JP2021061098A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部消費電力を抑えながら、効率的に流路内の水の凍結を抑制することのできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池装置は、燃料電池と、燃料電池の排熱と熱媒体の熱交換を行う第１熱交換器と、熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、蓄熱タンクと第１熱交換器との間で熱媒体が循環する第１循環経路と、第１循環経路の熱媒体を循環させる第１循環ポンプと、第１循環経路と独立して設けられた第２循環経路と、第２循環流路に設けられた第２循環ポンプと、制御装置と、を備える。制御装置は、外気温および／または熱媒体の温度に基づいて、第１循環ポンプおよび第２循環ポンプの運転を制御する凍結抑制制御を実行する。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、水素を含有する原燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて発電を行い、電気を外部に供給する。また、燃料電池装置は、発電および余剰ガスの燃焼により生じた排ガス中の熱を回収して温水として貯留し、この温水を直接にまたは間接に外部に供給する、コジェネレーションシステムの一部を構成する。

燃料電池装置は、多くの水を使用または貯留するため、外装ケース内を流過あるいは循環する水の凍結防止あるいは凍結抑制機能を備える。たとえば、特許文献１には、ヒータ等の加熱器を付加することなく、貯湯槽に貯えられた湯水を利用することで、循環流路内の水の凍結を防止する燃料電池装置が開示されている。

また、引用文献２には、流路にヒータ等の加熱器を備える燃料電池装置において、流路の温度が所定値以下である場合に、流路内の水をヒータで加熱するとともに、加熱された水をポンプにより流路全体に循環させることにより、ヒータを広範囲に設けることなく、流路内の水の凍結を効果的に防止できる方法が開示されている。

特開２００４−６０９８０号公報 特開２００８−３２３２０号公報

本開示の目的は、内部消費電力を抑えながら、効率的に流路内の水の凍結を抑制することのできる燃料電池装置を提供することである。

本開示の燃料電池装置は、燃料電池と、前記燃料電池の排熱と熱媒体の熱交換を行う第１熱交換器と、前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと前記第１熱交換器との間で前記熱媒体が循環する第１循環経路と、前記第１循環経路の前記熱媒体を循環させる第１循環ポンプと、前記第１循環経路と独立して設けられ、前記蓄熱タンクの熱媒体を循環する第２循環経路と、前記第２循環流路に設けられた第２循環ポンプと、制御装置と、を備える。
前記制御装置は、外気温および／または熱媒体の温度に基づいて、前記第１循環ポンプおよび前記第２循環ポンプの運転を制御する凍結抑制制御を実行可能である。

本開示の燃料電池装置によれば、内部消費電力を抑えながら、効率的に流路内の水の凍結を抑制することができる。

実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 燃料電池装置における熱媒循環系の拡大図である。 外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。 凍結抑制制御に関するフローチャートである。

以下、図面を参考にしながら、実施形態を説明する。

図１は、実施形態の燃料電池装置の構成の概略を示すブロック図であり、図２は、図１の要部拡大図である。なお、燃料電池装置において汎用的な装置や機器等については、詳しい説明を行わず、図中への符号の付与のみに留めているものもある。

図１に示す燃料電池装置１００は、収納容器１０内に収容された燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１に接続された熱交換器（第１熱交換器２）と、燃料電池モジュール１から排出される高温度の排ガスの熱および熱エネルギーを熱交換により回収し、温水として貯留する蓄熱タンク３と、排ガス中に含まれる水分が熱交換により凝縮して生成した凝縮水を改質水として貯留する改質水タンク６と、を備える。

また、燃料電池装置１００は、原燃料ポンプＢ１および原燃料流路等を含む原燃料供給装置と、空気ブロアＢ２および酸素含有ガス流路等を含む酸素含有ガス供給装置を備える。さらに、水自立運転を継続するための、凝縮水流路Ｃ、前述の改質水タンク６、改質水供給ポンプＰ３および改質水流路Ｒを含む改質水供給装置を含む。

そして、図２に示すように、燃料電池装置１００は、先に述べた第１熱交換器２、蓄熱タンク３、ラジエータ４、熱媒循環ポンプＰ１とこれらを環状に接続する熱媒循環流路ＨＣ１とからなる熱媒循環系（第１のヒートサイクル）を備えている。

また、燃料電池装置１００は、外部に供給するための水道水（上水）を加温するための第２熱交換器５と、前述の蓄熱タンク３から高温の熱媒を取り出して循環させるための水循環ポンプＰ２および水循環流路ＨＣ２等を含む、温水供給システム（第２のヒートサイクル）を備えている。

上記２つの熱交換器のうち、主熱交または潜熱熱交とも呼ばれる第１熱交換器２は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュール１の排熱と熱媒体（本例では、熱媒または冷媒としての水）との間で熱交換を行うためのものである。なお、第１のヒートサイクルである熱媒循環流路ＨＣ１上に、凍結防止用のヒータや、自立運転時に通電される余剰電力消費ヒータ等が配設されている場合もある。

また、図２の拡大図においては、蓄熱タンク３に水道水等の外部水を給水または補水する給水流路（配管）、タンクの満水状態を越えた水を排出するためのオーバーフロー流路や、外部給湯用の水道水のインレットＷｉｎおよび温水のアウトレットＷｏｕｔ等、実施形態では使用しない構成の図示を簡略化している。

なお、燃料電池装置１００は、図３に示すような、各フレーム３１と各外装パネル３２とからなるケース３０の中に配設されている。本実施形態においては、このケース３０の中に、少なくとも、燃料電池モジュール１と、第１熱交換器２および第２熱交換器５と、蓄熱タンク３と、熱媒循環流路ＨＣ１および熱媒循環ポンプＰ１と、水循環流路ＨＣ２および水循環ポンプＰ２と、が収容されている。また、モジュールおよび各補機の周りや、流路、配管等には、以下のような制御装置２０や、複数の計測機器やセンサ、または他の補機等が設けられている。

燃料電池装置１００は、前述の燃料電池モジュール１および各補機の動作を制御する手段として、電力調整装置（図示省略）と、この電力調整装置と連係して、燃料電池の発電運転を補助する各補機の動作を制御する制御装置２０と、この制御装置２０に付属または内蔵される記憶装置等を備える。

制御装置２０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置２０は、それに付属する記憶装置（図示省略）に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。

なお、燃料電池装置１００は、筐体内外の各部の温度を計測するための、温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計を、複数備える。

たとえば、図１，図２に示すように、第１熱交換器２下側の熱媒体入口から導入される直前の熱媒体（水）の温度を測定するために、熱媒循環流路ＨＣ１上にサーミスタＴＭ２が配設されている。

このサーミスタＴＭ２は、本開示における第２温度測定部の一例である。また、図のサーミスタＴＭ１にように、装置外の外気温を測定するための第１温度測定部を備える。

前述の制御装置２０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置２０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。各図では、制御装置２０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。また、制御装置２０が行う本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。

なお、後記の実施形態において、制御装置２０は、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の種類に応じて、回転駆動モータのオン／オフデューティ比や回転数等を制御する。それにより、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の、駆動力および吐出量を調整する。

以上の構成の燃料電池装置１００において、燃料電池装置の主電源（ブレーカー）が入っている場合、燃料電池が発電運転を行っている、もしくは停止しているに関わらず、制御装置２０は、サーミスタＴＭ１（第１温度測定部）が測定する外気温ＴＨ１（℃）を常時チェックしている。以下、各凍結抑制制御、温度判定制御について順に説明する。

図４は、本実施形態における凍結抑制制御および温度判定制御のフローチャートである。なおフローチャートにおいては、各「ステップ」を「Ｓ」と略している。

まず〔Ｓ１〕において、サーミスタＴＭ１（第１温度測定部）が測定する外気温ＴＨ１が所定の第１外気温Ｘ１（℃）より高いかを判定する第１温度判定を行う。第１外気温Ｘ１としては、たとえば１〜１０℃程度の温度で設定でき、この例では６℃が設定される。

すなわち、制御装置２０は、第１の温度条件が満たされない場合、すなわち具体的には、外気温ＴＨ１と第１外気温Ｘ１とを比較する第１温度判定〔Ｓ１〕を実行して、外気温ＴＨ１が第１外気温Ｘ１以下の［ＮＯ］の場合に、〔Ｓ２〕において、熱媒循環ポンプＰ１（第１循環ポンプ）および水循環ポンプＰ２（第２循環ポンプ）の動作を制御する、第１凍結抑制制御を実行する。

具体的には、制御装置２０は、熱媒循環ポンプＰ１に対しては、熱媒循環ポンプＰ１が駆動している場合には、その駆動状態を維持するように制御し、熱媒循環ポンプＰ１が停止している場合には、駆動を開始するように制御する。

また制御装置２０は、水循環ポンプＰ２については、その駆動状態を維持するように制御する。すなわち、水循環ポンプＰ２が駆動している場合には、その駆動状態を維持し、停止している場合には、そのまま停止を継続するように制御する。なお、本実施形態においては、制御装置２０が、直接ポンプの駆動状態を変更しない、すなわち状態を維持する場合も、ポンプの運転を制御しているものとする。

なお、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の駆動については、各ポンプに応じて駆動を制御すればよい。すなわち、各ポンプからの吐出量が増加や減少するように制御すればよい。したがって、回転数が調整されるように制御するほか、ポンプの駆動力であるモータ駆動のデューティ比を調整してもよい。

続いて制御装置２０は、第１凍結防止制御を実行したのちに、外気温ＴＨ１が、第１外気温Ｘ１よりも高く設定された第２外気温Ｘ２（℃）以上であるかを判定する第１ステップ〔Ｓ３〕と、サーミスタＴＭ２（第２温度測定部）が測定する熱媒体温度ＴＨ２（第２測定温度）が、あらかじめ定められた第１熱媒体温度Ｙ１（℃）より高いか判定する第２ステップ〔Ｓ４〕を含む、第２温度判定を行う。

なお、各ステップの間には、ポンプの吐出量の安定を待つ待機時間や、水温または温度の安定を待つ待機時間として、数分から数十分の時間間隔が設けられる場合があるが、フローチャート上は図示を省略している。以下の制御フローにおいても同様である。

第２温度判定において、外気温ＴＨ１が第２外気温Ｘ２以上の場合（〔Ｓ３〕で［ＹＥＳ］の場合）は、〔Ｓ１３〕に進み、熱媒循環ポンプＰ１の駆動を減少させ、かつ、水循環ポンプＰ２の駆動を停止して、本制御を終了する〔エンド〕。なお、第２外気温Ｘ２としては、たとえば１〜１５℃程度の温度で設定でき、この例では８℃が設定される。

一方、第２温度判定において、外気温ＴＨ１が第２外気温Ｘ２未満の場合（〔Ｓ３〕で［ＮＯ］の場合）は、続いて第２ステップ〔Ｓ４〕に進み、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１より高いか判定する。ここで、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１よりも高い場合には、〔Ｓ３〕に戻る。なお、第１熱媒体温度Ｘ２としては、たとえば１〜１０℃程度の温度で設定でき、この例では６℃が設定される。

第２ステップ〔Ｓ４〕に進み、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１以下である場合（言い換えれば、第２温度判定である〔Ｓ３〕および〔Ｓ４〕の両方を満たしていない場合）には、制御装置２０は、〔Ｓ５〕に進み、第１凍結防止制御よりも各ポンプの駆動を増大させる第２凍結防止制御を実行する。

第２凍結防止制御においては、制御装置２０は、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の駆動を、第１凍結防止制御での駆動よりも増大させる制御を実行する。それにより、第１凍結防止制御に加えて、より凍結を抑制することができる。

続いて、制御装置２０は、第２凍結防止制御を実行したのちに、外気温ＴＨ１が、第１外気温Ｘ１よりも高く設定された第２外気温Ｘ２以上であるかを判定する第１ステップ〔Ｓ６〕と、熱媒体温度ＴＨ２が、第１熱媒体温度Ｙ１よりも高く設定された第２熱媒体温度Ｙ２（℃）以上であるかを判定する第２ステップ〔Ｓ７〕と、熱媒体温度ＴＨ２が、第１熱媒体温度Ｙ１より高いか判定する第３ステップ〔Ｓ８〕を含む、第３温度判定を行う。

第３温度判定において、外気温ＴＨ２が第２外気温Ｘ２以上の場合（〔Ｓ６〕で［ＹＥＳ］の場合）は、第２温度判定の第１ステップと同様に、〔Ｓ１３〕に進み、熱媒循環ポンプＰ１の駆動を減少させ、かつ、水循環ポンプＰ２の駆動を停止して、本制御を終了する〔エンド〕。

一方、第３温度判定において、外気温ＴＨ１が第２外気温Ｘ２未満の場合（〔Ｓ６〕で［ＮＯ］の場合）は、続いて第２ステップ〔Ｓ７〕に進み、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１より高く設定された第２熱媒体温度Ｙ２以上であるか判定する。ここで、熱媒体温度ＴＨ２が第２熱媒体温度Ｙ２以上の場合には、凍結のおそれが少し解消されるため、〔Ｓ９〕に進み、水循環ポンプＰ２の駆動を停止し、〔Ｓ２〕に戻る。すなわち、熱媒循環ポンプＰ１の駆動も減少させることとなる。なお、第２熱媒体温度Ｙ２としては、たとえばたとえば１〜２５℃程度の温度で設定でき、この例では１８℃が設定される。

一方、第２ステップ〔Ｓ７〕において、熱媒体温度ＴＨ２が第２熱媒体温度Ｙ２未満の場合（〔Ｓ７〕で［ＮＯ］の場合）には、続いて第３ステップ〔Ｓ８〕に進み、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１より高いか判定する。ここで、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１よりも高い場合には、〔Ｓ６〕に戻る。

第３ステップ〔Ｓ８〕に進み、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１以下である場合（言い換えれば、第３温度判定である〔Ｓ６〕，〔Ｓ７〕および〔Ｓ８〕のいずれも満たしていない場合）には、制御装置２０は、〔Ｓ１０〕に進み、第２凍結防止制御よりも各ポンプの駆動を増大させる第３凍結防止制御を実行する。

第３凍結防止制御においては、制御装置２０は、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の駆動を、第２凍結防止制御での駆動よりも増大させる制御を実行する。それにより、第１凍結防止制御、第２凍結防止制御に加えて、より凍結を抑制することができる。なお、第３凍結防止制御における、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の駆動は、それぞれのポンプの最大駆動とすることができる。

続いて、制御装置２０は、第３凍結防止制御を実行したのちに、外気温ＴＨ１が、第１外気温Ｘ１よりも高く設定された第２外気温Ｘ２未満であるかを判定する第１ステップ〔Ｓ１１〕と、熱媒体温度ＴＨ２が、第１熱媒体温度Ｙ１よりも高く設定された第３熱媒体温度Ｙ３（℃）以上であるかを判定する第２ステップ〔Ｓ１２〕とを含む、第４温度判定を行う。

第４温度判定において、外気温ＴＨ１が第２外気温Ｘ２以上の場合（〔Ｓ１１〕で［ＮＯ］の場合）は、第２温度判定の第１ステップ、第３温度判定の第１ステップと同様に、〔Ｓ１３〕に進み、熱媒循環ポンプＰ１の駆動を減少させ、かつ、水循環ポンプＰ２の駆動を停止して、本制御を終了する〔エンド〕。

一方、第４温度判定において、外気温ＴＨ１が第２外気温Ｘ２未満の場合（〔Ｓ１１〕で［ＹＥＳ］の場合）は、続いて第２ステップ〔Ｓ１２〕に進み、熱媒体温度ＴＨ２が第１熱媒体温度Ｙ１より高く設定された第３熱媒体温度Ｙ３以上であるか判定する。ここで、熱媒体温度ＴＨが第３熱媒体温度Ｙ３よりも低い場合には、〔Ｓ１１〕に戻る。

一方、第２ステップ〔Ｓ１２〕において、熱媒体温度ＴＨ２が第３熱媒体温度Ｙ３以上の場合には、凍結のおそれが少し解消されるため、〔Ｓ５〕に進み、熱媒循環ポンプＰ１および水循環ポンプＰ２の駆動を減少させる。なお、第３熱媒体温度Ｙ３としては、たとえば１〜２５℃程度の温度で設定できるが、第２熱媒体温度Ｙ２よりも低く設定することができ、この例では１５℃が設定される。

以上のように、本実施形態の構成によれば、流路内の水を凍結防止用のヒータで加熱する等の内部消費電力の増加を抑えながら、効率的に、流路内の水の凍結を抑制することができる。

なお、以上の燃料電池装置の凍結抑制制御は、通常の発電運転時における低温環境の発生を想定したものであるが、燃料電池装置が、系統電源から解列して単体で発電を行う自立運転の状態にある場合、全体の消費電力を抑える必要があるため、第２循環流路（水循環流路ＨＣ２）に配設された第２循環ポンプ（水循環ポンプＰ２）の駆動力は、予め定められた値以下に制限される。それ以外は、上述の通常の発電運転時と同様である。

１ 燃料電池モジュール
２ 第１熱交換器
３ 蓄熱タンク
２０ 制御装置
１００ 燃料電池装置
Ｐ１ 熱媒循環ポンプ（第１循環ポンプ）
Ｐ２ 水循環ポンプ（第２循環ポンプ）
ＨＣ１ 熱媒循環流路（第１循環流路）
ＨＣ２ 水循環流路（第２循環流路）
ＴＭ サーミスタ

Claims (10)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の排熱と熱媒体の熱交換を行う第１熱交換器と、
   前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクと前記第１熱交換器との間で前記熱媒体が循環する第１循環経路と、
   前記第１循環経路の前記熱媒体を循環させる第１循環ポンプと、
   前記第１循環経路と独立して設けられ、前記蓄熱タンクの熱媒体を循環する第２循環経路と、
   前記第２循環流路に設けられた第２循環ポンプと、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、外気温および／または熱媒体の温度に基づいて、前記第１循環ポンプおよび前記第２循環ポンプの運転を制御する凍結抑制制御を実行可能である、燃料電池装置。
2. 前記制御装置は、
   外気温が、予め定められた第１外気温より高いかを判定する第１温度判定制御を行い、
   前記外気温が、前記第１温度判定を満たさない場合に、前記第１循環ポンプの動作を開始もしくは維持し、前記第２循環ポンプの動作を維持する第１凍結抑制制御を実行する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記第１凍結抑制制御を実行したのちに、
   外気温が、前記第１外気温よりも高く設定された第２外気温以上であるかを判定する第１ステップと、
   熱媒体の温度が、予め定められた第１熱媒体温度より高いかを判定する第２ステップと、を含む第２温度判定を行う、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記第２温度判定が満たされない場合に、前記第１循環ポンプおよび前記第２循環ポンプの駆動を増加する第２凍結抑制制御を実行する、請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記制御装置は、前記第２凍結抑制制御を実行したのちに、
   外気温が、前記第２外気温以上であるかを判定する第１ステップと、
   熱媒体の温度が、前記第１熱媒体温度よりも高く設定された第２熱媒体温度以上であるかを判定する第２ステップと、
   熱媒体の温度が、前記第１熱媒体温度より高いかを判定する第３ステップと、を含む第３温度判定を行う、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記制御装置は、前記第２ステップが満たされた場合に、前記第２循環ポンプの駆動を停止する、請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記制御装置は、前記第３温度判定が満たされない場合に、前記第１循環ポンプおよび前記第２循環ポンプの駆動を増加する第３凍結抑制制御を実行する、請求項５に記載の燃料電池装置。
8. 前記制御装置は、前記第３凍結抑制制御を実行したのちに、
   外気温が、前記第２外気温未満であるかを判定する第１ステップと、
   熱媒体の温度が、前記第１熱媒体温度よりも高く設定された第３熱媒体温度以上であるかを判定する第２ステップと、を含む第４温度判定を行う、請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記制御装置は、前記第４温度判定が満たされた場合に、前記第１循環ポンプおよび前記第２循環ポンプの駆動を減少させる制御を実行する、請求項８に記載の燃料電池装置。
10. 前記制御装置は、前記第２温度判定、前記第３温度判定および前記第４温度判定における、外気温が、前記第２外気温以上の場合に、前記第１循環ポンプの駆動を減少させるとともに、前記第２循環ポンプの動作を停止する、請求項３，５，８のいずれか１つに記載の燃料電池装置。

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