JP5500499B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、排ガスから回収した水を燃料改質用途などに再利用することが可能とされたタイプの燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムの具体例としては、特許文献１，２に記載されたものがある。これらの文献１，２に記載された燃料電池システムは、いわゆる水自立型のシステムとして構成されており、燃料電池発電部から排出される高温の排ガスを冷却して、この排ガス中の水蒸気を凝縮させている。凝縮により得られた水は、貯水部に送り込まれて貯留されつつ、この貯水部からたとえば蒸発器などに供給されて燃料改質に利用されている。このような構成によれば、外部から水を積極的に供給するための手段を設ける必要がなく、システム構成の簡素化を図るのに好ましいものとなる。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、改善すべき余地があった。

すなわち、燃料電池発電部からの排ガスは、排ガス流通路を通過して排気口からシステム外部に排出されるのが通例である。この場合、前記排ガス流通路は、前記排気口を介して外部と繋がった大気開放状態となる。このような構成においては、大気中のダスト類が前記排気口から排ガス流通路に進入する虞がある。一方、排ガス中の水蒸気を凝縮させる処理は、排ガス流通路または排ガス流通路に連通した部分において行なう必要がある。このため、凝縮水にダスト類が混入し、この水がそのまま貯水部に貯留されて、貯水部においてダスト類が順次蓄積していく可能性がある。このような事態を生じたのでは、ダスト類を含む水が蒸発器などの他の機器に供給される可能性が高まり、他の機器に悪影響を及ぼすことが懸念される。前記特許文献１，２においては、前記したような不具合を解消するための手段は講じられておらず、この点において未だ改善の余地があった。

特開２００９−２２４０６４号公報 特開２００８−２３４８６９号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、排ガスから回収した水を所定の部位に供給する場合に、この水にダスト類が混入した状態となることを適切に防止または抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される燃料電池システムは、燃料電池発電部から排出される排ガスを冷却することにより、この排ガス中の水蒸気を凝縮させて水を得ることが可能な凝縮手段と、前記水を内部に流入させて貯留可能であり、かつこの貯留された水を所定の部位に供給するための出水部ならびに前記水のオーバフロー部を有している貯水部と、を備えている、燃料電池システムであって、この燃料電池システムの起動時もしくは停止動作の処理時において、前記貯水部の貯水量を意図的に増加させて、前記水のオーバフローを強制的に行なわせる制御を実行する制御手段を、さらに備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、凝縮手段が設けられている箇所またはその近辺に外部からダスト類が進入して、このダスト類が貯水部まで進入する事態を生じたとしても、貯水部において水のオーバフローが強制的に行なわれることによって、水に浮かんでいたダスト類をオーバフロー水と一緒に貯水部の外部へ廃棄することができる。大気中から燃料電池システム内の奥部に進入してくるダスト類としては、水に浮かぶものが比較的多く、このようなダスト類については、前記した強制的なオーバフローによって効率良く排除することが可能である。このようなことから、本発明によれば、貯水部にダスト類が蓄積することが抑制され、ダスト類が混入した水が貯水部から燃料電池システムの他の部位に供給されることを適切に防止または抑制することができる。
さらに、前記した強制的なオーバフローの実行時期が、起動時もしくは停止動作の処理時であれば、燃料電池システムの通常運転時を避けた時期にオーバフローを生じさせることとなるため、燃料電池システムやこの燃料電池システムに接続された他の装置の通常運転に大きな影響を与えないようにして、オーバフローを生じさせることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記水のオーバフローを強制的に行なわせる制御は、所定の時間が経過するごとにおいても実行されるように構成されている。

このような構成によれば、貯水部の水を強制的にオーバフローさせてダスト類を取り除く動作を、適当な時間間隔をおいて繰り返し実行させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記凝縮手段は、前記排ガスと冷媒との間で熱交換を行なう排熱回収熱交換器を有しており、前記オーバフローは、前記冷媒の温度低下または流量増加が意図的に行なわれて、前記排ガスから回収される凝縮水量が増加することにより行なわれる構成とされている。

このような構成によれば、貯水部の水を強制的にオーバフローさせる動作が、排熱回収熱交換器を利用して合理的に行なわれ、システム構成の煩雑化を抑制する上で好ましい。

本発明の好ましい実施の形態においては、貯湯タンク、この貯湯タンクから前記冷媒としての湯水を前記排熱回収熱交換器に供給するための配管部、およびこの配管部内を流通する湯水を冷却するための冷却手段を有する貯湯式給湯装置と接続されており、前記オーバフローは、前記湯水が前記冷却手段により冷却されてその温度が意図的に下げられ、または前記排熱回収熱交換器に対する前記湯水の供給流量が意図的に増加されることにより行なわれる構成とされている。

このような構成によれば、貯水部の水を強制的にオーバフローさせる動作が、燃料電池システムに接続される貯湯式給湯装置を利用して合理的に行なわれる。したがって、システム構成の煩雑化を抑制する上で、より好ましいものとなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記貯水部に装置外部から給水を行なうことが可能な給水手段を備えており、前記オーバフローは、前記給水手段から前記貯水部に給水がなされることにより行なわれる構成とされている。

このような構成によれば、給水手段から貯水部に給水を行なわせるだけで、オーバフローを生じさせることができ、その動作制御は容易である。また、オーバフローを迅速に生じさせることもできる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る燃料電池システムの一例を模式的に示す説明図である。 図１に示す燃料電池システムの要部説明図である。 図１に示す燃料電池システムと組み合わされて用いられている貯湯式給湯装置の一例を模式的に示す説明図である。 図１に示す燃料電池システムに組み込まれている制御部の動作処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの他の例の要部説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明が適用された燃料電池システムの一例を示している。図１において、本実施形態の燃料電池システムＦＳは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、貯湯式給湯装置ＨＳと組み合わされてコージェネレーションシステムを構築している。この燃料電池システムＦＳの基本的な構成および動作原理自体は、従来の同方式のものと同様である。このため、本発明の特徴点ではない基本的な構成については簡単に説明する。この燃料電池システムＦＳは、燃料電池発電部１、この燃料電池発電部１で発生させた直流電力を交流電力に変換するインバータ２０、各部の動作制御を実行する制御部３、排熱回収熱交換器４、および水処理装置Ａを備えている。

燃料電池発電部１は、セルスタック１０、蒸発器１１、燃料改質器１２、およびオフガス燃焼室１３を有しており、セルスタック１０には、ブロア２１ａからカソード空気が供給される。蒸発器１１には、ブロア２１ｂからの燃料ガスとブロア２１ｃからの燃料改質用の空気とが混合して供給され、水処理装置Ａからは水蒸気改質用の純水が供給される。本実施形態では、水処理装置Ａにおける水位の制御に特徴があり、その詳細は後述する。燃料電池発電部１において発生する高温のガス（排ガス）は、排ガス流路２２を通過し、排気口２２ａから外部に排出される。

排熱回収熱交換器４は、前記排ガスから熱回収を行なうとともに、前記排ガス中の水蒸気を凝縮させて水を得るためのものであり、本発明でいう凝縮手段の一例に相当する。この排熱回収熱交換器４は、排ガス流路２２内に配されている。また、貯湯式給湯装置ＨＳの配管部９０，９１に配管接続されている。配管部９０から供給されてきた湯水は、排熱回収熱交換器４を通過して加熱されてから配管部９１に戻される。

図３に示すように、貯湯式給湯装置ＨＳは、貯湯タンク８０、配管部９０に設けられたラジエータ８１、ポンプＰ１、および制御部８２を備えている。制御部８２は、燃料電池システムＦＳの制御部３と同様に、たとえばマイクロコンピュータを用いて構成されている。この制御部８２は、貯湯式給湯装置ＨＳの各部の動作制御を行なうが、制御部３との間でデータ通信が可能であり、後述するように、制御部３の動作指令に対応して、ラジエータ８１の駆動（ラジエータ８１のファン８１ａの駆動）やポンプＰ１の駆動を制御するように構成されている。これらの点を除くと、この貯湯式給湯装置ＨＳ自体の構成は、従来の貯湯式給湯装置と同様である。すなわち、基本的な動作を説明すると、配管部９１を通過した加熱済みの湯水は貯湯タンク８０内に流入して貯留される。出湯口９２ａに配管接続された蛇口などの先栓（図示略）が開かれると、入水口９３ａからの入水圧によって貯湯タンク８０内の下部に水が進入し、貯湯タンク８０の上部から配管部９４に湯水が流出する。この湯水は、三方弁Ｖ１を通過して出湯口９２ａに到達し、前記の先栓に供給される。貯湯タンク８０から流出する湯水温度が目標給湯温度よりも低い場合には、補助加熱源８３を利用した湯水加熱が可能である。入水口９３ａから入水配管部９３内への入水圧または入水流量は、バルブＶ２により調整可能であり、入水配管部９３から出湯配管部９２へのバイパスの切り替えは、バルブＶ３により実行できる。

図２に示すように、燃料電池システムＦＳの水処理装置Ａは、貯水部５、ポンプＰ２、およびイオン交換処理槽６を備えている。排熱回収熱交換器４により排ガス中の水蒸気が凝縮して得られた水は、排熱回収熱交換器４の下方の底部２２ｂ上に流れ落ちた後に、ガイド管５９を通過して貯水部５に流入する。貯水部５には、出水部５０、オーバフロー部５１、水位センサＳａ、およびオーバフロー検出用のセンサＳｂが設けられている。出水部５０は、貯水部５の水をポンプＰ２の駆動によってイオン交換処理槽６に供給し、その後は蒸発器１１に供給させるための部分である。

オーバフロー部５１は、貯水部５の上端部寄りに設けられており、貯水部５の水が所定の水位Ｌ０を超えたときには、上層部分に存在する水がオーバフロー部５１を通過してオーバフローするように設けられている。オーバフロー水は、燃料電池システムＦＳの外部に導かれて廃棄される。水位センサＳａは、たとえばフロート式スイッチを利用して構成されており、３段階の水位Ｌ１〜Ｌ３を検出可能である。水位Ｌ１〜Ｌ３は、これらの順番通りに順次低くなっている。オーバフロー検出用のセンサＳｂは、オーバフロー部５１において水の流通があった場合にこれを検出可能なものである。

図１において、燃料電池システムＦＳの制御部３は、本発明でいう制御手段の一例に相当し、燃料電池システムＦＳを適正に運転させるための各部の動作処理を行なう。これに加え、制御部３は、予め定められた時期に貯水部５においてオーバフローを強制的に生じさせて、貯水部５の水からダスト類などを積極的に取り除くことが可能な動作制御も実行する。その詳細については、後述する。

次に、前記した燃料電池システムＦＳの作用、ならびに制御部３の動作処理手順の一例について、図４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、制御部３は、ユーザのスイッチ操作などに基づく運転指令を受けると、燃料電池発電部１やその他の各部を起動させる（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ２）。また、制御部３は、所定のタイマが既にセットされているか否かを判断し、タイマセットがなされていない場合には、前記タイマをセットする（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ４）。その後、制御部３は、タイマセット時から所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断する（Ｓ５）。

所定時間Ｔ１が経過していない場合（Ｓ５：ＮＯ）、制御部３は、通常時における貯水部５の水位制御として、次のような制御を行なう。すなわち、制御部３は、貯水部５の水位ＷＬをまず判断する（Ｓ１３）。その結果、水位ＷＬが水位Ｌ２よりも低く、かつ水位Ｌ３よりも高い場合には（Ｓ１４：ＹＥＳ，Ｓ１５：ＮＯ）、制御部３は、ラジエータ８１を駆動させる。このラジエータ８１の駆動は、制御部８２に動作指令を送出し、この制御部８２を介して行なわせることができる。このようなラジエータ８１の駆動がなされると、配管部９０を通過する湯水が冷却され、排熱回収熱交換器４内を流通する湯水温度が低下するために、排ガス中の水蒸気の凝縮が促進される。すると、貯水部５に流入する水量が多くなり、水位ＷＬは上昇することとなる。水位ＷＬが水位Ｌ１まで上昇すると、オーバフローを生じないようにその時点でラジエータ８１の駆動を停止させる（Ｓ１８：ＹＥＳ，Ｓ１９）。前記したような動作処理は、所定時間Ｔ１が経過する迄の間、繰り返して実行される。このことにより、貯水部５の水位ＷＬは、基本的には、水位Ｌ１，Ｌ２間に維持されるように制御される。したがって、蒸発器１１への給水に不足を生じないようにしつつ、オーバフローが生じることも適切に抑制することができる。

ただし、前記とは異なり、水位ＷＬが水位Ｌ３よりも低くなっている場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、制御部３は、その旨が検出された時点で燃料電池システムＦＳの運転を停止する処理を実行する（Ｓ１６）。水位ＷＬが水位Ｌ３よりも低くなった場合には、凝縮水を適切に回収することが困難な運転状況になったものと考えられ、そのまま運転することは好ましくないからである。

タイマセットから所定時間Ｔ１が経過した場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部３は、タイマをリセットして所定時間Ｔ１のカウントを再開させるとともに（Ｓ６）、ラジエータ８１を運転させる。このラジエータ８１の運転は、貯水部５の水を強制的にオーバフローさせるための動作である。既述したように、ラジエータ８１が運転されると、排熱回収熱交換器４内を流通する湯水温度が低下して凝縮水量が多くなり、貯水部５の水位ＷＬが上昇していく。制御部３は、水位センサＳａおよびオーバフロー検出用のセンサＳｂを利用し、貯水部５においてオーバフローが生じていることを検出し、かつそのオーバフロー量が所定量以上になると、その時点でラジエータ８１を停止させる（Ｓ８：ＹＥＳ，Ｓ９：ＹＥＳ，Ｓ１０）。オーバフロー量については、オーバフロー水の流量を実際に計測して判断する必要はなく、たとえばオーバフローが生じている時間に基づいて判断することができる。

前記オーバフローを生じさせると、貯水部５に進入して水面上または水面近くに浮遊していたダスト類をオーバフロー水と一緒に貯水部５の外部に廃棄することができる。排ガス流路２２内には、排気口２２ａから大気中のダスト類が進入し、このダスト類が凝縮水に混入した状態で貯水部５に流入する虞がある。前記オーバフローは、そのようなダスト類を外部に排除し、貯水部５を清浄な状態とするのに役立つ。制御部３は、運転停止指令を受けた場合には、これに対応して燃料電池システムＦＳの運転停止処理を実行するが（Ｓ１１：ＹＥＳ，Ｓ１２）、そうでない場合には、所定時間Ｔ１が経過する都度、前記したオーバフローが強制的に繰り返して実行されることとなる（Ｓ１１：ＮＯ，Ｓ５：ＹＥＳ）。したがって、貯水部５には、多くのダスト類が累積しないこととなる。その結果、ダスト類が混入した水が蒸発器１１に供給されることも適切に防止または抑制される。

所定時間Ｔ１は、たとえば１ヶ月、あるいは数ヶ月程度とされるが、これに限定されない。好ましくは、燃料電池システムＦＳの設置条件などを考慮して、所定時間Ｔ１の値を適宜変更できるように構成される。また、所定時間Ｔ１のカウントは、燃料電池システムＦＳが運転状態にあるか否かには関係なく継続して実行し、燃料電池システムＦＳが運転停止状態となっている時間も所定時間Ｔ１に算入することができる。これとは反対に、燃料電池システムＦＳの運転停止時の時間を算入せず、運転状態にあるときにのみ、所定時間Ｔ１のカウントが進むようにしてもかまわない。

貯水部５に進入するダスト類としては、水よりも比重が大きいものがある。このようなダスト類は、貯水部５の底に溜まり、オーバフローによって取り除くことはできない。これに対し、出水部５０を貯水部５の底から適当な寸法Ｈだけ高くしておけば、前記した不純物が出水部５０を通過し難くなる。また、図２の仮想線で示すように、貯水部５の底部に開閉バルブＶ１０を備えた管体９９を接続しておき、所定の時期に開閉バルブＶ１０を一時的に開状態として、貯水部５の底部に存在するダスト類を外部に流出させる手段を採用することもできる。

フローチャートには示されていないが、貯水部５にオーバフローを強制的に生じさせる手段として、ラジエータ８１を駆動させることに代えて、または加えて、ポンプＰ１の回転速度を速くして、排熱回収熱交換器４に対する湯水の供給流量を増加させる手段を採用することもできる。排熱回収熱交換器４に供給される湯水温度が露点以下であれば、湯水流量を増加させることにより、凝縮水量が増加し、貯水部５の貯水量を増加させることが可能である。また、オーバフローを強制的に生じさせるための他の手段としては、貯湯タンク８０に貯留されている湯水の温度が低くなる時期（たとえば、浴槽への湯張り動作を終了した直後など）を見計らって、比較的低温の湯水を貯水タンクから流出させて排熱回収熱交換器４に供給させるといった手段を採用することもできる。その他、セルスタック１０に対するカソード空気の供給量を減少させることによって、凝縮水量を増加させる手段を採用することもできる。

オーバフローを強制的に生じさせるための時期は、所定の時間間隔ごとでなくてもよく、これに代えて、または加えて、燃料電池システムの起動時もしくは停止動作の処理時とすることもできる。起動時もしくは停止動作の処理時であれば、燃料電池システムの通常運転時を避けた時期にオーバフローを生じさせることとなるため、燃料電池システムやこの燃料電池システムに接続された他の装置の通常運転に大きな影響を与えないようにして、オーバフローを生じさせることができる。もちろん、本発明では、前記したような時期とは異なる時期にオーバフローを強制的に生じさせる構成とすることもできる。

図５は、本発明の他の実施形態を示している。同図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図５に示す実施形態においては、貯水部５に給水を行なうための給水用管体７が設けられており、開閉バルブＶ４の動作によって、給水用管体７から貯水部５に対する給水のオン・オフが切り替え可能である。給水用管体７は、燃料電池システムの外部から上水を導いてきている。このような構成によれば、燃料電池システムを水自立型にすることはできないものの、貯水部５にオーバフローを強制的に生じさせる動作は、開閉バルブＶ４を一時的に開くだけでよい。したがって、オーバフローを迅速に生じさせることができるとともに、その動作制御は非常に容易となる利点がある。図面では、給水用管体７がガイド管５９に接続されているが、これに限定されず、貯水部５に直接接続してもよい。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る燃料電池システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

上述した実施形態では、たとえば貯湯式給湯装置に設けられているラジエータを利用して排熱回収熱交換器に供給される湯水を冷却させているが、これとは異なり、前記ラジエータに相当する冷却手段が燃料電池システム自体に設けられた構成とすることができる。同様に、排熱回収熱交換器への湯水供給量を変更可能なポンプも、燃料電池システム自体に設けた構成とすることができる。

本発明でいう凝縮手段は、排熱回収熱交換器を用いない構成とすることもできる。要は、排ガスを冷却して排ガス中の水蒸気を凝縮させる機能を有していればよい。貯水部は、独立した形態をもつ貯水タンクとして構成されていなくてもよい。本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式とは異なる方式が採用された燃料電池システムにも適用することができることは勿論である。

ＦＳ 燃料電池システム
ＨＳ 貯湯式給湯装置
１ 燃料電池発電部
３ 制御部（制御手段）
４ 排熱回収熱交換器（凝縮手段）
５ 貯水部
５０ 出水部（貯水部の）
５１ オーバフロー部（貯水部の）
８１ ラジエータ（冷却手段）

Claims (5)

1. 燃料電池発電部から排出される排ガスを冷却することにより、この排ガス中の水蒸気を凝縮させて水を得ることが可能な凝縮手段と、
   前記水を内部に流入させて貯留可能であり、かつこの貯留された水を所定の部位に供給するための出水部ならびに前記水のオーバフロー部を有している貯水部と、
   を備えている、燃料電池システムであって、
   この燃料電池システムの起動時もしくは停止動作の処理時において、前記貯水部の貯水量を意図的に増加させて、前記水のオーバフローを強制的に行なわせる制御を実行する制御手段を、さらに備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記水のオーバフローを強制的に行なわせる制御は、所定の時間が経過するごとにおいても実行されるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記凝縮手段は、前記排ガスと冷媒との間で熱交換を行なう排熱回収熱交換器を有しており、
   前記オーバフローは、前記冷媒の温度低下または流量増加が意図的に行なわれて、前記排ガスから回収される凝縮水量が増加することにより行なわれる構成とされている、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 貯湯タンク、この貯湯タンクから前記冷媒としての湯水を前記排熱回収熱交換器に供給するための配管部、およびこの配管部内を流通する湯水を冷却するための冷却手段を有する貯湯式給湯装置と接続されており、
   前記オーバフローは、前記湯水が前記冷却手段により冷却されてその温度が意図的に下げられ、または前記排熱回収熱交換器に対する前記湯水の供給流量が意図的に増加されることにより行なわれる構成とされている、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記貯水部に装置外部から給水を行なうことが可能な給水手段を備えており、
   前記オーバフローは、前記給水手段から前記貯水部に給水がなされることにより行なわれる構成とされている、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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