JP6134912B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させることで発電を行う燃料電池システムに関するものである。

従来、固体高分子膜を電解質に用いた固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と呼ぶ）と、その燃料電池の発電時に生じる排熱を回収する蓄熱器とを備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池は、水素ガスを主成分とする燃料ガス中の水素と空気中の酸素との間の発熱反応である電気化学反応により発電を行う。なお、燃料ガスは例えば、都市ガス等の炭化水素ガスを水蒸気改質反応させることで得られる。燃料電池の発電では前述の電気化学反応（発熱反応）が進行するので、燃料電池の発電中の運転温度がその反応に適した温度（例えば、７０〜８０℃程度）に維持されるよう、燃料電池の内部温度を一定に保つ機構が一般的に採用されている。

また、燃料電池の内部温度を一定に保つ方法としては、燃料電池に配置された冷却水経路を流れる冷却水の流量を制御する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図２は、特許文献１に開示された、燃料電池システムに搭載された排熱回収装置を示したものである。図２において、第２タンク１０３の冷却水は、循環ポンプ１０４により、燃料電池スタック１０２から排熱を回収した後、熱交換器１０８を通って再び第２タンク１０３へ循環されている。ここで、熱媒体である排熱回収水は、排熱回収水ポンプ１０５により熱交換器１０８へ搬送され、冷却水と熱交換を行なうことによって湯水となって貯湯槽（図示せず）へ回収される。なお、水素製造装置１０１から出た水素は熱交換器１０９を通り、燃料電池スタック１０２のアノード極を通り電気化学反応（発熱反応）後、熱交換器１０６を通り、機外へ排出される。

特開２００５−１００８７３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、運転初期に循環ポンプ１０４により第２タンク１０３及び燃料電池スタック１０２の冷却水部へ冷却水を充てんする動作（以下、「初期水張り」と呼ぶ）を行う場合、その冷却経路にエア噛みが生じ、十分な冷却性能を得られない課題があった。すなわち、循環ポンプ１０４は燃料電池の発電時の運転温度を、その反応に適した温度に維持されるよう冷却水を循環させている。この循環量はきわめて微量に制御する必要があり、そのため循環ポンプ１０４は高出力のものを使用できないという課題があった。

一方、循環ポンプ１０４が低出力の場合、第２タンク１０３及び燃料電池スタック１０２の冷却水部内への冷却水の充てんが十分に行われず、いわゆるエア噛みが発生すると、十分な循環流量が得られないため、燃料電池スタック１０２の十分な冷却効果を得ることができないという課題を有していた。

本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池システムに利用される冷却経路内のエア噛みを防止して、冷却経路の冷却性能が優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池の発電において発生する熱を吸収する冷却水を流す循環経路と、循環経路を流れる冷却水を循環させる循環ポンプと、循環経路を流れる冷却水と燃料電池との間での熱交換を行う熱交換器と、循環経路を流れる冷却水を貯蔵する第１タンクと、燃料電池から排出された水素含有ガスと酸化剤ガスとのうち少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させる第２タンクと、第２タンクから第１タンクへと水を供給する第１経路と、第２タンクの水を第１タンクへと汲み上げる第１ポンプと、循環経路の最下部より分岐され、循環経路を流れる冷却水を第２タンクへと排出する第２経路と、第２経路を開閉する開閉装置と、開閉装置の開閉を制御する制御器とを備えている。

ここで、循環経路は、第１タンクから第２経路までをつなぐ第１循環経路と、循環ポンプが配置され、第１タンクから第２経路までをつなぐ第２循環経路に分けることができ、第１循環経路が第１タンクにつながる位置は第２循環経路が第１タンクにつながる位置よりも高い位置につながり、水頭差が得られるようになっている構成としても、同じ高さにして水頭差が得られない構成としてもよい。

そして、初期水張りを行う場合、開閉装置を閉にして、循環経路に配置された燃料電池と、循環ポンプと、熱交換器に冷却水を水頭差によって充てんし、エアは第１循環経路、もしくは第２循環経路から第１タンクへ抜けていく。次に開閉装置を開にして、循環経路に残ったエアを冷却水の水頭差によって第１循環経路と、第２循環経路から第２経路を通して第２タンクへ抜いていく。

これにより、冷却経路内のエア噛みを防止して、冷却経路の十分な冷却性能を得ることができる。

制御器は、循環ポンプが駆動しているときは開閉装置を開け、循環ポンプが停止しているときは前記開閉装置を閉じるように構成してもよい。制御器は、前記循環ポンプが駆動しているときは前記開閉装置を閉じ、前記循環ポンプが停止しているときは前記開閉装置を開けるように構成してもよい。循環ポンプのエア噛みを検知する第１センサをさらに備え、制御器は、第１センサがエア噛みを検知したとき、開閉装置を開くよう制御するように構成してもよい。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムに利用される冷却経路内のエア噛みを防止して、冷却経路の冷却性能が優れた燃料電池システムを実現できる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成図 従来の燃料電池システムを示す構成図

第１の発明は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池の発電において発生する熱を吸収する冷却水を流す循環経路と、循環経路を流れる冷却水を循環させる循環ポンプと、循環経路を流れる冷却水と燃料電池との間での熱交換を行う熱交換器と、循環経路を流れる冷却水を貯蔵する第１タンクと、燃料電池から排出された水素含有ガスと酸化剤ガスとのうち少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させる第２タンクと、第２タンクから第１タンクへと水を供給する第１経路と、第２タンクの水を第１タンクへと汲み上げる第１ポンプと、循環経路の最下部より分岐され、循環経路を流れる冷却水を第２タンクへと排出する第２経路と、第２経路を開閉する開閉装置と、開閉装置の開閉を制御する制御器とを備えた燃料電池システムである。

ここで、循環経路は、第１タンクから第２経路までをつなぐ第１循環経路と、循環ポンプが配置され、第１タンクから第２経路までをつなぐ第２循環経路に分けることができ、第１循環経路が第１タンクにつながる位置は第２循環経路が第１タンクにつながる位置よりも高い位置につながり、水頭差が得られるようになっている構成としても、同じ高さにして水頭差が得られない構成としてもよい。

そして、初期水張りを行う場合、開閉装置を閉にして、循環経路に配置された燃料電池と、循環ポンプと、熱交換器に冷却水を水頭差によって充てんし、エアは第１循環経路、もしくは第２循環経路から第１タンクへ抜けていく。次に開閉装置を開にして、循環経路に残ったエアを冷却水の水頭差によって第１循環経路と、第２循環経路から第２経路を通して第２タンクへ抜いていく。これにより、冷却経路内のエア噛みを防止して、冷却経路の十分な冷却性能を得ることができる。

また、第２経路は、循環経路を流れる冷却水を第２タンクへと排出するので、燃料電池システム外へ排出していた冷却水の再利用を促すことができる。これにより、冷却水を燃料電池システム外へ排出する方法より、水の排水量を減らすことができる。

第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムの制御器が、循環ポンプが駆動しているときは開閉装置を開け、循環ポンプが停止しているときは開閉装置を閉じる燃料電池システムである。すなわち、初期水張り時に開閉装置の開閉と循環ポンプの動作を交互に行うことを特徴とし、開閉装置を開とし、循環ポンプを運転することで、第１タンクから第２循環経路と、第２経路と、第２タンクを通る流れを止め、第１タンクから第１循環経路と、第２経路と、第２タンクとを通る流れを促す。また、開閉装置を閉とし、循環ポンプを停止することで、水頭差によって第１タンクから第２循環経路、第１循環経路の流れが生じる。これにより、第１循環経路と、燃料電池と、熱交換器のエアを効率よく抜くことができ、第１循環経路内のエア噛みを防止して、第１循環経路の十分な冷却性能を得ることができる。

第３の発明は、第１の発明の燃料電池システムの制御器が、循環ポンプが駆動しているときは開閉装置を閉じ、循環ポンプが停止しているときは開閉装置を開ける燃料電池システムである。すなわち、初期水張り時に開閉装置の開閉と循環ポンプの動作を交互に行うことを特徴とし、開閉装置を閉とし、循環ポンプを運転することで、第１循環経路と、燃料電池と、熱交換器と、第２循環経路と、循環ポンプ等を通る流れによって第１循環経路と、燃料電池と、熱交換器と、第２循環経路と、循環ポンプ等のエア抜きを促す。一方、エアが循環ポンプに溜まる可能性があるため、開閉装置を開とし、循環ポンプを停止することで、水頭差によって第１タンクから第２循環経路、第２経路を通り第２タンクへの流れを促す。これにより、循環経路内のエアを抜きながら、循環ポンプ等のエアも効率よく抜くことができ、第２循環経路内のエア噛みを防止して、循環経路の十分な冷却性能を得ることができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明の燃料電池システムの循環ポンプにエア噛みを検知する第１センサを備え、第１センサがエア噛みを検知したとき、開閉装置を開閉するよう制御する燃料電池システムである。そして、初期水張り時でなくても、第１センサがエア噛みを検知すれば、例えば、第２の発明のように制御器は循環ポンプが駆動しているときは開閉装置を閉じ、循環ポンプが停止しているときは開閉装置を開けるよう動作し、第１循環経路のエア噛みを解消することができる。これにより、循環経路のエア噛みを防止して、安定した十分な冷却性能の維持を実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明における燃料電池システムの構成例を示した構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は燃料ガス（水素ガス）を用いて発電および発熱する燃料電池１と燃焼ガス中のメタンと改質反応を起こさせ、水素を発生させる燃料処理機（図示せず）を備える。

燃料電池１では、燃料電池１のアノード極に供給された燃料ガスと、燃料電池１のカソード極に供給された酸化ガス（例えば、空気）とが電気化学的に反応（発熱反応）して、電力および熱が発生する。燃料電池１によって生成された電力は、例えば、様々な電気機器において利用できる。また、燃料電池１によって生成された熱は、様々な用途に利用でき、例えば、家庭の暖房や給湯などに利用できる。なお、燃料電池１の内部構造は公知である。よって、その詳細な説明は省略する。燃料電池１の発電では、上述の電気化学反応（発熱反応）が進行するので、燃料電池１の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば、７０〜８０℃程度）に維持されるよう、燃料電池１の温度を一定に保つ機構が一般的に採用されている。

次に、燃料電池冷却経路について説明する。

燃料電池冷却経路は、図１に示すように、燃料電池１の発電中に燃料電池１を冷却するための冷却水循環経路２と、冷却水循環経路２に設けられた余剰電力ヒーター３を具備し冷却水を貯える第１タンク４と、冷却水循環経路２内の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ１１と、冷却水循環経路２の廃熱を吸収して貯湯槽（図示せず）に蓄熱する熱交換器５と、燃料電池１の冷却水出口に設けられた温度検出器７とを備えたものである。図１では、冷却水の流れの方向が実線の矢印によって示されている。冷却水循環経路２は、第１タンク４と熱交換器５をつなぐ冷却水循環経路２ａと、熱交換器５と燃料電池１をつなぐ冷却水循環経路２ｂと、燃料電池１と冷却水循環ポンプ１１をつなぐ冷却水循環経路２ｃと、冷却水循環ポンプ１１と第１タンク４をつなぐ冷却水循環経路２ｄで構成されている。冷却水循環ポンプ１１としては、例えば、遠心ポンプ、ストロークポンプなどが用いられる。

冷却水循環ポンプ１１には冷却水循環ポンプ１１の水張り状況を監視し、冷却水循環ポンプ１１がエア噛みをした際に検知をする第１センサ９を備える。第１センサ９は、例えば、マイク、カメラ、回転数検知器、導電率計などが用いられる。第１センサ９としてマイクを用いた場合は、マイクが冷却水循環ポンプ１１の発する異常音を検知すればエア噛み状態を検知できる。第１センサ９としてカメラを用いた場合は、冷却水循環ポンプ１１を満たす冷却水の光の透過率低下を検知すればエア噛み状態を検知できる。第１センサ９として回転数検知器を用いた場合は、冷却水循環ポンプ１１に遠心ポンプを用いて、インペラの異常回転数を検知すればエア噛み状態を検知できる。第１センサ９として導電率計を用いた場合は、冷却水循環ポンプ１１を満たす冷却水の導電率低下を検知すればエア噛み状態を検知できる。

次に、エア・水抜き経路について説明する。

エア・水抜き経路は、冷却水循環経路２内に混入した空気および冷却水を冷却水循環経路２から排出する第２経路１２と、第２経路１２を開閉することで冷却水循環経路２内に混入した空気および冷却水を任意に排出できる開閉装置１３とを備えたものである。冷却水循環経路２の下方となる冷却水循環経路２ｃから分岐し、開閉装置１３につなぐ第２経路１２ａと、開閉装置１３と燃料電池から排出された水素含有ガスと酸化剤ガスとのうち少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させる第２タンク１６につなぐ第２経路１２ｂで構成されている。開閉装置１３としては、例えば、水抜き栓、電磁弁、手回しバルブなどが用いられる。

第１経路は、第２タンク１６から第１タンク４へ水を汲む第１ポンプ１４と、第２タンク１６に貯えられた水を純水に還元するイオン交換樹脂１８と、第２タンク１６から第１ポンプ１４をつなぐ第１経路１５ａと、第１ポンプ１４からイオン交換樹脂１８をつなぐ第１経路１５ｂと、イオン交換樹脂１８から第１タンク４をつなぐ第１経路１５ｃを備えたものである。

第２タンク１６には、カソードガスが燃料電池１のカソード極で電気化学反応したカソード排ガスと、エア・水抜き経路と、燃料電池システム１００の循環経路内へ水を充填するための給水口がつながり、カソード排ガスに含有する水分は第２タンク１６で凝縮水と排ガスに分離し、排ガスは燃料電池システム外へ排出される。

制御器６は、冷却水循環ポンプ１１、開閉装置１３、第１センサ９や各種センサ（図示せず）などを含む燃料電池システム１００全体の動作を制御する。制御器６は、単独の制御器で集中制御を行うよう構成されてもよく、複数の制御器で分散制御を行うよう構成されてもよい。制御器６は、制御機能を有すればよく、例えば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理経路等で構成される。制御器６は、燃料電池システム内の各機器と信号線により接続されており、各種機器からの情報に応じて、各機器の制御を実施する。

以上のように構成された燃料電池システム１００の動作を説明する。特に、燃料電池システム１００の循環経路内へ水を充填するため、初期水張りを行う動作について説明する。

まず、給水口から純水、もしくは水道水を第２タンク１６に貯める。第２タンク１６の水位が上昇すると、第２タンクレベルスイッチ１７が第２タンク１６に水があることを検知して、第１ポンプ１４を運転することで、第２タンク１６の水は、第１経路１５ａ、第１ポンプ１４、第１経路１５ｂ、イオン交換樹脂１８、第１経路１５ｃを通り、冷却水が第１タンク４に導かれる。

また、同時に開閉装置１３を「開」にして、冷却水循環経路２内の冷却水が水頭差によって第２タンク１６へ流れ、冷却水循環経路２内を満たしていたエアは冷却水とともに第２タンク１６へ導かれる。このとき利用される経路は、冷却水循環経路２ａ、熱交換器５、燃料電池１の冷却部、冷却水循環経路２ｃ、第２経路１２ａ、開閉装置１３、第２経路１２ｂを通る経路と、冷却水循環経路２ｄ、冷却水循環ポンプ１１、冷却水循環経路２ｃ、第２経路１２ａ、開閉装置１３、第２経路１２ｂを通る経路である。すなわち、冷却水を冷却水循環経路２、熱交換器５、燃料電池１、冷却水循環ポンプ１１に充填できる。なお、第１ポンプ１４が汲み上げる水の量は冷却水循環経路２から第２経路を通り第２タンク１６へ導かれる冷却水の量に比べて多くなるように構成する。

また、冷却水循環経路２内の冷却水は再び第２タンク１６へ排出されるが、再度、第１ポンプ１４を運転して、第２タンク１６の水を第１経路１５ａ、第１ポンプ１４、第１経路１５ｂ、イオン交換樹脂１８、第１経路１５ｃを通り、第１タンク４に導くことができるため、水の再利用を促すことができる。

第１タンク４内の水位が上昇すると第１タンクレベルスイッチ８が満水を検知し、第１ポンプ１４を停止して、冷却水循環ポンプ１１を運転して、冷却水循環経路２内に混入しているエアを冷却水とともに循環し、冷却水循環経路２内に混入しているエアが第２経路１２を通じて、第２タンク１６へ排出することを促す。

次に、初期水張りが完了した後に、冷却水循環経路２に混入したエアを取り除く動作に
ついて説明する。なお、冷却水循環ポンプ１１内に混入したエアは運転、停止を繰り返した方が冷却水循環ポンプ１１内からエアが抜けやすいことが分かっている。これと同時に、冷却水循環ポンプ１１が停止した時、開閉装置１３を「閉」とし、冷却水循環ポンプ１１が運転した時、開閉装置１３を「開」とすると第１タンク４に貯まった冷却水を、第２経路を通して第２タンク１６へ排出する量が減り、第１ポンプ１４によって第２タンク１６から第１タンク４へ汲み上げる動作を減らすことができるため、初期水張り時間を短縮することができる。

また、冷却水循環ポンプ１１の吸入力が強い場合、冷却水循環ポンプ１１が停止した時、開閉装置１３を「閉」とし、冷却水循環ポンプ１１が運転した時、開閉装置１３を「開」とすると、第２経路１２からエアが逆流することがある。その際は、冷却水循環ポンプ１１が停止した時、開閉装置１３を「開」とし、冷却水循環ポンプ１１が運転した時、開閉装置１３を「閉」とすることで、第２経路１２からエアが逆流を防ぎつつ、冷却水循環ポンプ１１が停止した時に開閉装置１３を「開」とすることで、水頭差によって冷却水循環経路２内に冷却水が充填される。

また、第１センサ９がエア噛みの無いことを検知したとき、冷却水循環経路２、熱交換器５、燃料電池１に冷却水をエア噛み無く充填できたと判定し、一連の動作をやめることで、エア噛みのない冷却水循環経路２を実現する。第１センサ９は初期水張り後も冷却水循環ポンプ１１のエア噛み状態を監視し、第１センサ９が冷却水循環ポンプ１１のエア噛みを検知すると、一連の動作を行い、エア噛みのない冷却水循環経路２を維持する。

以上のように、本発明に係る燃料電池システム１００は、冷却水循環経路２、熱交換器５、燃料電池１に冷却水をエア噛み無く充填でき、冷却水循環ポンプ１１のエア噛みのない冷却水循環経路２を実現できる。これにより初期設定性能を満たす十分な熱交換性能を確保して、安定した発電を長期間、実施することができる燃料電池システム１００を提供することができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、冷却水循環経路、熱交換器、燃料電池、冷却水循環ポンプに冷却水をエア噛み無く充填できる。これにより初期設定性能を満たす十分な熱交換性能を確保して、安定した発電を実施することができ、例えば家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。

１ 燃料電池
２ 冷却水循環経路
３ 余剰電力ヒーター
４ 第１タンク
５ 熱交換器
６ 制御器
７ 温度検出器
８ 第１タンクレベルスイッチ
９ 第１センサ
１１ 冷却水循環ポンプ
１２ 第２経路
１３ 開閉装置
１４ 第１ポンプ
１５ 第１経路
１６ 第２タンク
１７ 第２タンクレベルスイッチ
１８ イオン交換樹脂
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の発電において発生する熱を吸収する冷却水を流す循環経路と、
   前記循環経路を流れる冷却水を循環させる循環ポンプと、
   前記循環経路を流れる冷却水と前記燃料電池との間での熱交換を行う熱交換器と、
   前記循環経路を流れる冷却水を貯蔵する第１タンクと、
   前記燃料電池から排出された水素含有ガスと酸化剤ガスとのうち少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させる第２タンクと、
   前記第２タンクから前記第１タンクへと水を供給する第１経路と、
   前記第２タンクの水を前記第１タンクへと汲み上げる第１ポンプと、
   前記循環経路の最下部より分岐され、前記循環経路を流れる冷却水を前記第２タンクへと排出する第２経路と、
   前記第２経路を開閉する開閉装置と、
   前記開閉装置の開閉を制御する制御器とを備えた燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記循環ポンプが駆動しているときは前記開閉装置を開け、前記循環ポンプが停止しているときは前記開閉装置を閉じる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記循環ポンプが駆動しているときは前記開閉装置を閉じ、前記循環ポンプが停止しているときは前記開閉装置を開ける請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環ポンプのエア噛みを検知する第１センサをさらに備え、
   前記制御器は、前記第１センサがエア噛みを検知したとき、前記開閉装置を開閉するよう制御する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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