JP5501750B2 - 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し、特に起動時などの燃料電池スタックの暖機技術に関する。

家庭用の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電に伴って熱が発生し、発電効率が低下することから、燃料電池スタックを冷却水によって冷却するようにしており、また、コージェネレーションシステムの構築のため、冷却によって温度上昇した冷却水を利用して、熱交換器で湯を沸かし、貯湯槽に貯めるようにしている。
しかし、システムの起動時には、燃料電池スタックの早期暖機が求められる。このため、特許文献１では、冷却水の循環通路にヒータを設置し、起動時に余剰電力を用いてヒータにより冷却水を加熱することで、燃料電池スタックの予備加熱を行うようにしている。

また、家庭用の燃料電池システムでは、発電電力が需要電力を上回って、余剰電力が発生した場合に、逆潮流防止のため、余剰電力を消費することが必要であり、特許文献２のように、貯湯用水通路の熱交換器下流に余剰電力ヒータを配置して、余剰電力を熱に変換し、熱交換器から貯湯槽に流れる温水を加熱できるようにしている。

特開２００６−０１２６５６号公報 特開２００８−２１８３５６号公報

しかしながら、燃料電池スタックの早期暖機のため、特許文献１のように、冷却水の循環通路にヒータを設置する場合は、これを暖機用のヒータとしてしか利用することができない。
すなわち、起動時以外の通常時は、燃料電池スタックの冷却が要求されるため、このヒータに通電することはできず、余剰電力が発生したタイミングで、逆潮流防止のために、余剰電力を消費することは不可能である。

本発明は、このような実状に鑑み、貯湯用水通路に設けられる逆潮流防止のための余剰電力ヒータを有効利用して、燃料電池スタックの暖機（起動時などのスタック加熱）を可能にすることを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料と空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックと熱交換する冷却水が循環する冷却水循環通路と、前記冷却水循環通路を流れる冷却水が一次側を流通し二次側を流通する貯湯用水との間で熱交換する熱交換器と、前記熱交換器の二次側と貯湯槽との間で貯湯用水を循環させ、前記貯湯槽の底部から前記熱交換器の二次側へ貯湯用水を供給し熱交換後の貯湯用水を前記貯湯槽の上部へ送る貯湯用水通路と、前記貯湯用水通路に設けられ、余剰電力で作動して貯湯用水を加熱する余剰電力ヒータと、を備えることを前提としている。

ここにおいて、本発明は、上記の課題を解決するために、前記貯湯用水通路の前記余剰電力ヒータを前記貯湯槽底部の供給口下流で前記熱交換器の上流に位置させるように、前記貯湯用水通路の流れを切替えることができる流路切替手段と、前記燃料電池スタックの暖機要求時に、前記余剰電力ヒータを前記貯湯槽底部の供給口下流で前記熱交換器の上流に位置させるように前記流路切替手段を制御すると共に、前記余剰電力ヒータに強制的に通電する制御手段と、を設ける構成とする。

本発明によれば、貯湯用水路に設けられる余剰電力ヒータを有効利用することで、専用のヒータを設けることなく、燃料電池スタックの加熱を実現できる。すなわち、余剰電力ヒータにより、熱交換器に流入する貯湯用水を加熱することで、熱交換器を介して、冷却水循環通路の冷却水を昇温し、これにより燃料電池スタックを加熱することができる。従って、暖機時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの構成図 同上一実施形態でのシステム起動時の流れ状態を示す図 同上一実施形態での余剰電力消費時を含む通常時の流れ状態を示す図 本発明の他の実施形態を示す燃料電池システムの構成図 同上他の実施形態でのシステム起動時の流れ状態を示す図 同上他の実施形態での通常時の流れ状態を示す図 同上他の実施形態での余剰電力消費時の流れ状態を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの構成図である。
家庭用の燃料電池システムの中核をなす燃料電池スタック１は、例えば固体高分子形（ＰＥＦＣ）の燃料電池スタックであり、複数の電池セルが積み重ねられて構成される。電池セルは、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、これらの間に配置された電解質層（高分子のイオン交換膜）とを有している。従って、燃料電池スタック１は、電解質層の一端側の燃料極に水素（水素リッチな燃料ガス）が供給され、電解質層の他端側の空気極に空気中の酸素が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応（発熱反応）により、直流電力を発生する。尚、燃料電池スタック１としては、固体高分子形（ＰＥＦＣ）のものに限らず、リン酸形（ＰＡＦＣ）あるいはアルカリ電解質形（ＡＦＣ）などの他の形式のものであってもよい。

また、家庭用の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油など）を改質触媒を用いて水蒸気供給下で水蒸気改質により水素（Ｈ２、ＣＯ２を含む水素リッチな燃料ガス）を生成する改質器を主体として構成されて、燃料電池スタック１に水素を供給する水素製造装置や、燃料電池スタック１が発生する直流電力を交流電力に変換するインバータを主体として構成されるパワーコンディショナーを含んで構成されるが、本発明の特徴点ではないため、図示は省略する。

燃料電池スタック１の冷却系について説明する。燃料電池スタック１の内部には、発電に伴って熱を発生する電池セルを冷却するため、冷却水通路が形成されており、燃料電池スタック１内部の冷却水通路は外部の冷却水通路と連通して、冷却水循環通路２を形成している。
冷却水循環通路２では、水タンク３内の水を水ポンプ４により吸入・吐出して、イオン交換膜５により不純物を除去して後、燃料電池スタック１に送り、ここで昇温した水を熱交換器６の一次側に流して、二次側の貯湯用水と熱交換した後、水タンク３内に戻している。

熱交換器６は、一次側と二次側とで熱交換するもので、一次側は冷却水循環通路２の一部を構成し、燃料電池スタック１を冷却して昇温した冷却水が流通する。
熱交換器６の二次側は、貯湯用水通路７の一部を構成する。貯湯用水通路７では、貯湯槽８の底部から低温の水を水ポンプ９により吸入・吐出して熱交換器６に供給し、熱交換後の高温の水（湯）を貯湯槽８の上部へ戻している。

従って、熱交換器６においては、燃料電池スタック１を冷却して昇温した冷却水と、貯湯槽８の底部から取出した水との間で、熱交換がなされ、温度低下した冷却水が水タンク３に戻され、温度上昇した水（湯）が貯湯槽８に戻されるようになっている。
また、貯湯用水通路７には、余剰電力ヒータ１０が設けられる。余剰電力ヒータ１０は、燃料電池スタック１の発電電力が家庭内の電気機器の需要電力を上回って、余剰電力を生じたときに、その余剰電力で作動するもので、貯湯用水路７において、貯湯槽８に向かう水を加熱するように構成されている。

尚、貯湯槽８には、上水補給用の配管や、給湯用の配管が接続されるが、図示は省略した。
ここにおいて、本発明では、貯湯用水通路７における水の流れを切替え可能にして、余剰電力ヒータ１０をシステム起動時（暖機要求時）の燃料電池スタック１の加熱に用いることができるようにしており、貯湯用水通路７の構成について説明する。

貯湯用水通路７は、貯湯槽８の底部から水ポンプ９により吸入・吐出された貯湯用水が熱交換器６等を経て貯湯槽８の上部へ戻る循環通路を形成するが、途中では、２本の並列な第１及び第２貯湯用水通路１１、１２により構成され、第１用貯湯水通路１１に熱交換器６が介装され、第２貯湯用水通路１２に余剰電力ヒータ１０が介装される。
第１貯湯用水通路１１及び第２貯湯用水通路１２の各入口側には、いずれか一方を選択的に開通するために、開閉弁１３、１４が設けられる。従って、開閉弁１３、１４に代え、分岐部に切替弁を設けてもよい。

第１貯湯用水通路１１及び第２貯湯用水通路１２の各出口側にも、いずれか一方を選択的に開通するために、開閉弁１５、１６が設けられる。従って、開閉弁１５、１６に代え、合流部に切替弁を設けてもよい。
また、第１貯湯用水通路１１の熱交換器６下流（開閉弁１５上流）と第２貯湯用水通路１２の余剰電力ヒータ１０上流（開閉弁１４下流）とを連通する連通路１７と、第２貯湯用水通路１２の余剰電力ヒータ１０下流（開閉弁１６上流）と第１貯湯用水通路１１の熱交換器６上流（開閉弁１３下流）とを連通する連通路１８とが設けられる。

各連通路１７、１８には、いずれか一方を選択的に開通するために、開閉弁１９、２０が設けられる。
ここで、これらの開閉弁１３、１４、１５、１６、１９、２０は、燃料電池システムの運転を制御する制御装置３０により、開閉制御される。尚、開閉弁１３と１４、１５と１６、１９と２０が、それぞれ逆位相で開閉する一方、開閉弁１３と１６と１９は同位相で開閉し、開閉弁１４と１５と２０も同位相で開閉する。

具体的には、制御装置３０は、システム起動時（暖機要求時）は、開閉弁１３、１６、１９を閉、開閉弁１４、１５、２０を開とし、起動後の通常時は、開閉弁１３、１６、１９を開、開閉弁１４、１５、２０を閉とする。
制御装置３０はまた、余剰電力ヒータ１０への通電を制御でき、燃料電池スタック１の発電電力が需要電力を上回って余剰電力を生じたときに、その余剰電力で余剰電力ヒータ１０を作動させる他、システム起動時（暖機要求時）は系統電源から余剰電力ヒータ１０に通電するようになっている。このため、余剰電力ヒータ１０は、切替スイッチＳＷを介して、余剰電力ラインと系統電源ラインとに接続可能とし、切替スイッチＳＷは、制御装置３０の制御下で、余剰電力ラインとの接続位置、系統電源ラインとの接続位置、及び、中立位置に切替可能としている。

ここで、第１及び第２貯湯用水通路１１、１２、連通路１７、１８及び開閉弁１３、１４、１５、１６、１９，２０が流路切替手段を構成し、制御装置３０が流路切替手段及び余剰電力ヒータの制御手段に相当する。
次に作用を説明する。
システム起動時（暖機要求時）には、図２に示すように、開閉弁１３、１６、１９が閉となり、開閉弁１４、１５、２０が開となる。図２では、開となった開閉弁を白抜き、閉となった開閉弁を黒塗りで示している。

従って、貯湯用水通路７では、貯湯槽８の底部→水ポンプ９→開閉弁１４→余剰電力ヒータ１０→開閉弁２０（連通路１８）→熱交換器６→開閉弁１５→貯湯槽８の上部という、貯湯用水の流れとなる。すなわち、貯湯用水通路７は、余剰電力ヒータ１０が熱交換器６の上流に位置する第１の切替状態となる。
従って、システム起動時（暖機要求時）に、余剰電力ヒータ１０により熱交換器６上流側で貯湯用水を加熱し、加熱された貯湯用水を熱交換器６に供給することができる。尚、システム起動時は燃料電池システム自体が発電を開始できる状態にないため、この間は、切替スイッチＳＷにより、余剰電力ヒータ１０を系統電源ラインに接続して通電を行う。

これにより、熱交換器６において、通常時とは逆に、高温の貯湯用水と低温の冷却水との熱交換により、貯湯用水から冷却水へ熱を伝え、冷却水を加熱することができる。
従って、冷却水温度の上昇を早め、温度上昇させた冷却水の循環により、燃料電池スタック１を加熱することができ、燃料電池スタック１の早期暖機を促進することができる。
このように貯湯用水路７に設けられる余剰電力ヒータ１０を有効利用することで、専用のヒータを設けることなく、起動時の燃料電池スタック１の加熱を実現できる。従って、燃料電池システムの起動を良好なものとし、起動時間を短縮することができる。

起動後の通常時には、図３に示すように、開閉弁１３、１６、１９が開となり、開閉弁１４、１５、２０が閉となる。図３でも、開となった開閉弁を白抜き、閉となった開閉弁を黒塗りで示している。
従って、貯湯用水通路７では、貯湯槽８の底部→水ポンプ９→開閉弁１３→熱交換器６→開閉弁１９（連通路１７）→余剰電力ヒータ１０→開閉弁１６→貯湯槽８の上部という、貯湯用水の流れとなる。すなわち、貯湯用水通路７は、余剰電力ヒータ１０が熱交換器６の下流に位置する第２の切替状態となる。

従って、燃料電池スタック１の冷却が必要となる起動後の通常時には、貯湯槽８からの低温の水をそのまま熱交換器６に供給することができる。
これにより、熱交換器６において、高温の冷却水と低温の貯湯用水との熱交換により、冷却水から貯湯用水へと熱を伝え、貯湯用水により熱を回収することができる。その一方で、冷却系の冷却能力を回復させることができる。

一方、燃料電池スタック１の発電電力が需要電力を上回って余剰電力を生じた際には、切替スイッチＳＷを中立位置から余剰電力ライン側に切替えることで、逆潮流防止のため、余剰電力を余剰電力ヒータ１０に供給して、余剰電力を消費するが、この際、余剰電力ヒータ１０により熱交換器６の下流側で貯湯用水を加熱することにより、余剰電力を熱に変換して回収することができる。

この際、余剰電力ヒータ１０が熱交換器６の上流側にあると、熱交換器６での熱交換効率が低下して、冷却性能の悪化を生じるが、余剰電力ヒータ１０が熱交換器６の下流側にあるため、不都合はない。
特に本実施形態によれば、流路切替手段は、余剰電力ヒータ１０を熱交換器６の上流に位置させる第１の切替状態（図２）と、余剰電力ヒータ１０を熱交換器６の下流に位置させる第２の切替状態（図３）との切替えが可能であり、制御手段は、暖機要求時に前記第１の切替状態に制御し、暖機要求時以外は前記第２の切替状態に制御することにより、２つの状態の切替えで簡単に制御でき、また、余剰電力が発生したタイミングで、逆潮流防止のために、余剰電力ヒータ１０により余剰電力を消費するに際してのいかなる制約もない。

また、本実施形態によれば、流路切替手段は、一方に熱交換器６が介装され、他方に余剰電力ヒータ１０が介装される２本の並列な第１及び第２貯湯用水通路１１、１２と、前記熱交換器６下流側と前記余剰電力ヒータ１０上流側とをつなぐ連通路１７と、前記余剰電力ヒータ１０下流側と前記熱交換器６上流側とをつなぐ連通路１８とについて、これらの開閉を制御することにより、流れを切替える構成とすることで、必要とする切替えを実現することができる。

また、本実施形態によれば、制御手段は、暖機要求時（燃料電池システムの起動時）は、系統電源から余剰電力ヒータ１０に通電することにより、燃料電池システム自体が発電を開始できる状態でない場合にも、確実に暖機促進を図ることができる。
尚、本実施形態の変形態様として、通常時は、余剰電力の発生有無に関わらず、熱交換器６を経た貯湯用水は、第１貯湯用水通路１１を通過して貯湯槽８に戻るほか、連通路１７及び余剰電力ヒータ１０を通過して貯湯槽８に戻ってもよい。その場合、開閉弁１５は閉にする必要がなくなるため、燃料電池システムの構成から削除してもよい。また、開閉弁１９は、熱交換器６の下流から余剰電力ヒータ１０の上流への流れのみを許容する逆止弁に置き換えてもよい。これにより制御箇所を減らすことができる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。
図４は本発明の他の実施形態を示す燃料電池システムの構成図である。ここで、図１の実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
燃料電池スタック１の冷却系、及び、熱交換器６については、図１の実施形態と同じである。

貯湯用水通路７は、貯湯槽８の底部から水ポンプ９により吸入・吐出された貯湯用水が熱交換器６等を経て貯湯槽８の上部へ戻る循環通路を形成するが、途中では、２本の並列な第１及び第２貯湯用水通路１１、１２により構成され、第１用貯湯水通路１１に熱交換器６が介装され、第２貯湯用水通路１２に余剰電力ヒータ１０が介装される。
第１貯湯用水通路１１及び第２貯湯用水通路１２の各入口側には、開閉弁１３、１４が設けられる。第２貯湯用水通路１２の出口側にも、開閉弁１６が設けられる。

また、第２貯湯用水通路１２の余剰電力ヒータ１０下流（開閉弁１６上流）と第１貯湯用水通路１１の熱交換器６上流（開閉弁１３下流）とを連通する連通路２１が設けられる。この連通路２１には、開閉弁２２が設けられる。
ここで、これらの開閉弁１３、１４、１６、２２は、燃料電池システムの運転を制御する制御装置３０により、開閉制御される。

具体的には、制御装置３０は、システム起動時（暖機要求時）は、開閉弁１３、１６を閉、開閉弁１４、２２を開とし、起動後の通常時（余剰電力消費時を除く）は、開閉弁１３を開、開閉弁１４、１６、２２を閉とし、余剰電力消費時は、開閉弁１３、１４、１６を開、開閉弁２２を閉とする。
制御装置３０はまた、余剰電力ヒータ１０への通電を制御でき、燃料電池スタック１の発電電力が需要電力を上回って余剰電力を生じたときに、その余剰電力で余剰電力ヒータ１０を作動させる他、システム起動時（暖機要求時）は系統電源から余剰電力ヒータ１０に通電するようになっている。このため、余剰電力ヒータ１０は、切替スイッチＳＷを介して、余剰電力ラインと系統電源ラインとに接続可能とし、切替スイッチＳＷは、制御装置３０の制御下で、余剰電力ラインとの接続位置、系統電源ラインとの接続位置、及び、中立位置に切替可能としている。

ここで、第１及び第２貯湯用水通路１１、１２、連通路２１及び開閉弁１３、１４、１６、２２が流路切替手段を構成し、制御装置３０が流路切替手段及び余剰電力ヒータの制御手段に相当する。
次に作用を説明する。
システム起動時（暖機要求時）には、図５に示すように、開閉弁１３、１６が閉となり、開閉弁１４、２２が開となる。図５では、開となった開閉弁を白抜き、閉となった開閉弁を黒塗りで示している。

従って、貯湯用水通路７では、貯湯槽８の底部→水ポンプ９→開閉弁１４→余剰電力ヒータ１０→開閉弁２２（連通路２１）→熱交換器６→貯湯槽８の上部という、貯湯用水の流れとなる。すなわち、貯湯用水通路７は、余剰電力ヒータ１０が熱交換器６の上流に位置する第１の切替状態となる。
従って、システム起動時（暖機要求時）は、切替スイッチＳＷにより、系統電源ラインから余剰電力ヒータ１０に通電することで、余剰電力ヒータ１０により熱交換器６上流側で貯湯用水を加熱し、加熱された貯湯用水を熱交換器６に供給することができる。

これにより、熱交換器６において、通常時とは逆に、高温の貯湯用水と低温の冷却水との熱交換により、貯湯用水から冷却水へ熱を伝え、冷却水を加熱することができる。
従って、冷却水温度の上昇を早め、温度上昇させた冷却水の循環により、燃料電池スタック１を加熱することができ、燃料電池スタック１の早期暖機を促進することができる。
このように貯湯用水路７に設けられる余剰電力ヒータ１０を有効利用することで、専用のヒータを設けることなく、起動時の燃料電池スタック１の加熱を実現できる。従って、燃料電池システムの起動を良好なものとし、起動時間を短縮することができる。

起動後の通常時（余剰電力消費時を除く）には、図６に示すように、開閉弁１３が開となり、開閉弁１４、１６、２２が閉となる。図６でも、開となった開閉弁を白抜き、閉となった開閉弁を黒塗りで示している。
従って、貯湯用水通路７では、貯湯槽８の底部→水ポンプ９→開閉弁１３→熱交換器６→貯湯槽８の上部という、貯湯用水の流れとなる。すなわち、貯湯用水通路７は、余剰電力ヒータ１０をバイパスする第２の切替状態となる。

従って、燃料電池スタック１の冷却が必要となる起動後の通常時には、貯湯槽８からの低温の水をそのまま熱交換器６に供給することができる。
これにより、熱交換器６において、高温の冷却水と低温の貯湯用水との熱交換により、冷却水から貯湯用水へと熱を伝え、貯湯用水により熱を回収することができる。その一方で、冷却系の冷却能力を回復させることができる。

余剰電力消費時（余剰電力を消費するために余剰電力ヒータ１０を作動させるとき）には、図７に示すように、開閉弁１３、１４、１６が開となり、開閉弁２２が閉となる。図７でも、開となった開閉弁を白抜き、閉となった開閉弁を黒塗りで示している。
従って、貯湯用水通路７では、水ポンプ９からの貯湯用水が、第１貯湯水通路１１と第２貯湯用水通路１２とに並列に流れることで、熱交換器６と余剰電力ヒータ１０とに並列に流れ、この後、合流して貯湯槽８へ向かう流れとなる。すなわち、貯湯用水通路７は、余剰電力ヒータ１０を熱交換器６と並列にする第３の切替状態となる。

従って、貯湯槽８からの低温の水を熱交換器６と余剰電力ヒータ１０とに供給することができる。
これにより、熱交換器６において、高温の冷却水と低温の貯湯用水との熱交換により、冷却水から貯湯用水へと熱を伝え、貯湯用水により熱を回収することができる。その一方で、冷却系の冷却能力を回復させることができる。

また、切替スイッチＳＷにより、逆潮流防止のため、余剰電力を余剰電力ヒータ１０に供給して、余剰電力を消費するが、この際、余剰電力ヒータ１０により、熱交換器６と並列な通路で熱交換器６に影響を与えることなく、貯湯用水を加熱でき、余剰電力を熱に変換して回収することができる。
特に本実施形態によれば、流路切替手段は、余剰電力ヒータ１０を熱交換器６の上流に位置させる第１の切替状態（図５）と、余剰電力ヒータ１０をバイパスさせる第２の切替状態（図６）と、余剰電力ヒータ１０を熱交換器６と並列にする第３の切替状態（図７）との切替えが可能であり、制御手段は、暖機要求時に前記第１の切替状態に制御し、暖機要求時以外は、余剰電力ヒータ１０の非作動時に、前記第２の切替状態、余剰電力ヒータ１０の作動時に、前記第３の切替状態に制御することにより、３つの状態の切替えで確実に制御でき、特に、余剰電力が発生したタイミングで、専用の前記第３の切替状態に制御して、逆潮流防止と熱回収とを図ることができる。

また、本実施形態によれば、流路切替手段は、一方に熱交換器６が介装され、他方に余剰電力ヒータ１０が介装される２本の並列な第１及び第２貯湯用水通路１１、１２と、前記余剰電力ヒータ１０下流側と前記熱交換器６上流側とをつなぐ連通路２１とについて、これらの開閉を制御することにより、流れを切替える構成とすることで、必要とする切替えを少ないバルブ数で実現することができる。

尚、以上の本発明の実施形態では、燃料電池システムの起動時に燃料電池スタックの加熱を行うようにしており、これにより簡単に制御できる利点はあるが、概念的には燃料電池スタックの暖機要求時に燃料電池スタックの加熱を行うようにすればよく、燃料電池スタックの温度等を監視しつつ加熱制御を行うようにしてもよい。
流路切替手段として流量調整弁を用いてもよい。この場合、燃料電池スタック６の加熱及び冷却の効果が得られる貯湯用水流量の確保と水温維持ができればよいため、貯湯用水を完全に遮断及び開放する必要はない。これにより、貯湯用水路１１及び１２、連通路１７及び１８において、弁の急開閉による圧力波の発生を抑制することができる。

また、流路切替手段は、開閉弁を用いて流路を完全に切替えるものでなくてもよく、例えば流量調整弁を用いて、流路を実質的に切替えることができるものであってもよい。すなわち、熱交換器６に対する加熱及び冷却の効果が得られる貯湯用水の流量と水温とを確保できればよいので、貯湯用水通路を完全に遮断又は開放する必要はないからである。開閉弁に代えて流量調整弁を用いることで、第１及び第２貯湯用水路１１、１２、連通路１７、１８において、弁の急開閉による圧力波の発生を抑制することができる。

また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 燃料電池スタック
２ 冷却水循環通路
３ 水タンク
４ 水ポンプ
５ イオン交換膜
６ 熱交換器
７ 貯湯用水通路
８ 貯湯槽
９ ポンプ
１０ 余剰電力ヒータ
１１ 第１貯湯用水通路
１２ 第２貯湯用水通路
１３、１４ 開閉弁
１５、１６ 開閉弁
１７、１８ 連通路
１９、２０ 開閉弁
２１ 連通路
２２ 開閉弁
３０ 制御装置

Claims (7)

1. 燃料と空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックと熱交換する冷却水が循環する冷却水循環通路と、
   前記冷却水循環通路を流れる冷却水が一次側を流通し二次側を流通する貯湯用水との間で熱交換する熱交換器と、
   前記熱交換器の二次側と貯湯槽との間で貯湯用水を循環させ、前記貯湯槽の底部から前記熱交換器の二次側へ貯湯用水を供給し熱交換後の貯湯用水を前記貯湯槽の上部へ送る貯湯用水通路と、
   前記貯湯用水通路に設けられ、余剰電力で作動して貯湯用水を加熱する余剰電力ヒータと、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記貯湯用水通路の前記余剰電力ヒータを前記貯湯槽底部の供給口下流で前記熱交換器の上流に位置させるように、前記貯湯用水通路の流れを切替えることができる流路切替手段と、
   前記燃料電池スタックの暖機要求時に、前記余剰電力ヒータを前記熱交換器の上流に位置させるように前記流路切替手段を制御すると共に、前記余剰電力ヒータに強制的に通電する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流路切替手段は、前記余剰電力ヒータを前記熱交換器の上流に位置させる第１の切替状態と、前記余剰電力ヒータを前記熱交換器の下流に位置させる第２の切替状態との切替えが可能であり、
   前記制御手段は、暖機要求時以外は、前記第２の切替状態に制御す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. 前記流路切替手段は、一方に前記熱交換器が介装され、他方に前記余剰電力ヒータが介装される２本の並列な第１及び第２貯湯用水通路と、前記熱交換器下流側と前記余剰電力ヒータ上流側とをつなぐ連通路と、前記余剰電力ヒータ下流側と前記熱交換器上流側とをつなぐ連通路とについて、これらの開閉を制御することにより、流れを切替えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記流路切替手段は、前記余剰電力ヒータを前記熱交換器の上流に位置させる第１の切替状態と、前記余剰電力ヒータをバイパスさせる第２の切替状態と、前記余剰電力ヒータを前記熱交換器と並列にする第３の切替状態との切替えが可能であり、
   前記制御手段は、暖機要求時以外は、前記余剰電力ヒータの非作動時に、前記第２の切替状態、前記余剰電力ヒータの作動時に、前記第３の切替状態に制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記流路切替手段は、一方に前記熱交換器が介装され、他方に前記余剰電力ヒータが介装される２本の並列な第１及び第２貯湯用水通路と、前記余剰電力ヒータ下流側と前記熱交換器上流側とをつなぐ連通路とについて、これらの開閉を制御することにより、流れを切替えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックの暖機要求時は、燃料電池システムの起動時であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池スタックの暖機要求時は、系統電源から前記余剰電力ヒータに通電することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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