以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質器20を備えている。
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13(本実施形態では高分子電解質膜)を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
改質器20は、燃料(改質用燃料)を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、燃焼器であるバーナ(燃焼部)21、改質部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
バーナ(燃焼部)21は、可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部22を加熱するもの、すなわち改質部22を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ21は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、CO選択酸化部24から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池10の燃料極11から供給されるアノードオフガス(燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス)を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部22に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。この燃焼ガスは改質部22を(同改質部22の触媒の活性温度域となるように)加熱し、その後燃焼ガス排気管63を通って外部に排出されるようになっている。なお、可燃性燃料は、上述した燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスである。
改質部22は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器25からの水蒸気(改質水)を混合した混合ガスを改質部22に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している(いわゆる一酸化炭素シフト反応)。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)はCOシフト部23に導出される。
COシフト部23は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてCO選択酸化部24に導出される。
CO選択酸化部24は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたCO酸化用の空気(エア)とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)燃料電池10の燃料極11に導出される。
蒸発器25は、一端が改質水タンク50内に配置され他端が改質部22に接続された改質水供給管68の途中に配設されている。改質水供給管68には改質水ポンプ53が設けられている。このポンプ53は制御装置90によって制御されており、改質水タンク50内の改質水として使用する回収水を蒸発器25に圧送している。蒸発器25は例えばバーナ21から排出される燃焼ガス(または改質部22、COシフト部23などの排熱)によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。なお、改質水タンク50内には、温度センサ50aが設けられており、温度センサ50aは改質水タンク50内の水温を検出しその検出結果を制御装置90に送出するものである。
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管64を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管65を介してバーナ21が接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガスをバーナ21に供給するようになっている。改質ガス供給管64とオフガス供給管65の間には燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管64およびオフガス供給管65を直結するバイパス管67が設けられている。
改質ガス供給管64にはバイパス管67との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ64aが設けられている。オフガス供給管65にはバイパス管67との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ65aが設けられている。バイパス管67には第2改質ガスバルブ67aが設けられている。第1および第2改質ガスバルブ64a,67aおよびオフガスバルブ65aはそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置90により制御されている。
起動運転時には、改質器20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ64aおよびオフガスバルブ65aを閉じ第2改質ガスバルブ67aを開き、定常運転時には、改質器20からの改質ガスを燃料電池10に直接供給するため、第1改質ガスバルブ64aおよびオフガスバルブ65aを開き第2改質ガスバルブ67aを閉じている。
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気供給管61が接続されており、空気極12内に空気(カソードエア)が供給されるようになっている。燃料電池10の空気極12の導出口には、カソードオフガス排気管62が接続されており、空気極12からの空気(カソードオフガス)が外部に排出されるようになっている。
空気供給管61は外気吸い込みファン61aに連通している。空気供給管61の外気吸い込みファン61a付近には、温度センサ61bが設けられている。温度センサ61bは筐体1に吸い込まれた空気の温度T5を検出し検出結果を制御装置90に出力するものである。
また、これら空気供給管61およびカソードオフガス排気管62の途中には、空気極12から排出される酸化剤オフガスであるカソードオフガスによって空気極12に供給されるカソードエアを加湿する加湿器14が両管61,62を跨ぐように設けられている。加湿器14は、加湿媒体である空気極12から排出されるカソードオフガスと酸化剤ガスであるカソードエアとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する水蒸気交換型であり、カソードオフガス排気管62中すなわち空気極12から排出される気体中の水蒸気を空気供給管61中すなわち空気極12へ供給される空気中に供給して加湿するものである。
また、改質ガス供給管64、オフガス供給管65、カソードオフガス排気管62および燃焼ガス排気管63の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器31、アノードオフガス用凝縮器32、カソードオフガス用凝縮器33および燃焼ガス用凝縮器34が設けられている。これら各凝縮器31〜34は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である排熱回収手段である凝縮器30を構成している。
改質ガス用凝縮器31は改質ガス供給管64中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器32は、燃料電池10の燃料極11と改質器20のバーナ21とを連通するオフガス供給管65の途中に設けられており、そのオフガス供給管65中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器33は、カソードオフガス排気管62に設けられており、そのカソードオフガス排気管62中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器34は燃焼ガス排気管63に設けられており、その燃焼ガス排気管63中を流れる改質部22から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。これら凝縮器31〜34においては、凝縮冷媒が各凝縮器31〜34を流通する各ガスと熱交換して各ガスの顕熱・潜熱を回収し昇温する。
これら凝縮器31〜34は配管66を介して純水器40に連通しており、各凝縮器31〜34にて凝縮された凝縮水は、純水器40に導出され回収されるようになっている。純水器40は、凝縮器30から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を改質水タンク50に導出するものである。なお、改質水タンク50は純水器40から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器40には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器40内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽71と、凝縮冷媒循環回路75とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路72と、燃料電池10と熱交換する燃料電池熱媒体であるFC冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるFC冷却水循環回路73と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器74と、燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体(凝縮冷媒)が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路75と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第2熱交換器76と、が備えられている。
これにより、燃料電池10の発電にて発生した排熱(熱エネルギー)は、FC冷却水に回収され、第1熱交換器74を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。また、燃料電池10から排出されるオフガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)の排熱(熱エネルギー)および改質器20にて発生した排熱(熱エネルギー)は、凝縮器30を介して凝縮冷媒に回収され、第2熱交換器76を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。改質器20にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ21からの燃焼排ガスの排熱、および改質器20と熱交換する排熱(改質器自身の排熱)が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「FC」は「燃料電池」の省略形として記載している。
貯湯槽71は、1つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽71の柱状容器の下部には水道水などの水(低温の水)が補給され、貯湯槽71に貯留された高温の温水が貯湯槽71の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽71は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路72にかかる形式のものである。
貯湯水循環回路72の一端および他端は貯湯槽71の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路72上には、一端から他端に順番に加熱装置72b、温度センサ72c、貯湯水循環装置である貯湯水循環ポンプ72a、第2熱交換器76、第1熱交換器74、および切替装置72dが配設されている。
加熱装置72bは、筐体2に内蔵されており、貯湯水循環回路72の外気露出部分が貯湯水循環状態(バイパス路77使用時)で−10℃以下にならないように加熱する装置である。したがって、加熱装置72bは、外気露出部分の配管によって異なるが、加熱するのに最低限の容量(例えば、20W)のヒータである。この加熱装置72bは、サーモスタットのように自分自身で温度制御可能なヒータである。この加熱装置72bは、後述する加熱装置73dと比べてヒータ容量は小さいものである。この加熱装置72bは、制御装置90などの制御装置によって制御される加熱装置であってもよい。なお、加熱装置72bの加熱では貯湯水の筐体1入口温度T1が−10℃よりも低下してしまう場合に、加熱装置73dが使用される。
温度センサ72cは、貯湯水循環回路72またはバイパス路77で最も低温となる部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の筐体1入口温度T1を検出するものである。なお、下流部は最も低温となる部分から熱媒体循環装置72aの吸込み口との間である。本実施形態では、温度センサ72cは、貯湯水が筐体1内に入ってすぐの部分に配置されている。これにより、貯湯水循環回路72の外気に曝されている部分(最も低温となる部分)の貯湯水の温度を時間をおかないで測定することができる。温度センサ72cで測定された貯湯水の温度は制御装置90に送信されるようになっている。
貯湯水循環ポンプ72aは、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路72を通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。これにより、貯湯槽71からの貯湯水は、加熱装置72b、第2熱交換器76、第1熱交換器74をその順番に流通し、加熱装置72bにて加熱され、第2熱交換器76にて凝縮冷媒と熱交換し第1熱交換器74にてFC冷却水と熱交換する。
貯湯水循環回路72には、貯湯槽71をバイパスするバイパス路77が設けられている。貯湯水循環回路72とバイパス路77の分岐点には、制御装置90の指令によって貯湯水循環回路72とバイパス路77とを選択的に切り替える切替装置72dが設けられている。発電運転中においては、切替装置72dは貯湯水循環回路72へ切り替えられ、貯湯水は貯湯槽71へ流入する。一方、待機中においては、切替装置72dはバイパス路77へ切り替えられ、貯湯水は貯湯槽71へ流入しないでバイパス路77を通り第1および第2熱交換器74,76を通って貯湯水循環回路72を循環する。これにより、待機中において、比較的低温である貯湯水循環回路72の貯湯水を貯湯槽71へ戻すことによる貯湯槽71の温度層崩れを抑止することができる。
また、バイパス路77には、貯湯槽71内に貫設され貯湯槽71内の貯湯水と熱交換する貯湯槽熱交換路78が設けられている。バイパス路77と貯湯槽熱交換路78の分岐点には、制御装置90の指令によってバイパス路77と貯湯槽熱交換路78とを選択的に切り替える切替装置77aが設けられている。
FC冷却水循環回路73上には、FC冷却水循環装置であるFC冷却水循環ポンプ73aが配設されており、このFC冷却水循環ポンプ73aは、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、FC冷却水循環回路73上には、温度センサ73b,73cが配設されており、温度センサ73b,73cは、それぞれFC冷却水の燃料電池10の入口温度T2および出口温度T3を検出し、それら検出結果を制御装置90に出力するものである。
また、FC冷却水循環回路73上(または燃料電池10)には、FC冷却水(または燃料電池10)を暖機する加熱装置73dが設けられている。加熱装置73dは、制御装置90の指令によって制御されるものであり、例えば電気ヒータである。加熱装置73dは、燃料電池システムの起動運転において燃料電池10を加熱するための熱源として機能する。加熱装置73dは、できるだけ早く起動するように容量の大きいヒータ(例えば、200W)が使用されている。加熱装置73dは温度センサ73eを備えており、温度センサ73eは加熱装置73dの温度を検出し検出結果を制御装置90に出力するものである。
さらに、FC冷却水循環回路73上には第1熱交換器74が配設されている。これにより、FC冷却水は、燃料電池10に流通され、燃料電池10で発生する熱を回収し昇温し、その熱が第1熱交換器74にて貯湯水に回収され降温して再び燃料電池10を流通する。
排熱回収熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路75上には、排熱回収熱媒体循環装置である凝縮冷媒循環ポンプ75aが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ75aは、矢印方向へ排熱回収熱媒体である凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路75上には、第2熱交換器76が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路75上には、第2熱交換器76から下流に順番に温度センサ75b、凝縮冷媒循環ポンプ75a、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、および改質ガス用凝縮器31が配設されている。温度センサ75bは、凝縮冷媒の温度T4を検出し、検出結果を制御装置90に出力するものである。
さらに、燃料電池システムは、筐体1内下部および上部にそれぞれ設けられ同各部の温度T6,T7をそれぞれ検出する温度センサ81,82を備えており、各温度センサ81,82はそれら検出結果を制御装置90に出力するようになっている。
燃料電池システムは発電装置が収納された筐体1と貯湯槽71が収納された筐体2を備えている。筐体1内には、燃料電池10、改質器20、凝縮器30、改質水タンク40、純水器50、FC冷却水循環回路73、凝縮冷媒循環回路75、貯湯水循環回路72の一部などが収容されている。筐体2には、貯湯槽71、バイパス路77、貯湯水循環回路72の他の一部などが収容されている。
また、上述した各温度センサ50a,61b,72c,73b,73c,73e,75b,81,82、各ポンプ72a,73a,75a、各切替装置72d,77aおよび加熱装置73dは制御装置90に接続されている(図2参照)。制御装置90はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、各温度センサ50a,61b,72c,73b,73c,73e,75b,81,82が検出した温度に基づいて各ポンプ72a,73a,75a、各切替装置72d,77aおよび加熱装置73dを制御してシステム待機中(停止中)の凍結防止を実行している。RAMはシステムの運転を制御する制御プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記制御プログラムを記憶するものである。
次に、上述した燃料電池システムの凍結防止作動について図3および図4を参照して説明する。制御装置90は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ102にて「NO」と判定し続けて定常運転(発電運転)を継続する。運転停止指示があると、ステップ102にて「YES」と判定し、プログラムをステップ104に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく規定の運転停止を実施する。
制御装置90は、バーナ21を消火し、改質水、燃焼用燃料および改質用燃料の供給を停止し、燃料ガス(改質ガス)、燃焼ガスのパージ処理を実行し、その後、燃料電池システムの運転が開始されるまで燃料ガス系および燃焼ガス系の閉鎖を保持する(ステップ104)。すなわち、ステップ104では燃料電池10の発電は停止されている。燃料ガス系は、主として改質部22に改質用燃料を供給する供給管(図示省略)、改質部22、COシフト部23、CO選択酸化部24、改質ガス供給管64、燃料電池10の燃料極11、およびオフガス供給管65から構成されている。燃焼ガス系は、主としてバーナ21に燃焼用燃料を供給する供給管(図示省略)、バーナ21、および燃焼ガス排気管63から構成されている。
このような燃料電池システムの待機中(停止中)において、制御装置90は、起動スイッチのオン、予め開始時刻が設定されるなどで運転開始指示があると、システムの運転を開始する。
このように燃料電池システムの待機状態(停止状態)が開始されると、制御装置90は、システム停止時の所定箇所の温度を検出し記憶する(ステップ106)。制御装置90は、温度センサ72cで貯湯水の筐体1入口温度T1を検出し、温度センサ61bで空気吸込み口温度T5すなわち外気温を検出し、温度センサ50aで改質水タンク50内の水温を検出し、温度センサ81で筐体1内の下部温度T6を検出する。
制御装置90は、システム停止後(待機状態開始後)、切替装置72dをバイパス路77に切り替え、貯湯水循環ポンプ72aを間欠運転する。なお、間欠運転は、システム停止後すぐに開始してもよいし、所定時間経過後に開始してもよい。間欠運転は、図5に示すように、間欠運転時間t2の間にポンプ72aを駆動し、間欠動作待ち時間(間欠動作停止時間)t1の間にポンプ72aを停止する。間欠運転中の貯湯水循環ポンプ72aはデューティ比50%で駆動されている。なお、デューティ比は間欠運転時間t2/(間欠動作待ち時間t1+間欠運転時間t2)で示される。
間欠運転時間t2は、検出する熱媒体が循環する循環回路すなわち貯湯水循環回路72とバイパス路77からなる循環回路の長さ・内径と、その循環回路の熱媒体を循環させる循環装置すなわち貯湯水循環ポンプ72aの供給能力(供給量)に基づいて循環回路の一周分となるように設定されている。
なお、図7に示すように、貯湯水循環ポンプ72aの駆動当初では、外気に触れて冷却された貯湯水循環回路72とバイパス路77から温度の低い貯湯水が通過するので、間欠運転時間t2中に検出した貯湯水の筐体1入口温度T1は低くなる。しかし、しばらくすると外気に触れないで筐体1内で比較的高温下に位置する貯湯水循環回路72から温度の高い貯湯水が回って来るので、間欠運転時間t2中に検出した貯湯水の筐体1入口温度T1は高くなる。
間欠動作待ち時間t1は、測定された貯湯水の筐体1入口温度T1と、図6に示す間欠動作待ち時間t1と貯湯水の筐体1入口温度T1との相関を示すマップとから導出される。間欠動作待ち時間t1は、貯湯水の筐体1入口温度T1が低くなるほど短くなるように設定されるものである。
一方、制御装置90は、間欠運転開始後、温度センサ72cで貯湯水の筐体1入口温度T1を検出し記憶するとともに、間欠運転時間t2中の最低温度を導出して記憶する(ステップ110)。
また、制御装置90は、ステップ110で検出した現時点の貯湯水の筐体1入口温度T1が第1判定閾値T1a(例えば3℃)より大きい場合、貯湯水循環ポンプ72aの間欠運転を継続し、一方、第1判定閾値T1a以下である場合、貯湯水循環ポンプ72aを間欠運転から連続運転に切り替える。
間欠運転を継続する場合において、制御装置90は、ステップ110で記憶した最低温度と図6に示すマップとから間欠動作待ち時間t1を導出し導出結果を間欠動作待ち時間t1として設定する(ステップ114)。例えば、図7に示すように、システム停止後すぐに間欠運転を開始した場合、初めのうちは貯湯水の筐体1入口温度T1が高いので間欠動作待ち時間t1は長く設定されているが、時間が経過して貯湯水の筐体1入口温度T1が低くなるにしたがって間欠動作待ち時間t1は短くなっている。
間欠運転から連続運転に切り替える場合において、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aを連続運転する。貯湯水循環ポンプ72aはデューティ比100%で駆動されている。これにより、貯湯水が貯湯水循環回路72とバイパス路77とからなる循環回路を循環する。このとき、加熱装置72bが作動していれば、循環回路を循環する貯湯水が加熱されるので、凍結防止をすることができる。
前述した連続運転は貯湯水の筐体1入口温度T1が第1判定閾値T1aより高温の第2判定閾値T1b(例えば10℃)以上となるまで継続される。すなわち、制御装置90はステップ116,118の処理を繰り返し実行する。そして、貯湯水の筐体1入口温度T1が第2判定閾値T1b以上となると(ステップ118で「YES」)、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aを連続運転から間欠運転に切り替える。すなわち、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの運転を停止し(ステップ120)、再び間欠運転を開始する(ステップ108)。
さらに、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たさない場合、貯湯槽71に貯湯されている貯湯水の熱を利用して貯湯水循環回路72を循環する貯湯水を加熱するようにしてもよい。この場合、制御装置90は、切替装置77aを貯湯槽熱交換路78に切り替える。これにより、貯湯水が貯湯水循環回路72、バイパス路77および貯湯槽熱交換路78からなる循環回路を循環する。このとき、貯湯槽71内の貯湯水が高温であれば、循環回路を流れる貯湯水が熱交換して加熱される。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たさない場合とは、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転を停止させる基準温度(第2判定閾値T1b)に到達しないと判断される場合である。この中には、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が更に低下する場合も含む。
また、上述した貯湯水の循環だけでは、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合には、「貯湯槽71に貯湯されている貯湯水」、「燃料電池10、燃料電池熱媒体循環回路73の燃料電池熱媒体、排熱回収手段である凝縮器30、および排熱回収熱媒体循環回路75の凝縮冷媒」、および「加熱装置73d」の熱を利用する。このときの優先順位は次のように決定される。燃料電池10、燃料電池熱媒体循環回路73の燃料電池熱媒体、排熱回収手段である凝縮器30、および排熱回収熱媒体循環回路75の凝縮冷媒は、これらの温度が貯湯水の筐体1入口温度T1より高いことを条件として優先的に使用する。その次に、貯湯槽71に貯湯されている貯湯水を利用する。最後の手段として加熱装置73dを使用する。貯湯水の熱を利用すると、ユーザが利用できる貯湯水が減少するので、できる限り避けたいため優先順位が後になる。加熱装置73dは電力を消費するため、省エネ性から最終手段となる。
なお、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合が特許請求の範囲の請求項10〜12に記載の「所定条件」である。この所定条件とは、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が連続運転開始後から所定時間経過しても第2判定閾値T1bを超えない場合、連続運転開始後からの貯湯水の筐体1入口温度T1の上昇率が所定値未満である場合、間欠運転中の貯湯水の筐体1入口温度T1の下降率が所定値以上である場合などである。
さらに、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の筐体1入口温度T1より高い場合、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aを駆動させるようにしてもよく、また、これに加えて加熱装置73dを駆動させるようにしてもよい。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たす場合とは、前述の測定した貯湯水の筐体1入口温度T1の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合である。
この場合、制御装置90は、図4に示すフローチャートに沿ったプログラムを実施する。まず、制御装置90は、上述した貯湯水循環回路72の凍結防止運転中で貯湯水循環ポンプ72aが連続運転中であるか否かを判定する(ステップ202)。貯湯水循環ポンプ72aが連続運転中であれば、制御装置90は、ステップ202にて「YES」と判定し、所定箇所の温度を検出し記憶する(ステップ204)。制御装置90は、温度センサ72cで貯湯水の筐体1入口温度T1を検出し、温度センサ73b,73cで燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度T2,T3を検出し、温度センサ73eで加熱装置73dの温度を検出し、温度センサ81,82で筐体1内の下部温度T6および上部温度T7を検出する。所定箇所の温度は、貯湯水の筐体1入口温度T1、燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度T2,T3、加熱装置73dの温度、および筐体1内の下部温度T6および上部温度T7である。
制御装置90は、これら検出した温度のうちいずれか一つが基準温度未満となれば(ステップ206で「YES」)、まず燃料電池熱媒体循環ポンプ73aを駆動させて連続運転する(ステップ208)。これにより、燃料電池10の残っている熱、燃料電池熱媒体の熱が第1熱交換器74で貯湯水循環回路72を流れる貯湯水を加熱する。そして、貯湯水の筐体1入口温度T1が上昇して第2判定閾値T1b以上となれば(ステップ212で「YES」)、制御装置90は、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aを停止する(ステップ214)。
加熱装置73dの温度(燃料電池熱媒体の温度)が所定温度Ta(例えば5℃)以下となり、燃料電池10の残っている熱、燃料電池熱媒体の熱だけでは不足する場合、制御装置90は、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aの連続運転を継続したまま、加熱装置73dをオンさせる(ステップ216)。制御装置90は、加熱装置73dの温度が所定温度Tb(例えば10℃)に達すると(ステップ218で「YES」)、加熱装置73dをオフする(ステップ220)。これにより、燃料電池熱媒体循環回路73を流れている燃料電池熱媒体が加熱され、その燃料電池熱媒体の熱が第1熱交換器74で貯湯水循環回路72を流れる貯湯水を加熱する。そして、貯湯水の筐体1入口温度T1が上昇して第2判定閾値T1b以上となれば(ステップ212で「YES」)、制御装置90は、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aを停止する(ステップ214)。
なお、貯湯水の筐体1入口温度T1の基準温度は3℃であり、燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度T2,T3の基準温度は5℃であり、加熱装置73dの温度の基準温度は5℃であり、筐体1内の下部温度T6および上部温度T7の基準温度は5℃である。
さらに、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たして、かつ排熱回収熱媒体の温度が貯湯水の貯湯水の筐体1入口温度T1より高い場合、排熱回収熱媒体循環ポンプ75aを駆動させるようにしてもよい。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たす場合とは、前述の測定した貯湯水の筐体1入口温度T1の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合である。
この場合、制御装置90は、上述した貯湯水循環回路72の凍結防止運転中で貯湯水循環ポンプ72aが連続運転中であるか否かを判定する。貯湯水循環ポンプ72aが連続運転中であれば、制御装置90は、温度センサ72cで貯湯水の筐体1入口温度T1を検出し、温度センサ73b,73cで燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度T2,T3を検出し、温度センサ73eで加熱装置73dの温度を検出し、温度センサ81,82で筐体1内の下部温度T6および上部温度T7を検出する。
制御装置90は、これら検出した温度のうちいずれか一つが基準温度未満となれば、排熱回収熱媒体循環ポンプ75aを駆動させて連続運転する。これにより、凝縮器30に残っている熱、排熱回収熱媒体の熱が第2熱交換器76で貯湯水循環回路72を流れる貯湯水を加熱する。そして、貯湯水の筐体1入口温度T1が上昇して第2判定閾値T1b以上となれば、制御装置90は、排熱回収熱媒体循環ポンプ75aを停止する。
上述の説明から明らかなように、この第1実施形態においては、制御装置90が、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、貯湯水循環ポンプ72aを間欠運転させる。これにより、貯湯水循環回路72およびバイパス路77に留まっている熱媒体を継続的でなく間欠的に循環させるので、熱媒体循環回路72またはバイパス路77の一部(外気にさらされている部分)が凍結する温度近くになっても、熱媒体循環回路72またはバイパス路77の他の部分(筐体1内に配設されている部分)の比較的高温の貯湯水が回って来るためその貯湯水の熱で凍結しそうな部分(外気にさらされている部分)の凍結を防止することができる。したがって、貯湯水を継続的でなく間欠的に循環させるとともに凍結開始までの時間を稼ぐことにより、省エネ性を向上させて凍結を防止することができる。また、このような貯湯水循環ポンプ72aの駆動中において、温度センサ72cは貯湯水循環回路72またはバイパス路77で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の筐体1入口温度T1を検出するので、凍結防止を図りながら貯湯水の最低温度を直接測定することができる。これにより、測定した貯湯水の最低温度に応じた必要な貯湯水加熱処理を適切に実施可能となる。これらのことから、燃料電池システムにおいて、省エネ性を向上させることと凍結のおそれのある貯湯水の温度を正確に測定することの2つの作用を両立させながら凍結防止を図ることができる。
また、制御装置90は、測定した温度が低くなるほど貯湯水循環ポンプ72aの停止時間を短く設定するので、測定した貯湯水の温度に応じた適切な間欠運転を実施することにより、さらに省エネ性を向上することができる。
また、制御装置90は、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が第1判定閾値T1a以下である場合、貯湯水循環ポンプ72aを間欠運転から連続運転に切り替え、その後、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が第2判定閾値T1b以上となれば、貯湯水循環ポンプ72aを連続運転から間欠運転に切り替えるので、間欠運転で凍結防止を図ることができなくなっても連続運転に切り替えて確実に凍結防止を図るとともに、必要以上に連続運転を継続させないで電気エネルギーを無駄に消費させないようにする。
また、貯湯水循環回路72またはバイパス路77には該貯湯水循環回路72を加熱する加熱装置72bが備えられているので、貯湯槽71内の湯を減らすことなく、この加熱装置72bの熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
また、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たさない場合、貯湯槽71に貯湯されている貯湯水の熱を利用して貯湯水循環回路72を循環する貯湯水を加熱するので、貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
また、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の筐体1入口温度T1より高い場合、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aを駆動させる。これにより、燃料電池熱媒体の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
また、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aを駆動させるとともに加熱装置73dを駆動させる。これにより、燃料電池熱媒体を加熱させる加熱装置73dの熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。また、燃料電池熱媒体循環ポンプ73aの駆動および加熱装置73dの駆動により、燃料電池10本体の凍結破損を防ぐことができる。
また、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たして、かつ排熱回収熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、排熱回収熱媒体循環ポンプ75aを駆動させる。これにより、排熱回収熱媒体の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
なお、上述した実施形態においては、制御装置90は、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たさない場合、貯湯槽71に貯湯されている貯湯水、燃料電池10、燃料電池熱媒体循環回路73の燃料電池熱媒体、加熱装置73d、排熱回収手段である凝縮器30、および排熱回収熱媒体循環回路75の凝縮冷媒のなかから少なくとも1つを選択しその熱を利用して貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱するようにするのが望ましい。これにより、貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体1入口温度T1が所定条件を満たさない場合とは、貯湯水循環ポンプ72aの連続運転を停止させる基準温度(第2判定閾値T1b)に到達しないと判断される場合である。
なお、上述した実施形態においては、貯湯水循環回路72において、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、貯湯水循環ポンプ72aを間欠運転させるとともに、貯湯水循環ポンプ72aの駆動中において、貯湯水循環回路72またはバイパス路77で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられた温度センサ72cがそこを流れる貯湯水の筐体1入口温度T1を検出するようにしたが、他の循環回路でも同様な制御を実施することができる。
また、上述した実施形態においては、貯湯水循環回路72の凍結防止をするため、他の循環回路であるFC冷却水循環回路73や排熱回収熱媒体循環回路75の熱を利用したが、FC冷却水循環回路73や排熱回収熱媒体循環回路75の凍結防止をするために他の循環回路の熱を利用するようにしてもよい。
また、上述した実施形態においては、貯湯水循環回路72と凝縮冷媒循環回路75とは独立して設けられていたが、一つの循環回路であってもよい。
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、13…電解質、14…加湿器、14a…水透過膜、20…改質器、21…バーナ、22…改質部、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…蒸発器、30…凝縮器(排熱回収手段)、31…改質ガス用凝縮器、32…アノードオフガス用凝縮器、33…カソードオフガス用凝縮器、34…燃焼ガス用凝縮器、40…純水器、50…改質水タンク、50a,61b,72c,73b,73c,73e,75b,81,82…温度センサ、53…改質水ポンプ、61…空気供給管、62…カソードオフガス排気管、63…燃焼ガス排気管、64…改質ガス供給管、64a…第1改質ガスバルブ、65…オフガス供給管、65a…オフガスバルブ、66…配管、67…バイパス管、67a…第2改質ガスバルブ、68…改質水供給管、71…貯湯槽、72…貯湯水循環回路、72a…貯湯水循環ポンプ、72b…加熱装置、72d,77a…切替装置、77…バイパス路、78…貯湯槽熱交換路、73…FC冷却水循環回路、73a…FC冷却水循環ポンプ、74…第1熱交換器、75…凝縮冷媒循環回路(排熱回収熱媒体循環回路)、75a…排熱回収熱媒体循環ポンプ、76…第2熱交換器、90…制御装置。