JP2018125099A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】 燃料電池装置１は、燃料電池セル１１ａと改質器１２とを有する燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０から排出される排ガスと熱媒水との間で熱交換して凝縮水を生成する熱交換器２０と、熱交換器２０で生成された凝縮水を貯水する凝縮水回収器３０と、熱交換器２０に供給する熱媒水を貯留する蓄熱タンク４０と、蓄熱タンク４０から熱交換器２０に向かって熱媒水が流過する第一流路５０と、熱交換器２０から蓄熱タンク４０に向かって熱媒水が流過する第二流路６０と、凝縮水回収器３０と接続され第一流路５０と繋がる第一給水路７０と、凝縮水回収器３０と接続され外部と繋がる排水路８０とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを備えるセルスタック装置を収納装置内に収納してなる燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを動作させるための各種補機とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させ、燃焼後の高温の排ガスを熱交換器で蓄熱タンクから送給される熱媒水と熱交換させ、冷却するとともに、この熱交換時に、排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成される凝縮水を、回収・浄化処理して水タンク等に貯留し、貯留された処理水（純水）を、天然ガス等の原燃料を水蒸気改質する改質器に改質水として供給する、いわゆる水自立運転が行われている（特許文献１参照）。

水自立運転を行う燃料電池装置においては、熱媒水は熱交換器と蓄熱タンクを循環しながら、蓄熱タンクに熱を蓄えていくが、蓄熱タンクでの蓄熱量が上限に達した状態となると、熱媒水はこれ以上熱交換器で排ガスの熱を回収することができないため、排ガスの温度を十分下げることができなくなり、凝縮水を得ることが困難となる。それにより水自立運転が困難となる。そこで、蓄熱タンクと熱交換器との間に放熱器（ラジエータ）を配置し、放熱器によって熱交換器に供給される熱媒水の温度を低下させてから熱交換器に熱媒水を送給することが行われている（特許文献２参照）。

特開２０１４−２１６１８８号公報 特開２０１５−７２０９０号公報

従来の燃料電池装置は、冷却機能が高い大型の放熱器、または蓄熱量が大きい大型の蓄熱タンクを燃料電池装置に組み込む必要があり、燃料電池装置が大型化してしまうという問題があった。

本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルと原燃料を水蒸気改質する改質器とを有する燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒水との間で熱交換して凝縮水を生成する熱交換器と、前記熱交換器で生成された前記凝縮水を貯水する凝縮水回収器と、前記熱交換器に供給する前記熱媒水を貯留する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクから前記熱交換器に向かって前記熱媒水が流過する第一流路と、前記熱交換器から前記蓄熱タンクに向かって前記熱媒水が流過する第二流路と、前記凝縮水回収器と接続され前記第一流路と繋がる第一給水路と、前記凝縮水回収器と接続され外部と繋がる排水路と、を備えることを特徴とする。

本開示の燃料電池装置によれば、放熱器を廃止する、もしくは従来よりも小型（冷却機能が低い）放熱器を用いる、または蓄熱タンクを小型化できるため、燃料電池装置を小型化できる。

本実施形態の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。 本実施形態の燃料電池装置の他の一例を示すブロック図である。 本実施形態の燃料電池装置の制御方法を説明するフローチャートである。 本実施形態の燃料電池装置の制御方法を説明するフローチャートである。 本実施形態の燃料電池装置の制御方法を説明するフローチャートである。

以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池装置の一例について説明する。なお、同一の構成については同一の符号を用いて説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池装置１の一例を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池装置１は、燃料電池モジュール１０と、熱交換器２０と、凝縮水回収器３０と、蓄熱タンク４０と、第一流路５０と、第二流路６０と、第一給水路７０と、排水路８０とを備える。

燃料電池モジュール１０は、燃料電池セル１１ａを有するセルスタック装置１１と、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行う改質器１２とを含み、セルスタック装置１１および改質器１２は、収納容器に収容されている。

改質器１２には、天然ガスまたはＬＰ（液化プロパン）ガス等の原燃料を改質器１２に供給する原燃料供給流路１２ａと、改質水を改質器１２に供給する改質水供給流路１２ｂとが接続されている。原燃料と改質水とは、改質器１２で水蒸気改質されて、水素を含む改質ガスが生成される。改質器１２で生成された改質ガスは、改質ガス供給流路１２ｃを通ってセルスタック装置１１に供給される。

セルスタック装置１１には、空気（酸素含有ガス）を導入するための酸素含有ガス供給流路１４が設けられている。セルスタック装置１１は、改質ガスと空気とを反応させることによって発電を行う。発電に使用されなかった改質ガス、および空気は、燃料電池セル１１ａの上部で燃焼され、高温の排ガスを生じる。燃料電池モジュール１０内で生じた排ガスは、セルスタック装置１１から排出された後、排ガス流路１５を通って熱交換器２０に供給される。

熱交換器２０では、燃料電池モジュール１０より排出された高温の排ガスと、熱交換器２０内を流れる熱媒水とで熱交換を行なうことで、熱媒水は加熱され、排ガスは冷却されて凝縮水が生成される。加熱された熱媒水は、第二流路６０を通って蓄熱タンク４０に移動する。排ガスに含まれる水蒸気は、冷却されて水となり、凝縮水として分離される。排ガスを冷却することによって生成された凝縮水は、凝縮水回収器３０へ送られる。凝縮水が分離された後の排ガスは、排気流路２１を通って外部に排出される。

熱交換器２０で加熱された熱媒水は、蓄熱タンク４０に蓄えられる。言い換えれば、蓄熱タンク４０は、熱交換器２０に供給する熱媒水を貯留する。蓄熱タンク４０内には、給湯用熱交換器４１が配設されている。給湯用熱交換器４１には、流入管４１ａを介して、上水道から常温の水道水が流入し、蓄熱タンク４０内の熱媒水と熱交換して、水道水の温度が上昇する。温度が上昇した水道水は、流出管４１ｂを介して給湯用熱交換器４１から流出し、給湯用の湯水として供給される。給湯用熱交換器４１での熱交換量が不足するような場合には、出湯温度を上昇させるべく、バックアップ用のボイラーを配設してもよい。燃料電池装置１は、蓄熱タンク４０内に貯留された熱媒水を給湯用の湯水として供給するように構成されていてもよい。

第一流路５０は、蓄熱タンク４０から熱交換器２０に向かって熱媒水が流過する流路である。第二流路６０は、熱交換器２０から蓄熱タンク４０に向かって熱媒水が流過する流路である。換言すると、第一流路５０および第二流路６０は、熱媒水を熱交換器２０と蓄熱タンク４０との間で循環させる循環流路を構成している。

第一流路５０は、例えば管状部材で構成されており、一方端部が熱交換器２０に接続され、他方端部が蓄熱タンク４０に接続されている。蓄熱タンク４０に蓄えられる熱媒水は、第一流路５０を通って熱交換器２０に移動する。第一流路５０の他方端部は、蓄熱タンク４０の底部または底部周辺に接続されていてもよい。これにより、蓄熱タンク４０の下部または下部周辺に溜まっている低温の熱媒水を熱交換器２０に供給することが可能になり、熱交換器２０での熱交換効率を向上させることができる。

第二流路６０は、例えば管状部材で構成されており、一方端部が熱交換器２０に接続され、他方端部が蓄熱タンク４０に接続されている。熱交換器２０で高温の排ガスと熱交換されて加熱された熱媒水は、第二流路６０を通って、蓄熱タンク４０に移動する。第二流路６０の一方端部は、蓄熱タンク４０の上部または上部周辺に接続されていてもよい。これにより、蓄熱タンク４０の上部または上部周辺を高温に維持できるため、給湯用熱交換器４１における熱交換効率の低下を抑制できる。

凝縮水回収器３０は、熱交換器２０において生成された凝縮水を蓄えるタンクである。凝縮水回収器３０には、改質水供給流路１２ｂの一方端部が接続されており、凝縮水回収器３０内の凝縮水は、改質水供給流路１２ｂを通って、改質器１２に改質水として供給される。改質水供給流路１２ｂの途中には水ポンプ１３が配設されており、水ポンプを作動させることによって、凝縮水を、改質水供給流路１２ｂを介して改質器１２に供給する。

第一給水路７０は、例えば管状部材で構成されており、一方端部が凝縮水回収器３０に接続され、他方端部が第一流路５０に繋がっている。これにより、凝縮水回収器３０に貯留された凝縮水を、第一給水路７０および第一流路５０を介して、熱交換器２０に供給することが可能になる。

排水路８０は、例えば管状部材で構成されており、一方端部が凝縮水回収器３０に接続され、他方端部が外部に繋がっている。燃料電池モジュール１０では、改質ガスが反応または燃焼することにより、熱交換器２０で生じる凝縮水の水量が、改質器１２に供給した改質水の水量よりも大きくなることがある。凝縮水回収器３０に余剰の凝縮水が貯留されている場合には、排水路８０を介して、外部に排出してもよい。

本実施形態の燃料電池装置１では、例えば蓄熱タンク４０に貯留された熱媒水の水量が減少する、または蓄熱タンク４０に貯留された熱媒水の温度が上昇することにより、蓄熱タンク４０での蓄熱量が上限に達した場合には、凝縮水回収器３０に貯留された凝縮水を、第一給水路７０および第一流路５０を介して熱交換器２０に供給し、熱交換器２０で熱交換させることが可能になる。本実施形態の燃料電池装置１によれば、冷却機能が高い大型の放熱器を廃止する、もしくは冷却機能が低い小型の放熱器を用いることができる、または蓄熱タンクを小型化することが可能になり、燃料電池装置を小型化できる。なお、図１，２においては、放熱器を廃止した例を示している。

本実施形態の燃料電池装置１では、第一給水路７０と排水路８０とは一部が共通流路７１とされている。共通流路７１は、共通流路７１から第一給水路７０と排水路８０とに分岐する分岐部７２を有している。すなわち、第一給水路７０の、凝縮水回収器３０に接続されている他方端部側の一部と、排水路８０の、凝縮水回収器３０に接続されている他方端部側の一部とが、分岐部７２において一体化され、凝縮水回収器３０と分岐部７２とを接続する共通流路７１とされている。本願明細書においては、第一給水路７０の一部と排水路８０の一部とが共通流路７１とされている場合、共通流路７１は、第一給水路７０の一部であり、かつ排水路８０の一部であるとする。なお、以下の説明において、共通流路７１を第一給水路７０もしくは排水路８０という場合がある。また、第一給水路７０及び排水路８０はそれぞれ共通流路７１により凝縮水回収器３０に接続されている。また、本実施形態で示すように共通流路７１となっていなくてもよく、第一給水路７０と排水路８０とがそれぞれ凝縮水回収器３０に接続されていてもよい。

本実施形態の燃料電池装置１は、オーバーフロウ流路７４を備えている。オーバーフロウ流路７４は、例えば管状部材で構成されており、一方端部が凝縮水回収器３０の上部に、共通流路７１よりも高い位置で接続されている。これにより、所定の水量となった場合には凝縮水回収器３０内の凝縮水を凝縮水回収器３０外に排出することができる。本実施形態においては、他方端部が共通流路７１に接続されている。

本実施形態の燃料電池装置１は、第一給水路７０および排水路８０を開閉する開閉装置９０を備えている。

本実施形態では、開閉装置９０は、分岐部７２に配設された三方弁９１で構成される。三方弁９１は、凝縮水回収器３０から熱交換器２０に向かう流れ方向において、分岐部７２よりも上流側の第一給水路７０（共通流路７１）と、分岐部７２よりも下流側の第一給水路７０と、排水路８０とを接続している。三方弁９１は、三方弁９１の状態を制御することにより、共通流路７１と分岐部７２よりも下流側の第一給水路７０とを連通させ、かつ共通流路７１と排水路８０とを遮断する第一の状態と、共通流路７１と分岐部７２よりも下流側の第一給水路７０とを遮断し、かつ共通流路７１と排水路８０とを連通させる第二の状態とを切り換えることができる。

本実施形態の燃料電池装置１は、凝縮水回収流路１００と、第二給水路１１０と、第三弁７３とをさらに備えている。

凝縮水回収流路１００は、例えば管状部材で構成され、一方端部が熱交換器２０に接続され、他方端部が凝縮水回収器３０に接続されている。熱交換器２０で生成された凝縮水は、自重によって熱交換器２０内の下部側に移動する。本実施形態では、凝縮水回収流路１００は、一方端部が熱交換器２０の下部または下部周辺に接続され、他方端部が凝縮水回収器３０の上部または上部周辺に接続されているとともに、一方端部は他方端部よりも上方に位置するように構成されている。これにより、熱交換器２０で生じた凝縮水は、自重によって、凝縮水回収流路１００を通って凝縮水回収器３０に流れ込む。

本実施形態では、凝縮水回収流路１００の途中にイオン交換部１０１が設けられている。イオン交換部１０１にはイオン交換樹脂が配設されており、凝縮水をイオン交換樹脂を通過させることによって、凝縮水から不要な物質を取り除き凝縮水を純水化する。

第三弁７３は、開閉装置９０と凝縮水回収器３０との間の共通流路７１に設けられている。第三弁７３は、凝縮水回収器３０から熱交換器２０への流れ方向の流体の流れを許容し、熱交換器２０から凝縮水回収器３０への流れ方向の流体の流れを禁止する。第三弁７３は、例えば逆止弁で構成されていてもよい。

第二給水路１１０は、イオン交換部１０１より凝縮水の流れ方向における上流側の凝縮水回収流路１００又はイオン交換部１０１と、第三弁７３と開閉装置９０との間の共通流路７１と、に接続されている。第二給水路１１０中の熱媒水は第一給水路７０から凝縮水回収流路１００に向かって流過する。本実施形態において第二給水路１１０は、例えば管状部材で構成されている。

なお、三方弁９１は、第二給水路１１０と凝縮水回収流路１００との接続部より上方に位置しており、熱交換器２０で生成された凝縮水は自重によって三方弁９１に流れ込むことはない。また、第二給水路１１０は斜め上から凝縮水回収流路１００に接続されていてもよい。

なお、熱交換器２０から排出される凝縮水をそのまま改質器１２に供給しても問題が無い場合、又は改質水供給流路１２ｂにイオン交換部１０１が設けられている場合、においては第二給水路１１０を別途設ける必要はなく、第一給水路７０及び共通流路７１を通じて蓄熱タンク４０から凝縮水回収器３０へと熱媒水を流過させることができる。

共通流路７１の途中に第三弁７３を配設することにより、例えば蓄熱タンク４０からの熱媒水が、イオン交換部１０１が設けられた凝縮水回収流路１００を通らず、第一給水路７０を通って凝縮水回収器３０に移動することを抑制できる。これにより、不要な物質を含むことがある熱媒水が、改質水として改質器１２に供給されることを抑制できる。

図１に示した例では、第二給水路１１０の一方端部は、凝縮水回収流路１００の、熱交換器２０とイオン交換部１０１との間に接続されている。第二給水路１１０は、第二給水路１１０を通って凝縮水回収器３０に供給される流体が、イオン交換樹脂を通過するように構成されていればよく、第二給水路１１０の一方端部は、イオン交換部１０１に接続されていてもよい。

上記構成の第二給水路１１０によれば、凝縮水回収器３０内の凝縮水が不足した場合に、蓄熱タンク４０に貯留された熱媒水を凝縮水回収器３０に供給し、改質水として使用することが可能になる。これにより、改質水の不足による燃料電池モジュール１０のシャットダウンの可能性を低減することができる。また、凝縮水回収器３０と蓄熱タンク４０との相対的な高さ位置を調整することによって、蓄熱タンク４０内の熱媒水を、追加のポンプを用いることなく、自重によって凝縮水回収器３０に送ることが可能になる。これにより、燃料電池装置１を小型化できる。

本実施形態の燃料電池装置１は、共通流路７１に、第四弁７５をさらに備えている。

第四弁７５は、凝縮水回収器３０と第一給水路７０との接続部からオーバーフロウ流路７４と第一給水路７０との接続部までの間の共通流路７１に配設されている。第四弁７５を開閉することにより凝縮水回収器３０から第一給水路７０へ流過する凝縮水の量を制御することができる。

本実施形態の燃料電池装置１は、ポンプ１２０と、第一温度検知装置１３０と、第二温度検知装置１４０と、水量第一検知装置１５０と、水量第二検知装置１６０と、制御装置１７０とをさらに備えている。

ポンプ１２０は、第一給水路７０と第一流路５０とが接続されている部分より下流側の第一流路５０に配設されている。ポンプ１２０により、第一流路５０中の流体を熱交換器２０に向けて流過させることができる。すなわち、ポンプ１２０は、蓄熱タンク４０と第一流路５０と熱交換器２０と第二流路６０とによって構成される循環流路で熱媒水を循環させるポンプとして機能する。加えて、ポンプ１２０により第一給水路７０における凝縮水を熱交換器２０に流過させることができる。

第一温度検知装置１３０は、凝縮水回収器３０に貯留された凝縮水の温度を検知する。第一温度検知装置１３０は、例えば、凝縮水回収器３０の内部に配設されたサーミスタであってもよい。第一温度検知装置１３０は、凝縮水回収器３０内の共通流路７１が接続されている部分の周辺に配設されていてもよい。

第二温度検知装置１４０は、蓄熱タンク４０に貯留され、熱交換器２０に導入される熱媒水の温度を検知する。第二温度検知装置１４０は、例えば、蓄熱タンク４０内に配設されたサーミスタであってもよい。第二温度検知装置１４０は、蓄熱タンク４０内の第一流路５０が接続されている部分の周辺に配設されていてもよく、第一流路５０に配設されていてもよい。

水量第一検知装置１５０は、凝縮水回収器３０に配設され、凝縮水回収器３０に貯水された凝縮水の量を検知する。本実施形態では、水量第一検知装置１５０は、少なくとも凝縮水回収器３０に貯水された凝縮水の上限量、下限量、第一水量、および第二水量を検知するように構成される。

凝縮水の上限量は、凝縮水回収器３０の満水状態に対応する水量である。

凝縮水の下限量は、燃料電池モジュール１０の運転に最低限必要な水量、すなわち燃料電池モジュール１０のシャットダウン閾値に対応する水量である。凝縮水の水量が下限量よりも少なくなると、燃料電池モジュール１０の水自立運転が安定して行えなくなるため、燃料電池モジュール１０のシャットダウンが必要になることがある。

凝縮水の第一水量は、上限量と下限量との間の予め設定された水量であり、燃料電池モジュール１０の運転に十分に必要な水量に対応する。共通流路７１は、凝縮水回収器３０における第一水量の位置と同位置又は下方に接続されている。

凝縮水の第二水量は、第一水量と上限量との間の予め設定された水量であり、凝縮水が凝縮水回収器３０に接続されたオーバーフロウ流路７４に流れ込むオーバーフロウ閾値である。すなわち、オーバーフロウ流路７４は、凝縮水回収器３０における第二水量の位置と同位置に接続されている。この構成により、凝縮水の水量が第二水量となった場合、凝縮水がオーバーフロウ流路７４に流れ込み凝縮水回収器３０の外部に放出させることができる。

水量第一検知装置１５０は、例えば、凝縮水回収器３０の内部に配設されたフロートスイッチを有し、当該フロートスイッチによって検出された水位に基づいて、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量を検知してもよい。水量第一検知装置１５０は、凝縮水の上限量、下限量、第一水量、および第二水量を検知可能に構成されていればよく、単一の検知器で構成されていてもよく、複数の検知器で構成されていてもよい。また、水量第一検知装置１５０は、凝縮水の上限量、下限量、第一水量、および第二水量だけでなく、例えば第一水量と第二水量との間の水量を検知可能に構成されていてもよい。

水量第二検知装置１６０は、蓄熱タンク４０に配設され、蓄熱タンク４０に貯水された熱媒水の量を検知する。水量第二検知装置１６０は、少なくとも蓄熱タンク４０に貯水された熱媒水の上限量、下限量、および第三水量を検知するように構成される。

熱媒水の上限量は、蓄熱タンク４０の満水状態に対応する水量である。熱媒水の水量が上限量に達している場合、熱媒水は、凝縮水回収器３０に供給されてもよく、排水路８０から排出されてもよい。

熱媒水の下限量は、燃料電池モジュール１０の水自立運転に最低限必要な水量、すなわち燃料電池モジュール１０のシャットダウン閾値に対応する水量である。熱媒水の水量が下限量よりも少なくなると、蓄熱タンク４０での蓄熱量が上限に達し、排ガスの温度を十分に下げることができなくなるため、凝縮水を得ることが困難になり、燃料電池モジュール１０のシャットダウンが必要になることがある。

第三水量は、上限量と下限量との間の予め設定された水量であり、燃料電池モジュール１０の運転に十分に必要な水量に対応する。

水量第二検知装置１６０は、例えば、蓄熱タンク４０内に配設されたフロートスイッチを有し、当該フロートスイッチで検出された水位に基づいて、蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量を検知してもよい。また、水量第二検知装置１６０は、熱媒水の上限量、下限量、および第三水量を検知可能に構成されていればよく、単一のセンサで構成されていてもよく、複数のセンサで構成されていてもよい。

制御装置１７０は、第一温度検知装置１３０、第二温度検知装置１４０、水量第一検知装置１５０、および水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、第四弁７５、開閉装置９０およびポンプ１２０の動作を制御する。制御装置１７０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む。

本実施形態の燃料電池装置１によれば、蓄熱タンク４０での蓄熱量が上限値に達した場合に、凝縮水回収器３０に貯留された凝縮水を熱交換器２０に供給することが可能になる。したがって、燃料電池装置１によれば、熱媒水の温度を低下させるための、冷却機能が高い大型の放熱器を廃止することができる、または冷却機能が低い小型の放熱器を使用することができるため、燃料電池装置を小型化できる。また、燃料電池装置１によれば、蓄熱タンクの下部と上部との間で温度差を生じさせて、蓄熱タンクの下部から低温の熱媒水を熱交換器に導入するための、大型の蓄熱タンクを設ける必要がなく、蓄熱タンクを小型化することができるため、燃料電池装置を小型化できる。

図２は、本実施形態の燃料電池装置の他の一例を示すブロック図である。燃料電池装置１Ａは、燃料電池装置１と比較して、開閉装置９０が、第一給水路７０に配設された第一弁９２、および排水路８０に配設された第二弁９３である点で異なる構成であり、他の構成は同様の構成であるので、同じ構成には同じ参照符号を付して説明を省略する。

第一弁９２は、凝縮水回収器３０から熱交換器２０への流れ方向において、分岐部７２よりも下流側の第一給水路７０に配設されている。第一弁９２は、第一弁９２より上流側の第一給水路７０と第一弁９２より下流側の第一給水路７０とを連通させる、または遮断する。第二弁９３は、凝縮水回収器３０から外部への流れ方向において、分岐部７２よりも下流側の排水路８０に配設されている。第二弁９３は、第二弁９３より上流側の排水路８０と第二弁９３より下流側の排水路８０とを連通させる、または遮断する。

燃料電池装置１Ａでは、第一弁９２の状態を制御することによって、凝縮水回収器３０から熱交換器２０に向かう流れ方向において、第一弁９２よりも上流側の第一給水路７０と、第一弁９２よりも下流側の第一給水路７０とを連通させる、または遮断することができる。また、第二弁９３の状態を制御することによって、凝縮水回収器３０から排水路８０を介して外部に向かう流れ方向において、第二弁９３よりも上流側の排水路８０と、第二弁９３よりも下流側の排水路８０とを連通させる、または遮断することができる。したがって、燃料電池装置１Ａによれば、燃料電池装置１の場合と同様に、冷却機能が高い大型の放熱器を廃止する、もしくは冷却機能が低い小型の放熱器を用いる、または蓄熱タンクを小型化することができるため、燃料電池装置を小型化できる。

次に、本実施形態の燃料電池装置の制御方法について説明する。図３〜図５は、本実施形態の燃料電池装置１，１Ａの制御方法を説明するフローチャートである。

図３は、凝縮水回収器３０から凝縮水がオーバーフロウした場合に、凝縮水を熱交換器２０に供給する処理を説明するフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、燃料電池装置１，１Ａの運転開始時に実行を開始してもよく、一定時間毎に実行を開始してもよく、ユーザ操作により実行を開始してもよい。

まず、制御装置１７０は、ポンプ１２０を作動させ、第一給水路７０を閉じ、排水路８０を開けるように開閉装置９０を制御し、かつ第四弁７５を閉じる（ステップＳ１）。ポンプ１２０の作用により、熱媒水が、第一流路５０および第二流路６０を介して、熱交換器２０と蓄熱タンク４０との間で循環する。

ステップＳ１における開閉装置９０の制御は、燃料電池装置１では、凝縮水回収器３０から熱交換器２０への流れ方向において、共通流路７１と第一流路５０の分岐部７２よりも下流側の第一給水路７０とを遮断し、共通流路７１と排水路８０とを連通させるように三方弁９１を制御する。燃料電池装置１Ａでは、第一弁９２を閉状態とし、第二弁９３を開状態とすればよい。

次に、制御装置１７０は、水量第一検知装置１５０の検知結果に基づいて、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第二水量以上か否かを判定する（ステップＳ２）。制御装置１７０は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第二水量以上であると判定した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップＳ３の処理に進む。

制御装置１７０は、水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量が上限量より少ないか否かを判定する（ステップＳ３）。制御装置１７０は、熱媒水の水量が上限量に等しいと判定した場合（ステップＳ３のＮＯ）、処理を終了する。制御装置１７０は、熱媒水の水量が上限量より少ないと判定した場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、ステップＳ４の処理に進む。

制御装置１７０は、第一温度検知装置１３０および第二温度検知装置１４０の検知結果に基づいて、凝縮水の温度が熱媒水の温度よりも低いか否かを判定する（ステップＳ４）。制御装置１７０は、凝縮水の温度が熱媒水の温度以上と判定した場合（ステップＳ４のＮＯ）、処理を終了する。制御装置１７０は、凝縮水の温度が熱媒水の温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、ステップＳ５の処理に進む。なお、凝縮水の温度が熱媒水の温度以上と判定した場合においても、凝縮水の有効利用の目的でステップＳ５の処理に進んでもよい。

ステップＳ５では、制御装置１７０は、第一給水路７０を開き、排水路８０を閉じるように開閉装置９０を制御し、かつ第四弁７５を開ける。これにより、凝縮水が凝縮水回収器３０からポンプ１２０によって吸い出され、共通流路７１、第一給水路７０及び第一流路５０を介して熱交換器２０に供給され、熱交換器２０で排ガスと熱交換した後、蓄熱タンク４０に流れる。

ステップＳ５における開閉装置９０の制御は、開閉装置９０が分岐部７２に配設された三方弁９１で構成されている場合には、凝縮水回収器３０から熱交換器２０への流れ方向において、共通流路７１と分岐部７２よりも下流側の第一給水路７０とを連通させ、共通流路７１と排水路８０とを遮断するように三方弁９１を制御すればよい。開閉装置９０が第一弁９２と第二弁９３とで構成されている場合には、第一弁９２を開状態とし、第二弁９３を閉状態とすればよい。

ステップＳ６では、制御装置１７０は、水量第一検知装置１５０および水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量および蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量を監視する。制御装置１７０は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第一水量になった、または蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量が上限量になったと判定したとき、ステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７では、制御装置１７０は、第一給水路７０を閉じ、排水路８０を開けるように開閉装置９０を制御し、かつ第四弁７５を閉じることにより処理を終了する。

なお、凝縮水の水量が第二水量以上であるが、ステップＳ３またはステップＳ４でＮＯと判定し、処理を終了した場合は、凝縮水回収器３０からオーバーフロウした凝縮水はオーバーフロウ流路７４へ流入し、共通流路７１を介して排水路８０から外部に放出される。なお、第四弁７５を閉じていることにより、共通流路７１と凝縮水回収器３０との接続部から凝縮水が共通流路７１内へと流入することはなく、凝縮水回収器３０の水量が第二水量以上で維持されることとなる。

燃料電池装置１，１Ａによれば、本フローチャートに示した処理によって、凝縮水回収器３０内の凝縮水が余剰している場合に、蓄熱タンク４０内の熱媒水が減少していれば、ポンプ１２０を使用して、比較的低温の凝縮水を、熱交換器２０を介して蓄熱タンク４０に補給することができる。これにより、冷却機能が高い大型の放熱器を廃止する、もしくは冷却機能が低い小型の放熱器を用いる、または蓄熱タンク４０を小型化できるため、燃料電池装置を小型化できる。

図４は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第一水量より多い場合に、凝縮水を熱交換器２０に供給する処理を説明するフローチャートである。図３に示したフローチャートのステップＳ２において、制御装置１７０は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第二水量より少ないと判定した場合（ステップＳ２のＮＯ）、図４に示すフローチャートのステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ８では、制御装置１７０は、水量第一検知装置１５０の検知結果に基づいて、凝縮水回収器３０内の凝縮水が第一水量より多いか否かを判定する。制御装置１７０は、凝縮水の水量が第一水量より多いと判定した場合（ステップＳ８のＹＥＳ）、ステップＳ９の処理に進む。

制御装置１７０は、水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量が上限値より少ないか否かを判定する（ステップＳ９）。制御装置１７０は、熱媒水の水量が上限値より少ないと判定した場合（ステップＳ９のＹＥＳ）、ステップＳ１０の処理に進み、熱媒水の水量が上限値に等しいと判定した場合（ステップＳ９のＮＯ）、処理を終了する。

制御装置１７０は、第一温度検知装置１３０および第二温度検知装置１４０の検知結果に基づいて、凝縮水の温度が熱媒水の温度よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０）。制御装置１７０は、凝縮水の温度が熱媒水の温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ１０のＹＥＳ）、ステップＳ１１の処理に進み、凝縮水の温度が熱媒水の温度以上と判定した場合（ステップＳ１０のＮＯ）、処理を終了する。なお、凝縮水の温度が熱媒水の温度以上と判定する場合においても、凝縮水の有効利用の目的でステップＳ１１の処理に進んでもよい。

ステップＳ１１では、制御装置１７０は、開閉装置９０を制御し、第一給水路７０を開け、排水路８０を閉じ、かつ第四弁７５を開ける。これにより、凝縮水回収器３０に貯留される凝縮水は、ポンプ１２０によって吸い出され、第一給水路７０及び第一流路５０を介して熱交換器２０に供給され、熱交換器２０で排ガスと熱交換し、蓄熱タンク４０に流れる。

制御装置１７０は、水量第一検知装置１５０および水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量および蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量を監視する（ステップＳ１２）。制御装置１７０は、制御装置１７０は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第一水量になった、または蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量が上限量になったと判定するとき、ステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３では、制御装置１７０は、開閉装置９０を制御し、第一給水路７０を閉じ、排水路８０を開け、かつ第四弁７５を閉じることにより処理を終了する。

燃料電池装置１，１Ａによれば、本フローチャートに示した処理によって、凝縮水回収器３０に貯留されている凝縮水の水量が、燃料電池モジュール１０の運転に十分に必要な水量を超えている場合に、蓄熱タンク４０内の熱媒水が減少していれば、ポンプ１２０を使用して、比較的低温の凝縮水を、熱交換器２０に供給することができる。これにより、冷却機能が高い大型の放熱器を廃止する、もしくは冷却機能が低い小型の放熱器を用いる、または蓄熱タンクを小型化できるため、燃料電池装置を小型化できる。

図５は、蓄熱タンク４０に貯留された熱媒水を凝縮水回収器３０に供給する処理を説明するフローチャートである。図４に示したフローチャートのステップＳ８において、制御装置１７０は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第一水量より少ないと判定する場合（ステップＳ８のＮＯ）、図５に示すフローチャートのステップＳ１４の処理に進む。

まず、制御装置１７０は、水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量が第三水量より多いか否かを判定する（ステップＳ１４）。制御装置１７０は、熱媒水の水量が第三水量より多いと判定した場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、ステップＳ１５の処理に進み、熱媒水の水量が第三水量以下と判定した場合（ステップＳ１４のＮＯ）、処理を終了する。

次に、制御装置１７０は、開閉装置９０を制御し、第一給水路７０を開き、かつ排水路８０を閉じる（ステップＳ１５）。これにより、熱媒水を熱交換器２０と蓄熱タンク４０との間で循環させつつ、熱媒水を凝縮水回収器３０に送ることができる。凝縮水回収器３０に送られる熱媒水は、凝縮水回収流路１００に設けられたイオン交換部１０１を通過するため、熱媒水から不要な物質を取り除いた純水を凝縮水回収器３０に送ることができる。

ステップＳ１５では、ポンプ１２０の流量を制御することによって、熱交換器２０に流れる熱媒水の流量と凝縮水回収器３０に流れる熱媒水の流量との比率を変更することが可能である。例えば、改質水の不足による燃料電池モジュール１０のシャットダウンの可能性を抑制すべく、水量第一検知装置１５０によって検知された凝縮水の水量と水量第二検知装置１６０によって検知された熱媒水の水量とに基づいて、熱交換器２０に流れる熱媒水の流量と凝縮水回収器３０に流れる熱媒水の流量との比率を変更してもよい。

ステップＳ１６では、制御装置１７０は、水量第一検知装置１５０および水量第二検知装置１６０の検知結果に基づいて、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量および蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量を監視する。制御装置１７０は、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が第一水量になった、または蓄熱タンク４０内の熱媒水の水量が第三水量になったと判定するとき、ステップＳ１７の処理に進む。

ステップＳ１７では、制御装置１７０は、開閉装置９０を制御し、第一給水路７０を閉じ、排水路８０を開け、処理を終了する。これにより、熱媒水の全量が、熱交換器２０と蓄熱タンク４０との間で循環する。

図５に示したフローチャートの処理によれば、凝縮水回収器３０内の凝縮水の水量が、燃料電池モジュール１０の運転に十分に必要な第一水量より少ない場合に、蓄熱タンク４０内の熱媒水を凝縮水回収器３０に供給することができるため、改質水の不足による燃料電池モジュール１０のシャットダウンの可能性を低減できる。また、図５に示したフローチャートに従う処理によれば、高いエネルギを有している熱媒水を外部に排出しないので、燃料電池装置１，１Ａのエネルギ効率の低下を抑制できる。

なお、オーバーフロウ流路７４を設けなくてもよく、凝縮水回収器３０の凝縮水の水位が第二水量を超えた場合に第一給水路７０における第四弁７５を開けて凝縮水を凝縮水回収器３０の外部に放出してもよい。オーバーフロウ流路７４を設けない場合においては、第四弁７５を設けず、上述した三方弁９１又は第一弁９２及び第二弁９３により第一給水路７０及び排水路８０を閉じることにより凝縮水回収器３０に凝縮水を貯水してもよい。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。

１，１Ａ 燃料電池装置
１０ 燃料電池モジュール
１１ａ 燃料電池セル
２０ 熱交換器
３０ 凝縮水回収器
４０ 蓄熱タンク
５０ 第一流路
６０ 第二流路
７０ 第一給水路
７１ 共通流路
７２ 分岐部
７３ 第三弁
７５ 第四弁
８０ 排水路
９０ 開閉装置
９１ 三方弁
９２ 第一弁
９３ 第二弁
１００ 凝縮水回収流路
１０１ イオン交換部
１１０ 第二給水路
１２０ ポンプ
１３０ 第一温度検知装置
１４０ 第二温度検知装置
１５０ 水量第一検知装置
１６０ 水量第二検知装置
１７０ 制御装置

Claims (13)

1. 燃料電池セルと原燃料を水蒸気改質する改質器とを有する燃料電池モジュールと、
   該燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒水との間で熱交換して凝縮水を生成する熱交換器と、
   前記熱交換器で生成された前記凝縮水を貯水する凝縮水回収器と、
   前記熱交換器に供給する前記熱媒水を貯留する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクから前記熱交換器に向かって前記熱媒水が流過する第一流路と、
   前記熱交換器から前記蓄熱タンクに向かって前記熱媒水が流過する第二流路と、
   前記凝縮水回収器と接続され前記第一流路と繋がる第一給水路と、
   前記凝縮水回収器と接続され外部と繋がる排水路と、を備えること特徴とする燃料電池装置。
2. 前記凝縮水回収器と接続される前記第一給水路と前記排水路とは一部が共通流路とされており、
   該共通流路は、該共通流路から前記第一給水路と前記排水路とに分岐する分岐部を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記第一給水路および前記排水路を開閉する開閉装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記開閉装置は、前記分岐部に設けられた三方弁であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記開閉装置は、前記分岐部より下流側の前記第一給水路に配設された第一弁と、
   前記分岐部より下流側の前記排水路に配設された第二弁であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
6. 前記熱交換器と接続され該熱交換器で生成された前記凝縮水を前記凝縮水回収器へと流過させる凝縮水回収流路をさらに備え、
   該凝縮水回収流路はイオン交換部を有し、
   前記共通流路は、前記開閉装置と前記凝縮水回収器との間に、前記凝縮水回収器から前記熱交換器への流れ方向のみの流体の流れを許容する第三弁を有し、
   前記イオン交換部より前記凝縮水の流れ方向における上流側の前記凝縮水回収流路又は前記イオン交換部と、前記第三弁と前記開閉装置との間の前記共通流路と、に接続され、前記熱媒水が前記第一給水路から前記凝縮水回収流路に向かって流過する第二給水路をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池装置。
7. 前記共通流路に配設され、該共通流路を開閉する第四弁を備えることを特徴とする請求項３乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
8. 前記第一給水路と前記第一流路とが接続されている部分より下流側の前記第一流路に配設され、前記第一流路中の流体を前記熱交換器に向けて流過させるポンプと、
   前記凝縮水の温度を検知する第一温度検知装置と、
   前記熱交換器に導入される前記熱媒水の温度を検知する第二温度検知装置と、
   前記凝縮水回収器に配設され、該凝縮水回収器に貯水された前記凝縮水の量を検知する水量第一検知装置と、
   前記蓄熱タンクに配設され、該蓄熱タンクに貯水された前記熱媒水の量を検知する水量第二検知装置と、
   前記第四弁、前記開閉装置及び前記ポンプの動作を制御する制御装置と、をさらに備え、
   前記水量第一検知装置は、前記凝縮水における、下限量と、上限量と、前記下限量と前記上限量との間の予め設定された第一水量と、該第一水量と前記上限量との間の予め設定された第二水量と、を検知し、
   前記水量第二検知装置は、前記熱媒水における、下限量と、上限量と、前記下限量と前記上限量との間の予め設定された第三水量と、を検知し、
   該制御装置は、前記ポンプを作動し、前記第四弁を閉じ、かつ前記開閉装置を制御して前記第一給水路を閉じかつ前記排水路を開けた後、
   前記水量第一検知装置で検知された前記凝縮水の水量が前記第二水量以上の場合であって、前記水量第二検知装置で検知された前記熱媒水の水量が前記上限量より少なく、かつ前記第一温度検知装置で検知された前記凝縮水の温度が前記第二温度検知装置で検知された前記熱媒水の温度より低い場合に、
   前記第一給水路を開きかつ前記排水路を閉じるように前記開閉装置を制御し、かつ前記第四弁を開けることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記制御装置は、
   前記水量第一検知装置で検知された前記凝縮水の水量が前記第一水量となった場合、
   又は前記水量第二検知装置で検知された前記熱媒水の水量が前記上限量となった場合に、
   前記第一給水路を閉じかつ前記排水路を開くよう前記開閉装置を制御し、かつ前記第四弁を閉じることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。
10. 前記制御装置は、
    前記水量第一検知装置で検知された前記凝縮水の水量が前記第二水量より少なく、かつ前記第一水量より多い場合であって、前記水量第二検知装置で検知された前記熱媒水の水量が前記上限量より少なく、かつ前記第一温度検知装置で検知された前記凝縮水の温度が前記第二温度検知装置で検知された前記熱媒水の温度より低い場合に、
    前記第一給水路を開きかつ前記排水路を閉じるよう前記開閉装置を制御し、かつ前記第四弁を開けることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池装置。
11. 前記制御装置は、
    前記水量第一検知装置で検知された前記凝縮水の水量が前記第一水量となった場合、又は前記水量第二検知装置で検知された前記熱媒水の水量が前記上限量となった場合に、
    前記第一給水路を閉じかつ前記排水路を開くよう前記開閉装置を制御し、かつ前記第四弁を閉じることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池装置。
12. 前記制御装置は、
    前記水量第一検知装置で検知された前記凝縮水の水量が前記第一水量より少なく、かつ前記水量第二検知装置で検知された前記熱媒水の水量が前記第三水量より多い場合に、
    前記第一給水路を開きかつ前記排水路を閉じるよう前記開閉装置を制御することを特徴とする請求項６を引用する請求項１０又は１１に記載の燃料電池装置。
13. 前記制御装置は、
    前記水量第一検知手段で検知された前記凝縮水の水量が前記第一水量となった場合、又は前記水量第二検知手段で検知された前記熱媒水の水量が前記第三水量となった場合に、
    前記第一給水路を閉じかつ前記排水路を開くよう前記開閉装置を制御することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池装置。

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