JP4661063B2

JP4661063B2 - Fuel cell cogeneration system

Info

Publication number: JP4661063B2
Application number: JP2004068580A
Authority: JP
Inventors: 隆西川; 満朗前田; 繁樹保田; 和弘安達
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005259494A

Description

本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムの水経路の凍結防止に関するものである。 The present invention relates to prevention of freezing of a water path of a fuel cell cogeneration system.

従来の燃料電池システムは、図７のような構成をしていた（例えば、特許文献１参照）。すなわち水素供給手段５１から供給される水素と空気供給手段５２から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池５３と、燃料電池５３に水を循環させる水循環手段５４と、燃料電池５３の発電出力を制御する出力制御装置５５と、外部の温度を検出する温度センサ５６および制御装置５７とを備えていた。水循環手段５４は、メインタンク５８と、メインタンク５８内の水をポンプ５９によって燃料電池５３の水素極５３ａに供給する給水路６０と、燃料電池５３の水素極５３ａおよび空気極５３ｂからの排水をメインタンク５８に回収する排水路６１とから構成されている。 A conventional fuel cell system has a configuration as shown in FIG. 7 (see, for example, Patent Document 1). That is, a fuel cell 53 that generates electricity by reacting hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 51 with oxygen in the air supplied from the air supply unit 52, a water circulation unit 54 that circulates water in the fuel cell 53, and a fuel cell An output control device 55 for controlling the power generation output 53, a temperature sensor 56 for detecting the external temperature, and a control device 57 were provided. The water circulation means 54 drains water from the main tank 58, the water supply path 60 that supplies the water in the main tank 58 to the hydrogen electrode 53 a of the fuel cell 53 by the pump 59, and the hydrogen electrode 53 a and the air electrode 53 b of the fuel cell 53. A drainage channel 61 is collected in the main tank 58.

この従来の燃料電池システムは固体高分子形の燃料電池５３を使っているため、燃料電池５３が発電反応を行う場合、燃料電池５３の水素極５３ａを常に加湿する必要があり、そのためにメインタンク５８より水素極５３ａに水を供給している。燃料電池５３の発電反応で生成された空気極５３ｂの水と水素極５３ａで余った水は排水路６１から回収され、燃料電池５３とメインタンク５８との間を循環することになる。また、燃料電池５３で発生した電力は、出力制御装置５５で制御された後電力負荷へ供給されるものである。 Since this conventional fuel cell system uses a polymer electrolyte fuel cell 53, when the fuel cell 53 performs a power generation reaction, it is necessary to always humidify the hydrogen electrode 53a of the fuel cell 53. For this reason, the main tank Water is supplied from 58 to the hydrogen electrode 53a. The water in the air electrode 53 b and the water remaining in the hydrogen electrode 53 a generated by the power generation reaction of the fuel cell 53 are collected from the drainage channel 61 and circulated between the fuel cell 53 and the main tank 58. The electric power generated in the fuel cell 53 is supplied to the electric power load after being controlled by the output control device 55.

つぎに、この従来の燃料電池システムの凍結防止運転の動作について説明する。温度センサ５６が閾値以下の温度を検知した場合、制御装置５７によって燃料電池５３へ水素供給手段５１と空気供給手段５２からそれぞれ水素と空気が供給され、燃料電池５３は発電を行う。同時に、メインタンク５８内の水は水素極５３ａに供給され、水素極５３ａで余った水と燃料電池５３の発電反応で生成された空気極５３ｂの水は排水路６１から回収され、燃料電池５３とメインタンク５８との間を循環する。この時、燃料電池５３の発電反応では熱も発生するため、この熱によって水循環手段５４であるメインタンク５８、給水路６０、排水路６１中の水は凍結を未然に防止することができるものである。
特開平１１−２１４０２５号公報 Next, the operation of the freeze prevention operation of this conventional fuel cell system will be described. When the temperature sensor 56 detects a temperature lower than the threshold value, hydrogen and air are supplied from the hydrogen supply means 51 and the air supply means 52 to the fuel cell 53 by the control device 57, respectively, and the fuel cell 53 generates power. At the same time, the water in the main tank 58 is supplied to the hydrogen electrode 53 a, and the water remaining at the hydrogen electrode 53 a and the water in the air electrode 53 b generated by the power generation reaction of the fuel cell 53 are recovered from the drainage channel 61. Between the main tank 58 and the main tank 58. At this time, since heat is also generated in the power generation reaction of the fuel cell 53, the water in the main tank 58, the water supply channel 60, and the drainage channel 61, which are the water circulation means 54, can be prevented from freezing. is there.
JP-A-11-214025

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、凍結を防止するために電力負荷からの要求がなくても燃料電池の発電運転を行う必要があり、発生した電力は結局は無駄に捨ててしまう結果となり、ランニングコストを増大させるという課題があった。特に固体高分子形の燃料電池の場合、発電運転時の発熱エネルギーと発電エネルギーとの比率はほぼ１：１に近いため、凍結を防止するために最低限必要な発熱エネルギーの倍以上のエネルギーを投入する必要があった。また、発電運転を行っても水素供給手段および燃料電池より下部または離れた位置に配置された水配管または水タンクは、水素供給手段および燃料電池からの発熱エネルギーを効率よく受熱することができず、凍結する場合があった。 However, in the conventional fuel cell system, it is necessary to perform the power generation operation of the fuel cell even if there is no request from the power load in order to prevent freezing. There was a problem of increasing the cost. In particular, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the ratio of heat generation energy to power generation energy during power generation operation is close to 1: 1, so that the energy more than double the minimum heat generation energy necessary to prevent freezing. It was necessary to throw in. Further, even if the power generation operation is performed, the water pipe or the water tank disposed below or away from the hydrogen supply means and the fuel cell cannot efficiently receive the heat generated from the hydrogen supply means and the fuel cell. There was a case of freezing.

本発明は上記従来の課題を解決するもので、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減するとともに、燃料電池システムの本体内部を均一に温度上昇させることを目的とするものである。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to reduce the running cost related to the freeze prevention operation and to uniformly raise the temperature inside the main body of the fuel cell system.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システム本体と、前記燃料電池システム本体内部の下方部に設けられた凍結防止用ヒータと、前記燃料電池システム本体の内外のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度検出手段と、前記燃料電池の運転開始または停止の指令を行う運転スイッチを備え、運転待機中または前記運転スイッチがＯＦＦで運転が停止している状態のときに、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、前記凍結防止用ヒータを作動させる燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記温度検出手段からの信号により前記凍結防止用ヒータを制御するヒータ制御装置を備え、前記凍結防止用ヒータと前記温度検出手段と前記ヒータ制御装置が正常な状態で、かつ他の原因で発生した異常停止中に、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、前記凍結防止用ヒータを作動させるとしたものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell cogeneration system according to the present invention includes a fuel cell, a fuel cell system body having the fuel cell, and a freezing prevention heater provided in a lower portion inside the fuel cell system body. Temperature detecting means for detecting the temperature of at least one of the inside and outside of the fuel cell system main body, and an operation switch for instructing operation start or stop of the fuel cell. In the fuel cell cogeneration system that operates the anti-freezing heater when the temperature detection means detects a temperature that is equal to or lower than a threshold value when the operation is stopped at a signal, a signal from the temperature detection means A heater control device for controlling the anti-freezing heater, and the anti-freezing heater and the temperature detecting means. In the heater control device is a normal state, and during abnormal stop caused by other causes, when the temperature detecting means detects a temperature below a threshold value, as an antifreezing operation when activating the anti-freeze heater It is a thing.

これによって、燃料電池システム本体下部の凍結防止ヒータで発生した熱が、燃料電池を運転させることなく燃料電池システム本体内部を保温できるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減するとともに、燃料電池システムの本体内部が温度上昇し、水の凍結を防止することができる。特に、凍結防止用ヒータと温度検出手段とヒータ制御装置が正常な状態で、なおかつ他の原因で発生した異常停止中に、温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、凍結防止用ヒータを作動させることにより、異常停止の原因を改善しない限り全ての運転モードが停止する異常停止中でも凍結防止が可能となり、メンテナンスが施されるまでの間に発生する可能性のある水の凍結を防止することができる。 As a result, the heat generated by the antifreeze heater at the lower part of the fuel cell system body can keep the inside of the fuel cell system body without operating the fuel cell, thereby reducing the running cost related to the antifreeze operation and the fuel cell system. The inside of the main body rises in temperature , and water can be prevented from freezing . In particular, when the temperature detection means detects a temperature below the threshold value during normal stoppage caused by other causes, the freeze prevention heater, the temperature detection means, and the heater control device are in a normal state. By operating the anti-freezing heater, it is possible to prevent freezing even during an abnormal stop where all operating modes stop unless the cause of the abnormal stop is improved, and water that may be generated before maintenance is performed. Can be prevented from freezing.

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池システムの本体内部を温度上昇させることによって、燃料電池システムの水経路の凍結を防止し、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができるものである。 The fuel cell cogeneration system of the present invention is capable of preventing the water path of the fuel cell system from freezing and reducing the running cost related to the freeze prevention operation by raising the temperature inside the main body of the fuel cell system. is there.

第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システム本体と、前記燃料電池システム本体内部の下方部に設けられた凍結防止用ヒータと、前記燃料電池システム本体の内外のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度検出手段と、前記燃料電池の運転開始または停止の指令を行う運転スイッチを備え、運転待機中または前記運転スイッチがＯＦＦで運転が停止している状態のときに、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、前記凍結防止用ヒータを作動させる燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記温度検出手段からの信号により前記凍結防止用ヒータを制御するヒータ制御装置を備え、前記凍結防止用ヒータと前記温度検出手段と前記ヒータ制御装置が正常な状態で、かつ他の原因で発生した異常停止中に、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、前記凍結防止用ヒータを作動させることにより、燃料電池システム本体下部の凍結防止ヒータで発生した熱が、燃料電池を運転させることなく燃料電池システム本体内部に保温できるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減するとともに、燃料電池システムの本体内部が温度上昇し、水の凍結を防止することができる。特に、凍結防止用ヒータと温度検出手段とヒータ制御装置が正常な状態で、なおかつ他の原因で発生した異常停止中に、温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、凍結防止用ヒータを作動させることにより、異常停止の原因を改善しない限り全ての運転モードが停止する異常停止中でも凍結防止が可能となり、メンテナンスが施されるまでの間に発生する可能性のある水の凍結を防止することができる。 According to a first aspect of the present invention, a fuel cell , a fuel cell system main body having the fuel cell, a freezing prevention heater provided in a lower portion inside the fuel cell system main body, and an inside / outside of the fuel cell system main body A temperature detection means for detecting at least one of the temperatures and an operation switch for instructing operation start or stop of the fuel cell, and during operation standby or when the operation switch is OFF and the operation is stopped, A fuel cell cogeneration system that activates the freeze prevention heater when the temperature detection means detects a temperature below a threshold value, and controls the freeze prevention heater according to a signal from the temperature detection means The anti-freezing heater, the temperature detecting means, and the heater control device are in a normal state and are caused by other causes. During stop, when the temperature detecting means detects a temperature below a threshold value, as an antifreezing operation, by actuating the antifreeze heater, heat generated by the antifreeze heater of the fuel cell system body lower part, fuel Since the temperature inside the fuel cell system main body can be kept without operating the battery, the running cost related to the antifreezing operation can be reduced, and the temperature inside the main body of the fuel cell system can be increased to prevent water from freezing. In particular, when the temperature detection means detects a temperature below the threshold value during normal stoppage caused by other causes, the freeze prevention heater, the temperature detection means, and the heater control device are in a normal state. By operating the anti-freezing heater, it is possible to prevent freezing even during an abnormal stop where all operating modes stop unless the cause of the abnormal stop is improved, and water that may be generated before maintenance is performed. Can be prevented from freezing.

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池コージェネレーションシステムを、運転中に前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、前記凍結防止用ヒータを作動させることで、発電運転を行っても水素供給手段および燃料電池より下部または離れた位置に配置され、水素供給手段および燃料電池からの発熱エネルギーを効率よく受熱することができない水配管または水タンクの水の凍結を防止することができる。 In particular, the second invention activates the antifreeze heater as a freeze prevention operation when the temperature detecting means detects a temperature below a threshold during operation of the fuel cell cogeneration system of the first invention. Thus, even if the power generation operation is performed, the water in the water pipe or the water tank is disposed at a position below or apart from the hydrogen supply means and the fuel cell and cannot efficiently receive the heat generated from the hydrogen supply means and the fuel cell. Can be prevented from freezing.

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、凍結防止用ヒータを作動させる温度検出手段の閾値を、運転待機中または運転停止中は凍結開始温度以上に設定し、発電中は凍結開始温度より低い値に設定することにより、運転中においては、水素供給手段および燃料電池からの発熱エネルギーを効率よく受熱することができない離れた位置に配置された水配管または水タンクを補助的に加熱し、また、運転待機中または運転停止中においては、凍結防止ヒータが主加熱源となるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減するとともに、燃料電池システムの本体内部が均一に温度上昇し、水の凍結を防止することができる。 In particular, in the fuel cell cogeneration system of the first or second invention, the third invention sets the threshold value of the temperature detecting means for operating the anti-freezing heater to be equal to or higher than the freezing start temperature during operation standby or operation stop. By setting and setting it to a value lower than the freezing start temperature during power generation, water piping arranged at a remote location that cannot efficiently receive heat generated from the hydrogen supply means and the fuel cell during operation Alternatively, the water tank is supplementarily heated, and during operation standby or operation stop, the anti-freeze heater is the main heating source, so the running cost for anti-freeze operation is reduced and the main body of the fuel cell system The inside temperature rises uniformly and water freezing can be prevented.

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記凍結防止用ヒータを少なくとも２本以上設け、前記温度検出手段で検出された閾値以下の温度に応じて、作動させる前記凍結防止用ヒータの本数を制御することにより、燃料電池システムの本体内部の余分な加熱を行うことなく、効率良く水の凍結を防止するため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 According to a fourth aspect of the invention, in particular, in the fuel cell cogeneration system according to any one of the first to third aspects, at least two freeze prevention heaters are provided, and the temperature is equal to or lower than a threshold detected by the temperature detection means. Accordingly, the number of the anti-freezing heaters to be operated is controlled to prevent water freezing efficiently without excessive heating inside the main body of the fuel cell system. Cost can be reduced.

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、凍結防止用ヒータは燃料電池システム本体内部で水温が最も低くなる位置に取り付けられることにより、最も効率良く水の凍結を防止することができるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 According to a fifth aspect of the invention, in particular, in the fuel cell cogeneration system according to any one of the first to fourth aspects, the anti- freezing heater is installed at a position where the water temperature is lowest in the fuel cell system main body, Since the water can be efficiently prevented from freezing, the running cost related to the freeze prevention operation can be reduced.

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の燃料電池コージェネレーション
システムにおいて、温度検出手段は燃料電池システム本体内部で水温が最も低くなる位置に取り付けられることにより、最も効率良く水の凍結を防止することができるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 A sixth invention is particularly, in the first to fifth fuel cell cogeneration system of any one of the invention, by the temperature detecting means attached to the most lowered position is the water temperature inside the fuel cell system body, the most efficient Since the water can be well prevented from freezing, the running cost related to the freeze prevention operation can be reduced.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図を示すものである。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 1 of the present invention.

図１において、１は、原料供給手段２から供給される原料をバーナ３の熱による改質反応で水素リッチガスに変換させる改質器である。４は、改質器１で発生し水素供給経路５を介して供給される水素リッチガスと酸化剤ガスとしての空気とを反応させて発電する燃料電池であり、水素極４ａと空気極４ｂとを有している。６は排水素経路であり、燃料電池４の水素極４ａとバーナ３とを、改質反応で余った水分を除去する気液分離装置７を介して接続されている。気液分離装置７は水回収手段８および水回収経路９ａが凝縮水タンク１０に接続されている。 In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a reformer that converts a raw material supplied from the raw material supply means 2 into a hydrogen rich gas by a reforming reaction by heat of the burner 3. 4 is a fuel cell that generates electricity by reacting the hydrogen rich gas generated in the reformer 1 and supplied via the hydrogen supply path 5 with the air as the oxidant gas. The fuel cell 4 generates the hydrogen electrode 4a and the air electrode 4b. Have. Reference numeral 6 denotes an exhaust hydrogen path, which connects the hydrogen electrode 4a of the fuel cell 4 and the burner 3 via a gas-liquid separator 7 that removes excess water in the reforming reaction. In the gas-liquid separator 7, the water recovery means 8 and the water recovery path 9 a are connected to the condensed water tank 10.

燃料電池４の空気極４ｂには、空気供給手段１１と、凝縮器１２および水回収経路９ｂが接続され、気液分離装置７および凝縮器１２で凝縮した水は凝縮水タンク１０に回収される。凝縮水タンク１０には、排空気経路１３が接続されるとともに、冷却水供給装置１４と水浄化器１５を備えた冷却水供給経路１６を介して冷却水タンク１７に接続されている。冷却水タンク１７には、改質水供給装置１８を備えた改質水供給経路１９が改質器１に接続されている。 An air supply means 11, a condenser 12 and a water recovery path 9 b are connected to the air electrode 4 b of the fuel cell 4, and the water condensed in the gas-liquid separator 7 and the condenser 12 is recovered in the condensed water tank 10. . An exhaust air path 13 is connected to the condensed water tank 10, and is connected to a cooling water tank 17 via a cooling water supply path 16 including a cooling water supply device 14 and a water purifier 15. A reforming water supply path 19 having a reforming water supply device 18 is connected to the reformer 1 in the cooling water tank 17.

２０は、燃料電池４で発生する熱を冷却する冷却水循環経路で、燃料電池４と熱交換装置２１との間を冷却水循環ポンプ２２によって冷却水が循環する構成となっている。 Reference numeral 20 denotes a cooling water circulation path for cooling the heat generated in the fuel cell 4, and the cooling water is circulated by the cooling water circulation pump 22 between the fuel cell 4 and the heat exchange device 21.

２３は温度検出手段、２４は制御装置である。なお、この温度検出手段２３は、経路内の水の凍結を防止のために温度を検知する場所として有効であれば、燃料電池システム内外を問わず、いずれの箇所であっても構わないが、本実施の形態では温度検出手段２３は、外気温度を検知できる位置に取付けられている。 Reference numeral 23 is a temperature detecting means, and 24 is a control device. The temperature detection means 23 may be any location regardless of whether it is inside or outside the fuel cell system, as long as it is effective as a location for detecting the temperature to prevent freezing of water in the path. In the present embodiment, the temperature detecting means 23 is attached at a position where the outside air temperature can be detected.

２５は燃料電池システム内の最下部に設けられた凍結防止ヒータで、２６は燃料電池の上方部に設けられた燃料電池システム本体内部の換気用ファンである。凍結防止ヒータ２５および換気用ファン２６は制御装置２４により動作が制御されている。また、運転スイッチ２７により燃料電池コージェネレーションシステムの運転開始または停止の指令を行う。 Reference numeral 25 denotes a freezing prevention heater provided at the lowermost part in the fuel cell system, and reference numeral 26 denotes a ventilation fan inside the fuel cell system body provided at the upper part of the fuel cell. The operations of the freeze prevention heater 25 and the ventilation fan 26 are controlled by the control device 24. Further, the operation switch 27 gives an instruction to start or stop the operation of the fuel cell cogeneration system.

以上のように構成された燃料電池コージェネレーションシステムについて、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the fuel cell cogeneration system configured as described above will be described below.

まず、発電運転を行う場合、原料供給手段２より炭化水素などの原料を改質器１に供給し、バーナ３で加熱され水との改質反応によって水素リッチガスを発生させ、水素供給経路５を介して燃料電池４の水素極４ａに供給する。一方、燃料電池４の空気極４ｂには空気供給手段１１から酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池４内では、水素極４ａに供給された水素と空気極４ｂに供給された空気中の酸素とを反応させ発電を行うものである。燃料電池４の水素極４ａで大半の水素は反応に消費されるが、反応に使われなかった排水素は排水素経路６の気液分離装置７で水分を凝縮してからバーナ３に供給され、改質反応の加熱燃料として利用される。気液分離装置７に回収された水は水回収手段８により水回収経路９ａを経て凝縮タンク１０へ回収される。 First, when performing a power generation operation, a raw material such as hydrocarbons is supplied from the raw material supply means 2 to the reformer 1 and heated by a burner 3 to generate a hydrogen rich gas by a reforming reaction with water. To the hydrogen electrode 4 a of the fuel cell 4. On the other hand, air as an oxidant gas is supplied from the air supply means 11 to the air electrode 4 b of the fuel cell 4. In the fuel cell 4, power is generated by reacting hydrogen supplied to the hydrogen electrode 4 a with oxygen in the air supplied to the air electrode 4 b. Most of the hydrogen is consumed in the reaction at the hydrogen electrode 4 a of the fuel cell 4, but the exhausted hydrogen that has not been used in the reaction is supplied to the burner 3 after moisture is condensed in the gas-liquid separator 7 in the exhaust hydrogen path 6. It is used as a heating fuel for the reforming reaction. The water recovered by the gas-liquid separator 7 is recovered by the water recovery means 8 to the condensation tank 10 via the water recovery path 9a.

燃料電池４の空気極４ｂで発生した水素と酸素との反応生成水は、水蒸気となって空気とともに排出され、凝縮器１２で水分を凝縮し凝縮水タンク１０に回収される。水分を分離された空気は、排空気経路１３から外部へ排出され、凝縮水タンク１０で回収された水は、冷却水供給経路１６の冷却水供給装置１４によって水浄化器１５を経て浄化された後、冷却水タンク１７へ供給される。その水の一部が改質水供給経路１９の改質水供給装置１８によって改質器１へ供給され改質反応の原料として使われる。 The reaction product water of hydrogen and oxygen generated at the air electrode 4b of the fuel cell 4 is discharged together with the air as water vapor, condensed with the condenser 12 and collected in the condensed water tank 10. The air from which the moisture has been separated is discharged to the outside from the exhaust air path 13, and the water collected in the condensed water tank 10 is purified through the water purifier 15 by the cooling water supply device 14 in the cooling water supply path 16. Then, it is supplied to the cooling water tank 17. A part of the water is supplied to the reformer 1 by the reforming water supply device 18 of the reforming water supply path 19 and used as a raw material for the reforming reaction.

燃料電池４で発生した電力は家庭などの電力負荷へ供給される。一方、燃料電池４の発電反応で発生する熱は、冷却水循環ポンプ２２による冷却水循環経路２０内の水の循環で熱交換装置２１に伝えられ、家庭の給湯、暖房などの熱源として供給されるものである。 The electric power generated in the fuel cell 4 is supplied to an electric power load such as a home. On the other hand, the heat generated by the power generation reaction of the fuel cell 4 is transmitted to the heat exchanging device 21 through the circulation of water in the cooling water circulation path 20 by the cooling water circulation pump 22 and supplied as a heat source for domestic hot water supply, heating, etc. It is.

つぎに、本実施の形態１における凍結防止運転の動作について説明する。運転スイッチ２７がＯＮ状態でも燃料電池４の発電要求がない場合、あるいは運転スイッチ２７がＯＦＦ状態の場合に、温度検出手段２３が閾値以下（閾値は、凍結防止運転により凍結回避可能な温度）、例えば０℃以下の温度を検出した場合、凍結防止運転として燃料電池４の発電をせずに、燃料電池システム本体内部の最下面全面に設けられた凍結防止用ヒータ２５と、換気用ファン２６を作動させることで、凍結防止ヒータ２５で発生した最下面全面の熱が、換気用ファン２６で上方へ強制対流することで、燃料電池を運転させることなく燃料電池システム本体内部を均一に保温できるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減するとともに、水の凍結を防止することができる。 Next, the operation of the freeze prevention operation in the first embodiment will be described. When there is no power generation request of the fuel cell 4 even when the operation switch 27 is ON, or when the operation switch 27 is OFF, the temperature detection means 23 is equal to or less than a threshold value (the threshold value is a temperature at which freezing can be avoided by the antifreezing operation), For example, when a temperature of 0 ° C. or lower is detected, the fuel cell 4 is not generated as a freeze prevention operation, and the freeze prevention heater 25 and the ventilation fan 26 provided on the entire bottom surface inside the fuel cell system body are provided. By operating, the heat of the entire bottom surface generated by the freeze prevention heater 25 is forced to convection upward by the ventilation fan 26, so that the inside of the fuel cell system body can be kept warm without operating the fuel cell. In addition, the running cost related to the antifreezing operation can be reduced and water can be prevented from freezing.

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池コージェネレーションシステムを図１を用いて説明する。実施の形態１と同様のものについては、その説明を省略する。 (Embodiment 2)
A fuel cell cogeneration system according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same components as those in Embodiment 1 is omitted.

凍結防止運転として、運転スイッチ２７がＯＮ状態で燃料電池４の発電要求があり、バーナ３に燃料が供給されている燃焼中、あるいは燃料電池４の発電運転中はそれらの発熱エネルギーで燃料電池システム内が昇温され、水の凍結が防止されるが、バーナ３および燃料電池４より下部または離れた位置に配置され、これらからの発熱エネルギーを効率よく受熱することができない水配管または水タンクがある。外気温度の低下、例えば−１０℃以下の温度になるとともに、運転状態により燃料電池システム内の水の流れが一時的に停止あるいは少流量になった場合、気液分離装置７、水回収手段８、水回収経路９ａ、凝縮水タンク１０、凝縮器１２、冷却水供給装置１４、水浄化器１５、冷却水供給経路１６、冷却水タンク１７、改質水供給装置１８、改質水供給経路１９、熱交換装置２１、冷却水循環ポンプ２２、冷却水循環経路２０の何れかで水の凍結が発生する場合がある。そこで発電運転中であっても、外気温度条件および運転条件によっては凍結防止用ヒータ２５を作動させることで、水素供給手段および燃料電池より下部または離れた位置に配置されており、これらからの発熱エネルギーを効率よく受熱することができない水配管または水タンクの水の凍結を防止することができる。 As the freeze prevention operation, there is a power generation request of the fuel cell 4 when the operation switch 27 is ON, and the fuel cell system uses the generated energy during combustion in which fuel is supplied to the burner 3 or during the power generation operation of the fuel cell 4. There is a water pipe or water tank that is heated up inside and prevents freezing of water, but is located below or away from the burner 3 and the fuel cell 4 and cannot efficiently receive the heat generated from them. is there. When the temperature of the outside air decreases, for example, it becomes a temperature of −10 ° C. or lower, and the flow of water in the fuel cell system temporarily stops or becomes a low flow rate depending on the operation state, the gas-liquid separator 7 and the water recovery means 8 , Water recovery path 9a, condensed water tank 10, condenser 12, cooling water supply device 14, water purifier 15, cooling water supply path 16, cooling water tank 17, reforming water supply apparatus 18, reforming water supply path 19 The freezing of water may occur in any one of the heat exchange device 21, the cooling water circulation pump 22, and the cooling water circulation path 20. Therefore, even during the power generation operation, depending on the outside air temperature condition and the operation condition, the antifreezing heater 25 is operated to be disposed below or away from the hydrogen supply means and the fuel cell. Freezing of water in a water pipe or water tank that cannot efficiently receive energy can be prevented.

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池コージェネレーションシステムを図１を用いて説明する。実施の形態１と同様のものについては、その説明を省略する。 (Embodiment 3)
A fuel cell cogeneration system according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same components as those in Embodiment 1 is omitted.

凍結防止運転を行う場合、制御装置２４は二つの閾値を持ち、運転スイッチ２７がＯＮ状態でも燃料電池４の発電要求がない場合、あるいは運転スイッチ２７がＯＦＦ状態の運転待機中または運転停止中は、温度検出手段２３の閾値を凍結開始温度である０℃以上に設定することで、燃料電池システム本体内部の最下面全面に設けられた凍結防止ヒータ２５の発生熱を換気用ファン２６により上方へ強制対流することで、燃料電池を運転させることなく燃料電池システム本体内部を均一に保温でき、水の凍結を防止することができる。 When the anti-freezing operation is performed, the control device 24 has two threshold values. When the operation switch 27 is in the ON state, there is no request for power generation of the fuel cell 4, or when the operation switch 27 is in the OFF state during standby or operation stop. By setting the threshold value of the temperature detecting means 23 to 0 ° C. or more which is the freezing start temperature, the heat generated by the antifreeze heater 25 provided on the entire lowermost surface inside the fuel cell system body is raised upward by the ventilation fan 26. By forced convection, the inside of the fuel cell system body can be kept warm without operating the fuel cell, and water can be prevented from freezing.

一方、発電中は温度検出手段２３の閾値を０℃より低い値に設定することにより、水素供給手段および燃料電池４からの発熱エネルギーを効率よく受熱することができない離れた位置に配置された水配管または水タンクを補助的に加熱し、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減するとともに、燃料電池システムの本体内部が均一に温度上昇し、水の凍結を防止することができる。 On the other hand, during power generation, by setting the threshold value of the temperature detection means 23 to a value lower than 0 ° C., water disposed at a remote location where heat generated from the hydrogen supply means and the fuel cell 4 cannot be efficiently received. The piping or water tank can be supplementarily heated to reduce the running cost related to the freeze prevention operation, and the temperature inside the main body of the fuel cell system can be uniformly increased to prevent the water from freezing.

（実施の形態４）
図２は、本発明の実施の形態４の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。２４ａは凍結防止用ヒータ２５と温度検出手段２３と換気用ファン２６を制御するヒータ制御装置である。また、換気用ファン２６の運転については、制御装置２４またはヒータ制御装置２４ａのどちらからも制御される。 (Embodiment 4)
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 4 of the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. A heater control device 24 a controls the antifreezing heater 25, the temperature detecting means 23, and the ventilation fan 26. The operation of the ventilation fan 26 is controlled from either the control device 24 or the heater control device 24a.

つぎに、本実施の形態４における動作を説明する。従来の燃料電池コージェネレーションシステムでは、運転中あるいは運転待機中に何らかの原因で制御装置２４が運転継続または運転開始ができないと判断すると異常停止し、適切なメンテナンス等が施されて異常停止信号が解除されない限り、再度運転開始することはなかった。異常停止から運転再開までの間に外気温度の低下が発生しても凍結防止することはできず、燃料電池システム本体内の水が凍結してしまうおそれがある。本実施の形態４は燃料電池コージェネレーションシステムが異常停止中であっても、凍結防止用ヒータ２５と温度検出手段２３と換気用ファン２６とヒータ制御装置２４ａが正常な状態であれば、温度検出手段２３が閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、凍結防止用ヒータ２５と換気用ファン２６を作動させることにより、燃料電池システム本体の水の凍結防止が可能となり、メンテナンスが施されるまでの間に発生する可能性のある水の凍結を防止することができる。 Next, the operation in the fourth embodiment will be described. In the conventional fuel cell cogeneration system, if the control device 24 determines that the operation cannot be continued or cannot be started for some reason during operation or during operation standby, the operation is stopped abnormally, appropriate maintenance is performed, and the abnormal stop signal is released. Unless it was done, it never started again. Can not be anti-freeze even decrease in outside air temperature is generated between the abnormal stop to resume operation, there is a possibility that the water in the fuel cell system body will be frozen. In the fourth embodiment, even if the fuel cell cogeneration system is abnormally stopped, the temperature detection is performed if the freeze prevention heater 25, the temperature detection means 23, the ventilation fan 26, and the heater control device 24a are in a normal state. When the means 23 detects the temperature below the threshold value, the freeze prevention heater 25 and the ventilation fan 26 are operated as the freeze prevention operation, so that the water in the fuel cell system body can be prevented from freezing and maintenance is performed. It is possible to prevent freezing of water that may occur in the meantime.

（実施の形態５）
図３は、本発明の実施の形態５の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。２５ａおよび２５ｂはともに凍結防止用ヒータで、凍結防止ヒータは少なくとも２本以上設けている。 (Embodiment 5)
FIG. 3 is a configuration diagram of the fuel cell cogeneration system according to the fifth embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. 25a and 25b are both antifreeze heaters, and at least two antifreeze heaters are provided.

つぎに、本実施の形態４における動作を説明する。温度検出手段２３で検出された閾値以下の温度に応じて、ヒータ制御装置２４ａが作動させるヒータ本数を制御する。例えば、運転待機中に温度検出手段２３が５℃を検知すると、ヒータ制御装置２４ａは凍結防止ヒータ２５ａに運転指令を送り凍結防止ヒータ２５ａは加熱を開始する。その後、温度検出手段２３が０℃を検出すると、ヒータ制御装置２４ａはさらに凍結防止ヒータ２５ｂにも運転指令を送り凍結防止ヒータ２５ｂは加熱を開始する。このように外気温度等、温度検出手段２３で検出された温度により凍結防止ヒータの作動本数を制御することで、燃料電池システムの本体内部の余分な加熱を行うことなく、効率良く水の凍結を防止するため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 Next, the operation in the fourth embodiment will be described. The number of heaters operated by the heater control device 24a is controlled in accordance with the temperature below the threshold detected by the temperature detecting means 23. For example, when the temperature detection means 23 detects 5 ° C. during operation standby, the heater control device 24a sends an operation command to the antifreeze heater 25a, and the antifreeze heater 25a starts heating. Thereafter, when the temperature detecting means 23 detects 0 ° C., the heater control device 24a further sends an operation command to the antifreezing heater 25b, and the antifreezing heater 25b starts heating. In this way, by controlling the number of anti-freezing heaters operated by the temperature detected by the temperature detecting means 23 such as the outside air temperature, water can be efficiently frozen without excessive heating inside the main body of the fuel cell system. In order to prevent this, the running cost related to the freeze prevention operation can be reduced.

（実施の形態６）
図４は、本発明の実施の形態６の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。凍結防止ヒータ２５は燃料電池システム本体内部で水温が最も低くなる位置、例えば凝縮水タンク１０が燃料電池システムの下部に位置し、冷却水供給装置１４により冷却水供給経路１６を通じて冷却水タンク１７に供給される構成では、凝縮水タンク１０で温度が低下した水が、細い冷却水供給経路１６を通過することでさらに温度低下し、場合によっては凍結することがある。このように燃料電池システム本体内で最も水温が低下し凍結しやすい位置に凍結防止ヒータ２５を配置することで、効率良く水の凍結を防止できるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 (Embodiment 6)
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 6 of the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. The anti-freezing heater 25 is located at a position where the water temperature becomes the lowest inside the fuel cell system body, for example, the condensed water tank 10 is located at the lower part of the fuel cell system, and is supplied to the cooling water tank 17 through the cooling water supply path 16 by the cooling water supply device 14. In the configuration to be supplied, the water whose temperature has decreased in the condensed water tank 10 further decreases in temperature by passing through the thin cooling water supply path 16 and may freeze in some cases. In this way, by arranging the freeze prevention heater 25 at a position where the water temperature is the lowest in the fuel cell system main body and is most likely to freeze, it is possible to efficiently prevent the water from freezing, thereby reducing the running cost related to the freeze prevention operation. Can do.

（実施の形態７）
図５は、本発明の実施の形態７の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。温度検出手段２３は燃料電池システム本体内部で水温が最も低くなる位置、例えば凝縮水タンク１０が燃料電池システムの下部に位置し、冷却水供給装置１４により冷却水供給経路１６を通じて冷却水タンク１７に供給される構成では、凝縮水タンク１０で温度が低下した水が、細い冷却水供給経路１６を通過することでさらに温度低下し、場合によっては凍結することがある。そこで、もっとも凍結のおそれがある位置（本実施の形態７では冷却水供給経路１６）に配置することで、最も効率良く水の凍結を防止できるため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 (Embodiment 7)
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 7 of the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. The temperature detecting means 23 is located at a position where the water temperature becomes the lowest inside the fuel cell system main body, for example, the condensed water tank 10 is positioned at the lower part of the fuel cell system. In the configuration to be supplied, the water whose temperature has decreased in the condensed water tank 10 further decreases in temperature by passing through the thin cooling water supply path 16 and may freeze in some cases. In view of this, it is possible to prevent water from being frozen most efficiently by placing it at a position where there is a risk of freezing (cooling water supply path 16 in the present embodiment 7). Can do.

（実施の形態８）
図６は、本発明の実施の形態８の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。回収された排熱を温水として蓄える貯湯タンク２８と、貯湯タンク２８に水を供給する水供給経路２９と、貯湯タンク２８から取り出された水が熱交換器２１を経由して貯湯タンク２８に戻るための貯湯循環経路３０と、貯湯循環経路３０内の水を循環させるための貯湯循環装置３１と、反応生成水および排気ガス中の水分を回収し再利用するために水を蓄え、過度に回収した水を外部へ排出するドレン口３２を有する凝縮水タンク１０と、貯湯循環回路３０の循環水の一部を凝縮水タンク１０へ供給するバイパス回路３３と、バイパス回路３３を開閉するための弁３４とを備えている。 (Embodiment 8)
FIG. 6 is a configuration diagram of the fuel cell cogeneration system according to the eighth embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. A hot water storage tank 28 for storing the recovered exhaust heat as hot water, a water supply path 29 for supplying water to the hot water storage tank 28, and water taken out from the hot water storage tank 28 returns to the hot water storage tank 28 via the heat exchanger 21. Hot water storage circulation path 30, a hot water storage circulation device 31 for circulating the water in the hot water storage circulation path 30, and water in the reaction product water and exhaust gas to collect and reuse water for recovery A condensed water tank 10 having a drain port 32 for discharging the discharged water to the outside, a bypass circuit 33 for supplying a part of the circulating water of the hot water circulation circuit 30 to the condensed water tank 10, and a valve for opening and closing the bypass circuit 33 34.

つぎに、本実施の形態８における凍結防止運転の動作について説明する。温度検出手段２３が閾値以下の温度を検出した際、バイパス回路３３の弁３４を開放して凝縮水タンク１０へ循環水の一部を供給しドレン口３２から排水することで、貯湯タンク２８へ供給水が連続的に供給され、水供給経路２９の凍結を防止することができる。これは、水温が氷点下になっても例えば０℃から−５℃程度であれば、加熱を行わなくても水の循環のみで凍結を防止することが可能なためである。すなわち、この制御方法により、比較的温度が高い場合の凍結防止運転として加熱エネルギーを必要としないため、凍結防止運転に係わるランニングコストを低減することができる。 Next, the operation of the freeze prevention operation in the eighth embodiment will be described. When the temperature detection means 23 detects a temperature below the threshold value, the valve 34 of the bypass circuit 33 is opened, a part of the circulating water is supplied to the condensed water tank 10 and drained from the drain port 32, so that the hot water storage tank 28 is reached. Supply water is continuously supplied, and freezing of the water supply path 29 can be prevented. This is because even if the water temperature is below the freezing point, if it is, for example, about 0 ° C. to −5 ° C., freezing can be prevented only by circulation of water without heating. That is, with this control method, heating energy is not required for the freeze prevention operation when the temperature is relatively high, and therefore the running cost for the freeze prevention operation can be reduced.

（実施の形態９）
本発明の実施の形態９における燃料電池コージェネレーションシステムを図６を用いて説明する。実施の形態８と同様のものについては、その説明を省略する。 (Embodiment 9)
A fuel cell cogeneration system according to Embodiment 9 of the present invention will be described with reference to FIG. Description of the same components as those in the eighth embodiment is omitted.

実施の形態８において、温度検出手段２３からの温度信号により、制御回路２４は閾値を二つもち、第１の閾値は凍結開始温度である０℃より低い値で、第２の閾値は０℃以上の値をもち、第１の閾値以下の温度を検出するとバイパス回路３３の弁３４を開放し、第２の閾値以上の温度を検出するとバイパス回路３３の弁３４を閉止することにより、水が凍結しない温度になると貯湯タンク２８への連続的な水供給が停止し、水の垂れ流しによる無駄を防止することができる。 In the eighth embodiment, the control circuit 24 has two threshold values based on the temperature signal from the temperature detection means 23, the first threshold value is lower than 0 ° C. which is the freezing start temperature, and the second threshold value is 0 ° C. When the temperature below the first threshold is detected, the valve 34 of the bypass circuit 33 is opened, and when the temperature equal to or higher than the second threshold is detected, the valve 34 of the bypass circuit 33 is closed. When the temperature is not frozen, continuous water supply to the hot water storage tank 28 is stopped, and waste due to dripping water can be prevented.

以上のように、本発明にかかる燃料電池コージェネレーションシステムは、凍結防止運転に係わるランニングコストの低減が可能となるので、ガス燃料および液体燃料を用いた燃料電池コージェネレーションシステムの水経路の凍結防止等の用途にも適用できる。 As described above, since the fuel cell cogeneration system according to the present invention can reduce the running cost related to the freeze prevention operation, the water path of the fuel cell cogeneration system using gas fuel and liquid fuel can be prevented from freezing. It can also be applied to other uses.

本発明の実施の形態１〜３における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of fuel cell cogeneration system in Embodiments 1 to 3 of the present invention 本発明の実施の形態４における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of fuel cell cogeneration system in Embodiment 4 of the present invention 本発明の実施の形態５における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of fuel cell cogeneration system in Embodiment 5 of the present invention 本発明の実施の形態６における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of fuel cell cogeneration system in Embodiment 6 of the present invention 本発明の実施の形態７における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of fuel cell cogeneration system in Embodiment 7 of the present invention 本発明の実施の形態８における燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of fuel cell cogeneration system in Embodiment 8 of the present invention 従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図Configuration diagram of conventional fuel cell cogeneration system

Explanation of symbols

４燃料電池
１０凝縮水タンク
２１熱交換器
２３温度検出手段
２４ａヒータ制御装置
２５凍結防止用ヒータ
２６換気用ファン
２７運転スイッチ
２８貯湯タンク
２９水供給経路
３０貯湯循環経路
３１貯湯循環装置
３２ドレン口
３３バイパス回路
３４弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Fuel cell 10 Condensate water tank 21 Heat exchanger 23 Temperature detection means 24a Heater control apparatus 25 Antifreezing heater 26 Ventilation fan 27 Operation switch 28 Hot water storage tank 29 Water supply path 30 Hot water circulation path 31 Hot water circulation apparatus 32 Drain port 33 Bypass circuit 34 Valve

Claims

A fuel cell;
A fuel cell system body having the fuel cell;
A freezing prevention heater provided at a lower portion inside the fuel cell system body;
Temperature detecting means for detecting the temperature of at least one of the inside and outside of the fuel cell system body ; and
An operation switch for instructing operation start or stop of the fuel cell ;
A fuel cell cogeneration system that activates the anti-freezing heater when the temperature detecting means detects a temperature that is equal to or lower than a threshold value during standby or when the operation switch is OFF and the operation is stopped. And
A heater control device for controlling the anti-freezing heater by a signal from the temperature detection means;
Freezing prevention operation when the temperature detection means detects a temperature below a threshold value while the heater for anti-freezing, the temperature detection means and the heater control device are in a normal state and during an abnormal stop caused by another cause As a fuel cell cogeneration system for operating the anti-freezing heater .

2. The fuel cell cogeneration system according to claim 1, wherein when the temperature detecting means detects a temperature equal to or lower than a threshold value during operation, the anti-freezing heater is operated as the anti-freezing operation.

The fuel according to claim 1 or 2, wherein the threshold value of the temperature detecting means for operating the anti-freezing heater is set to be equal to or higher than the freezing start temperature during operation standby or during operation stop, and set to a value lower than the freezing start temperature during power generation. Battery cogeneration system.

4. The freeze prevention heater according to claim 1 , wherein at least two freeze prevention heaters are provided, and the number of the freeze prevention heaters to be operated is controlled according to a temperature equal to or lower than a threshold detected by the temperature detecting means. Fuel cell cogeneration system.

Fuel cell cogeneration system according to any one of the anti-freeze heater claims 1-4 attached to the most lowered position is the water temperature inside the fuel cell system body.

The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 1 to 5 , wherein the temperature detecting means is attached at a position where the water temperature is lowest in the fuel cell system main body.