JP2022070171A

JP2022070171A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2022070171A
Application number: JP2020179258A
Authority: JP
Inventors: 栄造松井; Eizo Matsui; 道忠岡田; Michitada Okada; 健吾鈴木; Kengo Suzuki; 淳一中村; Junichi Nakamura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: JP7565187B2

Abstract

【課題】凍結防止ヒータを用いることなく流路の凍結の可能性を低減する。【解決手段】燃料電池装置１０は燃料電池１１と熱交換器１２と循環路１３と流路１４とを有する。熱交換器１２は燃料電池１１の排熱を熱媒と熱交換させる。循環路１４は熱媒を熱交換器１２に通過させながら循環させる。流路１４は循環路１３以外の燃料電池１１の稼働に関連する液体の流路である。流路１４を樹脂により形成する。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池装置に関するものである。

燃料電池装置は、水素等の燃料ガス及び酸素等の酸化剤ガスを用いて電気化学反応により発電する。燃料電池装置では、例えば、燃料ガスを改質反応により生成するため、又は燃料電池の電極を加湿するため、用途に応じた流体が供給される必要がある。それゆえ、燃料電池装置は、燃料電池装置の稼働に関連する水などの液体の流路を備える。液体の流路は、例えば外気温が低い状況においても、凍結が防止されることが求められる。そこで、燃料電池装置に凍結防止ヒータを設けて、水の凍結を防止することが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００５－２５９４９４号公報

しかし、凍結防止ヒータを設けることにより製造コストが増加し、且つ電力を用いた凍結防止ヒータの稼働により、発電効率の低下やランニングコストの上昇が生じていた。

従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、凍結防止ヒータを用いることなく流路の凍結の可能性を低減する燃料電池装置を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による燃料電池装置は、
燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を熱媒と熱交換させる熱交換器と、
前記熱媒を、前記熱交換器に通過させながら、循環させる循環路と、
樹脂により形成され、前記循環路以外の、前記燃料電池の稼働に関連する液体の流路と、を備える。

上記のように構成された本開示に係る燃料電池装置によれば、凍結防止ヒータを用いることなく流路の凍結の可能性が低減する。

本実施形態に係る燃料電池装置の概念的な構成を示すブロック図である。図１の制御部が実行する凍結防止処理を説明するためのフローチャートである。図１の制御部が実行する凍結時起動処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本開示を適用した燃料電池装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る燃料電池装置１０は、燃料電池１１、熱交換器１２、循環路１３、及び液体の流路１４を含んで構成される。燃料電池装置１０は、更に、制御部１５を含んでよい。

燃料電池装置１０は、系統に連系又は解列可能である。燃料電池装置１０は、系統に連系した状態で、一般の負荷機器に電力を供給できる。燃料電池装置１０は、系統から解列した状態で、燃料電池装置１０を構成する各補機類等に電力を供給できる。

燃料電池１１は、供給される燃料ガス及び空気を用いて発電する。なお、燃料電池１１は、供給される原燃料と改質水を用いて水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器２３を備えてよい。燃料電池１１は、発電に伴い、高熱の排ガスを輩出する。燃料電池１１は、排出路を有する。燃料電池１１は、排出路を介して熱交換器１２に排ガスを送出する。

熱交換器１２は、燃料電池１１が排ガスを介して排出する排熱を、熱媒と熱交換させる。熱媒は、例えば、水、不凍液などの比熱の大きな流体である。熱交換器１２において熱媒との熱交換により排ガスから凝縮した改質水は、改質水タンク１６に貯留される。改質水タンク１６は、改質水を一時的に貯留してよい。改質水タンク１６は、保温材により覆われていてよい。改質水タンク１６に貯留される改質水は、改質水ポンプ１７により昇圧されて、燃料電池１１に供給される。熱交換器１２において凝縮されない排ガスは燃料電池装置１０から、排気される。

循環路１３は、熱媒を、熱交換器１２に通過させながら循環させる。循環路１３は、熱媒を熱交換器１２及び熱媒タンク１８の間に循環させてよい。熱媒タンク１８は、熱媒を一時的に貯留してよい。熱媒タンク１８は、保温材により覆われていてよい。循環路１３は、例えば、熱媒タンク１８から熱交換器１２へ熱媒を送出する配管と、熱交換器１２から熱媒タンク１８へ熱媒を送出する配管とを含んでよい。循環路１３には、水抜き用のバルブが設けられていてよい。

循環路１３には、熱媒ポンプ１９が設けられてよい。熱媒ポンプ１９は、熱媒を昇圧することにより循環路１３に循環させる。熱媒ポンプ１９は、制御部１５により制御されることにより、稼働してよい。

液体の流路１４は、燃料電池１１の稼働に関連する、循環路１３以外の流路である。流路１４は、例えば、燃料電池１１に改質水を供給する供給路２０、熱媒から得られる熱を利用して温水を出湯する給湯路２１を含む。供給路２０は、改質水タンク１６から改質水ポンプ１７を介して燃料電池１１に接続される。給湯路２１は、例えば、熱媒タンク１８内を通過させることにより熱媒タンク１８中の熱媒と熱交換することにより、給湯路２１に供給される水を加熱する。または、給湯路２１は、例えば、蓄熱タンク１８の熱媒を直接出湯する流路であってよい。流路１４には、水抜き用のバルブが設けられてよい。水抜き用のバルブは、手動又は制御部１５の制御により開閉されてよい。

流路１４は、樹脂により形成される。供給路２０と、供給路２０以外の流路１４は異なる樹脂により形成されてよい。供給路２０は、非ハロゲン系且つ非シリコン系の樹脂により形成されてよい。非ハロゲン系の樹脂は、例えば、ポリエチレンなどのポリオレフィンのように、塩素などのハロゲンを含まないモノマーを重合させた樹脂であってよい。供給路２０以外の流路１４である給湯路２１は、例えば、ポリ塩化ビニル等の耐圧性、耐浸食性、耐湿性、耐熱性を有する任意の樹脂により形成されてよい。流路１４は、被覆材によっておおわれた樹脂製の配管であってよい。

流路１４の少なくとも一部が、ヒータを除く発熱体の近傍に位置してよい。発熱体は、発熱体の稼働により発熱する。ヒータを除く発熱体は、周囲の加温を目的として発熱する発熱体ではなく、周囲の加温以外の機能を有し、当該機能の発揮のための稼働に伴い発熱する発熱体である。発熱体は、例えば、稼働により発電するとともに発熱する燃料電池１１を含む。また、発熱体は、例えば、パワーコンディショナ２２のように燃料電池１１の停止中にも活動可能な発熱体を含む。

パワーコンディショナ２２は、燃料電池１１が発電した電力を、系統への出力に適した特性の電力に変換する。パワーコンディショナ２２には、近傍の流路１４の一部側にヒートシンク又は冷却用ファンが設けられていてよい。また、水冷ファン方式を適用して、流路１４の一部を水冷ファンの流路に含めてよい。

制御部１５は、１以上のプロセッサ及びメモリを含む。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、及び特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ；ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）を含んでよい。制御部１５は、１つまたは複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）、及びＳｉＰ（ＳｙｓｔｅｍＩｎａＰａｃｋａｇｅ）のいずれかであってもよい。制御部１５は、燃料電池装置１０の多様な機能を奏するべく、各構成要素を制御する。

例えば、制御部１５は、流路１４における凍結の発生の可能性の存否を判別してよい。制御部１５は、例えば、温度センサが検出する温度が温度閾値以下である場合、流路１４に凍結発生の可能性があると判別する。温度閾値は、例えば、流路１４内の流体に凍結が発生するときの温度センサの設置位置における温度を実験などにより測定し、当該測定点より余裕分を加えた温度に設定されてよい。または、制御部１５は、例えば、流路１４に設けられる流量計の検出する流量などに基づいて、凍結発生の可能性の存在を判別してよい。

制御部１５は、流路１４に凍結発生の可能性があると判別する場合、燃料電池１１の停止中にも稼働可能な発熱体を起動させてよい。本実施形態において、制御部１５は、流路１４に凍結発生の可能性があると判別する場合、パワーコンディショナ２２を起動してよい。

制御部１５は、燃料電池１１が停止し且つ発熱体が稼働している場合に、燃料電池１１起動の指令を受信するとき、流路１４の凍結が解消されているか否かを判別してよい。燃料電池１１の起動の指令は、ユーザ入力を検出した入力部から受信してよく、エネルギー管理装置などの燃料電池装置１０の他の装置から受信してよい。制御部１５は、温度センサが検出する温度に基づいて、流路１４における凍結の解消を判別してよい。制御部１５は、流路１４の凍結が解消されたと判別する場合、燃料電池１１を起動させてよい。

制御部１５は、燃料電池１１の稼働が停止に切替わる場合、流路１４からの水抜きを促進させてよい。また、燃料電池１１の稼働が停止中に、燃料電池１１の停止中にも稼働可能な発熱体を起動させても、温度センサが検出する温度が温度閾値以下を検出する場合に、流路１４からの水抜きを促進させてもよい。制御部１５は、流路１４の水抜き用バルブが開閉制御の可能なバルブである構成において、当該水抜き用バルブを開くように制御することにより水抜きを促進させてよい。または、制御部１５は、水抜き用バルブが手動バルブである構成において、ディスプレイやスピーカなどの報知装置に、水抜きバルブを開くように報知させることにより水抜きを促進させてよい。

制御部１５は、循環路１３における凍結の発生の可能性の存否を判別してよい。制御部１５は、例えば、温度センサが検出する温度が温度閾値以下である場合、循環路１３に凍結発生の可能性があると判別する。制御部１５は、循環路１３に凍結発生の可能性があると判別する場合、熱媒ポンプ１９を起動して凍結発生の可能性を低減してよい。

次に、本実施形態において制御部１５が実行する、凍結防止処理について、図２のフローチャートを用いて説明する。凍結防止処理は、燃料電池１１の停止中に周期的に開始する。

ステップＳ１００において、制御部１５は、温度センサが検出した温度を取得する。取得後、プロセスはステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０１では、制御部１５は、ステップＳ１００において取得した温度が温度閾値以下であるか否かを判別する。温度閾値以下でない場合、凍結防止処理は終了する。温度閾値以下である場合、プロセスはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、制御部１５は、燃料電池１１の停止中に稼働可能な発熱体としてパワーコンディショナ２２を起動する。起動後、凍結防止処理は終了する。

次に、本実施形態において制御部１５が実行する、凍結時起動処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。凍結時起動処理は、燃料電池１１が停止し且つパワーコンディショナ２２の稼働している場合であって、燃料電池１１の起動の指令を受信するときに開始する。

ステップＳ２００において、制御部１５は、温度センサが検出した温度を取得する。取得後、プロセスはステップＳ２０１に進む。

ステップＳ２０１では、制御部１５は、ステップＳ２００において取得した温度が温度閾値を超えるかを判別する。温度閾値を超えない場合、プロセスはステップＳ２００に戻る。温度閾値を超える場合、プロセスはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、制御部１５は、燃料電池１１を起動する。起動後、凍結時起動処理は終了する。

以上のような構成の本実施形態の燃料電池装置１０は、熱媒を熱交換器１２に通過させながら循環させる循環路１３と、樹脂により形成され、循環路１３以外の燃料電池１１の稼働に関連する循環路１３以外の液体の流路１４とを備える。上述の構成により、燃料電池装置１０では、燃料電池１１の停止中であっても、液体を循環させることにより配管の凍結の可能性を低減させる機構を有する循環路１３以外の流路１４を加熱することなく、凍結の可能性を低減させ得る。したがって、燃料電池装置１０は、凍結防止ヒータを用いることなく凍結の可能性を低減する。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、供給路２０は、非ハロゲン系の樹脂により形成される。このような構成により、燃料電池装置１０では、供給路２０内を流れる改質水にハロゲンが溶出する可能性を極めて低減させ得、燃料電池１１へのハロゲンによる触媒などの劣化を低減し得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、流路１４の少なくとも一部が発熱体の近傍に位置する。一般的に、発熱体は、燃料電池１１の停止後であっても、熱を有している。したがって、上記構成により、燃料電池装置１０は、発熱体の放熱により流路１４の一部の温度降下を低減させ得る。したがって、燃料電池装置１０は、流路１４の凍結の可能性をより低減し得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、流路１４に凍結が発生する可能性があると判別する場合に、燃料電池１１の停止中に稼働可能な発熱体を起動する。このような構成により、燃料電池装置１０は、流路１４の凍結の可能性をいっそう低減し得る。さらに、燃料電池装置１０では、流路１４の凍結が解消されたと判別する場合、燃料電池１１を起動する。このような構成により、燃料電池装置１０は、凍結が解消するまで燃料電池１１を起動させないので、流体が供給されないままの稼働により故障を生じ得る燃料電池１１の故障の可能性を低減し得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０は、燃料電池１１の稼働が停止に切替わる場合、流路１４からの水抜きを促進させる。このような構成により、燃料電池装置１０は、燃料電池１１の稼働の停止中の、流路１４の凍結の可能性をよりいっそう低減し得る。

本開示の内容は、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことができる。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれる。例えば、各実施形態において、各機能部、各手段、各ステップなどは論理的に矛盾しないように他の実施形態に追加し、若しくは、他の実施形態の各機能部、各手段、各ステップなどと置き換えることが可能である。また、各実施形態において、複数の各機能部、各手段、各ステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

１０燃料電池装置
１１燃料電池
１２熱交換器
１３循環路
１４流路
１５制御部
１６改質水タンク
１７改質水ポンプ
１８熱媒タンク
１９熱媒ポンプ
２０供給路
２１給湯路
２２パワーコンディショナ
２３改質器

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を熱媒と熱交換させる熱交換器と、
前記熱媒を、前記熱交換器に通過させながら、循環させる循環路と、
樹脂により形成され、前記循環路以外の、前記燃料電池の稼働に関連する液体の流路と、を備える
燃料電池装置。
請求項１に記載の燃料電池装置において、
前記燃料電池は、水蒸気改質可能な改質器を備えており、
前記流路は、前記燃料電池に改質水を供給する供給路、及び前記熱媒から得られる熱を利用して温水を出湯する給湯路の少なくともいずれかを含む
燃料電池装置。
請求項２に記載の燃料電池装置において、
前記供給路と前記供給路以外の前記流路とは、異なる樹脂により形成される
燃料電池装置。
請求項３に記載の燃料電池装置において、
前記供給路は、非ハロゲン系且つ非シリコン系の樹脂により形成される。
燃料電池装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、
前記流路の少なくとも一部が、稼働に伴い発熱する、ヒータを除く発熱体の近傍に位置する
燃料電池装置。
請求項５に記載の燃料電池装置において、
前記流路に凍結が発生する可能性の存否を判別し、凍結が発生している可能性があると判別する場合に前記燃料電池の停止中に稼働可能な前記発熱体を起動し、該凍結が解消されたと判別するとき、前記燃料電池を起動させる制御部を、さらに備える
燃料電池装置。