JP7042458B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムにおいて凍結防止を図る技術が知られている。

例えば、特許文献１には、燃料電池スタックを備える筐体の内部空間を加熱する加熱手段を備えた燃料電池システムが記載されている。加熱手段は、筐体の内部空間の底面側に配置されている。これにより、加熱手段からの熱を、筺体の内部空間全体に自然対流させることができ、加熱の効率を向上させることができる。筺体の内部空間には、電池スタックを含む内部機器を搭載する搭載板が設けられ、加熱手段は、搭載板と筺体の内部空間の底面との間に配置されている。

国際公開第２００９／０３４９９７号

特許文献１に記載された技術によれば、加熱手段による加熱によって燃料電池システムにおける凍結防止が図られている。一方、特許文献１では、燃料電池システムにおける特定の経路に着目した凍結防止の技術が検討されているわけではない。

本開示は、燃料電池システムの水封される特定の経路において凍結防止を図るのに有利な技術を提供する。

本開示は、
燃料電池と、
前記燃料電池から可燃ガス経路を介して排出されるアノード排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池の運転によって生じた凝縮水を貯める水タンクと、
前記水タンクに接続され、前記凝縮水を通流する連通経路と、を備え、
前記連通経路は、前記水タンクの水位よりも低い位置で前記水タンクと接続され、前記水タンクに水が溜まることにより水封される水封構成を有し、
前記燃料電池が停止しているときに、少なくとも所定期間において前記空気供給装置が断続的に動作する、
燃料電池システムを提供する。

本開示の技術は、水封構成を有する連通経路において凍結を防止するのに有利である。

図１は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図２は、燃料電池システムの凍結防止処理の一例を示すフローチャートである。 図３Ａは、凍結防止処理における空気供給装置の出力の変化の一例を示すグラフである。 図３Ｂは、凍結防止処理における空気供給装置の出力の変化の別の一例を示すグラフである。 図４は、燃料電池システムの凍結防止処理の別の一例を示すフローチャートである。 図５は、加熱手段の一例を示す燃料電池システムの構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
燃料電池システムにおいて、例えば、炭化水素などの原料から水素含有ガスを生成することを補助するために、燃料電池からのアノード排ガスを燃焼させることが考えられる。燃料電池システムでは、燃料電池の運転によって凝縮水が生じる。このため、燃料電池システムにおいて、凝縮水を貯留するための水タンクと、水タンクに接続され凝縮水を通流する連通経路とを設けることが考えられる。例えば、燃料電池からのアノード排ガスには水分が含まれるので、アノード排ガスを安定的に燃焼させるためには、アノード排ガスを燃焼させる前にこの水分を凝縮水として回収することが望ましい。アノード排ガス等の不要なガスが水タンクから大気中に漏洩しないように、連通経路は水封される。

連通経路の通流を保つためには、燃料電池が停止しているときに連通経路において凍結を防止する必要がある。そこで、本発明者らは、燃料電池が停止しているときに連通経路において凍結を防止するのに適した技術について日夜検討を重ねた。その結果、本発明者らは、アノード排ガスを燃焼させる燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給装置を利用して連通経路における凍結を防止できることを新たに見出した。この新たな知見に基づいて、本発明者らは、本開示の燃料電池システムを案出した。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池から可燃ガス経路を介して排出されるアノード排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池の運転によって生じた凝縮水を貯める水タンクと、
前記水タンクに接続され、前記凝縮水を通流する連通経路と、を備え、
前記連通経路は、前記水タンクの水位よりも低い位置で前記水タンクと接続され、前記水タンクに水が溜まることにより水封される水封構成を有し、
前記燃料電池が停止しているときに、少なくとも所定期間において前記空気供給装置が断続的に動作する。

第１態様によれば、燃料電池が停止しているときに所定期間において空気供給装置が断続的に動作することにより、連通経路において水封構成の水面における圧力が変動する。空気供給装置が作動中には、燃焼器を通過する空気の流れに圧力損失が発生し、連通経路において水封構成の水面における圧力が高まる。一方、空気供給装置が停止すると、連通経路において水封構成の水面における圧力の高まりは解消される。これにより、連通経路において水封構成の水面における圧力が変動する。一方、水タンク側は大気に連通している。このため、水封構成の水面に圧力変動が断続的に発生することにより、水封を構成する水が揺動する。この水封を構成する水の揺動により、連通経路における凍結が防止される。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムは、外気温を直接的又は間接的に検知する外気温検知手段をさらに備えていてもよく、前記所定期間は、前記外気温検知手段が検知した前記外気温が第一温度未満である期間であってもよい。第２態様によれば、外気温が第一温度未満である期間に、空気供給装置を断続的に動作させることができる。これにより、より確実に、連通経路における凍結を防止できる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る燃料電池システムは、前記連通経路内の水温を直接的又は間接的に検知する水温検知手段をさらに備えていてもよく、前記所定期間は、前記水温検知手段の検知した前記水温が第二温度未満である期間であってもよい。第３態様によれば、連通経路内の水温が第二温度未満である期間に、空気供給装置を断続的に動作させることができる。これにより、より確実に、連通経路における凍結を防止できる。

本開示の第４態様において、例えば、第１態様乃至第３態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、外気温を直接的又は間接的に検知する外気温検知手段又は前記連通経路内の水温を直接的又は間接的に検知する水温検知手段と、前記連通経路の少なくとも一部を加熱する加熱手段と、をさらに備えていてもよく、前記燃料電池が停止しているときに、前記外気温検知手段が検知した前記外気温が第三温度未満である期間、又は、前記水温検知手段が検知した前記水温が第四温度未満である期間において、前記加熱手段を連続的又は断続的に発熱させてもよい。第４態様によれば、空気供給装置を断続的に動作させることに加えて、加熱手段を発熱させることによって、より確実に、連通経路における凍結を防止できる。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る燃料電池システムでは、前記所定期間において、前記空気供給装置の出力が変動してもよい。第５態様によれば、所定期間において空気供給装置が断続的に動作することに加えて、空気供給装置の出力が変動することにより、水封を構成する水の移動距離を変えることができる。例えば、空気供給装置の断続的な動作と、加熱手段の発熱とを同時に行う場合に、加熱手段によって良好に加熱された連通経路の特定位置に存在する水を、加熱したい所望の位置に移動させることも可能である。ここで、所望の位置は、連通経路において凍結することが予測される位置であり、例えば、燃料電池システムが収納される筐体の底部近傍に位置する。

本開示の第６態様において、例えば、第４態様又は第５態様に係る燃料電池システムでは、前記加熱手段は、熱媒体が流れる伝熱管及び電気ヒータの少なくとも一つを含んでいてもよい。

本開示の第７態様において、例えば、第６態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池が停止しているときに、凍結が防止される水経路をさらに備えていてもよく、前記加熱手段は、前記水経路の一部を構成する前記伝熱管を含んでいてもよい。第７態様によれば、加熱手段は、水経路の凍結が防止されることを利用して連通経路の少なくとも一部を加熱できる。これにより、連通経路の凍結を防止できる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態）
図１に示す通り、本実施形態の燃料電池システム１ａは、燃料電池１２と、燃焼器１３と、空気供給装置１４と、水タンク３０と、連通経路３１とを備えている。

燃料電池１２は、典型的には、水素含有ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。燃料電池１２の型式は特に限定されない。燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池、又は溶融炭酸塩型燃料電池でありうる。

燃料電池システム１ａは、例えば、水素生成器１１をさらに備えている。水素生成器１１は、原料から水素含有ガスを生成する。典型的には、水素生成器１１において原料が改質されて水素含有ガスが生成される。原料は、都市ガスでありうる。

燃焼器１３は、燃料電池１２から可燃ガス経路２１を介して排出されるアノード排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを排出する。可燃ガス経路２１は、燃料電池１２と、燃焼器１３とを接続している。例えば、燃焼器１３においてアノード排ガスの燃焼により発生した熱により、水素生成器１１が加熱される。これにより、原料の改質が促される。このように、燃焼器１３は、例えば、原料から水素含有ガスを生成することを補助する。空気供給装置１４は、燃焼器１３に燃焼用空気を供給する。空気供給装置１４は、燃焼用空気を燃焼器１３に供給できる限り特に限定されない。空気供給装置１４は、例えば、ファン又はブロワである。

燃料電池システム１ａは、例えば、排気経路２２をさらに備えている。排気経路２２は、燃焼器１３から排出された燃焼排ガスを大気中に排出する。排気経路２２は、燃焼器１３から排気口２３まで延びている。排気口２３は燃料電池システム１ａの筐体に直接形成されていてもよいし、排気口２３をなす部材が燃料電池システム１ａの筐体に取り付けられていてもよい。

水タンク３０は、燃料電池１２の運転によって生じた凝縮水を貯める。水タンク３０は、例えば、アノード排ガス中の水分が凝縮された凝縮水を貯める。可燃ガス経路２１には、例えば、熱交換器２５が配置されている。熱交換器２５は、アノードオフ排ガスを冷却する。これにより、アノードオフ排ガスに含まれる水分が凝縮して、凝縮水が発生する。連通経路３１は、水タンク３０に接続され、この凝縮水を通流する。連通経路３１は、例えば、可燃ガス経路２１と、水タンク３０とを接続している。連通経路３１は、例えば、可燃ガス経路２１における熱交換器２５の出口と燃焼器１３との間に部分に接続されている。連通経路３１は、水タンク３０の水位よりも低い位置で水タンク３０に接続されている。排水経路３２は、水タンク内に所定水位以上に溜まった凝縮水を、水タンク３０から排水する。連通経路３１は、水タンク３０に水が溜まることにより水封される水封構成を有する。これにより、アノードオフ排ガス等の不要なガスが水タンク３０から大気中に漏洩することが防止されている。

燃料電池システム１ａは、例えば、排水経路３２をさらに備えている。排水経路３２は、例えば、水タンク３０の内部の所定水位に相当する位置において水タンク３０の内部に開口しており、所定水位以上に溜まった凝縮水がオーバーフローにより排水経路３２に導かれ、その後、燃料電池システム１ａの外部に排出される。

燃料電池システム１ａにおいて、燃料電池１２が停止しているときに、少なくとも所定期間Ｐｓにおいて空気供給装置１４が断続的に動作する。これにより、連通経路３１において水封構成の水面における圧力が変動する。空気供給装置１４が作動中には、燃焼器１３を通過する空気の流れに圧力損失が発生し、燃焼器１３の上流に位置する可燃ガス経路２１の圧力が高まり、連通経路３１において水封構成の水面における圧力も高まる。一方、空気供給装置１４が停止すると、連通経路３１において水封構成の水面における圧力の高まりは解消される。加えて、水タンク３０の凝縮水の水面より上方の空間は、排水経路３２によって大気に連通しており、その空間の圧力は大気圧に保たれている。このため、連通経路３１において水封構成の水面における圧力変動が断続的に発生し、水封を構成する水が揺動する。この水封を構成する水の揺動により、連通経路３１における凍結が防止される。なお、燃料電池１２が停止しているときに、燃料電池システム１ａの出力はゼロに保たれている。

燃料電池１２が停止しているときに空気供給装置１４が断続的に動作する所定期間Ｐｓは、特定の期間に限定されない。所定期間Ｐｓは、例えば、連通経路３１における凍結の可能性に基づいて定められている。

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、外気温検知手段４１をさらに備えている。外気温検知手段４１は、外気温Ｔｏを直接的又は間接的に検知する。所定期間Ｐｓは、例えば、外気温検知手段４１が検知した外気温Ｔｏが第一温度Ｔ１未満である期間である。この場合、外気温Ｔｏが低くなり連通経路３１における凍結の可能性が高まった場合に、空気供給装置１４が断続的に動作する。これにより、より確実に、連通経路３１における凍結が防止される。第一温度Ｔ１は、特定の温度に限定されない。第一温度Ｔ１は、例えば、３℃である。

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、水温検知手段４２をさらに備えている。水温検知手段４２は、連通経路３１内の水温Ｔｗを直接的又は間接的に検知する。所定期間Ｐｓは、例えば、水温検知手段４２が検知した水温Ｔｏが第二温度Ｔ２未満である期間である。この場合、水温Ｔｗが低くなり、連通経路３１における凍結の可能性が高まった場合に、空気供給装置１４が断続的に動作する。これにより、より確実に、連通経路３１における凍結が防止される。第二温度Ｔ２は、特定の温度に限定されない。第二温度Ｔ２は、例えば、３℃である。

外気温検知手段４１は、外気温Ｔｏを直接的又は間接的に検知できる限り、特に限定されない。また、水温検知手段４２は、水温Ｔｗを直接的又は間接的に検知できる限り、特に限定されない。外気温検知手段４１及び水温検知手段４２のそれぞれは、例えば、サーミスタを用いた温度センサ又は熱電対を用いた温度センサを含む。なお、燃料電池システム１ａは、外気温検知手段４１及び水温検知手段４２の双方を備える必要はなく、外気温検知手段４１又は水温検知手段４２は省略されていてもよい。外気温検知手段４１及び水温検知手段４２以外の手段で所定期間Ｐｓを決定できるのであれば、燃料電池システム１ａは、外気温検知手段４１及び水温検知手段４２の双方を備えていなくてもよい。

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば、加熱手段５０をさらに備えている。加熱手段５０は、連通経路３１の少なくとも一部を加熱する。例えば、燃料電池１２が停止しているときに、期間Ｐｔ又は期間Ｐｆにおいて、加熱手段５０が連続的又は断続的に発熱する。期間Ｐｔは、外気温検知手段４１が検知した外気温Ｔｏが第三温度Ｔ３未満である期間である。期間Ｐｆは、水温検知手段４２が検知した水温Ｔｗが第四温度Ｔ４未満である期間である。この場合、外気温Ｔｏ又は水温Ｔｗが低くなり、連通経路３１における凍結の可能性が高まった場合に、加熱手段５０が発熱する。加熱手段５０の発熱により、連通経路３１の少なくとも一部が加熱され、連通経路３１における凍結を防止できる。また、空気供給装置１４の断続的な動作と、加熱手段５０の発熱とを同時に行うことにより、連通経路３１に形成された水封を構成する水の特定の部分を、加熱手段５０によって加熱し、揺動させて所望の位置まで移動させることができる。

第三温度Ｔ３及び第四温度Ｔ４のそれぞれは、特定の温度に限定されない。典型的には、第三温度Ｔ３は第一温度Ｔ１よりも低く、第四温度Ｔ４は第二温度Ｔ２よりも低い。第三温度Ｔ３及び第四温度Ｔ４のそれぞれは、例えば、０℃である。

所定期間Ｐｓにおいて、空気供給装置１４の出力は変動してもよい。これにより、所定期間Ｐｓにおいて、水封を構成する水が移動する距離が変動する。上記の通り、空気供給装置１４の断続的な動作と、加熱手段５０の発熱とを同時に行うことにより、加熱手段５０によって良好に加熱された連通経路３１の特定位置に存在する水封を構成する水を、所望の位置に移動させることができる。所望の位置は、連通経路３１において凍結することが予測される位置であり、例えば、燃料電池システム１ａが収納される筐体の底部近傍に位置する。これにより連通経路３１の水封構成の広い範囲を加熱できる。

連通経路３１は、例えば、配管によって形成されている。連通経路３１は、例えば、第一配管３１ａと第二配管３１ｂとによって形成されている。第一配管３１ａは、可燃ガス経路２１に接続されている。第二配管３１ｂは、水タンク３０に接続されている。第一配管３１ａと第二配管３１ｂとは、所定の連結部材（図示省略）によって連結されている。第一配管３１ａは可燃ガス経路２１に近いので、第一配管３１ａの内面はアノード排ガスと接触しうる。このため、第一配管３１ａは、アノード排ガスに対する耐腐食性を有する材料でできている。例えば、第一配管３１ａは、金属材料製の配管である。一方、第二配管３１ｂは、可燃ガス経路２１から離れており、アノード排ガスとは接触しにくい。このため、第一配管３１ａは、樹脂製の配管であってもよい。この場合、燃料電池システム１ａの製造コストを低減しやすい。加熱手段５０は、例えば、第一配管３１ａを加熱する。この場合、第一配管３１ａが金属材料製の配管であると、加熱手段５０からの熱が連通経路３１に伝わりやすい。連通経路３１の所望の位置は、例えば、第二配管３１ｂに存在する。

加熱手段５０は、連通経路３１の少なくとも一部を加熱する限り、特定の手段に限定されない。加熱手段５０は、例えば、熱媒体が流れる伝熱管及び電気ヒータの少なくとも一つを含んでいてもよい。

図１に示す通り、例えば、排気経路２２には、熱交換器２６が配置されている。また、燃料電池システム１ａは、例えば、回収経路３３をさらに備えている。回収経路３３は、排気経路２２及び水タンク３０を接続している。回収経路３３は、排気経路２２における熱交換器２６の出口よりも下流において排気経路２２に接続されている。熱交換器２６は、燃焼排ガスを冷却する。これにより、燃焼排ガスに含まれる水分が凝縮して、凝縮水が発生する。この凝縮水は、回収経路３３を通流し、水タンク３０に導かれる。

熱交換器２５及び熱交換器２６のそれぞれは、例えば、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの気－液熱交換器である。

連通経路３１、排水経路３２、及び回収経路３３は、水タンク３０に水が溜まることにより互いに水封されている。

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば、制御器６０をさらに備えている。制御器６０は、典型的には、燃料電池１２の停止中における連通経路３１の凍結防止処理のためのプログラムが実行可能に格納されたデジタルコンピュータである。制御器６０には、燃料電池システム１ａの運転のための他のプログラムが実行可能に格納されていてもよい。制御器６０は、例えば、外気温検知手段４１又は水温検知手段４２における検知結果を示す情報を取得する。制御器６０は、このような情報に基づいて、空気供給装置１４及び加熱手段５０等の制御対象を制御する。

燃料電池１２の停止中における連通経路３１の凍結防止処理の一例について説明する。例えば、燃料電池１２が停止すると、図２に示す処理が実行される。まず、ステップＳ１１において、外気温検知手段４１によって外気温Ｔｏが検知される。次に、ステップＳ１２において、制御器６０は、外気温Ｔｏが温度Ｔａ未満であるか否かを判断する。温度Ｔａは、第一温度Ｔ１に対応している。ステップＳ１２における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ１３に進み、空気供給装置１４の断続的な動作を開始する。このとき、空気供給装置１４を、図３Ａに示す通り一定の出力で断続的に動作させてもよいし、図３Ｂに示す通り異なる出力で断続的に動作させてもよい。ステップＳ１２における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１４に進み、空気供給装置１４を停止して、ステップＳ１１に戻る。なお、空気供給装置１４が元々停止している場合には、ステップＳ１４をスキップして、ステップＳ１１に戻ってもよい。

ステップＳ１３の後のステップＳ１５において、制御器６０は、外気温Ｔｏが温度Ｔｂ未満であるか否かを判断する。温度Ｔｂは、第三温度Ｔ３に対応している。ステップＳ１５における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ１６に進み、加熱手段５０の発熱が開始される。ステップＳ１５における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１７に進み、加熱手段５０の発熱を停止させ、ステップＳ１１に戻る。なお、加熱手段５０が元々発熱していない場合には、ステップＳ１７をスキップして、ステップＳ１１に戻ってもよい。なお、燃料電池１２の運転が開始されると、この一連の処理は終了する。

燃料電池１２の停止中における連通経路３１の凍結防止処理の別の一例について説明する。例えば、燃料電池１２が停止すると、図４に示す処理が実行される。まず、ステップＳ２１において、水温検検知手段４２によって連通経路３１における水温Ｔｗが検知される。次に、ステップＳ２２において、制御器６０は、水温Ｔｗが温度Ｔｃ未満であるか否かを判断する。温度Ｔｃは、第二温度Ｔ２に対応している。ステップＳ２２における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ２３に進み、空気供給装置１４の断続的な動作を開始する。このとき、空気供給装置１４を、図３Ａに示す通り一定の出力で断続的に動作させてもよいし、図３Ｂに示す通り異なる出力で断続的に動作させてもよい。ステップＳ２２における判断結果が否定的である場合、ステップＳ２４に進み、空気供給装置１４を停止して、ステップＳ２１に戻る。なお、空気供給装置１４が元々停止している場合には、ステップＳ２４をスキップして、ステップＳ２１に戻ってもよい。

ステップＳ２３の後のステップＳ２５において、制御器６０は、水温Ｔｗが温度Ｔｄ未満であるか否かを判断する。温度Ｔｄは、第四温度Ｔ４に対応している。ステップＳ２５における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ２６に進み、加熱手段５０の発熱が開始される。ステップＳ２５における判断結果が否定的である場合、ステップＳ２７に進み、加熱手段５０の発熱を停止させ、ステップＳ２１に戻る。なお、加熱手段５０が元々発熱していない場合には、ステップＳ２７をスキップして、ステップＳ２１に戻ってもよい。なお、燃料電池１２の運転が開始されると、この一連の処理は終了する。

燃料電池システム１ａは、燃料電池１２が停止しているときに、凍結が防止される水経路をさらに備えていてもよい。加熱手段５０が、熱媒体が流れる伝熱管を含む場合、その伝熱管は、そのような水経路の一部を構成していてもよい。この場合、加熱手段５０は、水経路の凍結が防止されることを利用して連通経路３１の少なくとも一部を加熱できる。燃料電池１２が停止しているときに、その水経路の水温は、凍結が防止される限り、特定の温度に限定されない。燃料電池１２が停止しているときに、その水経路の水温は、例えば１０℃以上である。

燃料電池システム１ａにおいて、燃料電池１２が停止しているときに凍結が防止される水経路は、特定の態様に限定されない。例えば、燃料電池１２が固体高分子型燃料電池である場合、燃料電池システム１ａは、図５に示す燃料電池システム１ｂのように構成されていてもよい。

燃料電池システム１ｂは、特に説明する部分を除き、燃料電池システム１ａと同様に構成されている。燃料電池システム１ａの構成要素と同一又は対応する燃料電池システム１ｂの構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。燃料電池システム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、燃料電池システム１ｂにも当てはまる。

図５に示す通り、燃料電池システム１ｂは、水経路５１を備えている。燃料電池システム１ｂにおいて、燃料電池１２が停止しているときに、水経路５１における水温は凍結が防止できるように保たれる。加熱手段５０は、水経路５１の一部によって構成されている。水経路５１は、貯湯タンク２に接続されている。水経路５１には、ポンプ５７及び熱交換器１６が配置されている。水経路５１は、バイパス経路５３及び三方弁５５をさらに含んでいる。ポンプ５７が作動すると、貯湯タンク２から供給された水が水経路５１を流れ熱交換器１６を通過する。熱交換器１６を通過した水は、三方弁５５によって、貯湯タンク２に戻る、あるいは貯湯タンク２をバイパスして水経路５１を循環する。熱交換器１６は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液－液熱交換器である。

燃料電池システム１ｂは、例えば、冷却水タンク１５と、冷却水経路７１と、ポンプ１７とをさらに備えている。冷却水経路７１は、燃料電池１２と冷却水タンク１５とを接続している。冷却水経路７１は、送り路７１ａ及び戻し路７１ｂを含む。送り路７１ａにおいて、冷却水タンク１５から燃料電池１２に向かって冷却水が流れる。戻し路７１ｂにおいて、燃料電池１２から冷却水タンク１５に向かって冷却水が流れる。熱交換器１６は、送り路７１ａに配置されている。熱交換器１６は、戻し路７１ｂに配置されていてもよい。ポンプ１７は、戻し路７１ｂに配置されている。ポンプ１７は、送り路７１ａに配置されていてもよい。

燃料電池システム１ｂにおいて、燃料電池１２が運転中である場合、ポンプ１７及びポンプ５７が作動する。これにより、冷却水経路７１によって冷却水が燃料電池１２と冷却水タンク１５との間を循環する。また、水経路５１において外部から供給された水が熱交換器１６を通過して貯湯タンク２に導かれる。冷却水経路７１を流れる冷却水によって燃料電池１２において発生する熱が回収される。熱交換器１６において、水経路５１を流れる水と、冷却水経路７１を流れる冷却水とが熱交換する。このため、水経路５１において熱交換器１６を流れる水は、冷却水によって回収された燃料電池１２の排熱により加熱され、湯が生成される。このため、燃料電池１２が運転中である場合、貯湯タンク２に湯が貯まる。

図５に示す通り、燃料電池システム１ｂは、例えば、ヒータ１５ａをさらに備えている。ヒータ１５ａは、冷却水タンク１５に貯まった冷却水を加熱することができる。例えば、燃料電池１２が停止しているときに、必要に応じて、ヒータ１５ａを発熱させることで、冷却水タンク１５の水温を所定温度以上に保つことができる。ヒータ１５ａは、例えば、電気ヒータである。

燃料電池１２が停止しているとき、例えば、外気温検知手段４１によって検知された外気温ＴｗがＴｅ未満であると、ポンプ１７及びポンプ５７が作動する。Ｔｅは、水経路５１の凍結を防止できるように定められている。これにより、冷却水経路７１によって冷却水が燃料電池１２と冷却水タンク１５との間を循環する。加えて、水経路５１において貯湯タンク２から供給された水が熱交換器１６に導かれる。上記の通り、冷却水タンク１５における水温は所定温度以上に保たれているので、水経路５１における水が所定温度より低いと、熱交換器１６において、水経路５１における水が加熱される。熱交換器１６を通過した水は、バイパス経路５３を通り、水経路５１を循環する。これにより、水経路５１の水温が凍結を防止できるように保たれ、加熱手段５０が発熱する。その結果、連通経路３１の凍結が防止される。

本開示の技術は、燃料電池システムなどのコジェネレーションシステムに有用である。

１ａ、１ｂ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１３ 燃焼器
１４ 空気供給装置
３０ 水タンク
３１ 連通経路
４１ 外気温検知手段
４２ 水温検知手段
５０ 加熱手段
５１ 水経路

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から可燃ガス経路を介して排出されるアノード排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼器と、
   前記燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給装置と、
   前記燃料電池の運転によって生じた凝縮水を貯める水タンクと、
   前記水タンクに接続され、前記凝縮水を通流する連通経路と、を備え、
   前記連通経路は、前記水タンクの水位よりも低い位置で前記水タンクと接続され、前記水タンクに水が溜まることにより水封される水封構成を有し、
   前記燃料電池が停止しているときに、少なくとも所定期間において前記空気供給装置が断続的に動作する、
   燃料電池システム。
2. 外気温を直接的又は間接的に検知する外気温検知手段をさらに備え、
   前記所定期間は、前記外気温検知手段が検知した前記外気温が第一温度未満である期間である、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記連通経路内の水温を直接的又は間接的に検知する水温検知手段をさらに備え、
   前記所定期間は、前記水温検知手段の検知した前記水温が第二温度未満である期間である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 外気温を直接的又は間接的に検知する外気温検知手段又は前記連通経路内の水温を直接的又は間接的に検知する水温検知手段と、
   前記連通経路の少なくとも一部を加熱する加熱手段と、をさらに備え、
   前記燃料電池が停止しているときに、前記外気温検知手段が検知した前記外気温が第三温度未満である期間、又は、前記水温検知手段が検知した前記水温が第四温度未満である期間において、前記加熱手段を連続的又は断続的に発熱させる、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定期間において、前記空気供給装置の出力が変動する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記加熱手段は、熱媒体が流れる伝熱管及び電気ヒータの少なくとも一つを含む、請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池が停止しているときに、凍結が防止される水経路をさらに備え、
   前記加熱手段は、前記水経路の一部を構成する前記伝熱管を含む、
   請求項６に記載の燃料電池システム。

Images