JP2024027818A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の持つ熱を有効に活用し、凍結防止運転中におけるヒータの通電を抑えて、より効果的に凍結を防止することのできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池モジュール１に酸素含有ガスを供給するエアブロワ１４２と、燃料電池１から排出される排気ガスが流れる排気流路２１と、発電に用いられる水が循環する循環流路ＨＣ１、ＨＣ２と、水を加熱するヒータ８と、水を循環させる循環ポンプＰ１、Ｐ２と、凍結防止運転を制御する制御装置３０と、を備える。制御装置３０は、凍結防止運転として少なくともエアブロワ１４２と、ヒータ８と、循環ポンプＰ１、Ｐ２の動作を制御する。排気流路２１を燃料電池１の蓄える熱で加熱し、循環流路ＨＣ１、ＨＣ２にはヒータ８の熱で温まった水を流動させることで、凍結防止運転を効果的に行うことができる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

水素を含有する燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて発電を行ない、電気を外部に供給する燃料電池装置が知られており、燃料電池からは発電に伴って熱が排出される。そのため、燃料電池装置は、燃料電池からの排熱と熱媒体とで熱交換を行う熱交換器、熱媒体が循環する循環流路、熱媒体を蓄える蓄熱タンクを備えており、燃料電池の発電によって発生した排熱を熱媒体に回収して蓄熱タンクに蓄え、この熱媒体を給湯や暖房等に使用している。また、熱媒体としては一般に水が用いられる。

燃料電池装置内を循環する熱媒体（水）が凍結すると、循環流路を破損したり動作不良を起こす原因となってしまう。そこで、水が凍結するとおそれがあると予測される場合には、凍結を防止するための凍結防止運転が行われるようになっている。

例えば、特許文献１では、水の温度を検知する温度検知器と、循環経路に設けられたポンプ（水循環器）とヒータ（水加熱器）を備えており、温度検知器が検知する水の温度が閾値以下であって凍結防止運転が必要と判断される場合には、ポンプを駆動して循環経路内の水を循環させる水循環動作と、ヒータに通電して水を加熱する加熱動作とを実行する方法が開示されている。

特許第５１７９６５２号公報

しかしながら、ヒータを通電することで電力を消費してしまうため、凍結防止運転においてはヒータの通電を抑えることが好ましい。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、燃料電池の持つ熱を有効に活用し、凍結防止運転中におけるヒータの通電を抑えて、より効果的に凍結を防止することのできる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池モジュールと、
前記燃料電池に酸素含有ガスを供給するエアブロワと、
前記燃料電池から排出される排気ガスが流れる排気流路と、
前記燃料電池の発電に用いられる水が循環する循環流路と、
前記循環流路内の水を加熱するヒータと、
前記循環流路に設けられ水を循環させる循環ポンプと、
前記循環流路における凍結を防止する凍結防止運転を制御する制御装置と、を備え
前記制御装置は、前記凍結防止運転として前記エアブロワと、前記ヒータと、前記循環ポンプの動作を制御する燃料電池装置である。

上述のように構成することにより、燃料電池の持つ熱を有効に活用して効果的に凍結を防止することができる。

本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。 凍結防止運転条件と凍結防止解除条件の一例を示す図である。 本実施形態の凍結防止運転における補機の動作を表した図である。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するエアブロワと、燃料電池から排出される排気ガスが流れる排気流路と、燃料電池の発電に用いられる水が循環する循環流路と、循環流路内の水を加熱するヒータと、循環流路に設けられ水を循環させる循環ポンプと、循環流路における凍結を防止する凍結防止運転を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、凍結防止運転として少なくともエアブロワと、ヒータと、循環ポンプの動作を制御する。つまり、排気流路を燃料電池の蓄える熱で加熱し、循環流路にはヒータの熱で温まった水を流動させることで、凍結防止運転を効果的に行うことができる。

また、制御装置は、温度センサが検知する燃料電池の温度が所定以上の場合は、凍結防止運転においてエアブロワの駆動を禁止する。燃料電池に燃料ガスが流れていないとき、燃料電池の温度が高い状態で空気を流入させると、燃料電池が酸化して劣化してしまうおそれがある。したがって、燃料電池が所定温度以上の場合にはエアブロワの動作を禁止することで、燃料電池の劣化を抑えることができる。

以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

図１は本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。燃料電池装置１００は、燃料電池モジュール１を含み、燃料電池モジュール１を作動させるための、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、凝縮水タンク４、放熱器５、空気供給装置１４、燃料供給装置１５、改質水供給装置１６等の複数の補機が筐体５０内に納められている。筐体５０内には上述の装置全てが収められる必要はなく、例えば、第１熱交換器２や蓄熱タンク３を筐体５０の外部に設けてもよい。また、上述の装置の一部を省略した燃料電池装置も可能である。

燃料電池モジュール１は、箱状の収納容器１０の内部に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池１１と、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する改質器１２と、を収容して構成される。

燃料電池１１の構成については特に限定はしないが、例えば、複数の燃料電池セルが配列されてなるセルスタック構造を有していてもよい。セルスタック構造の燃料電池１１は、例えば、各燃料電池セルの下端を、ガラスシール材等の絶縁性接合材を用いて、マニホールドに固定することによって構成される。

改質器１２は、天然ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスを水蒸気改質し、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する。改質器１２には、原燃料ガスを供給する燃料供給装置１５と、改質水を供給する改質水供装置１６が接続されており、原燃料ガスと改質水は加熱された改質器１２で改質反応し、水素を含む燃料ガスが生成される。

燃料電池１１には、改質器１２で生成された燃料ガスと、空気供給装置１４によって導入された空気（酸素含有ガス）が供給される。燃料ガスは、燃料電池セル内を通過するときに酸素含有ガスと反応して発電が行われる。燃料電池１１と改質器１２の間の空間は燃焼部１３であり、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスは燃焼部１３で合流して燃焼する。この燃料ガスの燃焼によって高温の排ガスが生成され、改質器１２はこの熱によって加熱される。このようにして燃料電池モジュール１内で生じた排ガスは、第１熱交換器２に供給される。

第１熱交換器２には配管を介して、蓄熱タンク３、熱媒ポンプＰ１および放熱器５が接続され、第１熱媒循環ラインＨＣ１が形成されている。この第１熱媒循環ラインＨＣ１には熱媒体が導入されており、第１熱交換器２ではこの熱媒体と前述の排ガスとで熱交換が行われて熱媒体が加熱される。熱媒体としては水などを用いることができ、蓄熱タンク３は熱交換により温度が上昇した熱媒体を蓄える。蓄熱タンク３に蓄えられた熱媒体は、放熱器５に送られて冷却され、再び第１熱交換器２で排ガスと熱交換を行った後、蓄熱タンク３に還流する。これにより、蓄熱タンク３には上部から温度の高い熱媒体が蓄えられ温度成層が形成される。

蓄熱タンク３には、水を補給するための補給流路２５が接続されている。補給流路２５は、外部の水供給源に接続された供給流路２６から分岐して設けられ、途中に流路を開閉する給水弁２５ａを備えている。燃料電池装置１００の設置時や、運転中に蓄熱タンク３内の水位が所定以下となったときには給水弁２５ａを開くことで補給流路２５を通じて蓄熱タンク３に水道水が供給される。

また、蓄熱タンク３には、蓄熱タンク３内の水量を監視するための水位検知手段７と、熱媒体を加熱するための加熱ヒータ８が設けられている。水位検知手段としては、フロートセンサや静電容量センサなど公知の水位センサを用いることができ、蓄熱タンク３内の水量が所定量以上であるときに水有を検知し、所定量を下回ったときに水無しを検知する。本実施形態においては、水位検知手段７が１箇所に設けられている例を示しているが、水位検知手段７を上下方向に複数設け、複数箇所における水位を検知するようにしてもよい。

加熱ヒータ８は、蓄熱タンク３内に配設されて蓄熱タンク３内の水を加熱する。例えば、外気温が低く、燃料電池装置１００内で水が凍結するおそれのあるときは、加熱ヒータ８に通電することで水温を上昇させて凍結を防止することができる。さらには、燃料電池１１での発電量が需要家での消費電力量を超える場合には、余った電力（余剰電力）を消費させるために加熱ヒータ８に通電するようにしてもよい。

また、第１熱交換器２には、凝縮水回収路２０を介して凝縮水タンク４が接続されている。燃料電池モジュール１で発生した排ガスが熱交換によって冷却されると、排ガス中に含まれる水蒸気が水と気体に分離され、分離された水は、凝縮水回収流路２０を通って凝縮水タンク４に回収される。凝縮水タンク４では、イオン交換器（図示せず）などを経て、回収した水から不純物を取り除いて純水化する。純水化した水は水供給装置１６により改質器１２に供給され、改質水として使用される。一方で、水分が取り除かれた気体は、排気流路２１を通ってから筐体５０の外に排出される。

改質器１２に原燃料を供給する燃料供給装置１５は、燃料の供給源から繋がる原燃料流路２２上に、第１電磁弁１５０、圧力センサ１５１、脱硫器１５２、ガス流量計１５３、燃料ポンプ１５４、第２電磁弁１５５等の補機が設けられている。改質器１２に改質水を供給する改質水供給装置１６は、凝縮水タンク４から繋がる改質水流路２３上に改質水ポンプ１６０等の補機が設けられている。燃料電池モジュール１に酸素含有ガスを供給する空気供給装置１４は、酸素含有ガス流路２４上に、エアフィルタ１４０、空気流量計１４１、エアブロワ１４２等の補機が設けられている。なお、ここに挙げた補機は一例であって、この他の補機を備える構成としてもよい。

また、燃料電池装置１００は、第２熱交換器６、蓄熱タンク３から熱媒体を循環させる与熱ポンプＰ２およびこれらを繋ぐ配管を含む第２熱媒循環ラインＨＣ２を備えている。第２熱媒循環ラインＨＣ２では、外部から供給流路２６を介して供給された水道水を、蓄熱タンク３に貯留された高温の熱媒体を用いて第２熱交換器６で加温する。加温された水を外部の給湯器等の再加熱装置に向けて送給流路２６を介して送給することができる。

さらに燃料電池装置１００は、筐体５０内外の各部の温度を計測するための、温度センサやサーミスタ等の温度検知手段を複数備える。

第１熱媒循環ラインＨＣ１や第２熱媒循環ラインＨＣ２のように熱媒体が流れる流路には、熱媒体の温度を計測するため温度検知手段ＴＨ１～ＴＨ６が設けられている。

例えば、蓄熱タンク３内の熱媒体の温度を検知する手段として、タンク低サーミスタＴＨ１、タンク高サーミスタＴＨ２を有している。タンク低サーミスタＴＨ１は、蓄熱タンク３内の比較的低温の熱媒体の温度を検知するものであり、蓄熱タンク３の下部に設けられている。タンク高サーミスタＴＨ２は、蓄熱タンク３内の比較的高温の熱媒体の温度を検知するものであり、蓄熱タンク３近傍の第２熱媒循環ラインＨＣ２上に設けられている。また、第１熱媒循環ラインＨＣ１を流れる熱媒体の温度を検知する手段として、熱媒低サーミスタＴＨ３、熱媒高サーミスタＴＨ４を有している。熱媒低サーミスタＴＨ３は熱媒ポンプＰ１と第１熱交換器２の間に設けられ、放熱器５で冷却されて第１熱交換器２に流入する熱媒体の温度を検知する。熱媒高サーミスタＴＨ４は第１熱交換器２と蓄熱タンク３との間に設けられ、第１熱交換器２を通過した後の熱媒体の温度を検知する。さらに、供給流路２６には外部から供給される水の温度を検知する入水サーミスタＴＨ５、送給流路２７には第２熱交換器６により加温された水の温度を検知する出湯サーミスタＴＨ６が設けられる。

燃料電池モジュール１内には、燃料電池１１の中心部の温度を検知する中心部温度センサＴＣ１と、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼する燃焼部１３の温度を検知する燃焼部温度センサＴＣ２が配設されている。

また、燃料電池装置１００の周囲の気温を検知するために、外気温サーミスタＴＨ７が配設されている。この外気温サーミスタＴＨ７は、直接外気温を測定してもよいし、筐体５０内において外気温と相関を有する部分の温度を測定してもよい。

なお、上述のサーミスタや温度センサは温度検知手段の一例であって、検知する温度や配置場所は本実施形態に限らない。また、これ以外の温度検知手段を備えていてもよい。

さらに、燃料電池装置１００には、各種機器の動作を制御する制御装置３０が設けられているほか、燃料電池モジュール１にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）４０を備えている。

制御装置３０は、燃料電池装置１００を構成する補機や各種センサに接続されており、各種センサが検知する値や図示しないリモコンからの指示に基づいて燃料電池装置１００の動作を制御する。

制御装置３０は、燃料電池装置１００内において水が凍結するおそれがあると予測される場合には、燃料電池装置１００に凍結防止運転を行わせる。具体的には、制御装置３０は、凍結防止運転条件が満たされていると判断した場合に凍結防止運転を実行する。また、凍結防止運転の実行中に、凍結防止解除条件が満たされていると判断した場合には、凍結防止運転を停止する。

凍結防止運転条件および凍結防止解除条件には、外気温もしくは外気温と相関を有する温度を検知する外気温サーミスタＴＨ７の検出値と、水の経路（第１熱媒循環ラインＨＣ１、第２熱媒循環ラインＨＣ２、供給流路２６、送給流路２７）内を流れる水の温度を計測する温度検知手段ＴＨ１～ＴＨ６の検出値と、を含むことができる。制御装置３０は、それぞれの温度検知手段が検知した温度と閾値とを比較して、凍結防止運転の要否を判断する。

図２は、凍結防止運転条件と凍結防止解除条件の一例を示す図である。本実施形態においては、外気温サーミスタＴＨ７と、入水サーミスタＴＨ５と、出湯サーミスタＴＨ６が検知する温度に基づいて凍結防止運転条件と凍結防止解除条件が構成されている。

凍結防止運転条件は、外気温サーミスタＴＨ７がＸ１℃（例えば６℃）以下、入水サーミスタＴＨ５がＹ１℃（例えば４℃）以下、出湯サーミスタＴＨ６がＹ１℃以下、のいずれかを満たしているかである。制御装置３０は、この凍結防止運転条件が満たされると、凍結防止運転が必要であると判断し、凍結防止運転を実行する。つまり、外気温がＸ１℃以下である場合は、外気温が低く凍結の可能性が高いため凍結防止運転が実行される。また、外部から流入する水の温度または外部へ流出する水の温度が低い場合には、外気温がそれほど低くない場合（Ｘ１℃以上）であっても凍結する可能性があるため、凍結防止運転が実行される。

一方の凍結防止解除条件は、外気温サーミスタＴＨ７がＸ２℃（例えば１０℃）以上、入水サーミスタＴＨ５がＹ２℃（例えば１０℃）以上、出湯サーミスタＴＨ６がＹ２℃以上、を全て満たし、かつ凍結防止運転を５分以上継続しているかである（Ｘ２＞Ｘ１、Ｙ２＞Ｙ１）。制御装置３０は、この凍結防止解除条件が満たされると、凍結防止運転が不要になったと判断し、凍結防止運転を停止する。

なお、上述の例では、水の温度として、入水サーミスタＴＨ５と、出湯サーミスタＴＨ６の検出値を判定条件としているが、他の温度検知手段が検知する温度を判定条件にしてもよいし、温度条件をさらに追加してもよい。また、判定の閾値に関しても上述の例に限らず、温度検知手段の配置位置等を考慮して適宜設定することができる。

次に、凍結防止運転の動作を説明する。図３は、本実施形態の凍結防止運転における補機の動作を表した図である。制御装置３０は、凍結防止運転において、熱媒ポンプＰ１、与熱ポンプＰ２、加熱ヒータ８、エアブロワ１４２の動作を制御する。

制御装置３０は、熱媒ポンプＰ１および与熱ポンプＰ２を駆動して、第１熱媒循環ラインＨＣ１と第２熱媒循環ラインＨＣ２内の水を流動させる。熱媒ポンプＰ１はｄｕｔｙ制御、与熱ポンプＰ２は回転数制御され、予め決められた所定の速さで回転する。

また、制御装置３０は、加熱ヒータ８に通電することによって蓄熱タンク３内の水の温度を上昇させる。加熱ヒータ８は、水の温度に応じてＯＮ／ＯＦＦが切り換えられ、例えば、熱媒低サーミスタＴＨ３が検知する温度が３０℃以下の場合に通電し、４０℃を超える場合に通電を停止することができる。これにより、熱媒体の温度が不必要に上昇してしまうことを防止する。

このように、加熱ヒータ８によって暖められた熱媒体を循環させることで、効率よく凍結防止運転が行われる。なお、加熱ヒータ８は、蓄熱タンク３内ではなく、第１熱媒循環ラインＨＣ１または第２熱媒循環ラインＨＣ２に設けられていてもよい。しかしながら、蓄熱タンク３に加熱ヒータ８を設けることで、第１熱媒循環ラインＨＣ１と第２熱媒循環ラインＨＣ２の両方を流れる熱媒体を加熱することができるため、ヒータの数を減らして部品コストを低減することができる。

さらに、制御装置３０は、エアブロワ１４２を駆動する。エアブロワ１４２の駆動によって、燃料電池モジュール１内には酸素含有ガス流路２４を介して空気が導入される。燃料電池モジュール１内に導入された空気は、収納容器１０と第１熱交換器２とを繋ぐ排気管を通って第１熱交換器２に流入した後、排気流路２１を通って筐体５０外に排出される。このとき、空気は燃料電池モジュール１が蓄える熱によって暖められて加熱空気となり、排気流路２１を暖めるとともに、排気流路２１の周辺も暖めることができるため、より効果的に凍結防止運転を行うことができる。

また、凍結防止運転においてエアブロワ１４２が送出する空気の流量は、通常の発電運転時に比べて低い値となるように設定する。

制御装置３０は、中心部温度センサＴＣ１が検知する燃料電池１１の温度が所定温度以上の時は、エアブロワ１４２の駆動を禁止する。これは、燃料電池１１に燃料ガスが流れていないとき、燃料電池１１の温度が高い状態で空気を流入させると、燃料電池１１が酸化して劣化してしまうおそれがあるためである。よって、例えば、中心部温度センサＴＣ１の検知する温度が２５０℃以上の時には、エアブロワ１４２を駆動せずに凍結防止運転を実行する。凍結防止運転の実行中に、中心部温度センサＴＣ１の検知温度が２５０℃を下回ったときは、エアブロワ１４２を駆動する。

なお、燃料電池装置１００は、加熱ヒータ８以外にも水を加熱するためのヒータを備えていてもよい。図１では、凝縮水タンクに設けられたヒータＨＴ１、供給流路２６に設けられたヒータＨＴ２、送給流路２７に設けられたヒータＨＴ３を有している。これらは、加熱ヒータ８では加熱されない水を加熱するために設けられているヒータである。凍結防止運転では、制御装置３０は上述する熱媒ポンプＰ１、与熱ポンプＰ２、加熱ヒータ８、エアブロワ１４２に加えて、これらのヒータＨＴ１～ＨＴ３を通電する。

以上で説明したように、本実施形態の燃料電池装置１００は、燃料電池モジュール１に酸素含有ガスを供給するエアブロワ１４２と、燃料電池１１の発電に用いられる水が循環する循環流路（第１熱媒循環流路ＨＣ１、第２熱媒循環流路ＨＣ２）と、循環流路内の水を加熱する加熱ヒータ８と、循環流路に設けられ水を循環させる循環ポンプ（熱媒ポンプＰ１、与熱ポンプ）と、循環流路における凍結を防止する凍結防止運転を制御する制御装置３０と、を備えており、制御装置３０は、凍結防止運転として少なくともエアブロワ１４２と、加熱ヒータ８と、循環ポンプの動作を制御する。これにより、排気流路２１およびその周辺を燃料電池モジュール１の蓄える熱で加熱し、循環流路には加熱ヒータ８の熱で温まった水を流動させるため、凍結防止運転を効果的に行うことができる。

１ 燃料電池モジュール
３ 蓄熱タンク
８ 加熱ヒータ（ヒータ）
１１ 燃料電池
２１ 排気流路
３０ 制御装置
１４２ エアブロワ
ＨＣ１ 第１熱媒循環ライン（循環流路）
ＨＣ２ 第２熱媒循環ライン（循環流路）
ＴＣ１ 中心部温度センサ（温度センサ）
Ｐ１ 熱媒ポンプ（循環ポンプ）
Ｐ２ 与熱ポンプ（循環ポンプ）

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池に酸素含有ガスを供給するエアブロワと、
   前記燃料電池から排出される排気ガスが流れる排気流路と、
   前記燃料電池の発電に用いられる水が循環する循環流路と、
   前記循環流路内の水を加熱するヒータと、
   前記循環流路に設けられ水を循環させる循環ポンプと、
   前記循環流路における凍結を防止する凍結防止運転を制御する制御装置と、を備え
   前記制御装置は、前記凍結防止運転として少なくとも前記エアブロワと、前記ヒータと、前記循環ポンプの動作を制御する燃料電池装置。
2. 前記燃料電池の温度を検知する温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記温度センサが検知する前記燃料電池の温度が所定以上の場合は、前記凍結防止運転において前記エアブロワの駆動を禁止する請求項１記載の燃料電池装置。

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