、水回収手段５の回収水により第１タンク１０が加熱される構成（図示せず）にすることで、冷却水の温度を上げてカビ菌の殺菌運転を行うと、第１タンク１０内の凝縮水も殺菌することが可能となる。
水残量検知手段１１は、第１タンク１０に貯えられた水の残量を検知する手段であり、本実施の形態では、水残量検知手段１１として第１タンク１０内の液面の位置を検知するフロートスイッチを用いた。
水残量検知手段１１により水が所定量以上存在することが検知されたならば、燃料電池システム２００内での水自立が成立していなくても、改質器に供給する改質水が不足することはないが、水残量検知手段１１により水が所定量未満しか存在しないと検知されたならば、燃料電池システム２００内での水自立が成立していないと改質水が不足する恐れがある。
そのため、水残量検知手段１１により水残量が所定量未満と検知されたときは、燃料電池システム２００内の水自立を成立させるように運転することが望ましい。
第２熱交換器１２は、水循環経路３に設けられた熱交換器である。第１熱交換器４を流通した冷却水が第２熱交換器１２を通り、ラジエータ６の方に流れる構成とする。第２熱交換器１２は、冷却水の熱と燃料電池（固体高分子形燃料電池）で発生する熱とを熱交換する。第２熱交換器１２が燃料電池を冷却水で冷却する熱交換器であり、燃料電池にて発生する熱を冷却水にて回収する。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
図４は、実施の形態２における燃料電池システム２００の動作の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、図４のフローチャートに示すように、まず、ラジエータ６を通った冷却水の温度を第１の所定温度に制御する第１の運転モードで運転する（Ｓ２０１）。ここで、第１の所定温度は、燃料電池システム２００にて水自立が成立する温度であれば良く、本実施の形態では、第１の所定温度を４０℃とした。
次に、第１タイマをカウント開始する（Ｓ２０２）。次に、第１タイマが所定時間を経過したか判定する（Ｓ２０３）。この所定時間は、カビ菌を殺菌する周期であり、本実施の形態では、所定時間を１００時間とした。次に、水残量検知手段１１により検知される第１タンク１０内の水残量が所定量以上であるか判定する（Ｓ２０４）。
水残量の所定量は、第２の運転モードで運転し、ラジエータ６を通った冷却水温度を、カビ菌を殺菌可能な第２の所定温度に制御している間、燃料電池システム２００内で水自立が成立しなくても、改質水として供給する水量を十分に賄える水量である。本実施の形態では、所定量は３００ｍＬの水量とした。
Ｓ２０４にて水残量が所定量以上あれば、次に、ラジエータ６を通った冷却水温度を第２の所定温度に制御する第２の運転モードで運転する（Ｓ２０５）。ここで、第２の所定温度とは、カビ菌を殺菌するための冷却水温度であり、本実施の形態では、第２の所定温度を５５℃とした。この温度にすることで、水循環経路３の殺菌だけでなく、水回収手段５及び第１タンク内の凝縮水の殺菌も行える。
次に、第２タイマをカウント開始する（Ｓ２０６）。次に、第２タイマが所定時間を経過したか判定する（Ｓ２０７）。この所定時間は、カビ菌を殺菌するのに必要な時間であり、本実施の形態では、所定時間を３０分とした。所定時間は、カビ菌を殺菌するときの温度によって異なり、殺菌時の温度である第２の所定温度を高温にすればするほど、殺菌
に要する時間（所定時間）を短縮することが可能である。
Ｓ２０７にて第２タイマが所定時間経過すれば、次に、第１タイマと第２タイマのカウントをリセットする（Ｓ２０８）。第１タイマと第２タイマをリセットした上で、Ｓ２０１に制御を戻り、水自立が成立する第１の運転モードにて、第１の所定温度に冷却水をラジエータ６により制御する。
以上の様に、本実施の形態によれば、燃料電池システム２００は外部からの給水に頼ることなく改質水を供給するとともに、燃料電池システム２００内でカビ菌が繁殖し水流路が閉塞してしまうことを防止しながら、燃料電池システム２００の外部に電力を安定して供給することができる。
なお、燃料電池は水素含有ガスを燃料として用いて発電することが出来れば如何なる方式のものであってもよい。
なお、水残量検知手段１１としては、第１タンク１０内の液面の位置を検知しても構わないし、第１タンク１０内の水の重量を検知しても構わない。水の残量の絶対値を検知可能なものであっても構わないし、所定量以上の水量があるかどうかを検知するようなものであっても構わない。
また、第２熱交換器１２は、冷却水の熱と燃料電池から発生する熱とを熱交換するものであり、第２熱交換器１２が燃料電池そのものであっても構わないし、燃料電池内を流通した冷媒が第２熱交換器１２に流通し、燃料電池の熱と冷却水とを熱交換した上で燃料電池に循環するように構成しても構わない。第２熱交換器１２は、燃料電池にて発生する熱を冷却水にて回収することが出来れば如何なる構成であっても構わない。
なお、図４の動作は、燃料電池システム２００が発電中は常に動作させ続けることが望ましい。
また、第１タイマは、Ｓ２０１を実施してからの時間経過が分かれば如何なるものであっても構わない。
なお、Ｓ２０３の所定時間はカビ菌が繁殖して経路詰まりを起こさない時間であれば、如何なる時間であっても構わない。
また、Ｓ２０４の水残量の所定量は、カビ菌を殺菌する時間や燃料電池システム２００の構成、燃料電池システム２００の発電量などによって異なるため、第２の運転モードにてカビ菌を殺菌中に改質水が不足しなければ如何なる水残量であっても構わない。
なお、第２の所定温度の温度設定は、装置構成によって異なるため、カビ菌を殺菌できれば如何なる温度であっても構わない。
また、第２タイマは、Ｓ２０５にてカビ菌の殺菌動作を実施してからの時間経過が分かれば如何なるものであっても構わない。
なお、Ｓ２０７の第２の所定温度と所定時間は、カビ菌を殺菌出来れば、如何なる温度と時間の組合せであっても構わない。
また、燃料電池システム２００の発電量が変動するものについては、変動に合わせて、Ｓ２０４での判定に用いる水残量を増減する調整を行っても構わない。
なお、Ｓ２０４にて水残量が所定量未満である場合は、ラジエータ６により冷却水を第１の所定温度に制御する第１の運転モードでの運転を継続し、水残量検知手段１１により検知される水残量が所定量以上となり次第、第２の所定温度に制御する第２の運転モードで運転する。そのため、Ｓ２０２の第１タイマは実際にカビ菌が繁殖し始める時間に対して短い時間に設定しておき、余裕をもたせておくのが望ましい。
また、本実施の形態においては、水循環経路３を流れる冷却水が第１熱交換器及び第２熱交換器から得た熱を全てラジエータ６にて放出する構成としたが、水循環経路３に熱をお湯として貯えるための貯湯タンクを備えても構わない。冷却水が得た熱を、貯湯タンクを介して湯水として燃料電池システム２００外部に供給しても構わない。
貯湯タンクの設置位置としては、水循環経路３における第２熱交換器の下流側で、ラジエータ６の上流側が望ましい。
なお、水残量検知手段１１により検知される第１タンク１０の水残量が、少量であっても、改質水が不足することなくカビ菌の殺菌動作を行うためには、第２の所定温度を高くし、殺菌時間を短くする方が望ましい。また、水循環経路３や水回収手段５、第１タンク１０に用いられている材料が熱影響で劣化しないように、材料の耐熱温度以下に設定することが望ましい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
以上のように、本発明にかかる燃料電池システム及びその運転方法は、外部からの水供給を実施しなくても改質水を安定に供給しながら、カビ菌の繁殖を防止できるため、安定した発電をおこないたい用途、例えば家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。
１ 排ガス経路
２ 固体酸化物形燃料電池
３ 水循環経路
４ 第１熱交換器
５ 水回収手段
６ ラジエータ
７ 循環ポンプ
８ 制御器
９ 水素生成装置
１０ 第１タンク
１１ 水残量検知手段
１２ 第２熱交換器
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム

Claims (8)

  1. 燃料を用いて発電する燃料電池と、
    排ガスが流通する排ガス経路と、
    燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する水循環経路と、
    前記排ガス経路および前記水循環経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水との間で熱交換させる第１熱交換器と、
    前記排ガスを前記第１熱交換器で冷却して生成した凝縮水を回収する水回収手段と、
    前記水循環経路に設けられ、前記冷却水を放熱するラジエータと、
    前記水循環経路に設けられ、前記水循環経路の前記冷却水を循環させる循環ポンプと、
    前記ラジエータでの前記冷却水の放熱量を制御する制御器と、
    を備え、
    前記制御器は、前記ラジエータでの放熱量を調整することで、前記ラジエータを通った後の前記冷却水の温度を第１の所定温度に制御する第１の運転モードと、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度に制御する第２の運転モードを有し、第１の運転モードと第２の運転モードを切り替えながら運転することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記排ガスは、固体酸化物形燃料電池から排出される燃焼排ガスであ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. 前記排ガスは、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置から排出される燃焼排ガスであ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。
  4. 前記制御器は、第２の運転モードとして、前記ラジエータを通った前記冷却水の温度を第２の所定温度に一定周期で上げるように運転することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１の所定温度は、前記水回収手段により燃料電池システムの運転に必要な水量を回収可能な温度であり、
    前記第２の所定温度は、前記水循環経路の前記冷却水、及び、前記水回収手段により回収された水中のカビ菌が死滅する温度であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記水回収手段で得た水を一時的に貯える第１タンクと、
    前記第１タンク内の水残量を検知する水残量検知手段を備え、
    前記制御器は、前記水残量検知手段により検知された水残量が所定量以上の場合において、前記ラジエータを通った前記冷却水の温度を第２の所定温度に制御する第２の運転モードで運転することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御器は、前記ラジエータを通った前記冷却水の温度を第２の所定温度に上げた状態をカビ菌が死滅する所定時間以上継続させることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 燃料を用いて発電する燃料電池と、
    排ガスが流通する排ガス経路と、
    燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する水循環経路と、
    前記排ガス経路および前記水循環経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水との間で熱交換させる第１熱交換器と、
    前記排ガスを前記第１熱交換器で冷却して生成した凝縮水を回収する水回収手段と、
    前記水循環経路に設けられ、前記冷却水を放熱するラジエータと、
    前記水循環経路に設けられ、前記水循環経路の前記冷却水を循環させる循環ポンプと、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    前記ラジエータでの放熱量を調整することで、前記ラジエータを通った後の前記冷却水の温度を第１の所定温度にするステップと、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度にするステップと、を有する燃料電池システムの運転方法。
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