JP4584337B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行い、反応により生じた熱を回収して湯水をして貯え、この湯水を外部への熱供給に有効利用するシステムである。具体的には、燃料電池内に冷却水が供給され、この供給された冷却水は、燃料電池内で熱交換を行い、加熱されて燃料電池から排出される。そして、排出された冷却水は、熱交換器で熱媒体（水）と熱交換をすることにより冷却され、再び、燃料電池に供給される。

一方、熱交換器で熱交換された熱媒体は、電気ヒータでさらに加熱されて貯湯タンクに貯えられる。このとき、熱媒体中の溶存酸素が気泡となり、熱媒体が流れる排熱回収流路に設けられるポンプの性能が低下し、送水制御に支障をきたす問題が生じていた。

このような問題に対して、循環経路（排熱回収流路）に空気抜き弁を設けた燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池発電システムでは、熱交換器と燃料電池とを含む温水の循環経路に空気抜き弁を設けることにより、循環経路内で生じた気泡を取り除くことができる。
特開２００３−２２３９１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムでは、循環経路を流れる温水の流速を考慮していない。このため、循環経路を流れる温水の流速が早い場合には、気泡の浮力よりも、気泡に対して温水がその流れる方向に及ぼす力が大きいので、気泡が、空気抜き弁から排出されずにそのまま循環経路を流れる。したがって、循環経路内に気泡が滞留することによる、経路内の流路抵抗が増加するという問題や、経路内に存在する気泡がポンプに入ることによって生じる、ポンプ性能の低下という問題があった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を確実に除去し、安全に運転可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤との反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する第１の熱媒体が通流する冷却流路と、前記冷却流路に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して前記第１の熱媒体と熱交換する第２の熱媒体が流れる排熱回収流路と、を備え、前記排熱回収流路には、前記第２の熱媒体の流速を低減させる減速部と、該減速部内の気泡を前記排熱回収流路外へ放出する気泡抜き部と、が設けられている。

これにより、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を確実に除去し、安全に運転することができる。

本発明の燃料電池システムでは、前記気泡抜き部は、前記熱交換器よりも下流側に設けられていてもよい。

本発明の燃料電池システムでは、前記排熱回収流路を流れる前記第２の熱媒体を加熱する加熱器を備え、前記気泡抜き部は、前記排熱回収流路の前記加熱器により加熱される部分より下流に設けられていてもよい。

本発明の燃料電池システムでは、前記減速部は、前記排熱回収流路の、鉛直方向下向きに延び、かつ、前記第２の熱媒体が下降する部分で構成され、該部分は、その上流部分及び下流部分より断面積が大きくてもよい。

本発明の燃料電池システムでは、前記気泡抜き部は、前記減速部の上方に設けられていてもよい。

本発明の燃料電池システムでは、前記排熱回収流路を流れる第２の熱媒体の流量が最大のときに、少なくともその一部において、該減速部を通流する前記第２の熱媒体の流速が１．０６×１０^−１ｍ／ｓｅｃ以下となるように、その断面積が構成されていてもよい。

本発明の燃料電池システムでは、前記排熱回収流路を通流する前記第２の熱媒体の流速が最小のときに、前記排熱回収流路の前記減速部以外の部分で下向きに延伸する部分は、該下向きに延伸する部分を通流する前記第２の熱媒体の流速が、４．２５×１０^−１ｍ／ｓｅｃ以上になるように、その断面積が構成されていてもよい。

本発明の燃料電池システムでは、前記第２の熱媒体が水であり、前記熱交換器を介して前記第１の熱媒体と熱交換した第２の熱媒体が貯えられる貯湯タンクを備えてもよい。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記加熱器は、前記燃料電池で発電された余剰の電力を使用する余剰電力ヒータであり、前記減速部は、前記排熱回収流路の前記余剰電力ヒータにより加熱される部分よりも下流の部分に設けられ、その断面積が、該減速部より上流及び下流の前記排熱回収路の断面積より大きいバッファ部であり、前記余剰電力ヒータにより加熱された前記第２の熱媒体の熱が前記バッファ部に存在する第２の熱媒体に伝達され、前記加熱された前記第２の熱媒体の温度上昇が緩和されてもよい。

本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を低減し、安全に運転することが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１、発電電流制御器２、冷却流路３、第１ポンプ４、熱交換器５、加熱器（余剰電力ヒータ）６、排熱回収流路７、第２ポンプ８、貯湯タンク９、及び制御器１０を備えている。

燃料電池１では、燃料供給器（図示せず）から供給された水素を含む燃料と、酸化剤供給器（図示せず）から供給された酸素を含む酸化剤と、が電気化学的に反応して、水が生成し、熱と電気が発生する。また、燃料電池１の図示されない出力端子には、発電電流制御器２が接続されている。

発電電流制御器２は、燃料電池システム１００の外部へ出力する電流を制御する。ここでは、燃料電池１が直流電力を発生するので、発電電流制御器２は、燃料電池１で発生した直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。発電電流制御器２の出力端子（図示せず）には、出力配線１２の一端が接続されており、出力配線１２の他端には、系統連繋点１３が設けられている。

そして、系統連繋点１３には、適宜な配線により系統電源１１が接続され、発電電流制御器２と系統電源１１が、系統連繋点１３で系統連繋されている。また、系統連繋点１３には、適宜な配線により外部電力負荷１４が接続されている。さらに、燃料電池１には、適宜な配線により加熱器（余剰電力ヒータ）６が接続されている。外部電力負荷１４は、ここでは、一般家庭で使用される電力消費機器を想定している。また、余剰電力ヒータ６は、シースヒータ等公知の電気ヒータを用いている。

制御器１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、カレンダー機能を有する時計部及びキーボード等の操作入力部（いずれも図示せず）を有している。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。さらに、制御器１０は、燃料電池１で発電された電力が、外部電力負荷１４で消費される電力よりも大きい場合（余剰電力が発生した場合）、余剰電力ヒータ６に余剰電力を通電させる。これにより、余剰電力を熱エネルギーとして貯えることで、省エネルギー化が図れる。

また、燃料電池１には、冷却流路３が接続されており、冷却流路３の途中には、第１ポンプ４が設けられている。冷却流路３は、冷却往路３ａと冷却復路３ｂとから構成されている。冷却往路３ａの上流端及び下流端は、それぞれ、燃料電池１の熱媒体供給口（図示せず）及び第１ポンプ４の吐出口（図示せず）と接続されている。また、冷却復路３ｂの上流端及び下流端は、それぞれ、燃料電池１の熱媒体排出口（図示せず）及び第１ポンプ４の吸入口（図示せず）と接続されている。そして、熱交換器５の一次側流路が、冷却復路３ｂに介挿されている。

第１ポンプ４は、流量調節可能なポンプを使用しており、第１の熱媒体（ここでは、水）を燃料電池１と熱交換器５との間で冷却流路３を介して循環させている。これにより、燃料電池１内の温度が、発電を行うのに適した温度に保たれる。なお、第１ポンプ４は、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いて、冷却流路３を流れる第１の熱媒体の流量を調節してもよい。

熱交換器５の二次側流路の入口部及び出口部には、排熱回収流路７の排熱回収往路７ａ及び排熱回収復路７ｂが接続されている。具体的には、熱交換器５の二次側流路の入口部には、排熱回収往路７ａの下流端が接続され、熱交換器５の二次側流路の出口部には、排熱回収復路７ｂの上流端が接続されている。そして、排熱回収往路７ａの上流端は、貯湯タンク９の下部と接続されており、一方、排熱回収復路７ｂの下流端は、貯湯タンク９の上部と接続されている。

また、排熱回収流路７の熱交換器５よりも下流側（排熱回収復路７ｂ）には、加熱器（余剰電力ヒータ）６が設けられている。余剰電力ヒータ６は、制御器１０からの制御信号により、その加熱量を調整できるように構成されており、排熱回収復路７ｂを流通する第２の熱媒体（ここでは、水）を加熱する。

さらに、排熱回収流路７の途中には、第２ポンプ８が設けられている。第２ポンプ８は、流量調節可能なポンプを使用している。第２ポンプ８が作動することにより、貯湯タンク９に貯えられた第２の熱媒体の一部が、排熱回収流路７（正確には、排熱回収往路７ａ）を介して熱交換器５に供給され、熱交換器５では、第２の熱媒体は冷却流路３を流れる第１の熱媒体と熱交換される。そして、熱交換器５で第１の熱媒体と熱交換して、加熱された第２の熱媒体は、余剰電力ヒータ６で、さらに加熱されて排熱回収復路７ｂを通流して、貯湯タンク９に貯えられる。なお、第２ポンプ８は、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いて、排熱回収流路７を流れる第２の熱媒体の流量を調節してもよい。

貯湯タンク９は、筒状に形成され、その中心軸が鉛直方向に延びるように設けられている。貯湯タンク９の下端には、市水を供給するための水供給配管１５が接続されており、貯湯タンク３の上部には、貯湯水（熱媒体）を利用者に供給するための貯湯水供給配管１６が接続されている。貯湯水供給配管１６には、貯湯水を利用する熱負荷が接続されている（図示せず）。熱負荷としては、例えば、給湯機器、暖房機器や空調機器が挙げられる。

ところで、第２の熱媒体は、熱交換器５及び余剰電力ヒータ６で加熱され、排熱回収復路７ｂを通流して、貯湯タンク９に貯えられるが、上述したように加熱された第２の熱媒体（水）中の溶存酸素が気泡となり、該気泡が、排熱回収流路７内を滞留すると排熱回収流路７を通流する第２の熱媒体の流速抵抗が増加することとなる。このため、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、排熱回収流路７（正確には、排熱回収復路７ｂ）を形成する配管で、余剰電力ヒータ６が設けられている部分の下流側に減速部７ｃと気泡抜き弁（気泡抜き部）７ｄが設けられている。

減速部７ｃは、排熱回収流路７を形成する配管の鉛直方向下向きに延びる部分で、第２の熱媒体が下降する部分で形成されており、減速部７ｃを形成する配管の断面積は、その上流側及び下流側部分の配管の断面積よりも大きくなるように構成されている。そして、減速部７ｃでは、排熱回収流路７を流れる第２の熱媒体の流量が最大のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（１ｋＷ）の場合、０．５Ｌ／ｍｉｎ）に、少なくとも減速部７ｃを通流する第２の熱媒体の流速が、１．０６×１０^-1ｍ／ｓｅｃ以下となるように構成されている。これにより、気泡を含有する第２の熱媒体が減速部７ｃを通流するときに、第２の熱媒体の気泡に及ぼす力よりも、気泡の浮力の方が大きくなる。このため、気泡は、第２の熱媒体の流れに逆らって、気泡抜き弁７ｄに到達することが可能となり、気泡抜き弁７ｄから排熱回収流路７外に放出される。

また、排熱回収流路７が、減速部７ｃ以外の排熱回収流路７を形成する配管の鉛直方向下向きに延びる部分で、第２の熱媒体が下降する部分を有するような場合（例えば、部分７ｅを有するような場合）では、排熱回収流路７を流れる第２の熱媒体の流量が最小のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（３００Ｗ）の場合、０．１Ｌ／ｍｉｎ）に、部分７ｅを通流する第２の熱媒体の流速が、４．２５×１０^-1ｍ／ｓｅｃ以上になるように構成されている。これにより、気泡を含有する第２の熱媒体が、鉛直方向下向きに流れる（部分７ｅを下降する）場合に、第２の熱媒体の気泡に及ぼす力の方が、気泡の浮力よりも大きくなるため、気泡は、第２の熱媒体の流れに乗って部分７ｅを下降することができる。このため、気泡が、部分７ｅの上部で滞留することがなく、第２の熱媒体の流速抵抗が、増加することを防止することができる。

ここで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における第２の熱媒体の流速について、試験例を参照しながら、さらに詳細に説明する。

［試験例１］
本試験例１では、排熱回収流路７を構成する配管を透明な配管にして、図１に示す燃料電池システムを構築した。そして、第２の熱媒体が、所定の流量で排熱回収流路７を流れるように第２ポンプ８を制御し、排熱回収流路７を形成する配管の鉛直方向下向きに延びる部分で、第２の熱媒体が下降する部分（減速部７ｃ及び部分７ｅ）を流れる第２の熱媒体の流速と気泡の流れを測定した。

図２は、排熱回収流路７を構成する配管の内径を変えて、上記試験を行った結果を示す表である。図２に示すように、第２の熱媒体の流速が、０．１０６ｍ／ｓｅｃのときは、気泡が水流に逆らって上昇し、第２の熱媒体の流速が、０．４２５ｍ／ｓｅｃのときは、気泡が水流に乗って下降することがわかる。

ところで、燃料電池システムでは、一般に、燃料電池内の温度を所定の温度に保つための熱媒体（ここでは、第１の熱媒体）と熱交換する熱媒体（ここでは、第２の熱媒体）が流れる流路（ここでは、排熱回収流路７）は、燃料電池の出力に応じた所定の流量で流れるように制御されている。

このため、上述したように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における排熱回収流路７の部分７ｅでは、気泡を滞留させないようにするために、排熱回収流路７を流れる第２の熱媒体の流量が最小のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（３００Ｗ）の場合、０．１Ｌ／ｍｉｎ）に、部分７ｅを通流する第２の熱媒体の流速が、４．２５×１０^-1ｍ／ｓｅｃ以上になるように構成されている。一方、減速部７ｃでは、気泡を水流に逆らって上昇させるために、排熱回収流路７を流れる第２の熱媒体の流量が最大のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（１ｋＷ）の場合、０．５Ｌ／ｍｉｎ）に、少なくとも減速部７ｃを通流する第２の熱媒体の流速が、１．０６×１０^-1ｍ／ｓｅｃ以下となるように構成している。

このようにして、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を低減し、安全に運転することが可能となる。

また、排熱回収復路７ｂにおける余剰電力ヒータ６の下流には、温度センサ１７が設けられている。温度センサ１７は、ここでは、熱電対を用いており、熱交換器５及び余剰電力ヒータ６で加熱された第２の熱媒体の温度を検出し、制御器１０に検出した温度を伝達するように構成されている。そして、制御器１０では、温度センサ１７で検出された温度を基に、燃料電池システム１００の制御を行う。具体的には、制御器１０は、温度センサ１７で検出された温度が、記憶部に記憶されている所定の第１閾値よりも高い場合に、排熱回収流路７を流れる第２の熱媒体の流量を減少させるように第２ポンプ８を制御する。そして、第２の熱媒体の流量を減少させた後の第２の熱媒体の温度が、記憶部に記憶されている所定の第２閾値よりも高い場合に、燃料電池システム１００の運転を停止する。

これにより、貯湯タンク９に異常な高温の第２の熱媒体が供給されるのを低減することができ、また、燃料電池システム１００の運転を停止することにより、余剰電力ヒータ６で第２の熱媒体が過熱されるのを抑制することができる。

ところで、燃料電池システムは、通常、外部電力負荷１４の負荷変動に応じて、発電量を調整するように制御されているが、負荷変動と発電量を一致させるのは、困難である。このため、燃料電池１で発電された電力が一時的に過剰となり、余剰電力が過大になる場合がある。このような場合、余剰電力ヒータ６では、第２の熱媒体が過熱されて、沸騰等により異常に高温になるが、上記のように制御しても、高温の第２の熱媒体が貯湯タンク９に供給される場合がありうる。

しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、減速部７ｃを形成する配管の断面積が、その上流側及び下流側部分（正確には、その近傍部分）の配管の断面積よりも大きくなるように構成されており、余剰電力ヒータ６により過熱された第２の熱媒体の温度上昇を緩和するバッファ部７ｃとして機能する。このように構成することで、過大な余剰電力が供給された余剰電力ヒータ６により、第２の熱媒体が過熱された場合に、過熱された第２の熱媒体は、排熱回収復路７ｂを通流して、減速部（バッファ部）７ｃにまで到達すると、過熱された第２の熱媒体の熱が、バッファ部７ｃに存在する第２の熱媒体に伝達されて、急激な温度上昇が緩和される。これにより、異常に高温の第２の熱媒体が、貯湯タンク９に供給される可能性が低減される。

このようにして、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、過大な余剰電力が生じた場合に、余剰電力ヒータ６で過熱された高温の第２の熱媒体を貯湯タンク９に供給される可能性を低減することが可能となる。

本発明の燃料電池システムは、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を低減し 、安全に運転することができる燃料電池システムとして有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 排熱回収流路７を構成する配管の内径を代えて、減速部７ｃ及び部分７ｅを流れる第２の熱媒体の流速と気泡の流れを測定した結果を示す表である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 出力制御器
３ 冷却流路
３ａ 冷却往路
３ｂ 冷却復路
４ 第１ポンプ
５ 熱交換器
６ 加熱器（余剰電力ヒータ）
７ 排熱回収流路
７ａ 排熱回収往路
７ｂ 排熱回収復路
７ｃ 減速部
７ｄ 気泡抜き弁
７ｅ 部分
８ 第２ポンプ
９ 貯湯タンク
１０ 制御器
１１ 系統電源
１２ 出力配線
１３ 系統連結点
１４ 外部電力負荷
１５ 水供給配管
１６ 貯湯水供給配管
１７ 温度センサ

Claims (9)

1. 燃料と酸化剤との反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する第１の熱媒体が通流する冷却流路と、
   前記冷却流路に設けられた熱交換器と、
   前記熱交換器を介して前記第１の熱媒体と熱交換する第２の熱媒体が流れる排熱回収流路と、を備え、
   前記排熱回収流路には、前記第２の熱媒体の流速を低減させる減速部と、該減速部内の気泡を前記排熱回収流路外へ放出する気泡抜き部と、が設けられている、燃料電池システム。
2. 前記気泡抜き部は、前記熱交換器よりも下流側に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排熱回収流路を流れる前記第２の熱媒体を加熱する加熱器を備え、前記気泡抜き部は、前記排熱回収流路の前記加熱器により加熱される部分より下流に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記減速部は、前記排熱回収流路の、鉛直方向下向きに延び、かつ、前記第２の熱媒体が下降する部分で構成され、該部分は、その上流部分及び下流部分より断面積が大きい、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記気泡抜き部は、前記減速部の上方に設けられている、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記減速部は、前記排熱回収流路を流れる第２の熱媒体の流量が最大のときに、少なくともその一部において、該減速部を通流する前記第２の熱媒体の流速が１．０６×１０^−１ｍ／ｓｅｃ以下となるように、その断面積が構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記排熱回収流路を通流する前記第２の熱媒体の流速が最小のときに、前記排熱回収流路の前記減速部以外の部分で下向きに延伸する部分は、該下向きに延伸する部分を通流する前記第２の熱媒体の流速が、４．２５×１０^−１ｍ／ｓｅｃ以上になるように、その断面積が構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記第２の熱媒体が水であり、前記熱交換器を介して前記第１の熱媒体と熱交換した第２の熱媒体が貯えられる貯湯タンクを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記加熱器は、前記燃料電池で発電された余剰の電力を使用する余剰電力ヒータであり、
   前記減速部は、前記排熱回収流路の前記余剰電力ヒータにより加熱される部分よりも下流の部分に設けられ、その断面積が、該減速部より上流及び下流の前記排熱回収路の断面積より大きいバッファ部であり、
   前記余剰電力ヒータにより加熱された前記第２の熱媒体の熱が前記バッファ部に存在する第２の熱媒体に伝達され、前記加熱された前記第２の熱媒体の温度上昇が緩和される、請求項３に記載の燃料電池システム。

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