JP7113176B2 - 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。

改質器及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。改質器において、改質反応によって都市ガスなどの原料から水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、酸化剤ガスとしての酸素（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって電力が生成される。

例えば、図６の燃料電池システム２００は、燃料電池５０を有する燃料電池ユニット５１と、燃料電池５０の熱で加熱された温水を貯める貯湯タンク６０を有する貯湯ユニット６１と、貯湯タンク６０から熱交換器５３に水を供給する往路６２ａと、熱交換器５３で温めされた水を貯湯タンクに戻す復路６２ｂからなる冷却水経路６２を備えている。往路６２ａと復路６２ｂとにより冷却水経路６２が構成され、冷却水経路６２に設けられた循環ポンプ５４により水が循環される。燃料電池５０が発電中に発生させた熱媒体が流れる熱媒体通路５５と冷却水経路６２の一部を流れる水が熱交換器５３で熱交換することで、燃料電池の発電により発生した熱を有効に利用している。このように、燃料電池システム２００では、燃料電池５０の冷却水経路６２、排水路などの各種の水の流路が設けられている。外気温の低下により水が凍結すると、燃料電池システムの運転が不可能になる。水の凍結による部品の破損も懸念される。特に、貯湯タンク６０と接続された往路６２ａは、水の凍結による部品の破損も懸念される。

そのため、特許文献１に記載されているように、冬季または寒冷地等では、外気温が低下すると、燃料電池５０が発電していないとき、制御部５６は循環ポンプ５４を操作して冷却水経路６２の水を流動化させ、凍結を防止する凍結予防運転を行っている。

また、特許文献２では、循環経路の水を流動化することに加え、循環経路を加熱する加熱装置が設けられている。ただし、特許文献２の技術によれば、加熱装置の消費電力が多くなりがちである。

特開２０１３－１１４８５１号公報 特開２００７－２９４１８６号公報

特許文献１に記載された構成は、循環経路の水の凍結抑制に関し、必ずしも十分な凍結防止効果を得られるものではない。また、循環経路の流動化により貯湯タンクの温水が使用されることになるが、かかる温水を利用する過程で、貯湯タンク内の湯水の温度成層が崩れることに対する対策がとられていない。

本開示は、燃料電池システムの省エネルギー性を向上させつつ、水の凍結をより確実に防止するための技術を提供する。

本開示は、
燃料電池と、
温水を溜める貯湯タンクと、
前記貯湯タンクに貯湯された前記温水が循環する循環経路と、
前記循環経路に設けられ、前記燃料電池からの排熱と前記貯湯タンクに貯湯された前記温水との熱交換を行う熱交換器と、
前記循環経路に設けられ、前記貯湯タンク内に貯湯された前記温水を前記循環経路を介して循環させる水ポンプと、
前記貯湯タンクの上部温度検出手段ならびに下部温度検出手段と、
外気温を直接的または間接的に検知する外気温検出手段と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池が発電運転しておらず、前記外気温が第１温度以下である期間において、
前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が所定値以下となるまで、前記水ポンプの運転条件を外気温に応じて調整する第一凍結予防運転を実行し、
前記第一凍結予防運転を実施中に、前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が前記所定値より小さくなったとき、前記下部温度検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの運転条件を調整する第二凍結予防運転に移行するように構成された、
燃料電池システムを提供する。

本開示の技術によれば、燃料電池システムの省エネルギー性を向上させつつ、水の凍結をより確実に防止することができる。

図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 図２は、本開示の第一凍結予防運転ならびに第二凍結予防運転の一例として示したフローチャートである。 図３は、燃料電池が停止期間中に、所定速度で水ポンプを運転した場合の貯湯タンク内の上部温度と下部温度の経時変化を示した図である。 図４は、本開示の一実施形態における第一凍結予防運転の一例を示した図である。 図５は、本開示の一実施形態における第二凍結予防運転の一例を示した図である。 図６は、特許文献１に記載された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）
特許文献１の図６に示す燃料電池システム２００では、燃料電池５０の発生した熱によって加熱された高温温水は、貯湯タンク６０内の上側から下側に向けて順次貯留され、貯湯タンク６０の上層から下層に向けて温度成層が形成される。実際には、貯湯タンクの下部領域には、中低温温水が存在する。燃料電池システムでは、中低温温水を冷却水経路６２を介して循環ポンプ５４により熱交換器５３に送り、燃料電池の発生した熱により加熱された高温温水を貯湯タンクの上部からその内部に貯留する構成となっている。

ところで、特許文献１では、外気温が低下すると、燃料電池５０が発電していないとき、制御部５６は循環ポンプ５４を操作して冷却水経路６２の水を流動化させ、凍結を防止する凍結予防運転を行っている。このような凍結予防運転を実行すると、貯湯タンク内の下部に存在する中低温温水を、低外気温の環境下で燃料電池５０からの熱供給のない状態で冷却水回路６２を介して貯湯タンク６０内の上部の高温温水の領域に送り込むことになる。そのため、中低温温水は、上部の高温温水と混合し、貯湯タンク６０内に中低温温水が存在しなくなる。このように、特許文献１に開示された構成では、必ずしも貯湯タンク内の温水を有効に利用した凍結予防運転となっているわけではない。また、外気温が下がり、冷却水経路６２の凍結リスクが高くなると、加熱装置により冷却水経路６２を加熱する必要がある。

本願発明者は鋭利検討の結果、貯湯タンク内の上部に形成されている高温温水の温度成層が、中低温温水の混入によって崩されていないと判定できる期間と、貯湯タンク内の高温温水の温度成層が崩されて貯湯タンク内の温水分布が略均一化したと判定できる期間とで冷却水経路の温水の循環量の制御方法を変えることで、燃料電池システムの省エネルギー性を向上させつつ、水の凍結をより確実に防止することができることに気づいた。
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
燃料電池と、
温水を溜める貯湯タンクと、
前記貯湯タンクに貯湯された前記温水が循環する循環経路と、
前記循環経路に設けられ、前記燃料電池からの排熱と前記貯湯タンクに貯湯された前記温水との熱交換を行う熱交換器と、
前記循環経路に設けられ、前記貯湯タンク内に貯湯された前記温水を前記循環経路を介して循環させる水ポンプと、
前記貯湯タンクの上部温度検出手段ならびに下部温度検出手段と、
外気温を直接的または間接的に検知する外気温検出手段と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池が発電運転しておらず、前記外気温が第１温度以下である期間において、
前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が所定値以下となるまで、前記水ポンプの運転条件を外気温に応じて調整する第一凍結予防運転を実行し、
前記第一凍結予防運転を実施中に、前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が前記所定値より小さくなったとき、前記下部温度検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの運転条件を調整する第二凍結予防運転に移行するように構成されたものである。

第１態様の燃料電池システムでは、外気温検出手段で検知した外気温からみて凍結の緊急性が高いとき、第一凍結予防運転を開始する。第一凍結予防運転の開始前には、貯湯タンク内の温水は温度成層が形成されているが、循環経路が流動化されることで貯湯タンク内の温水が撹拌され、温度成層が崩れて温度が均一化する。

第１形態の燃料電池システムによれば、水ポンプの運転条件を外気温に応じて調整する第一凍結予防運転を実行中に、貯湯タンクの上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度差を検出することで、貯湯タンクの温水が温度成層を保っているのか、あるいは、均一化されたのかを判定する。外気温から凍結の緊急性を判断して水ポンプの運転状態を調整するので、貯湯タンクの温度成層を維持するのに有利である。また、貯湯タンクの上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度差から貯湯タンク内の温水が均一化したと判断した場合、第二凍結予防運転に移行し、下部温度検出手段の検出温度に応じて水ポンプを運転するので、水ポンプに供給する消費電力を削減でき、省エネルギー性の向上に有効である。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムでは、前記循環経路に直接的または間接的に設けられ、前記循環経路を循環する水を加熱する加熱装置を備えており、前記制御部は、前記第一凍結予防運転を実施時に、前記外気温検出手段の検出温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下の場合、前記加熱装置を発熱させる。

第２態様によれば、第一凍結予防運転を実行しているときに、外気温検出手段で検知した外気温からみて凍結の緊急性が高いとき、加熱装置を発熱させることで、循環経路の凍結を確実に防止することができる。なお、外気温検出手段で検知した外気温に応じ、加熱装置を間欠的に作動させ、あるいは、設定温度を変更することで、加熱装置に供給する消費電力を削減でき、省エネルギー性の向上に有効である。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかる燃料電池システムでは、前記制御部は、前記第二凍結予防運転している期間、前記加熱装置を停止する。

第３の形態によれば、第二凍結予防運転において、貯湯タンク内の温水の成層が崩され、略均一な温度になっている。第二凍結予防運転では、循環経路に貯湯タンクの温水を供給するので加熱装置を停止する。加熱装置に供給する消費電力を削減でき、省エネルギー性の向上に有効である。

本開示の第４態様において、例えば、第２または第３態様にかかる燃料電池システムでは、前記制御部は、前記第一凍結予防運転を実施中に、前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が前記所定値より小さくなったとき、前記下部温度検出手段の検出温度が所定の第３温度以下の場合には前記第二凍結予防運転に移行せず、前記第一凍結予防運転に移行する。

第４態様によれば、第一凍結予防運転を実施中に貯湯タンクの上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差に基づいて第一凍結予防運転から第二凍結予防運転に移行するとき、下部温度検出手段の温度を確認する。貯湯タンクの上部温度と下部温度の温度差が小さくなったことで貯湯タンク内の温水温度の成層が崩れたことが確認されたとしても、貯湯タンク内の温水の温度では循環経路の凍結を防止できないと判断した場合には、第一凍結予防運転に移行することで、循環経路の凍結を確実に防止することができる。

本開示の第５態様において、例えば、第１～第４態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムでは、前記制御部は、前記第二凍結予防運転を実施中に、前記下部温度検出手段の検出温度が所定の前記第３温度以下になった場合、前記第一凍結予防運転に移行する。

第５態様によれば、第二凍結予防運転を実施中に貯湯タンクの下部温度検出手段の検出温度により、貯湯タンク内の温水温度の低下により循環経路の凍結を防止できないと判断した場合に、第一凍結予防運転に移行する。そして、第一凍結予防運転において、外気温検出手段で検知した外気温からみて凍結の緊急性が高いとき、加熱装置を発熱させる。これにより、循環経路の凍結を確実に防止することができる。

本開示の第６態様において、例えば、第１～第５態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムでは、前記水ポンプの運転方法は、連続的に作動させることで前記循環経路の水を連続的に移動させる第１運転と、間欠的に作動させることで前記循環経路の水を間欠的に移動させる第２運転とに切換え可能に構成されており、前記制御部は、前記第一凍結予防運転において、前記外気温検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの循環量と、前記運転方法の少なくとも一方を変更し、前記第二凍結予防運転において、前記下部温度検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの循環量と、前記運転方法の少なくとも一方を変更する。

第６態様によれば、第一凍結予防運転を実行しているとき、外気温検出手段で検知した外気温からみて凍結の緊急性が低いときには、水ポンプの循環量を減らしたり、連続運転から間欠運転に切り換える。かかる操作は、循環ポンプの消費電力を抑えるのに有利である。同様に、第二凍結予防運転を実行しているとき、貯湯タンクの下部温度検出手段の検出温度が比較的高く、循環経路の水温を上昇させる効果が高いときには、水ポンプの循環量を減少、あるいは、連続運転から間欠運転に切り換える。このような操作は、循環ポンプの消費電力を抑えるのに有利である。

本開示の第７態様において、例えば、第４態様の燃料電池システムは、前記第２運転において、前記水ポンプが一回作動する時間は、前記循環経路の全容積に相当する水量が前記循環経路を少なくとも一巡する時間である。

第７態様によれば、水ポンプによる水循環により、循環経路の各部位における水温を平均化でき、循環経路の局所的な凍結発生を防止するのに有利である。

本開示の第８態様において、例えば、第１～第７態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記制御部は、前記第一凍結予防運転または前記第二凍結予防運転を実行中に前記燃料電池が起動指示を受けた場合、実行中の前記第一凍結予防運転または前記第二凍結予防運転を中止し、前記燃料電池を起動させる。

第８態様によれば、燃料電池が起動することで、燃料電池が発電に伴って発生した熱により循環経路が加熱されることになるので凍結予防運転を停止する。凍結予防運転を実行するための要素（例えば、水ポンプ、加熱装置）の損傷や劣化を防止するのに有利である。

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）
（燃料電池システム構成）
図１に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム１００は、筐体２、燃料電池３及び改質器４を備えた燃料電池ユニット１と、貯湯タンク３２、貯湯タンク筐体３１を備えた貯湯ユニット３０を有している。燃料電池３及び改質器４は、筐体２に収められている。貯湯タンク３２は、貯湯タンク筐体３１に収められている。外気温センサ１０はサーミスタを用いた温度センサ、あるいは、熱電対を用いた温度センサで、外気温を検出する。

改質器４は、水蒸気改質反応（ＣＨ_４+Ｈ_２Ｏ→ＣＯ+３Ｈ_２）などの改質反応によって水素含有ガスを生成するためのデバイスである。改質器４には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器４は、水及び原料を用いて、水素含有ガスを生成する。原料は、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器４で生成された水素ガスが燃料電池３に供給される。燃料電池３は、酸化剤ガス（空気）と水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池３は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池３の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク３２に貯められる。

燃料電池システム１００は、さらに、第１水回路１３、第２水回路１２、熱交換器５及び熱回収水路（循環経路に相当）１４を備えている。第１水回路１３は、燃料電池３に接続されている。第２水回路１２は、改質器４に接続されている。第１水回路１３は、燃料電池３を冷却するための冷却水が循環する冷却水回路である。第１水回路１３には、第１タンク６及びＴ字継ぎ手１６が設けられている。第２水回路１２は、改質器４に水を供給するための給水回路である。第２水回路１２には、第２タンク７及びＴ字継ぎ手１９が設けられている。第２タンク７の水が改質器４に供給される。熱交換器５は、第１水回路１３に配置されている。

また、第１タンク６には加熱装置１１（例えば、ヒータ）が設けられている。燃料電池３が停止期間中であっても、制御部９が加熱装置１１を発熱させると、第１タンク６内の水が加熱され、熱交換器５を介して熱回収水路１４を流通する温水を加熱することができる。

熱回収水路１４は、燃料電池３の排熱を回収するための流路である。熱回収水路１４は、熱回収配管１４ａ及び１４ｂを含む。熱回収配管１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、熱交換器５に接続されている。熱回収配管１４ａは、熱回収水路１４の下流側部分を構成している。熱回収配管１４ｂは、熱回収水路１４の上流側部分を構成している。熱回収配管１４ａは、熱交換器５において加熱された水を貯湯タンク３２に導くための配管である。熱回収配管１４ｂは、熱交換器５において加熱されるべき水を熱交換器５に導くための配管である。熱回収配管１４ａ及び１４ｂは、ステンレス管などの金属製配管である。熱交換器５は、熱回収水路１４を流れる水と第１水回路１３を流れる水とを熱交換させるように構成されている。つまり、熱交換器５は、第１水回路１３の冷却水の熱によって貯湯タンク３２に貯められるべき水を加熱する役割を担っている。第１水回路１３、第２水回路１２、熱交換器５及び熱回収配管１４ａ、１４ｂも筐体２の内部に配置されている。

熱回収配管１４ａは、筐体２に形成された貫通孔２３を通って筐体２の外部に形成された熱回収配管１４ｃに延びている。熱回収配管１４ｃは貯湯タンク筐体３１に形成された貫通孔２４を通って熱回収配管１４ｄに接続され、貯湯タンク３２の上部の高温水入口と接続されている。詳細には、貫通孔２３、２４には高温側コネクタが取り付けられている。同様に、熱回収配管１４ｂは、筐体２に形成された貫通孔２１を通って筐体２の外部に形成された熱回収配管１４ｆに延びている。熱回収配管１４ｆは貯湯タンク筐体３１に形成された貫通孔２２を通って熱回収配管１４ｅに接続され、貯湯タンク３２の下部の低温水入口と接続されている。詳細には、貫通孔２１、２２には低温側コネクタが取り付けられている。熱回収配管１４ｄ、１４ｅは貯湯タンク筐体３１の内部に配置されている。なお、高温側および低温側コネクタは樹脂製又は金属製である。

一方、熱回収配管１４ｃ、１４ｆは筐体２と貯湯タンク筐体３１の外に配置されている。中低温水が流れる熱回収配管１４ｆは、低外気温時に凍結するリスクが高い。

筐体２の内部には熱回収水路１４の水を流動化させるため、熱回収水路１４の上流側部分の熱回収配管１４ｂに水ポンプ８が設けられている。

貯湯タンク３２には複数の温度センサ３６ａ～３６ｆが設けられている。複数の温度センサ３６ａ～３６ｆは、貯湯タンク３２の各領域３５ａ～３５ｆでの代表温度を検出する。かかる構成により、貯湯タンク３２内の温水の温度分布が検出可能となっている。ここで、温度センサ３６ａ～３６ｆはサーミスタを用いた温度センサ、あるいは、熱電対を用いた温度センサである。複数の温度センサ３６ａ～３６ｆが検出した温水の温度は、温度管理部３８に時系列データとして格納されるとともに、制御部９に送られる。

熱回収配管１４ｄから高温温水が貯湯タンク３２の上部に戻される構成となっているので、貯湯タンク３２内には温水の温度成層が形成される。例えば、貯湯タンクの上部温度を温度センサ３６ａまたは３６ｂで、下部温度を３６ｅまたは３６ｆで検出するようにする。例えば、貯湯タンクの上部温度を貯湯タンク３２の垂直高さの上から１／３の領域の温度、下部温度を貯湯タンク３２の垂直高さの下から１／３の領域の温度である。制御部９が、燃料電池３の発電に伴い、貯湯タンク３２の沸き上げ運転を行う場合、例えば温度センサ３５ａと３５ｅが所定温度以上になったとき、貯湯タンク３２内が蓄熱満杯状態になったものと判断し、沸き上げ動作を終了させる。このため、沸き上げ終了後であっても、貯湯タンク３２内のうち、最下部の温度センサ３６ｆよりも下方の領域には、沸き上げ温度に満たない中低温温水が存在する場合があり得る。

第１水回路１３のＴ字継ぎ手１６には第１排水路１７が接続されている。第１排水路１７は、第１水回路１３の水を抜くための流路である。第１排水路１７は、典型的には、樹脂製の配管で構成されている。第２水回路１２のＴ字継ぎ手１９には第２排水路２０が接続されている。第２排水路２０は、第２水回路１２の水を抜くための流路である。第２排水路２０は、典型的には、樹脂製の配管で構成されている。本実施形態では、第１水回路１３及び第２水回路１２のそれぞれに専用の排水路が接続されている。ただし、第１排水路１７と第２排水路２０とを１つにまとめることも可能である。第１水回路１３及び第２水回路１２から選ばれる少なくとも１つに排水路が接続されうる。

第１排水路１７の端部には、第１水抜き栓１８が取り付けられている。詳細には、筐体２の底壁に形成された貫通孔に第１水抜き栓１８を含むコネクタが取り付けられている。第２排水路２０の端部には、第２水抜き栓１５が取り付けられている。詳細には、筐体２の底壁に形成された貫通孔に第２水抜き栓１５を含むコネクタが取り付けられている。これにより、第１排水路１７及び第２排水路２０は、それぞれ、筐体２の外部まで延びる形になっている。第１水抜き栓１８及び第２水抜き栓１５は、例えば、ねじ式の栓である。第１水抜き栓１８及び第２水抜き栓１５は、筐体２の外部にある。そのため、筐体２の外側から第１水抜き栓１８及び第２水抜き栓１５を取り外すことが可能である。このような構造によれば、極めて簡単に水抜き作業を行うことができる。

燃料電池システム１００には、さらに、制御部９が搭載されている。制御部９は、燃料電池３、改質器４、水ポンプ８などの制御対象を制御するためのデバイスである。制御部９は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成されている。
（凍結予防運転）
図１の燃料電池システム１００において、待機期間を含む停止期間において外気温が
水の凍結が懸念される温度以下になると、熱回収水路１４の第一凍結予防運転が実行される。

以下、図２を参照しつつ、第一凍結予防運転の一例を説明する。図２に示す通り、制御部９は、ステップＳ１において、外気温センサ１０の検出する外気温Ｔ_０を示す情報を取得し、Ｔ_０が第一温度Ｔ_１以下であるか否か判断する。ステップＳ１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、制御部９は所定の第一凍結防止運転の停止処理を実行する。例えば、ステップＳ１４において、制御部９は水ポンプ８を停止させ、加熱装置１１がオンである場合には、加熱装置１１をオフにする。ステップＳ１４の処理が完了すると、第一凍結予防運転が終了する。なお、制御部９は、ステップＳ１４の処理が完了した後に、ステップＳ１に戻ってもよい。

一方で、ステップＳ１における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ２へ進み、制御部９は起動指示がなされているか否か判断する。ステップＳ２において、制御部９は、例えば、交流電力出力指令に関する情報を取得する。制御部９は、交流電力指令値が０でない一定の値を示す場合には起動指示がなされたと判断する。

ステップＳ２における判断結果が否定的である場合、ステップＳ３に進み、制御部９は第一凍結予防運転を実行する。ここで、第一凍結予防運転では、凍結予防運転を実行しつつも、貯湯タンク３２内に貯留した温水の温度成層をなるべく壊さないことを意図する。

第一凍結予防運転を実行しているとき、制御部９は図４に示す制御マップに基づいて、水ポンプ８の運転形態を決定する。

図４において、外気温Ｔ_０がＴ_１より高い場合は、凍結の可能性がかなり少ないと判断し、水ポンプ８の運転を停止し、第一凍結予防運転は行わない。

また、図４において、外気温Ｔ_０がＴ_２より高くＴ_１以下の場合は、凍結の可能性が比較的低いと判断し、水ポンプ８を間欠的に稼働させて熱回収水路１４を流動化する。なお、水ポンプ８のオン時間は熱回収水路１４の全容積に相当する水量が熱回収水路１４を少なくとも一巡する時間以上とする。これにより、熱回収水路１４の水温を平均化し、局所的な凍結を防止できる。さらに、外気温Ｔ_０と水ポンプ８の回転数を線形に対応させることで、熱回収水路１４の循環量を最低限に留めことができる。熱回収水路１４を循環した後に貯湯タンク３２内に戻される温水の温度が高ければ、温水の循環量を少なくすることで、貯湯タンク３２内の温度成層が崩れて貯湯タンク内の温水が略均一化するまでの時間を遅らせることができる。

また、図４において、外気温Ｔ_０がＴ_２以下の場合は、凍結の可能性が比較的高いと判断し、水ポンプ８を連続的に稼働させる。例えば、Ｔ_１は５℃、Ｔ_２は０℃である。この場合にも、外気温Ｔ_０と水ポンプ８の回転数を線形に対応させることで、熱回収水路１４の循環量を最低限に留めことができる。このように、外気温Ｔ_０に応じて水ポンプ８の運転状態を変更することで、水ポンプ８の消費電力を抑えることができる。第一凍結予防運転の水ポンプ８の運転形態の決定後、ステップＳ４に進む。

一方で、ステップＳ２における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ１２に進み、制御部９は第一凍結運転を停止し、ステップＳ１３に進んで燃料電池システムの起動シーケンスへ移行する。燃料電池システムが起動することで、燃料電池３が発電に伴って発生した熱により熱回収水路１４が加熱されることになるので第一凍結予防運転を停止することができる。これにより、第一凍結予防運転を実行するための要素（例えば、水ポンプ、加熱装置）の損傷や劣化を防止することができる。

次に、ステップＳ４において外気温Ｔ_０と所定温度であるＴ_３を比較する。ここでＴ_３は熱回収水路１４の流動化だけでは凍結が困難であると判断する温度である。ステップＳ４における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ６へ進み、加熱装置１１をオンとする。例えば、Ｔ_３は－３℃である。ステップＳ６へ進んだ場合、制御部９は、熱回収水路１４の流動化だけでは凍結予防が困難であると判断している。そのため、加熱装置１１を間欠的または連続的に発熱させる。燃料電池３が停止期間中であっても、制御部９が加熱装置１１を発熱させると、第１タンク６内の水が加熱され、熱交換器５を介して熱回収水路１４を流通する温水を加熱することができる。このように、外気温検出手段で検知した外気温からみて凍結の緊急性が高いとき、加熱装置１１を間欠的または連続的に作動させることで、熱回収水路１４の凍結を確実に防止することができる。なお、外気温検出手段で検知した外気温に応じ、加熱装置１１を間欠的に作動させ、あるいは、設定温度を変更してもよい。また、水ポンプ８の回転数を外気温Ｔ_０がＴ_３以上Ｔ_２未満の場合に比べ、低減させてもよい。このような設定を行うことで、加熱装置１１に供給する消費電力を削減でき、省エネルギー性を向上させることができる。

一方、ステップＳ４における判断結果が否定的である場合、ステップＳ５を経由し、ステップＳ１へ進む。このとき、ステップＳ５において加熱装置１１の発熱は不要であると判断され、制御部９は加熱装置１１が発熱中の場合には、加熱装置１１をオフとする。

また、ステップＳ４における判断結果が肯定的の場合には、ステップＳ７に進む。ここで、ステップＳ７の判断内容について、図３を用いて説明する。図３において、貯湯タンク３２の上部温度Ｔ_Ｈは、例えば温度センサ３６ａまたは３６ｂの検出温度である。また、貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌは、例えば温度センサ３６ｅまたは３６ｆの検出温度である。燃料電池３が停止している期間に、水ポンプ８を所定の回転数で連続的に運転すると、貯湯タンク３２の上部の高温温水に熱回収水路１４から中低温温水が戻されるのに伴い、上部の高温温水の温度Ｔ_Ｈが低下する。また、水ポンプが熱回収水路１４を流動化することで貯湯タンク３２内の温水が撹拌され、貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌが上昇し、内部温度の均一化が図られ、温度のばらつきが少ない温水となる。例えば、図３に示したように、水ポンプ８の運転開始から時間ｔ_０経過後に貯湯タンク３２の上部温度Ｔ_Ｈと下部温度Ｔ_Ｌの温度差が所定の温度差Ｔ_ａ以下になったとき、貯湯タンク３２内の温水の温度分布が均一化されたとみなすことができる。例えば、Ｔ_Ｈは６０℃、Ｔ_Ｌは２０℃、Ｔ_ａは５℃である。

すなわち、ステップＳ７の判断結果が否定的である場合には、貯湯タンク３２内の温水が温度成層を維持していると判断し、ステップＳ１に戻り第一凍結予防運転を継続する。

一方、ステップＳ７の判断結果が肯定的である場合には、貯湯タンク３２内の温水の温度成層が崩れ、貯湯タンク３２内の温水温度が略均一化されたと判断し、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８において、制御部９は貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌが所定温度Ｔ_ｂ以下であるかを判断する。例えば、Ｔ_ｂは１５℃である。ステップＳ７における判断結果が否定的である場合、すなわち、貯湯タンク３２の温度分布がまだ均一化されていない場合は、ステップＳ１へ進み、制御部９は水ポンプ８を引き続き連続的に稼働させる。こうすることで、貯湯タンク３２上部に存在する湯を撹拌させ、貯湯タンク３２下部へ熱を届けることができる。貯湯タンク上部に高温温水が存在しない場合でも、水ポンプ８を連続的に稼動させているため、凍結予防に関して有利である。

なお、第一凍結予防運転では、図４に示したように、熱回収水路１４の凍結の可能性が比較的高いと判断した場合には、水ポンプ８を連続的に稼働させている。例えば、外気温Ｔ_０がＴ_２以下の場合、外気温Ｔ_０の低下に応じて水ポンプ８の回転数を高くなるように設定しても良い。このようにすることで、熱回収水路１４の凍結予防に有利である。

次に、ステップＳ８では、貯湯タンク３２内で温度が略均一化された温水を用いて凍結予防を行う第二凍結予防運転に移行するか否かを判断する。すなわち、ステップＳ８の判断結果が肯定的（貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌが所定温度Ｔ_ｂ以下）であれば、貯湯タンク３２内の温水を熱回収水路に供給するだけでは凍結防止が困難であると判断し、ステップＳ１に戻って第一凍結予防運転を実行する。これにより、熱回収水路１４の凍結を確実に防止できる。

一方、ステップＳ８の判断結果が否定的であれば、貯湯タンク３２内の温水を熱回収水路に供給するだけで凍結防止が可能と判断し、ステップＳ９を経由し、ステップＳ１０へ進む。このとき、ステップＳ９において加熱装置１１の発熱は不要であると判断され、制御部９は加熱装置１１が発熱中の場合には、加熱装置１１をオフとする。

ステップＳ８における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１０へ進み、第二凍結予防運転を実行する。第二凍結予防運転では、加熱装置１１を発熱させない代わりに、貯湯タンク３２内の温水を熱回収水路１４に供給することで凍結予防を行う。これにより、加熱装置１１に供給する消費電力の削減を意図している。

第二凍結予防運転では、制御部９は図５に示すように貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌに基づいて、水ポンプ８の回転数を決定する。外気温Ｔ_０ではなく、貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌに基づいて水ポンプの回転数を制御するため、凍結予防の精度が上昇し、第一凍結予防運転よりも水ポンプ８の回転数を低減し、消費電力をより抑えることができる。水ポンプ８の回転数を決定した後、ステップＳ１１に進む。

ここで、図５の例では貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌに対し、水ポンプ８の回転数を１次関数で与えているが、これに限定されない。例えば、貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌに対し、水ポンプ８の回転数をステップ状に変更してもよい。また、水ポンプ８を低速で回転させる運転方法に代えて、水ポンプ８を間欠的に運転させてもよい。このように、第二凍結予防運転を実行しているとき、貯湯タンク３２の下部温度検出手段の検出温度が比較的高く、熱回収水路１４の水温を上昇させる効果が高いときには、水ポンプ８の循環量を減少、あるいは、連続運転から間欠運転に切り換えることで、水ポンプ８の消費電力を抑えることができる。

次に、ステップＳ１１では、貯湯タンク３２内で温度が略均一化された温水を用いて凍結予防を行う第二凍結予防運転を継続するか否かを判断する。すなわち、ステップＳ１１の判断結果が肯定的（貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌが所定温度Ｔ_ｂ以下）であれば、貯湯タンク３２内の温水を熱回収水路に供給するだけでは凍結防止が困難であると判断し、ステップＳ１に戻って第一凍結予防運転を実行する。そして、第一凍結予防運転において、外気温検出手段で検知した外気温からみて凍結の緊急性が高いとき、加熱装置１１を間欠的または連続的に作動させる。これにより、熱回収水路１４の凍結を確実に防止することができる。

一方、ステップＳ１１で判断結果が否定的である場合、貯湯タンク３２の下部温度Ｔ_Ｌが所定温度Ｔｂよりも高く貯湯タンク３２内の温水を熱回収水路に供給するだけで凍結防止が可能であると判断し、ステップＳ１０に進んで第二凍結予防運転を継続する。

上記したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、水ポンプ８の運転条件を外気温Ｔ_０に応じて調整する第一凍結予防運転を実行中に、貯湯タンク３２の上部温度検出手段と下部温度検出手段の検出温度差を検出することで、貯湯タンク３２内の温水が温度成層を保っているのか、あるいは、均一化されたのかを判定できる。また、外気温から凍結の緊急性を判断して水ポンプ８の運転状態を調整するので、貯湯タンク３２の温度成層を維持するのに有利である。また、貯湯タンク３２の上部温度検出手段と下部温度検出手段の検出温度差から貯湯タンク内の温水が均一化したと判断した場合、第二凍結予防運転に移行し、下部温度検出手段の検出温度に応じて水ポンプを運転するので、水ポンプに供給する消費電力を削減でき、省エネルギー性を向上させることができる。

なお、本実施の形態の燃料電池システムによれば、第１凍結予防運転を実施する際、水ポンプ８の運転状態の切り換え温度に幅をもたせてもよい。

例えば、水ポンプ８を停止状態から間欠運転に移行する温度境界値であるＴ_１の前後に所定幅δＴを設定する。そして、外気温Ｔ_０がＴ_１より高い状態からＴ_１－δＴになるまでは運転を停止する。一方、外気温がＴ_１以下の状態で水ポンプ８を間欠運転している場合には、外気温Ｔ_０がＴ_１＋δＴになるまでは水ポンプ８を停止せず間欠運転を継続する。

同様に、水ポンプ８の運転状態を間欠運転から連続運転に切り換える温度境界値であるＴ_２の前後に所定値δＴを設定する。そして、外気温Ｔ_０がＴ_２よりも高い状態からＴ_２－δＴになるまで間欠運転を継続する。一方、外気温Ｔ_０がＴ_２以下の状態で連続運転している場合には、外気温Ｔ_０がＴ_２＋δＴになるまでは連続運転を継続する。

このように、水ポンプ８の運転状態を変更する温度境界値に幅をもたせる（ヒステリスとする）ことで、水ポンプ８の運転制御を安定化させることができる。例えば、δＴは１℃である。また、それぞれの温度境界値に対し所定幅δＴを設定してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本明細書に開示された技術は、燃料電池システムにおける水の凍結防止に役立つ。本明細書に開示された技術は、燃料電池システムのエネルギー効率の向上にも寄与する。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池ユニット
２ 筐体
３ 燃料電池
４ 改質器
５ 熱交換器
６ 第１タンク
７ 第２タンク
８ 水ポンプ
９ 制御部
１０ 外気温センサ
１１ 加熱装置
１４ 熱回収水路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ 熱回収配管
３０ 貯湯ユニット
３１ 貯湯タンク筐体
３２ 貯湯タンク
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆ 温度センサ

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   温水を溜める貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクに貯湯された前記温水が循環する循環経路と、
   前記循環経路に設けられ、前記燃料電池からの排熱と前記貯湯タンクに貯湯された前記温水との熱交換を行う熱交換器と、
   前記循環経路に設けられ、前記貯湯タンク内に貯湯された前記温水を前記循環経路を介して循環させる水ポンプと、
   前記貯湯タンクの上部温度検出手段ならびに下部温度検出手段と、
   外気温を直接的または間接的に検知する外気温検出手段と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池が発電運転しておらず、前記外気温が第１温度以下である期間において、
   前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が所定値以下となるまで、前記水ポンプの運転条件を外気温に応じて調整する第一凍結予防運転を実行し、
   前記第一凍結予防運転を実施中に、前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が前記所定値より小さくなったとき、前記下部温度検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの運転条件を調整する第二凍結予防運転に移行するように構成された、燃料電池システム。
2. 前記循環経路に直接的または間接的に設けられ、前記循環経路を循環する水を加熱する加熱装置を備えており、
   前記制御部は、
   前記第一凍結予防運転を実施時に、前記外気温検出手段の検出温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下の場合、前記加熱装置を発熱させる、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記第二凍結予防運転を実行している期間、前記加熱装置を停止する、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、
   前記加熱装置を発熱しながら前記第一凍結予防運転を実施中に、前記上部温度検出手段と前記下部温度検出手段の検出温度の差が前記所定値より小さくなったとき、前記下部温度検出手段の検出温度が所定の第３温度以下の場合には前記第二凍結予防運転に移行せず、前記加熱装置を発熱させたまま前記第一凍結予防運転に移行する、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、
   前記第二凍結予防運転を実施中に、前記下部温度検出手段の検出温度が所定の前記第３温度以下になった場合、前記第一凍結予防運転に移行する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記水ポンプの運転方法は、連続的に作動させることで前記循環経路の水を連続的に移動させる第１運転と、間欠的に作動させることで前記循環経路の水を間欠的に移動させる第２運転とに切換え可能に構成されており、
   前記制御部は、
   前記第一凍結予防運転において、前記外気温検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの循環量と、前記運転方法の少なくとも一方を変更し、
   前記第二凍結予防運転において、前記下部温度検出手段の検出温度に応じて前記水ポンプの循環量と、前記運転方法の少なくとも一方を変更する、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２運転において、前記水ポンプが一回作動する時間は、前記循環経路の全容積に相当する水量が前記循環経路を少なくとも一巡する時間である、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御部は、前記第一凍結予防運転または前記第二凍結予防運転を実行中に前記燃料電池が起動指示を受けた場合、実行中の前記第一凍結予防運転または前記第二凍結予防運転を中止し、前記燃料電池を起動させる、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

Images