JP5398385B2 - 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。

従来の燃料電池システムとして、灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、その改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムは、例えば、生じる熱を回収するための熱回収系として、システム内にて水を循環させる構成を備えている。

特開２００２−１７０５９１号公報

ところで、上述したような燃料電池システムでは、水をタンクに一時貯留し、該タンク内のヒータを余剰電力等によって作動させることで、タンク内の水を加熱する場合がある。この場合、通常、水温センサで水の温度を検出し、この温度に基づき水の流量を制御することで、水の温度を制御する。

しかし、このような水温センサにおいては、例えば水に含まれる気泡（気泡溜り）による悪影響のため、水の温度を精度よく検出することができないおそれがある。その結果、水の温度を適切に制御することが困難となる。

そこで、本発明は、水温センサによる温度検出精度を高めることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質することにより生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、貯湯ユニットから流入され循環する水を、加熱するために一時貯留するタンクと、タンクへ水を導入する導入路と、タンクから水を導出する導出路と、タンク内の水を加熱するヒータと、水の温度を制御するための水温センサと、タンクの外表面に取り付けられた温度過昇防止装置と、を備え、水温センサは、導出路において鉛直方向に沿って延在する鉛直部に取り付けられ、該鉛直部内を流通する水の温度を検出し、温度過昇防止装置は、タンクの温度が所定温度以上であるか否かに基づいて、ヒータの電気的接続を開閉することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムの水温センサは、導出路において鉛直方向に沿って延在する鉛直部に取り付けられ該鉛直部内を流通する水の温度を検出する。よって、鉛直部には気泡が溜り難いため、気泡の悪影響が水温センサによる温度検出に及ぶのを抑制することができる。すなわち、本発明によれば、水温センサによる温度検出精度を高めることが可能となる。

また、導出路の鉛直部は、タンクの上面に接続されていることが好ましい。この場合、タンクから導出した直後の水の温度を検出することができる。そのため、導出路を水が流通する際に外気温で水温が変動してしまい、水温センサで検出する温度とタンク内の水の温度との誤差が大きくなるのを抑制することができる。

また、水は、生じる熱を回収するための熱回収系にて循環される場合がある。

本発明によれば、水温センサによる温度検出精度を高めることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図である。 図１の燃料電池システムの平面図である。 図１の燃料電池システムにおける熱回収系の一例を示す概略流路図である。 図１の燃料電池システムにおける温水タンク周辺の斜視図である。 図１の燃料電池システムにおける温水タンク周辺の側面図である。 図４のVI−VI線に沿った断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、鉛直方向の上下方向に対応するものである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図であり、図２は、図１の燃料電池システムの平面図である。図１，２に示すように、燃料電池システム１は、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池３と、を備えている。燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用され、原燃料としては、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。

改質器２の前側には、脱硫器４が配置されている。脱硫器４は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施す。脱硫器４によって硫黄分が除去された原燃料は、改質器２に導入される。改質器２は、改質触媒によって原燃料を水蒸気改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナが設けられている。

改質器２によって生成された改質ガスは、改質器２の前側に配置されたＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６に順次に導入される。ＣＯ変成器５は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素シフト反応させて、水素及び二酸化炭素に転換する。ＣＯ除去器６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を更に低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して、二酸化炭素に転換する。

ＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６よって処理された改質ガスは、燃料電池３の前側に配置された加湿器７に導入される。加湿器７に導入された改質ガスは、加湿器７内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のアノードに供給される。

改質器２に対し燃料電池３と反対側には、エアポンプ８が配置されている。エアポンプ８によって圧送された空気は、燃料電池３の前側において加湿器７と並設された加湿器９に導入される。加湿器９に導入された空気は、加湿器９内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のカソードに供給される。

燃料電池３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。上述したように、燃料電池３に供給される改質ガス及び空気が加湿されるのは、燃料電池３の電解質である高分子膜が高い伝導性を維持するためには高分子膜が加湿される必要があるからである。燃料電池３の各電池セルにおいては、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。

燃料電池３で発生した電力は、エアポンプ８の下側に配置されたコンバータ１１及びインバータ１２を介して、家庭に供給される。コンバータ１１は、直流の電力を変圧する。インバータ１２は、変圧された電力を直流から交流に変換する。

ところで、改質ガス中に気化して燃料電池３のアノードに供給された水のうちの余剰分は、循環して、再び加湿器７内に貯留される。一方、空気中に気化して燃料電池３のカソードに供給された水のうちの余剰分は、水回収タンク１３内に貯留される。水回収タンク１３は、燃料電池３の下側に設けられた収容部１０内に配置されている。

各加湿器７，９内に貯留された水は、水回収タンク１３及びイオン交換器１４を含む水処理系に所定時間毎に導入される。イオン交換器１４は、水回収タンク１３と同様に、収容部１０内に配置されている。各加湿器７，９から水処理系に導入された水は、イオン交換器１４に循環供給されて処理された後、各加湿器７，９に戻される。

また、燃料電池３のアノードに供給された改質ガスのうちの余剰分（いわゆるオフガス）は、改質触媒を加熱するために改質器２に設けられたバーナの燃料として利用される。このバーナは、燃料電池システム１の起動時には、脱硫器４によって脱硫された原燃料を利用する。一方、燃料電池３のカソードに供給された空気のうちの余剰分は、外部に排気される。

更に、燃料電池システム１には、家庭用の水が貯留される貯湯ユニットＡが接続される。貯湯ユニットＡ内に貯留された水は、導入口１５から熱回収系に導入され、熱回収系を循環した後、導出口１６から貯湯ユニットＡに戻される。収容部１０内には、熱回収系の一部を構成する余剰電力ヒータ１７が配置されている。余剰電力ヒータ１７は、燃料電池３で発生した電力のうちの余剰分を利用して、熱回収系に導入された水を加熱する。熱回収系は、これに加え、燃料電池３の排熱等も利用して、導入された水を加熱する。

以上の燃料電池システム１の構成機器類は、いわゆるアングル材からなるフレーム体１８によって支持され、直方体箱状の外装体１９内に収容されている。なお、収容部１０内には、水回収タンク１３、イオン交換器１４及び余剰電力ヒータ１７の他、各種ポンプや電磁弁等の電装機器類２０が配置されている。電装機器類２０は、改質器２や燃料電池３等の動作に用いられる。

ここで、上述した燃料電池システム１は、システム内で生じる熱（熱エネルギ）を回収するための熱回収系を備えている。図３は、図１の燃料電池システムにおける熱回収系の一例を示す概略流路図である。図３に例示するように、熱回収系３０では、貯湯ユニットＡから流入された水（つまり、貯湯水）をシステム内にて循環させつつ、生じる熱で加熱して温水を生成する。そして、この温水を貯湯ユニットＡへ排水する。

ここでの熱回収系３０においては、まず、貯湯ユニットＡから導入口１５を介して流入された水がポンプ３１で圧送される。この圧送された水は、改質器２（図１参照）のバーナの排気ガスから、熱交換器３２によって熱が移動されて加熱される。更に、燃料電池３の排気ガスから、熱交換器３３によって熱が移動されて加熱される。そして、かかる加熱で生成された温水は、温水タンク３４に一時貯留されて余剰電力ヒータ１７で加熱された後、貯湯ユニットＡへ導出口１６を介して流出する。

図４は図１の燃料電池システムにおける温水タンク３４周辺を示す斜視図、図５はその側面図、図６は図４のVI−VI線に沿った断面図である。図４，５に示すように、温水タンク３４は、温水Ｗ（図６参照）を貯留するものである。温水タンク３４は、例えば金属等で形成され、外形が長方体形状の箱状を呈している。この温水タンク３４の底面３４ａには、導入管３５が接続され固定されていると共に、温水タンク３４の上面３４ｂには、導出管３６が接続され固定されている。

余剰電力ヒータ１７は、図６に示すように、その発熱部１７ａが温水タンク３４内に位置するように取り付けられている。ここでの余剰電力ヒータ１７としては、発熱部１７ａに伝熱線を用いたいわゆる伝熱ヒータが用いられている。

導入管３５は、温水タンク３４へ温水Ｗを導入する配管である。ここでの導入管３５は、温水タンク３４の上面３４ｂよりも上方側から底面３４ａを超えて下方に延びている。そして、導入管３５において底面３４ａと接続する側の端部３５ａは、鉛直方向に沿って延び、底面３４ａと直交するように構成されている。

導出管３６は、温水タンク３４から温水Ｗを導出する配管である。ここでの導出管３６は、鉛直方向に沿って延びる垂直配管である鉛直部３９と、導出口１６を含む流出部４０と、鉛直部３９及び流出部４０に連続する連続部４１と、を有している。鉛直部３９は、その一端が温水タンク３４の上面３４ｂに直交するように接続されている。一方、鉛直部３９の他端は、ブロック状の継手４２を介して連続部４１に接続されている。

ここで、図６に示すように、本実施形態の鉛直部３９には、その内部を流通する温水Ｗの温度を検出する水温センサ４３が取り付けられている。水温センサ４３は、余剰電力ヒータ１７の動作・非動作時に熱回収系３０にて流通する水の温度を制御するためのものである。この水温センサ４３にあっては、その検出部４３ａが温水Ｗに接触するように鉛直部３９内まで差し込まれている。そして、この状態で、継手４２及び鉛直部３９に固定されている。

また、水温センサ４３は、コントローラ３８に電気的に接続されており、検出した温水Ｗの温度に関する出力値をコントローラ３８へ出力する。水温センサ４３としては、種々のセンサを用いることが可能であり、ここでは、接触型のサーミスタ式のものが用いられている。

コントローラ３８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる制御ユニットである。このコントローラ３８は、水温センサ４３からの出力に基づいてポンプ３１の動作を制御し、循環する温水Ｗの流量を制御する。また、このコントローラ３８は、バイメタルサーモ４４を介して余剰電力ヒータ１７に接続されている。

バイメタルサーモ４４は、バイメタルを利用してなる温度過昇防止装置である。バイメタルサーモ４４は、温水タンク３４の外表面である上面３４ｂに一対取り付けられている。図５に示すように、バイメタルサーモ４４は、水温センサ４３及びコントローラ３８に電気的に接続されている。これにより、温水タンク３４の温度が所定温度以上であるか否かに基づいて、コントローラ３８と余剰電力ヒータ１７との電気的接続が開閉され、余剰電力ヒータ１７の温度の過昇が防止される。

このように構成された本実施形態では、例えば燃料電池３の発電電力と使用電力とに差があるとき、この差に相当する燃料電池３の発電電力がコントローラ３８から余剰電力ヒータ１７に供給される。これにより、導入管３５から温水タンク３４内に導入され貯留された温水Ｗが、余剰電力ヒータ１７によって加熱されつつ、導出管３６から温水タンク３４外へと導出され、貯湯ユニットＡへ流出される。

このとき、水温センサ４３にて、温水タンク３４から流れ出た直後の温水Ｗの温度が検出される。そして、コントローラ３８にて、かかる温度に基づきポンプ３１の駆動が制御され、熱回収系３０を流通する水の流量が制御される。その結果、温水Ｗの温度が所望温度とされ、ひいては、貯湯ユニットＡへ流出される温水Ｗの温度が所望温度とされることとなる。

ここで、本実施形態では、上述したように、導出管３６において鉛直方向に沿って延在する鉛直部３９に水温センサ４３が取り付けられている。鉛直部３９内の温水Ｗにおいては、気泡が常に上方に移動することから、気泡溜りが生じ難い。また、鉛直部３９内では、通常、温水Ｗが満たされているため、水平方向に沿って延びる配管の内部に比べ、その一部が温水Ｗで他部が空気となるような状態になり難い。よって、水温センサ４３の検出部４３ａを温水Ｗに確実に接触させることができる。すなわち、気泡や空気の悪影響が水温センサ４３による温度検出に及ぶのを抑制できる。

従って、本実施形態によれば、水温センサ４３による温度検出精度を高めることが可能となる。その結果、ポンプ３１を適切に制御して熱回収系３０を流通する水の温度を精度よく制御することができる。よって、燃料電池システム１の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、上述したように、導出管３６の鉛直部３９が温水タンク３４の上面３４ｂに接続されている。この場合、温水タンク３４から導出された直後の温水Ｗの温度が水温センサ４３で検出される、つまり、温水タンク３４内の温水Ｗの最高温度が検出されることとなる。

そのため、導出管３６内を温水Ｗが流通する際に温水Ｗの温度が外気温等で変動し、水温センサ４３で検出する温度と温水タンク３４内の温水Ｗの温度との誤差が大きくなるのを抑制することができる。その結果、温水Ｗの温度を一層精度よく所望温度に制御することができる。なお、水温センサ４３を導出口１６近傍に取り付ける従来構成では、かかる温度の誤差が顕著となるため、温水Ｗの温度を一層精度よく所望温度に制御できるという上記効果は特に有効である。

また、本実施形態では、上述したように、温水タンク３４の上面３４ｂにバイメタルサーモ４４が取り付けられている。よって、温水タンク３４の温度（つまり、温水タンク３４内の温水Ｗの温度、余剰電力ヒータ１７の発熱部１７ａの温度）が所定温度以上になると、余剰電力ヒータ１７への電力の供給が遮断される。従って、温水タンク３４の温度が高くなり過ぎるのを防止することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよく、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであってもよい。

また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であってもよい。

また、上記実施形態では、鉛直部３９を導出管３６の温水タンク３４側端部に設け、鉛直部３９を上面３４ｂに接続したが、鉛直部３９を導出管３６の途中に設けてもよい。なお、温水タンク３４、導入管３５及び導出管３６を断熱材で覆ってもよい。

ちなみに、上記においての「水」とは、あらゆる温度の水を含むものをいう。また、「温水」とは、低温水、中温水及び高温水等を含み、「水」に熱が移動されて（加熱されて）温度が高くなったものをいう。

１…燃料電池システム、１７…余剰電力ヒータ（ヒータ）、３０…熱回収系、３４…温水タンク（タンク）、３５…導入管（導入路）、３６…導出管（導出路）、４３…水温センサ、３９…鉛直部、Ｗ…温水（水）。

Claims (3)

1. 原燃料を改質することにより生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、
   貯湯ユニットから流入され循環する水を、加熱するために一時貯留するタンクと、
   前記タンクへ前記水を導入する導入路と、
   前記タンクから前記水を導出する導出路と、
   前記タンク内の前記水を加熱するヒータと、
   前記水の温度を制御するための水温センサと、
   前記タンクの外表面に取り付けられた温度過昇防止装置と、を備え、
   前記水温センサは、前記導出路において鉛直方向に沿って延在する鉛直部に取り付けられ、該鉛直部内を流通する前記水の温度を検出し、
   前記温度過昇防止装置は、前記タンクの温度が所定温度以上であるか否かに基づいて、前記ヒータの電気的接続を開閉することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記導出路の前記鉛直部は、前記タンクの上面に接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水は、生じる熱を回収するための熱回収系にて循環されることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。