JP2024047685A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱タンク内の水を加熱・循環することで凍結防止運転を行うように構成し、蓄熱タンクへの水の補給を適切に行うことで凍結防止運転を実行することのできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】蓄熱タンク３内にヒータ８を設けて蓄熱タンク３内の水を加熱し、循環ポンプＰ１を駆動して循環経路内に加熱した水を循環させて凍結防止運転を実行するように燃料電池装置１００を構成し、制御装置３０は、発電運転の停止中において、蓄熱タンク３の水位が所定値以下を検出した際には、所定の給水条件を満たしているときに給水を実行する。これにより、発電運転の停止中であっても、給水条件が満たされていれば蓄熱タンクに水を補給することができるため、凍結防止運転を効果的に行うことができる。【選択図】図１

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い、電気を外部に供給する燃料電池装置が知られている。このような燃料電池装置では、水などの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ガスから熱を回収して蓄熱タンクに蓄え、これを用いて給湯を行うことでエネルギーを効率よく利用している。燃料電池装置には給湯ラインが接続されており、外部から供給された水と蓄熱タンクの熱媒体とで温水を生成して、給湯装置に送出するようになっている（例えば、特許文献１）。

燃料電池装置では、外気温が低く水が凍結する可能性のある場合には、凍結防止運転を行うようになっていて、装置内の水が流れる流路の複数箇所に凍結防止用のヒータを設け、ヒータに通電することで筐体の温度を上昇させるとともに水を加熱して凍結を防止している。

また、燃料電池装置を設置して発電運転を開始する前や、水抜き後に発電運転を再開する際には、蓄熱タンクに水を貯えるために水張りが実施される。そして、発電運転中に蓄熱タンク内の水が不足した場合には、給水が行われる。そのため、蓄熱タンクには給水ラインが接続されており、給水ラインを介して装置外の給水源から水が補給されるようになっている。ただし、前述のように水の流路や蓄熱タンクに水が補給されていると凍結のおそれがあるため、燃料電池装置が発電運転をしておらず、蓄熱タンクに水がないまたは不足していても問題のない場合には水は補給されない。

特開２０２０－１９４６６５号公報

ところで、特許文献１の構成では水の流路に凍結防止用のヒータを設けているが、凍結防止用のヒータは蓄熱タンク内に設けてもよい。ヒータによって蓄熱タンク内の水を加熱して、加熱された水を循環することによって水の流路の凍結を防止することができる。この構成によれば、凍結防止用のヒータは蓄熱タンク内に設けるだけでよいため、ヒータの個数を削減することができる。しかしながら、この構成を採用するためには、凍結防止運転を確実に実施することができるよう、蓄熱タンクへの水の補給制御を検討する必要がある。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、蓄熱タンク内の水を加熱・循環することで凍結防止運転を行うように構成し、蓄熱タンクへの水の補給を適切に行うことで凍結防止運転を実行することのできる燃料電池装置を提供すること目的とする。

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、
前記燃料電池モジュールからの排熱と水とで熱交換を行う熱交換器と、
水を貯留する蓄熱タンクと、
前記蓄熱タンク内に設けられたヒータと、
前記蓄熱タンクと前記熱交換器との間で水が循環する循環経路と、
前記循環経路に設けられて水を循環させる循環ポンプと、
前記ヒータと前記循環ポンプの動作を制御して前記循環経路における水の凍結を防止する凍結防止運転を実行する制御装置と、を備え
前記制御装置は、発電運転の停止中において、前記蓄熱タンクの水位が所定値以下を検出した際には、所定の給水条件を満たしているときに給水を実行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、蓄熱タンクへの水の補給を適切に行い、凍結防止運転を効果的に実行することができる。

本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。

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。

本発明は、蓄熱タンク内にヒータを設けて蓄熱タンク内の水を加熱し、循環ポンプを駆動して循環経路内に加熱した水を循環させて凍結防止運転を実行するように構成された燃料電池装置であって、制御装置は、発電運転の停止中において、蓄熱タンクの水位が所定値以下を検出した際には、所定の給水条件を満たしているときに給水を実行する。これにより、発電運転の停止中であっても、給水条件が満たされていれば蓄熱タンクに水を補給することができるため、凍結防止運転を効果的に行うことができる。

また、給水条件として異常が検知されていないことを含んでいる。燃料電池装置に異常が発生している場合は、凍結防止運転を実行することができない。よって、この場合には水を補給しないことで凍結の発生を回避することができる。

また、給水条件としてメンテナンスモードの実行中でないことを含んでいる。メンテナンス作業時には蓄熱タンクの水抜きを行っていることがある。よって、この場合には水を補給しないことで、メンテナンス作業が中断されてしまうことを回避することができる。

また、給水条件として蓄熱タンクの水抜きの実行中でないことを含んでいる。これにより、使用者が水抜きを指示した場合に給水が行われることを回避することができる。

また、給水条件として蓄熱タンクの水張りが実施されていることを含んでいる。これにより、例えば燃料電池装置の設置時において、電源を投入した際に自動的に水が補給されてしまうことを回避することができる。

また、給水条件として燃料電池の発電運転の可否を判断する工程でないことを含んでいる。これにより、発電運転の可否が不確定な状態での給水を回避することができる。

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を設置した際に蓄熱タンク３に水張りを行うときや、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に水道水が補給される。

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２５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。

例えば、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、制御装置３０は燃料電池装置１００に凍結防止運転を行わせる。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し、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。

制御装置３０は、凍結防止運転が必要と判断すると、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とともに、熱媒ポンプＰ１、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。加熱ヒータ８は、水の温度に応じてＯＮ／ＯＦＦを制御してもよく、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。また、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。

この蓄熱タンク３の水位は水位検知手段７によって監視されており、発電運転中に蓄熱タンク３の水位が低下して所定量以下となると、水位検知手段７は水無しを検出する。制御装置３０は水位検知手段７が水無しを検出すると、給水が必要であると判断して給水弁２５ａを開き、蓄熱タンク３に水が補給される。そして、給水弁２５ａを開いてから所定時間Ｔ１経過すると、給水弁２５ａを閉じ給水を終了する。これにより、蓄熱タンク３の水位は常に一定以上に保たれることとなり、凍結防止運転が必要となったときにもすぐさま対応することができる。

前述の凍結防止運転は、発電運転が停止している場合にも実行される。よって、発電停止中も水位検知手段７は蓄熱タンク３の水位を監視しており、水位が所定量以下となった場合には水無しを検出する。このとき、制御装置３０は、所定の給水条件を満たしているかを判断し、給水条件を満たしているときにのみ給水弁２５ａを開いて給水を実行する。つまり、発電運転中は水位が所定量以下になった場合には即給水を行うが、運転停止中は給水条件を満たしている場合にのみ給水を行う。運転停止中は、意図的に蓄熱タンク３の水位を低下させていることもあり、そのような場合には給水を行うことは適切ではない。よって、給水が必要かを判断する給水条件を設定し、給水条件を満たしているときに給水を実行する。

以下に給水条件の一例を挙げる。所定の給水条件は、以下に挙げる条件を少なくとも１つ含んで構成される。また、以下に示す以外の条件を含んで構成されてもよい。

給水条件１：異常が検知されていない
異常が検知されたことにより発電運転を停止している場合は、凍結防止運転が実行されないため給水は不要である。よって、この場合には給水を行わない。なお、燃料電池装置１００に何らかの異常が発生していても、凍結防止運転には影響がない異常であれば凍結防止運転を実行するように制御される場合は、凍結防止運転が実行不可となる異常が検知されていないことを給水条件としてもよい。

給水条件２：メンテナンスモードの実行中ではない
メンテナンス作業者が、燃料電池装置１００の故障を修理・点検したりする際にメンテナンスモードが導入される。メンテナンスモードは通常の運転モードとは異なるモードである。メンテナンスモードの導入時には、凍結防止運転は行われず、また蓄熱タンク３の水抜きを行うことがあるため、水抜きによって水位が低下している可能性がある。よって、メンテナンスモードを実行している場合には給水を行わない。

給水条件３：蓄熱タンクの水抜きの実行中ではない
使用者が水抜きを指示したことによって蓄熱タンク３の水位が低下した場合には給水を行わない。

給水条件４：蓄熱タンクの水張りが実施されている
そもそも蓄熱タンク３に水張りが行われていない場合には給水を行わない。これにより、例えば燃料電池装置１００の設置時において、電源を投入した際に自動的に水が補給されてしまうことが回避される。

給水条件５：燃料電池の発電運転の可否を判断する工程でない
燃料電池装置１００は、電源投入直後や発電運転を開始する前にシステムが正常に動作するかを確認するためのチェック工程を有しており、チェック工程で異常が発見された場合には燃料電池１１の発電運転を行うことはできない。このチェック工程においては、給水を行わない。これにより、発電運転の可否が不確定な状態での給水を回避することができる。

以上で説明したように、本発明の燃料電池装置１００は、蓄熱タンク３内に加熱ヒータ８を設けて蓄熱タンク３内の水を加熱し、熱媒ポンプＰ１と与熱ポンプＰ２を駆動して加熱した水を循環させて凍結防止運転を実行するように構成されており、制御装置３０は、発電運転の停止中において、蓄熱タンク３の水位が所定値以下を検出した際には、所定の給水条件を満たしているときに給水を実行する。これにより、発電運転の停止中であっても、給水条件が満たされていれば蓄熱タンク３に水を補給することができるため、凍結防止運転を効果的に行うことができる。

また、給水条件を設定することにより、意図的に蓄熱タンク３の水抜きを行っている場合など、給水が適切でないときには給水は実行されないため、利便性を損なうおそれもない。

１ 燃料電池モジュール
２ 第１熱交換器
３ 蓄熱タンク
８ 加熱ヒータ
３０ 制御装置
ＨＣ１ 第１熱媒循環ライン（循環経路）
Ｐ１ 熱媒ポンプ（循環ポンプ）

Claims (6)

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、
   前記燃料電池モジュールからの排熱と水とで熱交換を行う熱交換器と、
   水を貯留する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンク内に設けられたヒータと、
   前記蓄熱タンクと前記熱交換器との間で水が循環する循環経路と、
   前記循環経路に設けられて水を循環させる循環ポンプと、
   前記ヒータと前記循環ポンプの動作を制御して前記循環経路における水の凍結を防止する凍結防止運転を実行する制御装置と、を備え
   前記制御装置は、発電運転の停止中において、前記蓄熱タンクの水位が所定値以下を検出した際には、所定の給水条件を満たしているときに給水を実行する燃料電池装置。
2. 前記制御装置は、前記給水条件として異常が検知されていないことを含む請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記給水条件としてメンテナンスモードの実行中でないことを含む請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記給水条件として前記蓄熱タンクの水抜きの実行中でないことを含む請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記制御装置は、前記給水条件として前記蓄熱タンクの水張りが実施されていることを含む請求項４記載の燃料電池装置。
6. 前記制御装置は、前記給水条件として前記燃料電池の発電運転の可否を判断する工程でないことを含む請求項５記載の燃料電池装置。

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