JPWO2010007759A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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章典 行正
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英夫 小原
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Abstract

本発明の燃料電池システムは、燃料電池（１）と、燃料電池（１）を冷却する第１熱媒体が通流する第１熱媒体経路（５１）と、第１熱媒体から熱を回収した第２熱媒体が通流する第２熱媒体経路（５２）と、第１熱媒体経路（５１）を通流する第１熱媒体と、第２熱媒体経路（５２）を通流する第２熱媒体との間で熱交換するための熱交換器（４）と、燃料電池（１）を冷却した第１熱媒体を熱交換器（４）に流入するまでに加熱し、燃料電池（１）の余剰電力を消費する余剰電力ヒータ（２）と、第１熱媒体経路（５１）に設けられ、第１熱媒体を貯える第１熱媒体タンク（３）と、を備え、第１熱媒体タンク（３）は余剰電力ヒータ（２）で加熱された第１熱媒体と第１熱媒体タンク（３）内の第１熱媒体とが混合するように構成されている。

Description

本発明は、燃料電池システムの構成に関する。
燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行い、反応により生じた熱を回収して湯水をして貯え、この湯水を外部への熱供給に有効利用するシステムである。このような燃料電池システムは、系統電源と系統連系されており、燃料電池等で発電した電力と系統電源からの電力が、外部電力負荷（例えば、家庭の使用電力負荷）に供給される。
ところで、燃料電池システムを構成する燃料電池は、外部電力負荷の負荷変動に対する出力変化（追随）速度が遅いため、コージェネレーションシステムから電力供給を受ける全機器の総消費電力が、コージェネレーションシステムから出力される出力電力を下回る場合、余剰電力が発生し、系統電源への電力の逆潮流が生じる。これを防止するために、余剰電力をヒータで熱に変換して有効利用する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図７に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００は、燃料電池２０１、冷却水流路２０２、熱交換器２０３、貯湯槽２０４、温水流路２０５、及び発熱体２０６、２０７を備えている。
燃料電池２０１には、冷却水流路２０２が接続されていて、貯湯槽２０４には、温水流路２０５が接続されている。そして、冷却水流路２０２を通流する冷却水と、温水流路２０５を通流する温水と、の間で熱交換を行えるように、熱交換器２０３は、冷却水流路２０２と温水流路２０５を跨ぐように設けられている。また、冷却水流路２０２には、冷却水ポンプ２０８が設けられていて、一方、温水流路２０５には、排熱回収水ポンプ２０９が設けられている。さらに、冷却水流路２０２及び温水流路２０５には、それぞれ、発熱体２０６、２０７が設けられている。
このように構成された特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、余剰電力が発生した場合に、発生した余剰電力を発熱体２０６、２０７で消費して熱に変換することにより、系統電源への電力の逆潮流を防止することができる。
また、従来の燃料電池システムでは、冷却水流路を通流する冷却水を貯える（冷却）水タンクを有していて、水タンクは、効率的な熱回収を図るために熱交換器の下流側に設けられているのが、一般的である（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−１２５６４号公報 特開２００４−２１３９８５号広報
ところで、一般家庭では、設置されている複数の電化製品が様々なタイミングで使用されるため、電力消費量が大きく変動する。このため、電力負荷が急激に減少した場合に、余剰電力が急激に増加する場合がある。このような場合に、上記特許文献１に開示されている燃料電池システム２００の構成では、余剰電力の急激な増加によって、発熱体２０６で冷却水が急激に加熱され、場合によっては、冷却水が沸騰する可能性がある。
冷却水の急激な加熱により、冷却水中の溶存酸素等が気化したガスや、冷却水の沸騰によって生成された水蒸気等のガスが、冷却水流路２０２（例えば、熱交換器２０３）に溜まり、安定した冷却水の循環が維持できなくなる可能性がある。
そして、安定した冷却水の循環が維持されなくなると、熱交換器２０３での安定した熱交換ができなくなり、燃料電池２０１の温度が上昇して、燃料電池２０１内を適正な温度に保つことができなくなるという問題があった。
また、冷却水が急激に加熱され、場合によっては、沸騰すると、温水流路２０５を通流する温水が、熱交換器２０３で急激に加熱された冷却水、場合によっては、沸騰した冷却水と熱交換することで、通常よりも過剰に加熱され、過昇温した温水が、貯湯槽２０４に供給されるおそれがあった。過昇温した温水が貯湯槽に貯えられると、貯湯槽２０４内の温水が外部に供給される場合、市水と混合して温度低下を図っても使用者の所望する最適な温度にまで温度が低下せず、高温の温水が供給されて、使用者が火傷する可能性がある。
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池を冷却する上記冷却水等に例示される熱媒体が、余剰電力の急激な変動により、余剰電力ヒータで冷却水が急激に加熱され、過昇温したり、場合によっては、沸騰したりすることで、上述のように冷却水よりガスが生成しても、熱交換器での熱交換を従来よりも安定して行える燃料電池システムを提供することを第１の目的とする。また、本発明は、急激に加熱された熱媒体、場合によっては、沸騰した熱媒体が熱交換器に供給されるのを抑制することにより、上記温水に例示される第２熱媒体が、過昇温した状態で、上記貯湯タンクに例示される蓄熱器に供給されるのを抑制し、安全に運転することができる燃料電池システムを提供することを第２の目的とする。
以上のような課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が通流する第１熱媒体経路と、第２熱媒体が通流する第２熱媒体経路と、前記第１熱媒体経路と前記第２熱媒体経路とに跨がって設けられ、前記第１熱媒体経路を通流する前記第１熱媒体と、前記第２熱媒体経路を通流する前記第２熱媒体との間で熱交換するための熱交換器と、前記燃料電池を冷却した前記第１熱媒体を前記熱交換器に流入するまでに加熱し、前記燃料電池の余剰電力を消費する余剰電力ヒータと、前記第１熱媒体経路に設けられ、前記第１熱媒体を貯えるタンクと、を備え、前記タンクは前記余剰電力ヒータで加熱された前記第１熱媒体と前記タンク内の前記第１熱媒体とが混合するように構成されている。
これにより、余剰電力の急激な増加により、余剰電力ヒータで加熱された第１熱媒体が過昇温したり、場合によっては、沸騰したりすることで、冷却水中の溶存酸素が気化したり、水蒸気化によりガスが生成しても、第１熱媒体経路内のガス滞留により第１熱媒体の流量が不安定になる可能性が抑制され、熱交換器において第２の熱媒体との安定した熱交換が行われる。また、急激に加熱された第１熱媒体が、また、場合によっては、沸騰した第１熱媒体がタンク内の第１熱媒体と混合することにより、タンク内で温度が平準化された第１熱媒体が熱交換器に供給されるため、熱交換器を通過した第２熱媒体の温度が過昇温する可能性を低減することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記余剰電力ヒータは前記第１熱媒体経路に設けられ、該余剰電力ヒータで加熱された第１熱媒体が前記タンク内に流入するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記タンク内に前記余剰電力ヒータが設けられていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記タンクは大気開放されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記タンクには圧抜き器が設けられていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１熱媒体経路の前記余剰電力ヒータと前記タンクとの間の部分は、水平又は前記第１熱媒体の流れにおいて上り勾配になるように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１熱媒体経路の前記熱交換器よりも下流側に設けられた第１温度検出器と、前記第２熱媒体流路を通流する前記第２熱媒体の流量を調整する第１流量調整器と、前記第１温度検出器の検出温度に基づき前記第１流量調整器を制御する第１制御器と、を備えていてもよい。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１熱媒体経路の前記熱交換器よりも下流側に設けられた第１温度検出器と、前記燃料電池を冷却した後、前記余剰電力ヒータで加熱される前の前記第１熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、前記第１熱媒体経路を通流する前記第１熱媒体の流量を調整する第２流量調整器と、前記第２温度検出器の検出温度が前記第１温度検出器の検出温度と前記１熱媒体の沸点との平均温度よりも低くなるように前記第２流量調整器を制御する第２制御器と、を備えていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システムによれば、余剰電力の急激な変動により、余剰電力ヒータで急激に加熱された第１熱媒体、又は場合によっては第１熱媒体が沸騰したような場合でも、沸騰により生成された水蒸気等のガスをタンク内で捕集することにより第１熱媒体経路内のガス滞留が抑制され、熱交換器での熱交換を安定して行える。また、タンク内の第１熱媒体と混合されることで、熱交換器に供給される第１熱媒体の温度上昇が抑制され、熱交換器通過後の第２熱媒体が過昇温する可能性が低減される。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図６は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図７は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。
[燃料電池システムの構成]
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１、余剰電力ヒータ２、第１熱媒体タンク３、熱交換器４、及び制御器１０を備えている。
燃料電池１には、燃料ガス供給装置（図示せず）と酸化剤ガス供給装置（図示せず）が接続されており、これらの供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を電気化学反応させることにより、電力と熱を発生する。
また、燃料電池１には、電気化学反応により発生した排熱を回収するために第１熱媒体が流れる第１熱媒体流路２１が設けられている。
燃料電池１内の第１熱媒体流路２１の入口には、第１熱媒体往路５１ａの下流端が接続されており、第１熱媒体往路５１ａの上流端は、熱交換器４の一次流路２２の出口に接続されている。また、熱交換器４の一次流路２２の入口には、第１熱媒体復路５１ｂの下流端が接続されており、第１熱媒体復路５１ｂの上流端は、燃料電池１内の第１熱媒体流路２１の出口に接続されている。上記のような構成により、第１熱媒体経路５１は、第１熱媒体往路５１ａ、第１熱媒体復路５１ｂ、第１熱媒体流路２１、及び一次流路２２により構成される。
また、第１熱媒体往路５１ａの途中には、流量調整が可能な第２ポンプ（第２流量調整器）７が設けられていて、第１熱媒体復路５１ｂの途中には、余剰電力ヒータ２と、第１熱媒体（ここでは、冷却水）を貯えるための第１熱媒体タンク３と、がこの順で設けられている。余剰電力ヒータ２は、燃料電池１で発電した電力のうち余剰の電力が通電され、第１熱媒体往路５１ａを通流する第１熱媒体を加熱するように構成されている。なお、本発明の第２流量調整器として、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いてもよい。
また、熱交換器４の二次流路２３には、第２熱媒体往路５２ａと第２熱媒体復路５２ｂとが接続されていて、これらの第２熱媒体往路５２ａ、第２熱媒体復路５２ｂ及び二次流路２３より構成される第２熱媒体経路５２は、蓄熱器としての貯湯タンク５と接続されている。具体的には、熱交換器４の二次流路２３の入口には、第２熱媒体復路５２ｂの下流端が接続されており、その上流端は、貯湯タンク５の下端部に接続されている。貯湯タンク５の上端部には、第２熱媒体往路５２ａの下流端が接続されており、その上流端は、熱交換器４の二次流路２３の出口に接続されている。また、第２熱媒体復路５２ｂの途中には、流量調節可能な第１ポンプ（第１流量調整器）６が設けられている。なお、本発明の第１流量調整器として、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いてもよい。
貯湯タンク５は、ここでは、鉛直方向に延びるように形成されていて、貯湯タンク５の下端部には、市水を供給するための水供給路５３が接続されており、貯湯タンク５の上部には、貯湯水を利用者に供給するための貯湯水供給路５４が接続されている。また、貯湯水供給路５４には、貯湯水を利用する熱負荷が接続されている（図示せず）。熱負荷としては、例えば、給湯機器、暖房機器や空調機器が挙げられる。
これにより、燃料電池１の排熱を回収した第１熱媒体は、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体復路５１ｂを通流して、熱交換器４内の一次流路２２に供給される。一次流路２２に供給された第１熱媒体は、熱交換器４の一次流路２２を通流する間に、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４内の二次流路２３に供給された第２熱媒体と熱交換して、冷却される。冷却された第１熱媒体は、第１熱媒体往路５１ａを通流して、燃料電池１の第１熱媒体流路２１の入口に供給される。一方、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４の二次流路２３に供給された第２熱媒体（ここでは、貯湯水）は、熱交換器４の二次流路２３を通流する間に、一次流路２２を通流する第１熱媒体によって加熱される。加熱された第２熱媒体は、第２熱媒体復路５２ｂを通流して、貯湯タンク５の上端部に供給される。このような構成により、貯湯タンク５は、下部には市水温度に近い温度の低い水が貯えられ、熱交換器４により高温化した第２熱媒体が上部より貯えられる、いわゆる積層沸き上げ型の貯湯タンクとなる。
なお、燃料電池１の排熱を回収した第１熱媒体は、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体復路５１ｂを通流する間に、余剰電力が発生すると、余剰電力ヒータ２によりさらに加熱される。また、上記の第１熱媒体及び第２熱媒体の流動方向（図１に矢印で示す方向）は、発電時における流動方向であり、燃料電池１の暖機運転時には、第２熱媒体の流動方向は、これと逆方向になる。
また、燃料電池１の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の入力端子（図示せず）が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池１で発生した直流電力を所定の電圧に昇圧するように構成されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力端子には、適宜な配線により、インバータ９の入力端子（図示せず）が接続されている。インバータ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で昇圧された直流電力を交流電力に変換するように構成されている。
インバータ９の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により余剰電力ヒータ２が接続されている。また、インバータ９の出力端子には、系統連系点１１を介して、系統電源１２が接続されている。すなわち、燃料電池１の出力電力と系統電源１２からの電力が、系統連系点１１で系統連系されている。なお、ここでは、余剰電力ヒータ２をインバータ９の出力端子に接続したが、これに限定されず、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力端子に接続してもよい。
系統連系点１１には、適宜な配線により、外部電力負荷１４が接続されている。外部電力負荷１４は、ここでは、一般家庭で使用される電力消費機器を想定している。さらに、系統連系点１１とインバータ９との間には、電流検出器１３が設けられている。
電流検出器１３は、系統電源１２から供給される電流量を検出し、検出した電流値は、制御器１０に出力される。電流検出器１３は、ここでは、カレントトランス等の電流センサで構成されており、電流の大きさを電力の大きさとして検出し、また、電流の向きを検出することで、逆潮流が発生しているかを検出している。なお、電流検出器１３として、例えば、シャント抵抗を用いた電流センサ、カレントトランスを系統電線にクランプし、１次電流に比例した２次巻き線電流から電流検知するクランプ式交流電流センサ、交流電流を直接計測する交流電流計等を使用してもよい。
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で昇圧された直流電力が、インバータ９で交流電力に変換され、系統電源１２と系統連系しながら、外部電力負荷１４に電力が供給される。そして、系統電源１２から供給される電力を電流検出器１３が検出し、検出した電力が制御器１０に出力される。
制御器１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵからなる演算処理部、半導体メモリから構成された記憶部（内部メモリ）、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システムに関する各種の制御を行う。
また、演算処理部は、電流検出器１３にて検出された電流の向きに基づいて、逆潮流が生じているか否かを検出し、また、電流検出器１３にて検出された電流値に応じて、余剰電力ヒータ２への電力供給量を制御している。具体的には、制御器１０の演算処理部は、電流検出器１３で検出される電流が、系統電源１２へ流れないように、余剰電力ヒータ２への電力供給量を制御している。すなわち、燃料電池システム１００には、例えば、余剰電力ヒータ２への供給電圧を制御する電圧調整器（出力電圧を調整可能な電圧変換器：図示せず）が設けられていて、この電圧調整器の出力電圧を調整することにより、余剰電力ヒータ２の消費電力が調整される。制御器１０は、この電圧調整器の出力電圧を制御することにより、余剰電力ヒータ２への電力供給量を制御する。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。
[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について、図１を参照しながら説明する。
まず、燃料電池１の図示されないアノード及びカソードに、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置から、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応により、電力と熱が発生する。燃料電池１で発生した電力（直流電力）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で昇圧され、昇圧された直流電力は、インバータ９に供給される。インバータ９では、供給された直流電力を交流電力に変換され、系統電源１２と系統連系しながら、外部電力負荷１４に電力が供給される。
一方、燃料電池１で発生した熱（排熱）は、第１熱媒体流路２１に供給された第１熱媒体により回収される。燃料電池１の排熱を回収した第１熱媒体は、第１熱媒体復路５１ｂに流出し、該第１熱媒体復路５１ｂを通流して、第１熱媒体タンク３に戻る。第１熱媒体タンク３に戻った第１熱媒体は、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体と混合され、温度が平準化される。そして、第１熱媒体タンク３内に供給された第１熱媒体は、さらに、第１熱媒体復路５１ｂを通流して、熱交換器４の一次流路２２に供給される。
熱交換器４の一次流路２２に供給された第１熱媒体は、熱交換器４の一次流路２２を通流する間に、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４の二次流路２３に供給された第２熱媒体と熱交換して、冷却される。冷却された第１熱媒体は、第１熱媒体往路５１ａを通流して、燃料電池１の第１熱媒体流路２１の入口に供給される。
一方、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４の二次流路２３に供給された第２熱媒体は、熱交換器４の二次流路２３を通流する間に、加熱される。加熱された第２熱媒体は、第２熱媒体往路５２ａを通流して、貯湯タンク５の上端部に戻る。貯湯タンク５に戻った第２熱媒体は、需要に応じて、貯湯水供給路５４を通流して熱負荷に供給され、利用者にお湯として使用される。また、貯湯タンク５内の第２熱媒体が減少すると、制御器１０の制御により、水供給路５３から市水が供給される。
なお、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体は、制御器１０からの制御信号に基づいて、第２ポンプ７により、その流量が調整され、同様に、第２熱媒体経路５２を通流する第２熱媒体は、制御器１０からの制御信号に基づき、第１ポンプ６により、その流量が調整される。
ところで、外部電力負荷１４で消費される電力が、燃料電池１で発電された電力よりも小さい場合、余剰電力が発生する。この余剰電力は、上述したように、余剰電力ヒータ２に供給され、第１熱媒体復路５１ｂを通流する第１熱媒体が加熱される。そして、特に、外部電力負荷１４で消費される消費電力量が急激に減少した場合、余剰電力が急激に増加し、余剰電力ヒータ２で第１熱媒体が急激に加熱され、場合によっては、沸騰する（又は、沸騰に近い温度までに加熱される）可能性がある。
このような場合においても、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、高温の第１熱媒体が第１熱媒体タンク３に供給される（戻る）ため、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体と混合され、第１熱媒体タンク３内で第１熱媒体の温度の平準化がされる。これにより、熱交換器４の一次流路２２に過昇温したり、もしくは沸騰したりして、第１熱媒体が供給されることが抑制されるので、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に過昇温した第１熱媒体が供給されるのが抑制され、燃料電池１内の温度変動を抑制することができる。
また、熱交換器４の一次流路２２に急激に加熱された第１熱媒体、場合によっては、沸騰した第１熱媒体が供給されることが抑制されるので、熱交換器４で熱交換される第２熱媒体が過剰に加熱されるのが抑制される。このため、過昇温した第２熱媒体が貯湯タンク５に供給されるのが抑制される。
さらに、第１熱媒体が余剰電力ヒータ２で急激に加熱され、場合によっては、沸騰されることにより、第１熱媒体中の溶存酸素が気化したり、水蒸気が生成したりして、ガスが生成されるが、この生成されたガスは、第１熱媒体タンク３で捕集される。このため、生成されたガスが、熱交換器４の一次流路２２に流入し、一次流路内に溜まることを抑制することができ、従来よりも、より安定した第１熱媒体の循環を維持することができる。また、第１熱媒体が安定して循環することにより、熱交換器４で安定して熱交換ができ、燃料電池１内を適切な温度に保つことができる。なお、熱交換器４でのガスの滞留を抑制するという意味においては、第２ポンプ７の配設位置は、第１熱媒体経路５１のいずれの箇所であっても構わない。従って、本実施の形態においては、第２ポンプ７を、熱交換器４の下流の第１熱媒体経路５１ａに設けているが、これは、例示に過ぎず、本例に限定されるものではない。ただし、第２ポンプ７は、第１熱媒体タンク３より下流の第１熱媒体経路５１、または余剰電力ヒータ２より上流の第１熱媒体経路５１に設けられることがより好ましい。これは、余剰電力ヒータ２の急激な加熱により生成したガスが第２ポンプ７に詰まること（いわゆる、ガス噛みの発生）を抑制するためである。
また、第２ポンプ７の配設位置は、余剰電力ヒータ２より上流の第１熱媒体経路５１よりも、第１熱媒体タンク３より下流の第１熱媒体経路５１（第１熱媒体往路５１ａ）に設けることがより好ましい。これは、第１熱媒体は、燃料電池１を通過する間に加熱され溶存酸素が気化する可能性があるため、余剰電力ヒータ２より上流の第１熱媒体経路５１に第２ポンプ７を配設すると、ガス噛みする可能性がある。一方、第２ポンプ７を、第１熱媒体タンク３より下流の第１熱媒体経路５１（第１熱媒体往路５１ａ）に設けると、燃料電池１を通過した間に第１熱媒体より生成したガスは、第１熱媒体タンク３に補集されるので、第２ポンプ７でのガス噛みの可能性が抑制されるからである。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａ（第１熱媒体経路５１の熱交換器４の下流側）に第１温度検出器１５が設けられている点が異なる。
具体的には、第１温度検出器１５は、第１熱媒体往路５１ａにおける第２ポンプ７の下流側に設けられている。そして、第１温度検出器１５は、第１熱媒体往路５１ａを通流し、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に供給される第１熱媒体の温度を検出するように構成されており、検出した温度は、制御器（第１制御器）１０に出力される。なお、ここでは、制御器１０を本発明の第１制御器の一例として構成したが、これに限定されず、制御器１０とは、別途独立した制御器（コンピュータ）によって、第１制御器が構成されてもよい。また、燃料電池１（正確には、第１熱媒体流路２１）内に供給される第１熱媒体の温度をより正確に検出する観点から、第１温度検出器１５は、第１熱媒体往路５１ａの中でも第１熱媒体往路５１ａの下流端に近い位置に設けられることがより好ましい。
制御器１０は、第１温度検出器１５で検出された温度に基づき、第１ポンプ６を制御する。具体的には、第１温度検出器１５で検出される温度が、所定の温度（例えば、６０℃）になるように、第１ポンプ６の操作量を調整して、第２熱媒体経路５２を通流する第２熱媒体の流量を制御する。
例えば、第１温度検出器１５の検出温度が、所定の温度より高い６２℃になった場合には、制御器１０は、第１ポンプ６に操作量を増加させる制御信号を出力する。第１ポンプ６は、制御器１０からの制御信号が入力されると、その操作量を増加させて、第２熱媒体の流量を増加させる。これにより、熱交換器４において二次流路２３内の第２熱媒体より回収される熱量が大きくなって、第１熱媒体の温度を下げることができる。一方、第１温度検出器１５の検出温度が、例えば、所定の温度より低い５８℃になった場合には、制御器１０は、第１ポンプ６を制御して、その操作量を減少させて、第２熱媒体の流量を減少させる。これにより、熱交換器４において二次流路２３内の第２熱媒体より回収される熱量が小さくなって、第１熱媒体の温度を上げることができる。
ところで、上記特許文献１には、冷却水流路２０２における発熱体２０６と熱交換器２０３との間（冷却水流路２０２の発熱体２０６の下流側）に温度検知器２１０が設けられていて、排熱回収水ポンプ２０９の操作量を温度検知器２１０の検知した温度に基づいて制御することが開示されている。燃料電池は、電力負荷の急激な変動に追随して発電量を調整することができないため、余剰電力の急激な変動が生じる。このため、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、発熱体２０６に供給される余剰電力の急激な変動によって、発熱体２０６で加熱される冷却水の温度も急激に変動するので、排熱回収水ポンプ２０９をその温度変動に追随してその操作量を制御すると、燃料電池２０１に流入する冷却水の温度が安定しないおそれがある。
また、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、冷却水流路２０２における発熱体２０６と熱交換器２０３との間に温度検知器２１０が設けられているため、燃料電池２０１に供給される冷却水の正確な温度を検知するために、さらに温度検知器を設ける必要があり、燃料電池システムの低コスト化を図ることができない。
しかしながら、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、余剰電力ヒータ２の下流側に第１熱媒体タンク３が設けられているため、余剰電力の急激な変動により、温度変動した第１熱媒体は、第１熱媒体タンク３内に供給され、第１熱媒体タンク３に貯えられている第１熱媒体によりその温度変動が緩和される。また、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、第１熱媒体タンク３の下流側に熱交換器４が設けられているため、第１熱媒体の温度変動はさらに緩和される。
そして、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、第１温度検出器１５が第１熱媒体経路５１の熱交換器４の下流側に設けられている。このため、余剰電力の急激な変動が生じても、第１熱媒体タンク３及び熱交換器４により、第１熱媒体往路５１ａを通流する第１熱媒体は、温度変動がより緩和され、第１温度検出器１５の検出温度に基づく第１ポンプ６の操作量の制御を安定して行うことができる。その結果、余剰電力の急激な変動が生じても、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に流入する冷却水の温度が従来よりも安定する。
このように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、簡素な構成で、第１温度検出器１５で検出された温度に基づき、第１ポンプ６の操作量を制御することにより、熱交換器４での熱交換量を調整し、第１熱媒体の温度を安定して調整することができる。また、第１熱媒体の温度が安定して調整されることにより、燃料電池１内の温度を安定して調整することができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに第２温度検出器１６が設けられている点が異なる。
具体的には、第２温度検出器１６は、第１熱媒体復路５１ｂにおける余剰電力ヒータ２の上流側に設けられている。そして、第２温度検出器１６は、燃料電池１の第１熱媒体流路２１から排出される第１熱媒体の温度を検出するように構成されており、検出した温度は、制御器（第２制御器）１０に出力される。なお、ここでは、制御器１０を第２制御器の一例として構成したが、これに限定されず、制御器１０とは、別途独立した制御器（コンピュータ）によって、第２制御器が構成されてもよい。また、燃料電池１（正確には、第１熱媒体流路２１）から排出される第１熱媒体の温度をより正確に検出する観点から、第２温度検出器１６は、第１熱媒体復路５１ｂの上流端に近い位置に設けられることが好ましい。
制御器１０は、第１及び第２温度検出器１５、１６で検出された温度に基づき、第２ポンプ７の操作量を制御する。具体的には、制御器１０は、第２温度検出器１６で検出される温度が、第１温度検出器１５で検出された温度（例えば、６０℃）と、第１熱媒体の沸点１００℃と、の平均である８０℃よりも、低い所定温度（例えば、７０℃）になるように、第２ポンプ７（ここでは、第１ポンプ６を含む）の操作量を制御している。この場合、第２温度検出器１６の検出温度が上記所定温度よりも上昇すると、燃料電池１の生成熱の回収量を増加させるため、第２ポンプ７の操作量を増大させて第１熱媒体の流量を増加させ、第２温度検出器１６の検出温度を低下させ、第２温度検出器１６の検出温度が低下すると燃料電池１の生成熱の回収量を低減させるため、第２ポンプの操作量を減少させ、第２温度検出器１６の検出温度を上昇させる。
ところで、燃料電池１が固体高分子形燃料電池の場合、発電により、通常、発電量の熱量換算値と同等の熱量を生成する（すなわち、燃料電池の生成熱量≒燃料電池の発電量の熱量換算値）が、この生成熱により、第１熱媒体の温度が上昇する。例えば、上述したように燃料電池システム１００を運転中に、余剰電力が生じていない状態で、第１温度検出器１５で検出された温度が６０℃であり、第２温度検出器１６で検出された温度が７０℃である場合、燃料電池１での生成熱により、第１熱媒体が１０℃だけ温度上昇したといえる。
このような燃料電池システム１００の運転中に上述の同じ発電量で、かつ、外部電力負荷１４での電力消費が突然停止した場合、燃料電池１で発電した全発電量が、余剰電力ヒータ２に通電される。ここで、例えば、余剰電力ヒータが抵抗加熱型のヒータである場合、電熱交換効率はほぼ１００％であるため、「余剰電力ヒータの発熱量≒燃料電池の発電量の熱量換算値」となり、さらに、固体高分子形燃料電池では、「燃料電池の生成熱量≒燃料電池の発電量の熱量換算値」であることを考慮すると、「余剰電力ヒータの発熱量≒燃料電池の生成熱量」となる。従って、余剰電力ヒータ２で加熱された第１熱媒体の温度上昇は、余剰電力が０の場合に比べて、さらに、約１０℃の温度上昇が見込まれる。このため、第１熱媒体タンク３に導入される第１熱媒体の温度は、約８０℃となり、外部電力負荷１４における電力消費の変動により余剰電力ヒータ２への通電量が急激に上昇しても、第１熱媒体が沸騰するまで加熱されるのが抑制される。これにより、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体流量がより安定し、燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度を適切な温度で安定して保つことができ、また、燃料電池１内を適切な温度で保つことができる。
このように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、実施の形態２に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、燃料電池１の第１熱媒体流路２１から排出される第１熱媒体の温度（第２温度検出器１６で検出される温度）を、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に供給される第１熱媒体の温度（第１温度検出器１５で検出される温度）と第１熱媒体の沸点の平均温度よりも低い、所定の温度になるように、第２ポンプ７の操作量を制御することにより、外部電力負荷１４の変動により余剰電力ヒータへの通電量が急激に上昇しても、余剰電力ヒータ２で加熱された第１熱媒体の温度は、沸点未満となり、安定的に第１の熱媒体の沸騰を抑制することができる。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、余剰電力ヒータ２で第１熱媒体が沸騰するまで加熱されるのが抑制されることにより、第１熱媒体の温度を適切な温度でより安定して保つことができ、また、燃料電池１内を適切な温度でより保つことができる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図４に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１熱媒体経路５１における第１熱媒体復路５１ｂの余剰電力ヒータ２と第１熱媒体タンク３との間の部分５５が、第１熱媒体の鉛直方向の流れの向きが、鉛直上向きになるように構成されている点が異なる。具体的には、部分５５を構成する配管における第１熱媒体の流れが、鉛直方向上向きになるよう構成されている。
これにより、余剰電力の急激な増加により、第１熱媒体が余剰電力ヒータ２で急激に加熱され、場合によっては、沸騰して、水蒸気等のガスが生成しても、生成したガスは、ガスの浮力により、部分５５に滞留することなく、第１熱媒体とともに部分５５を通流して、第１熱媒体タンク３に流入する。そして、第１熱媒体タンク３に流入したガスは、第１熱媒体タンク３の空隙部３ａに捕集されるので、第１熱媒体復路５１ｂの第１熱媒体タンクの下流側に流出することがない。このため、余剰電力ヒータ２の加熱により発生したガスが第１熱媒体タンク３に至るまでの第１熱媒体経路５１内に滞留することなく、より確実に第１熱媒体タンク３に捕集することができるため、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体の流量をより安定にすることができる。また、第１熱媒体の流量が安定することにより、熱交換器４での第２熱媒体との熱交換がより安定し、燃料電池１に供給される第１熱媒体の温度がより安定するため、燃料電池１内の温度もより安定する。
なお、本実施の形態においては、第１熱媒体復路５１ｂの部分５５を第１熱媒体の流れにおいて、鉛直方向上向きに流れるように構成したが、これに限定されず、部分５５が、水平または上り勾配であれば構わない。なお、ここでいう「上り勾配」とは、部分５５において第１熱媒体の流れの鉛直方向成分が鉛直下向きにならないように構成されていることを指し、具体的には、部分５５は、斜めに傾斜していてもよく、また、水平部分と鉛直方向上向きの部分とが混在する構成としてもよく、また、水平部分と斜めに傾斜する部分とが混在する構成であっても構わない。
また、上述においては説明しなかったが、本実施の形態の燃料電池システムに対して、実施の形態２や実施の形態３における燃料電池システムのような第１ポンプ６又は第２ポンプ７の制御を実施するように構成しても構わない。
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図５に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、余剰電力ヒータ２が第１熱媒体タンク３内部に設けられている点と、第１熱媒体タンク３に、圧力検出器１７、連通流路１８、及び開閉弁１９からなる圧抜き器が設けられている点が異なる。
具体的には、余剰電力ヒータ２は、第１熱媒体タンク３の内部に設けられていて、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱することができるように構成されている。また、第１熱媒体タンク３の内部には、水位検出器（図示せず）が設けられていて、検出した水位を制御器１０に出力している。制御器１０は、水位検出器で検出された水位に基づいて、適宜な手段（例えば、第１熱媒体の第１熱媒体タンク３への補給する水補給器）により、余剰電力ヒータ２が第１熱媒体の液面下に常に位置するように、第１熱媒体の水位を調整している。
これにより、燃料電池１で発電した電力のうち外部電力負荷１４で消費されない余剰の電力が、余剰電力ヒータ２に通電されると、直接第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体が加熱されるため、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに設ける構成よりも、放熱ロスが少なく（つまり、実施の形態３の部分５５における放熱ロスがなく）、効率よく余剰電力を熱エネルギーとして利用することができ、燃料電池システム１００の省エネルギー性をより高めることができる。
また、余剰電力の急激な増加により、第１熱媒体が余剰電力ヒータ２で急激に加熱され、場合によっては、沸騰して、水蒸気等のガスが生成しても、生成したガスは、空隙部３ａに捕集されるため、第１熱媒体経路５１には流出しない。このため、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体の流量をより安定にすることができ、また、第１熱媒体の流量が安定することにより、熱交換器４での第２熱媒体との熱交換がより安定して行うことができる。そして、熱交換器４での熱交換がより安定することにより、燃料電池１に供給される第１熱媒体の温度がより安定するため、燃料電池１内の温度もより安定する。
また、第１熱媒体タンク３の上部には、第１熱媒体タンク３内部の空隙部３ａと外気を連通する連通流路１８が設けられていて、該連通流路１８の途中には、開閉弁１９が設けられている。さらに、第１熱媒体タンク３の上部には、圧力検出器１７が設けられている。圧力検出器１７は、第１熱媒体タンク３の空隙部３ａの圧力を検出し、検出した空隙部３ａの圧力を制御器１０に出力するように構成されている。そして、制御器１０は、圧力検出器１７で検出した圧力に基づき、開閉弁１９の弁の開閉を調節している。具体的には、制御器１０は、空隙部３ａの圧力が、所定の圧力Ｐｃ（例えば、第１熱媒体経路５１を構成する配管の設計圧力より低い圧力になると、開閉弁１９の弁を開き、空隙部３ａの圧力が、所定の圧力Ｐｃより小さくなるように制御する。そして、空隙部３ａの圧力が、所定の圧力Ｐｃより小さくなると、開閉弁１９の弁を閉じるように制御する。なお、ここでは、連通流路１８、及び開閉弁１９を備える圧抜き器を第１熱媒体タンク３に設ける構成としたが、これに限定されず、単に、連通流路１８を設けて、第１熱媒体タンク３を大気開放する構成としてもよい。
これにより、余剰電力ヒータ２で第１熱媒体が急激に加熱され、場合によっては、沸騰することにより生成した水蒸気等のガスを空隙部３ａで捕集することで、空隙部３ａの圧力が上昇しても、開閉弁１９の弁を開けることにより、空隙部３ａと外気とが連通し、空隙部３ａの圧力を所定の圧力Ｐｃより小さくすることができ、第１熱媒体タンク３内の圧力上昇（圧力変動）を抑制することができる。また、第１熱媒体タンク３内の圧力上昇を抑制することにより、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体の流量をより安定にすることができ、また、第１熱媒体の流量が安定することにより、熱交換器４での第２熱媒体との熱交換がより安定して行うことができる。そして、熱交換器４での熱交換がより安定することにより、燃料電池１に供給される第１熱媒体の温度がより安定するため、燃料電池１内の温度もより安定する。
このように、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、余剰電力ヒータ２が直接第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱するため、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに設ける構成よりも、放熱ロスを抑制することができ、燃料電池システム１００の省エネルギー性をより高めることができる。
なお、上述においては説明しなかったが、本実施の形態の燃料電池システムに対して、実施の形態２や実施の形態３における燃料電池システムのような第１ポンプ６または第２ポンプ７の制御を実施するように構成しても構わない。
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、実施の形態５に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、余剰電力ヒータ２が、第１熱媒体タンク３の外面に設けられている点が異なる。具体的には、図６に示すように、第１熱媒体タンク３の底外面（下面）に設けられていて、第１熱媒体タンク３の底部を介して、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱するように構成されている。なお、第１熱媒体タンク３の底外面より第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱するよう構成されているため、余剰電力ヒータ２から周囲の外気への放熱量等を抑制するために、余剰電力ヒータ２を断熱材で覆うよう構成することが好ましい。
このような構成とすることにより、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、上記実施の形態５と同様に、燃料電池１で発電した電力のうち外部電力負荷１４で消費されない余剰の電力が、余剰電力ヒータ２に通電されると、第１熱媒体タンク３の底部を介して、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体が加熱されるため、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに設ける構成よりも、放熱ロスが少なく（つまり、実施の形態３の部分５５における放熱ロスがなく）、効率よく余剰電力を熱エネルギーとして利用することができ、燃料電池システム１００の省エネルギー性をより高めることができる。また、本実施の形態６においては、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体タンク３の外面のうち、特に、底外面（下面）に設けているため、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体の高さに関らず、第１熱媒体タンク３の容器を間に介して、第１熱媒体と対向する位置から第１熱媒体を余剰電力ヒータ２で加熱することができるため、余剰電力ヒータ２からの熱エネルギーを効率よく第１熱媒体に伝達することができ、燃料電池システム１００の更なるエネルギー効率を向上させることができる。なお、上述においては説明しなかったが、本実施の形態の燃料電池システムに対して、実施の形態２や実施の形態３における燃料電池システムのような第１ポンプ６または第２ポンプ７の制御を実施するように構成しても構わない。
なお、上記実施の形態１〜５においては、第２熱媒体経路５２に貯湯タンク５を接続し、貯湯タンク５から熱負荷に貯湯水を供給する構成としたが、これに限定されず、第２熱媒体経路５２から直接熱負荷に貯湯水を供給する構成としてもよい。
また、上記実施の形態２及び３においては、第１温度検出器１５で検出された温度に基づき、第１ポンプ６の操作量を調整したが、これに限定されず、例えば、第２熱媒体経路５２に温度検出器を設けて、該温度検出器で検出された温度に基づいて、第１ポンプ６の操作量を調整してもよい。
さらに、第１熱媒体として、水を用いたが、これに限定されず、例えば、不凍液を用いてもよい。
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形態が明らかである。従って、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態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の燃料電池システムは、発電時に発生した余剰電力を熱として回収する運転を行なう燃料電池システム等に有用である。また、エンジン等を用いた発電とともに発生する熱を回収するコージェネレーションシステム等の用途にも応用できる。
１ 燃料電池
２ 余剰電力ヒータ
３ 第１熱媒体タンク
４ 熱交換器
５ 貯湯タンク
６ 第１ポンプ（第１流量調整器）
７ 第２ポンプ（第２流量調整器）
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ インバータ
１０ 制御器
１１ 系統連系点
１２ 系統電源
１３ 電流検出器
１４ 外部電力負荷
１５ 第１温度検出器
１６ 第２温度検出器
１７ 圧力検出器
１８ 連通流路
１９ 開閉弁
２１ 第１熱媒体流路
２２ 一次流路
２３ 二次流路
５１ 第１熱媒体経路
５１ａ 第１熱媒体往路
５１ｂ 第１熱媒体復路
５２ 第２熱媒体経路
５２ａ 第２熱媒体往路
５２ｂ 第２熱媒体復路
５３ 水供給路
５４ 貯湯水供給路
５５ 部分
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
２０１ 燃料電池
２０２ 冷却水流路
２０３ 熱交換器
２０４ 貯湯槽
２０５ 温水流路
２０６ 発熱体
２０７ 発熱体
２１０ 温度検知器
本発明は、燃料電池システムの構成に関する。
燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行い、反応により生じた熱を回収して湯水をして貯え、この湯水を外部への熱供給に有効利用するシステムである。このような燃料電池システムは、系統電源と系統連系されており、燃料電池等で発電した電力と系統電源からの電力が、外部電力負荷（例えば、家庭の使用電力負荷）に供給される。
ところで、燃料電池システムを構成する燃料電池は、外部電力負荷の負荷変動に対する出力変化（追随）速度が遅いため、コージェネレーションシステムから電力供給を受ける全機器の総消費電力が、コージェネレーションシステムから出力される出力電力を下回る場合、余剰電力が発生し、系統電源への電力の逆潮流が生じる。これを防止するために、余剰電力をヒータで熱に変換して有効利用する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図７に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００は、燃料電池２０１、冷却水流路２０２、熱交換器２０３、貯湯槽２０４、温水流路２０５、及び発熱体２０６、２０７を備えている。
燃料電池２０１には、冷却水流路２０２が接続されていて、貯湯槽２０４には、温水流路２０５が接続されている。そして、冷却水流路２０２を通流する冷却水と、温水流路２０５を通流する温水と、の間で熱交換を行えるように、熱交換器２０３は、冷却水流路２０２と温水流路２０５を跨ぐように設けられている。また、冷却水流路２０２には、冷却水ポンプ２０８が設けられていて、一方、温水流路２０５には、排熱回収水ポンプ２０９が設けられている。さらに、冷却水流路２０２及び温水流路２０５には、それぞれ、発熱体２０６、２０７が設けられている。
このように構成された特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、余剰電力が発生した場合に、発生した余剰電力を発熱体２０６、２０７で消費して熱に変換することにより、系統電源への電力の逆潮流を防止することができる。
また、従来の燃料電池システムでは、冷却水流路を通流する冷却水を貯える（冷却）水タンクを有していて、水タンクは、効率的な熱回収を図るために熱交換器の下流側に設けられているのが、一般的である（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−１２５６４号公報 特開２００４−２１３９８５号広報
ところで、一般家庭では、設置されている複数の電化製品が様々なタイミングで使用されるため、電力消費量が大きく変動する。このため、電力負荷が急激に減少した場合に、余剰電力が急激に増加する場合がある。このような場合に、上記特許文献１に開示されている燃料電池システム２００の構成では、余剰電力の急激な増加によって、発熱体２０６で冷却水が急激に加熱され、場合によっては、冷却水が沸騰する可能性がある。
冷却水の急激な加熱により、冷却水中の溶存酸素等が気化したガスや、冷却水の沸騰によって生成された水蒸気等のガスが、冷却水流路２０２（例えば、熱交換器２０３）に溜まり、安定した冷却水の循環が維持できなくなる可能性がある。
そして、安定した冷却水の循環が維持されなくなると、熱交換器２０３での安定した熱交換ができなくなり、燃料電池２０１の温度が上昇して、燃料電池２０１内を適正な温度に保つことができなくなるという問題があった。
また、冷却水が急激に加熱され、場合によっては、沸騰すると、温水流路２０５を通流する温水が、熱交換器２０３で急激に加熱された冷却水、場合によっては、沸騰した冷却水と熱交換することで、通常よりも過剰に加熱され、過昇温した温水が、貯湯槽２０４に供給されるおそれがあった。過昇温した温水が貯湯槽に貯えられると、貯湯槽２０４内の温水が外部に供給される場合、市水と混合して温度低下を図っても使用者の所望する最適な温度にまで温度が低下せず、高温の温水が供給されて、使用者が火傷する可能性がある。
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池を冷却する上記冷却水等に例示される熱媒体が、余剰電力の急激な変動により、余剰電力ヒータで冷却水が急激に加熱され、過昇温したり、場合によっては、沸騰したりすることで、上述のように冷却水よりガスが生成しても、熱交換器での熱交換を従来よりも安定して行える燃料電池システムを提供することを第１の目的とする。また、本発明は、急激に加熱された熱媒体、場合によっては、沸騰した熱媒体が熱交換器に供給されるのを抑制することにより、上記温水に例示される第２熱媒体が、過昇温した状態で、上記貯湯タンクに例示される蓄熱器に供給されるのを抑制し、安全に運転することができる燃料電池システムを提供することを第２の目的とする。
以上のような課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が通流する第１熱媒体経路と、第２熱媒体が通流する第２熱媒体経路と、前記第１熱媒体経路と前記第２熱媒体経路とに跨がって設けられ、前記第１熱媒体経路を通流する前記第１熱媒体と、前記第２熱媒体経路を通流する前記第２熱媒体との間で熱交換するための熱交換器と、前記燃料電池を冷却した前記第１熱媒体を前記熱交換器に流入するまでに加熱し、前記燃料電池の余剰電力を消費する余剰電力ヒータと、前記第１熱媒体経路に設けられ、前記第１熱媒体を貯えるタンクと、を備え、前記タンクは前記余剰電力ヒータで加熱された前記第１熱媒体と前記タンク内の前記第１熱媒体とが混合するように構成されている。
これにより、余剰電力の急激な増加により、余剰電力ヒータで加熱された第１熱媒体が過昇温したり、場合によっては、沸騰したりすることで、冷却水中の溶存酸素が気化したり、水蒸気化によりガスが生成しても、第１熱媒体経路内のガス滞留により第１熱媒体の流量が不安定になる可能性が抑制され、熱交換器において第２の熱媒体との安定した熱交換が行われる。また、急激に加熱された第１熱媒体が、また、場合によっては、沸騰した第１熱媒体がタンク内の第１熱媒体と混合することにより、タンク内で温度が平準化された第１熱媒体が熱交換器に供給されるため、熱交換器を通過した第２熱媒体の温度が過昇温する可能性を低減することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記余剰電力ヒータは前記第１熱媒体経路に設けられ、該余剰電力ヒータで加熱された第１熱媒体が前記タンク内に流入するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記タンク内に前記余剰電力ヒータが設けられていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記タンクは大気開放されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記タンクには圧抜き器が設けられていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１熱媒体経路の前記余剰電力ヒータと前記タンクとの間の部分は、水平又は前記第１熱媒体の流れにおいて上り勾配になるように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１熱媒体経路の前記熱交換器よりも下流側に設けられた第１温度検出器と、前記第２熱媒体流路を通流する前記第２熱媒体の流量を調整する第１流量調整器と、前記第１温度検出器の検出温度に基づき前記第１流量調整器を制御する第１制御器と、を備えていてもよい。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１熱媒体経路の前記熱交換器よりも下流側に設けられた第１温度検出器と、前記燃料電池を冷却した後、前記余剰電力ヒータで加熱される前の前記第１熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、前記第１熱媒体経路を通流する前記第１熱媒体の流量を調整する第２流量調整器と、前記第２温度検出器の検出温度が前記第１温度検出器の検出温度と前記１熱媒体の沸点との平均温度よりも低くなるように前記第２流量調整器を制御する第２制御器と、を備えていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システムによれば、余剰電力の急激な変動により、余剰電力ヒータで急激に加熱された第１熱媒体、又は場合によっては第１熱媒体が沸騰したような場合でも、沸騰により生成された水蒸気等のガスをタンク内で捕集することにより第１熱媒体経路内のガス滞留が抑制され、熱交換器での熱交換を安定して行える。また、タンク内の第１熱媒体と混合されることで、熱交換器に供給される第１熱媒体の温度上昇が抑制され、熱交換器通過後の第２熱媒体が過昇温する可能性が低減される。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図６は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図７は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。
[燃料電池システムの構成]
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１、余剰電力ヒータ２、第１熱媒体タンク３、熱交換器４、及び制御器１０を備えている。
燃料電池１には、燃料ガス供給装置（図示せず）と酸化剤ガス供給装置（図示せず）が接続されており、これらの供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を電気化学反応させることにより、電力と熱を発生する。
また、燃料電池１には、電気化学反応により発生した排熱を回収するために第１熱媒体が流れる第１熱媒体流路２１が設けられている。
燃料電池１内の第１熱媒体流路２１の入口には、第１熱媒体往路５１ａの下流端が接続されており、第１熱媒体往路５１ａの上流端は、熱交換器４の一次流路２２の出口に接続されている。また、熱交換器４の一次流路２２の入口には、第１熱媒体復路５１ｂの下流端が接続されており、第１熱媒体復路５１ｂの上流端は、燃料電池１内の第１熱媒体流路２１の出口に接続されている。上記のような構成により、第１熱媒体経路５１は、第１熱媒体往路５１ａ、第１熱媒体復路５１ｂ、第１熱媒体流路２１、及び一次流路２２により構成される。
また、第１熱媒体往路５１ａの途中には、流量調整が可能な第２ポンプ（第２流量調整器）７が設けられていて、第１熱媒体復路５１ｂの途中には、余剰電力ヒータ２と、第１熱媒体（ここでは、冷却水）を貯えるための第１熱媒体タンク３と、がこの順で設けられている。余剰電力ヒータ２は、燃料電池１で発電した電力のうち余剰の電力が通電され、第１熱媒体往路５１ａを通流する第１熱媒体を加熱するように構成されている。なお、本発明の第２流量調整器として、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いてもよい。
また、熱交換器４の二次流路２３には、第２熱媒体往路５２ａと第２熱媒体復路５２ｂとが接続されていて、これらの第２熱媒体往路５２ａ、第２熱媒体復路５２ｂ及び二次流路２３より構成される第２熱媒体経路５２は、蓄熱器としての貯湯タンク５と接続されている。具体的には、熱交換器４の二次流路２３の入口には、第２熱媒体復路５２ｂの下流端が接続されており、その上流端は、貯湯タンク５の下端部に接続されている。貯湯タンク５の上端部には、第２熱媒体往路５２ａの下流端が接続されており、その上流端は、熱交換器４の二次流路２３の出口に接続されている。また、第２熱媒体復路５２ｂの途中には、流量調節可能な第１ポンプ（第１流量調整器）６が設けられている。なお、本発明の第１流量調整器として、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いてもよい。
貯湯タンク５は、ここでは、鉛直方向に延びるように形成されていて、貯湯タンク５の下端部には、市水を供給するための水供給路５３が接続されており、貯湯タンク５の上部には、貯湯水を利用者に供給するための貯湯水供給路５４が接続されている。また、貯湯水供給路５４には、貯湯水を利用する熱負荷が接続されている（図示せず）。熱負荷としては、例えば、給湯機器、暖房機器や空調機器が挙げられる。
これにより、燃料電池１の排熱を回収した第１熱媒体は、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体復路５１ｂを通流して、熱交換器４内の一次流路２２に供給される。一次流路２２に供給された第１熱媒体は、熱交換器４の一次流路２２を通流する間に、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４内の二次流路２３に供給された第２熱媒体と熱交換して、冷却される。冷却された第１熱媒体は、第１熱媒体往路５１ａを通流して、燃料電池１の第１熱媒体流路２１の入口に供給される。一方、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４の二次流路２３に供給された第２熱媒体（ここでは、貯湯水）は、熱交換器４の二次流路２３を通流する間に、一次流路２２を通流する第１熱媒体によって加熱される。加熱された第２熱媒体は、第２熱媒体復路５２ｂを通流して、貯湯タンク５の上端部に供給される。このような構成により、貯湯タンク５は、下部には市水温度に近い温度の低い水が貯えられ、熱交換器４により高温化した第２熱媒体が上部より貯えられる、いわゆる積層沸き上げ型の貯湯タンクとなる。
なお、燃料電池１の排熱を回収した第１熱媒体は、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体復路５１ｂを通流する間に、余剰電力が発生すると、余剰電力ヒータ２によりさらに加熱される。また、上記の第１熱媒体及び第２熱媒体の流動方向（図１に矢印で示す方向）は、発電時における流動方向であり、燃料電池１の暖機運転時には、第２熱媒体の流動方向は、これと逆方向になる。
また、燃料電池１の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の入力端子（図示せず）が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池１で発生した直流電力を所定の電圧に昇圧するように構成されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力端子には、適宜な配線により、インバータ９の入力端子（図示せず）が接続されている。インバータ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で昇圧された直流電力を交流電力に変換するように構成されている。
インバータ９の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により余剰電力ヒータ２が接続されている。また、インバータ９の出力端子には、系統連系点１１を介して、系統電源１２が接続されている。すなわち、燃料電池１の出力電力と系統電源１２からの電力が、系統連系点１１で系統連系されている。なお、ここでは、余剰電力ヒータ２をインバータ９の出力端子に接続したが、これに限定されず、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力端子に接続してもよい。
系統連系点１１には、適宜な配線により、外部電力負荷１４が接続されている。外部電力負荷１４は、ここでは、一般家庭で使用される電力消費機器を想定している。さらに、系統連系点１１とインバータ９との間には、電流検出器１３が設けられている。
電流検出器１３は、系統電源１２から供給される電流量を検出し、検出した電流値は、制御器１０に出力される。電流検出器１３は、ここでは、カレントトランス等の電流センサで構成されており、電流の大きさを電力の大きさとして検出し、また、電流の向きを検出することで、逆潮流が発生しているかを検出している。なお、電流検出器１３として、例えば、シャント抵抗を用いた電流センサ、カレントトランスを系統電線にクランプし、１次電流に比例した２次巻き線電流から電流検知するクランプ式交流電流センサ、交流電流を直接計測する交流電流計等を使用してもよい。
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で昇圧された直流電力が、インバータ９で交流電力に変換され、系統電源１２と系統連系しながら、外部電力負荷１４に電力が供給される。そして、系統電源１２から供給される電力を電流検出器１３が検出し、検出した電力が制御器１０に出力される。
制御器１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵからなる演算処理部、半導体メモリから構成された記憶部（内部メモリ）、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システムに関する各種の制御を行う。
また、演算処理部は、電流検出器１３にて検出された電流の向きに基づいて、逆潮流が生じているか否かを検出し、また、電流検出器１３にて検出された電流値に応じて、余剰電力ヒータ２への電力供給量を制御している。具体的には、制御器１０の演算処理部は、電流検出器１３で検出される電流が、系統電源１２へ流れないように、余剰電力ヒータ２への電力供給量を制御している。すなわち、燃料電池システム１００には、例えば、余剰電力ヒータ２への供給電圧を制御する電圧調整器（出力電圧を調整可能な電圧変換器：図示せず）が設けられていて、この電圧調整器の出力電圧を調整することにより、余剰電力ヒータ２の消費電力が調整される。制御器１０は、この電圧調整器の出力電圧を制御することにより、余剰電力ヒータ２への電力供給量を制御する。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。
[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について、図１を参照しながら説明する。
まず、燃料電池１の図示されないアノード及びカソードに、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置から、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応により、電力と熱が発生する。燃料電池１で発生した電力（直流電力）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で昇圧され、昇圧された直流電力は、インバータ９に供給される。インバータ９では、供給された直流電力を交流電力に変換され、系統電源１２と系統連系しながら、外部電力負荷１４に電力が供給される。
一方、燃料電池１で発生した熱（排熱）は、第１熱媒体流路２１に供給された第１熱媒体により回収される。燃料電池１の排熱を回収した第１熱媒体は、第１熱媒体復路５１ｂに流出し、該第１熱媒体復路５１ｂを通流して、第１熱媒体タンク３に戻る。第１熱媒体タンク３に戻った第１熱媒体は、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体と混合され、温度が平準化される。そして、第１熱媒体タンク３内に供給された第１熱媒体は、さらに、第１熱媒体復路５１ｂを通流して、熱交換器４の一次流路２２に供給される。
熱交換器４の一次流路２２に供給された第１熱媒体は、熱交換器４の一次流路２２を通流する間に、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４の二次流路２３に供給された第２熱媒体と熱交換して、冷却される。冷却された第１熱媒体は、第１熱媒体往路５１ａを通流して、燃料電池１の第１熱媒体流路２１の入口に供給される。
一方、貯湯タンク５の下端部から熱交換器４の二次流路２３に供給された第２熱媒体は、熱交換器４の二次流路２３を通流する間に、加熱される。加熱された第２熱媒体は、第２熱媒体往路５２ａを通流して、貯湯タンク５の上端部に戻る。貯湯タンク５に戻った第２熱媒体は、需要に応じて、貯湯水供給路５４を通流して熱負荷に供給され、利用者にお湯として使用される。また、貯湯タンク５内の第２熱媒体が減少すると、制御器１０の制御により、水供給路５３から市水が供給される。
なお、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体は、制御器１０からの制御信号に基づいて、第２ポンプ７により、その流量が調整され、同様に、第２熱媒体経路５２を通流する第２熱媒体は、制御器１０からの制御信号に基づき、第１ポンプ６により、その流量が調整される。
ところで、外部電力負荷１４で消費される電力が、燃料電池１で発電された電力よりも小さい場合、余剰電力が発生する。この余剰電力は、上述したように、余剰電力ヒータ２に供給され、第１熱媒体復路５１ｂを通流する第１熱媒体が加熱される。そして、特に、外部電力負荷１４で消費される消費電力量が急激に減少した場合、余剰電力が急激に増加し、余剰電力ヒータ２で第１熱媒体が急激に加熱され、場合によっては、沸騰する（又は、沸騰に近い温度までに加熱される）可能性がある。
このような場合においても、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、高温の第１熱媒体が第１熱媒体タンク３に供給される（戻る）ため、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体と混合され、第１熱媒体タンク３内で第１熱媒体の温度の平準化がされる。これにより、熱交換器４の一次流路２２に過昇温したり、もしくは沸騰したりして、第１熱媒体が供給されることが抑制されるので、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に過昇温した第１熱媒体が供給されるのが抑制され、燃料電池１内の温度変動を抑制することができる。
また、熱交換器４の一次流路２２に急激に加熱された第１熱媒体、場合によっては、沸騰した第１熱媒体が供給されることが抑制されるので、熱交換器４で熱交換される第２熱媒体が過剰に加熱されるのが抑制される。このため、過昇温した第２熱媒体が貯湯タンク５に供給されるのが抑制される。
さらに、第１熱媒体が余剰電力ヒータ２で急激に加熱され、場合によっては、沸騰されることにより、第１熱媒体中の溶存酸素が気化したり、水蒸気が生成したりして、ガスが生成されるが、この生成されたガスは、第１熱媒体タンク３で捕集される。このため、生成されたガスが、熱交換器４の一次流路２２に流入し、一次流路内に溜まることを抑制することができ、従来よりも、より安定した第１熱媒体の循環を維持することができる。また、第１熱媒体が安定して循環することにより、熱交換器４で安定して熱交換ができ、燃料電池１内を適切な温度に保つことができる。なお、熱交換器４でのガスの滞留を抑制するという意味においては、第２ポンプ７の配設位置は、第１熱媒体経路５１のいずれの箇所であっても構わない。従って、本実施の形態においては、第２ポンプ７を、熱交換器４の下流の第１熱媒体経路５１ａに設けているが、これは、例示に過ぎず、本例に限定されるものではない。ただし、第２ポンプ７は、第１熱媒体タンク３より下流の第１熱媒体経路５１、または余剰電力ヒータ２より上流の第１熱媒体経路５１に設けられることがより好ましい。これは、余剰電力ヒータ２の急激な加熱により生成したガスが第２ポンプ７に詰まること（いわゆる、ガス噛みの発生）を抑制するためである。
また、第２ポンプ７の配設位置は、余剰電力ヒータ２より上流の第１熱媒体経路５１よりも、第１熱媒体タンク３より下流の第１熱媒体経路５１（第１熱媒体往路５１ａ）に設けることがより好ましい。これは、第１熱媒体は、燃料電池１を通過する間に加熱され溶存酸素が気化する可能性があるため、余剰電力ヒータ２より上流の第１熱媒体経路５１に第２ポンプ７を配設すると、ガス噛みする可能性がある。一方、第２ポンプ７を、第１熱媒体タンク３より下流の第１熱媒体経路５１（第１熱媒体往路５１ａ）に設けると、燃料電池１を通過した間に第１熱媒体より生成したガスは、第１熱媒体タンク３に補集されるので、第２ポンプ７でのガス噛みの可能性が抑制されるからである。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａ（第１熱媒体経路５１の熱交換器４の下流側）に第１温度検出器１５が設けられている点が異なる。
具体的には、第１温度検出器１５は、第１熱媒体往路５１ａにおける第２ポンプ７の下流側に設けられている。そして、第１温度検出器１５は、第１熱媒体往路５１ａを通流し、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に供給される第１熱媒体の温度を検出するように構成されており、検出した温度は、制御器（第１制御器）１０に出力される。なお、ここでは、制御器１０を本発明の第１制御器の一例として構成したが、これに限定されず、制御器１０とは、別途独立した制御器（コンピュータ）によって、第１制御器が構成されてもよい。また、燃料電池１（正確には、第１熱媒体流路２１）内に供給される第１熱媒体の温度をより正確に検出する観点から、第１温度検出器１５は、第１熱媒体往路５１ａの中でも第１熱媒体往路５１ａの下流端に近い位置に設けられることがより好ましい。
制御器１０は、第１温度検出器１５で検出された温度に基づき、第１ポンプ６を制御する。具体的には、第１温度検出器１５で検出される温度が、所定の温度（例えば、６０℃）になるように、第１ポンプ６の操作量を調整して、第２熱媒体経路５２を通流する第２熱媒体の流量を制御する。
例えば、第１温度検出器１５の検出温度が、所定の温度より高い６２℃になった場合には、制御器１０は、第１ポンプ６に操作量を増加させる制御信号を出力する。第１ポンプ６は、制御器１０からの制御信号が入力されると、その操作量を増加させて、第２熱媒体の流量を増加させる。これにより、熱交換器４において二次流路２３内の第２熱媒体より回収される熱量が大きくなって、第１熱媒体の温度を下げることができる。一方、第１温度検出器１５の検出温度が、例えば、所定の温度より低い５８℃になった場合には、制御器１０は、第１ポンプ６を制御して、その操作量を減少させて、第２熱媒体の流量を減少させる。これにより、熱交換器４において二次流路２３内の第２熱媒体より回収される熱量が小さくなって、第１熱媒体の温度を上げることができる。
ところで、上記特許文献１には、冷却水流路２０２における発熱体２０６と熱交換器２０３との間（冷却水流路２０２の発熱体２０６の下流側）に温度検知器２１０が設けられていて、排熱回収水ポンプ２０９の操作量を温度検知器２１０の検知した温度に基づいて制御することが開示されている。燃料電池は、電力負荷の急激な変動に追随して発電量を調整することができないため、余剰電力の急激な変動が生じる。このため、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、発熱体２０６に供給される余剰電力の急激な変動によって、発熱体２０６で加熱される冷却水の温度も急激に変動するので、排熱回収水ポンプ２０９をその温度変動に追随してその操作量を制御すると、燃料電池２０１に流入する冷却水の温度が安定しないおそれがある。
また、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、冷却水流路２０２における発熱体２０６と熱交換器２０３との間に温度検知器２１０が設けられているため、燃料電池２０１に供給される冷却水の正確な温度を検知するために、さらに温度検知器を設ける必要があり、燃料電池システムの低コスト化を図ることができない。
しかしながら、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、余剰電力ヒータ２の下流側に第１熱媒体タンク３が設けられているため、余剰電力の急激な変動により、温度変動した第１熱媒体は、第１熱媒体タンク３内に供給され、第１熱媒体タンク３に貯えられている第１熱媒体によりその温度変動が緩和される。また、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、第１熱媒体タンク３の下流側に熱交換器４が設けられているため、第１熱媒体の温度変動はさらに緩和される。
そして、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、第１温度検出器１５が第１熱媒体経路５１の熱交換器４の下流側に設けられている。このため、余剰電力の急激な変動が生じても、第１熱媒体タンク３及び熱交換器４により、第１熱媒体往路５１ａを通流する第１熱媒体は、温度変動がより緩和され、第１温度検出器１５の検出温度に基づく第１ポンプ６の操作量の制御を安定して行うことができる。その結果、余剰電力の急激な変動が生じても、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に流入する冷却水の温度が従来よりも安定する。
このように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、簡素な構成で、第１温度検出器１５で検出された温度に基づき、第１ポンプ６の操作量を制御することにより、熱交換器４での熱交換量を調整し、第１熱媒体の温度を安定して調整することができる。また、第１熱媒体の温度が安定して調整されることにより、燃料電池１内の温度を安定して調整することができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに第２温度検出器１６が設けられている点が異なる。
具体的には、第２温度検出器１６は、第１熱媒体復路５１ｂにおける余剰電力ヒータ２の上流側に設けられている。そして、第２温度検出器１６は、燃料電池１の第１熱媒体流路２１から排出される第１熱媒体の温度を検出するように構成されており、検出した温度は、制御器（第２制御器）１０に出力される。なお、ここでは、制御器１０を第２制御器の一例として構成したが、これに限定されず、制御器１０とは、別途独立した制御器（コンピュータ）によって、第２制御器が構成されてもよい。また、燃料電池１（正確には、第１熱媒体流路２１）から排出される第１熱媒体の温度をより正確に検出する観点から、第２温度検出器１６は、第１熱媒体復路５１ｂの上流端に近い位置に設けられることが好ましい。
制御器１０は、第１及び第２温度検出器１５、１６で検出された温度に基づき、第２ポンプ７の操作量を制御する。具体的には、制御器１０は、第２温度検出器１６で検出される温度が、第１温度検出器１５で検出された温度（例えば、６０℃）と、第１熱媒体の沸点１００℃と、の平均である８０℃よりも、低い所定温度（例えば、７０℃）になるように、第２ポンプ７（ここでは、第１ポンプ６を含む）の操作量を制御している。この場合、第２温度検出器１６の検出温度が上記所定温度よりも上昇すると、燃料電池１の生成熱の回収量を増加させるため、第２ポンプ７の操作量を増大させて第１熱媒体の流量を増加させ、第２温度検出器１６の検出温度を低下させ、第２温度検出器１６の検出温度が低下すると燃料電池１の生成熱の回収量を低減させるため、第２ポンプの操作量を減少させ、第２温度検出器１６の検出温度を上昇させる。
ところで、燃料電池１が固体高分子形燃料電池の場合、発電により、通常、発電量の熱量換算値と同等の熱量を生成する（すなわち、燃料電池の生成熱量≒燃料電池の発電量の熱量換算値）が、この生成熱により、第１熱媒体の温度が上昇する。例えば、上述したように燃料電池システム１００を運転中に、余剰電力が生じていない状態で、第１温度検出器１５で検出された温度が６０℃であり、第２温度検出器１６で検出された温度が７０℃である場合、燃料電池１での生成熱により、第１熱媒体が１０℃だけ温度上昇したといえる。
このような燃料電池システム１００の運転中に上述の同じ発電量で、かつ、外部電力負荷１４での電力消費が突然停止した場合、燃料電池１で発電した全発電量が、余剰電力ヒータ２に通電される。ここで、例えば、余剰電力ヒータが抵抗加熱型のヒータである場合、電熱交換効率はほぼ１００％であるため、「余剰電力ヒータの発熱量≒燃料電池の発電量の熱量換算値」となり、さらに、固体高分子形燃料電池では、「燃料電池の生成熱量≒燃料電池の発電量の熱量換算値」であることを考慮すると、「余剰電力ヒータの発熱量≒燃料電池の生成熱量」となる。従って、余剰電力ヒータ２で加熱された第１熱媒体の温度上昇は、余剰電力が０の場合に比べて、さらに、約１０℃の温度上昇が見込まれる。このため、第１熱媒体タンク３に導入される第１熱媒体の温度は、約８０℃となり、外部電力負荷１４における電力消費の変動により余剰電力ヒータ２への通電量が急激に上昇しても、第１熱媒体が沸騰するまで加熱されるのが抑制される。これにより、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体流量がより安定し、燃料電池１に流入する第１熱媒体の温度を適切な温度で安定して保つことができ、また、燃料電池１内を適切な温度で保つことができる。
このように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、実施の形態２に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、燃料電池１の第１熱媒体流路２１から排出される第１熱媒体の温度（第２温度検出器１６で検出される温度）を、燃料電池１の第１熱媒体流路２１に供給される第１熱媒体の温度（第１温度検出器１５で検出される温度）と第１熱媒体の沸点の平均温度よりも低い、所定の温度になるように、第２ポンプ７の操作量を制御することにより、外部電力負荷１４の変動により余剰電力ヒータへの通電量が急激に上昇しても、余剰電力ヒータ２で加熱された第１熱媒体の温度は、沸点未満となり、安定的に第１の熱媒体の沸騰を抑制することができる。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、余剰電力ヒータ２で第１熱媒体が沸騰するまで加熱されるのが抑制されることにより、第１熱媒体の温度を適切な温度でより安定して保つことができ、また、燃料電池１内を適切な温度でより保つことができる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図４に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１熱媒体経路５１における第１熱媒体復路５１ｂの余剰電力ヒータ２と第１熱媒体タンク３との間の部分５５が、第１熱媒体の鉛直方向の流れの向きが、鉛直上向きになるように構成されている点が異なる。具体的には、部分５５を構成する配管における第１熱媒体の流れが、鉛直方向上向きになるよう構成されている。
これにより、余剰電力の急激な増加により、第１熱媒体が余剰電力ヒータ２で急激に加熱され、場合によっては、沸騰して、水蒸気等のガスが生成しても、生成したガスは、ガスの浮力により、部分５５に滞留することなく、第１熱媒体とともに部分５５を通流して、第１熱媒体タンク３に流入する。そして、第１熱媒体タンク３に流入したガスは、第１熱媒体タンク３の空隙部３ａに捕集されるので、第１熱媒体復路５１ｂの第１熱媒体タンクの下流側に流出することがない。このため、余剰電力ヒータ２の加熱により発生したガスが第１熱媒体タンク３に至るまでの第１熱媒体経路５１内に滞留することなく、より確実に第１熱媒体タンク３に捕集することができるため、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体の流量をより安定にすることができる。また、第１熱媒体の流量が安定することにより、熱交換器４での第２熱媒体との熱交換がより安定し、燃料電池１に供給される第１熱媒体の温度がより安定するため、燃料電池１内の温度もより安定する。
なお、本実施の形態においては、第１熱媒体復路５１ｂの部分５５を第１熱媒体の流れにおいて、鉛直方向上向きに流れるように構成したが、これに限定されず、部分５５が、水平または上り勾配であれば構わない。なお、ここでいう「上り勾配」とは、部分５５において第１熱媒体の流れの鉛直方向成分が鉛直下向きにならないように構成されていることを指し、具体的には、部分５５は、斜めに傾斜していてもよく、また、水平部分と鉛直方向上向きの部分とが混在する構成としてもよく、また、水平部分と斜めに傾斜する部分とが混在する構成であっても構わない。
また、上述においては説明しなかったが、本実施の形態の燃料電池システムに対して、実施の形態２や実施の形態３における燃料電池システムのような第１ポンプ６又は第２ポンプ７の制御を実施するように構成しても構わない。
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図５に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、余剰電力ヒータ２が第１熱媒体タンク３内部に設けられている点と、第１熱媒体タンク３に、圧力検出器１７、連通流路１８、及び開閉弁１９からなる圧抜き器が設けられている点が異なる。
具体的には、余剰電力ヒータ２は、第１熱媒体タンク３の内部に設けられていて、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱することができるように構成されている。また、第１熱媒体タンク３の内部には、水位検出器（図示せず）が設けられていて、検出した水位を制御器１０に出力している。制御器１０は、水位検出器で検出された水位に基づいて、適宜な手段（例えば、第１熱媒体の第１熱媒体タンク３への補給する水補給器）により、余剰電力ヒータ２が第１熱媒体の液面下に常に位置するように、第１熱媒体の水位を調整している。
これにより、燃料電池１で発電した電力のうち外部電力負荷１４で消費されない余剰の電力が、余剰電力ヒータ２に通電されると、直接第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体が加熱されるため、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに設ける構成よりも、放熱ロスが少なく（つまり、実施の形態３の部分５５における放熱ロスがなく）、効率よく余剰電力を熱エネルギーとして利用することができ、燃料電池システム１００の省エネルギー性をより高めることができる。
また、余剰電力の急激な増加により、第１熱媒体が余剰電力ヒータ２で急激に加熱され、場合によっては、沸騰して、水蒸気等のガスが生成しても、生成したガスは、空隙部３ａに捕集されるため、第１熱媒体経路５１には流出しない。このため、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体の流量をより安定にすることができ、また、第１熱媒体の流量が安定することにより、熱交換器４での第２熱媒体との熱交換がより安定して行うことができる。そして、熱交換器４での熱交換がより安定することにより、燃料電池１に供給される第１熱媒体の温度がより安定するため、燃料電池１内の温度もより安定する。
また、第１熱媒体タンク３の上部には、第１熱媒体タンク３内部の空隙部３ａと外気を連通する連通流路１８が設けられていて、該連通流路１８の途中には、開閉弁１９が設けられている。さらに、第１熱媒体タンク３の上部には、圧力検出器１７が設けられている。圧力検出器１７は、第１熱媒体タンク３の空隙部３ａの圧力を検出し、検出した空隙部３ａの圧力を制御器１０に出力するように構成されている。そして、制御器１０は、圧力検出器１７で検出した圧力に基づき、開閉弁１９の弁の開閉を調節している。具体的には、制御器１０は、空隙部３ａの圧力が、所定の圧力Ｐｃ（例えば、第１熱媒体経路５１を構成する配管の設計圧力より低い圧力になると、開閉弁１９の弁を開き、空隙部３ａの圧力が、所定の圧力Ｐｃより小さくなるように制御する。そして、空隙部３ａの圧力が、所定の圧力Ｐｃより小さくなると、開閉弁１９の弁を閉じるように制御する。なお、ここでは、連通流路１８、及び開閉弁１９を備える圧抜き器を第１熱媒体タンク３に設ける構成としたが、これに限定されず、単に、連通流路１８を設けて、第１熱媒体タンク３を大気開放する構成としてもよい。
これにより、余剰電力ヒータ２で第１熱媒体が急激に加熱され、場合によっては、沸騰することにより生成した水蒸気等のガスを空隙部３ａで捕集することで、空隙部３ａの圧力が上昇しても、開閉弁１９の弁を開けることにより、空隙部３ａと外気とが連通し、空隙部３ａの圧力を所定の圧力Ｐｃより小さくすることができ、第１熱媒体タンク３内の圧力上昇（圧力変動）を抑制することができる。また、第１熱媒体タンク３内の圧力上昇を抑制することにより、第１熱媒体経路５１を通流する第１熱媒体の流量をより安定にすることができ、また、第１熱媒体の流量が安定することにより、熱交換器４での第２熱媒体との熱交換がより安定して行うことができる。そして、熱交換器４での熱交換がより安定することにより、燃料電池１に供給される第１熱媒体の温度がより安定するため、燃料電池１内の温度もより安定する。
このように、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果に加えて、余剰電力ヒータ２が直接第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱するため、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに設ける構成よりも、放熱ロスを抑制することができ、燃料電池システム１００の省エネルギー性をより高めることができる。
なお、上述においては説明しなかったが、本実施の形態の燃料電池システムに対して、実施の形態２や実施の形態３における燃料電池システムのような第１ポンプ６または第２ポンプ７の制御を実施するように構成しても構わない。
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、実施の形態５に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、余剰電力ヒータ２が、第１熱媒体タンク３の外面に設けられている点が異なる。具体的には、図６に示すように、第１熱媒体タンク３の底外面（下面）に設けられていて、第１熱媒体タンク３の底部を介して、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱するように構成されている。なお、第１熱媒体タンク３の底外面より第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体を加熱するよう構成されているため、余剰電力ヒータ２から周囲の外気への放熱量等を抑制するために、余剰電力ヒータ２を断熱材で覆うよう構成することが好ましい。
このような構成とすることにより、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、上記実施の形態５と同様に、燃料電池１で発電した電力のうち外部電力負荷１４で消費されない余剰の電力が、余剰電力ヒータ２に通電されると、第１熱媒体タンク３の底部を介して、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体が加熱されるため、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体経路５１の第１熱媒体往路５１ａに設ける構成よりも、放熱ロスが少なく（つまり、実施の形態３の部分５５における放熱ロスがなく）、効率よく余剰電力を熱エネルギーとして利用することができ、燃料電池システム１００の省エネルギー性をより高めることができる。また、本実施の形態６においては、余剰電力ヒータ２を第１熱媒体タンク３の外面のうち、特に、底外面（下面）に設けているため、第１熱媒体タンク３内の第１熱媒体の高さに関らず、第１熱媒体タンク３の容器を間に介して、第１熱媒体と対向する位置から第１熱媒体を余剰電力ヒータ２で加熱することができるため、余剰電力ヒータ２からの熱エネルギーを効率よく第１熱媒体に伝達することができ、燃料電池システム１００の更なるエネルギー効率を向上させることができる。なお、上述においては説明しなかったが、本実施の形態の燃料電池システムに対して、実施の形態２や実施の形態３における燃料電池システムのような第１ポンプ６または第２ポンプ７の制御を実施するように構成しても構わない。
なお、上記実施の形態１〜５においては、第２熱媒体経路５２に貯湯タンク５を接続し、貯湯タンク５から熱負荷に貯湯水を供給する構成としたが、これに限定されず、第２熱媒体経路５２から直接熱負荷に貯湯水を供給する構成としてもよい。
また、上記実施の形態２及び３においては、第１温度検出器１５で検出された温度に基づき、第１ポンプ６の操作量を調整したが、これに限定されず、例えば、第２熱媒体経路５２に温度検出器を設けて、該温度検出器で検出された温度に基づいて、第１ポンプ６の操作量を調整してもよい。
さらに、第１熱媒体として、水を用いたが、これに限定されず、例えば、不凍液を用いてもよい。
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形態が明らかである。従って、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態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の燃料電池システムは、発電時に発生した余剰電力を熱として回収する運転を行なう燃料電池システム等に有用である。また、エンジン等を用いた発電とともに発生する熱を回収するコージェネレーションシステム等の用途にも応用できる。
１ 燃料電池
２ 余剰電力ヒータ
３ 第１熱媒体タンク
４ 熱交換器
５ 貯湯タンク
６ 第１ポンプ（第１流量調整器）
７ 第２ポンプ（第２流量調整器）
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ インバータ
１０ 制御器
１１ 系統連系点
１２ 系統電源
１３ 電流検出器
１４ 外部電力負荷
１５ 第１温度検出器
１６ 第２温度検出器
１７ 圧力検出器
１８ 連通流路
１９ 開閉弁
２１ 第１熱媒体流路
２２ 一次流路
２３ 二次流路
５１ 第１熱媒体経路
５１ａ 第１熱媒体往路
５１ｂ 第１熱媒体復路
５２ 第２熱媒体経路
５２ａ 第２熱媒体往路
５２ｂ 第２熱媒体復路
５３ 水供給路
５４ 貯湯水供給路
５５ 部分
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
２０１ 燃料電池
２０２ 冷却水流路
２０３ 熱交換器
２０４ 貯湯槽
２０５ 温水流路
２０６ 発熱体
２０７ 発熱体
２１０ 温度検知器

Claims (8)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が通流する第１熱媒体経路と、
    第２熱媒体が通流する第２熱媒体経路と、
    前記第１熱媒体経路を通流する前記第１熱媒体と、前記第２熱媒体経路を通流する前記第２熱媒体との間で熱交換するための熱交換器と、
    前記燃料電池を冷却した前記第１熱媒体を前記熱交換器に流入するまでに加熱し、前記燃料電池の余剰電力を消費する余剰電力ヒータと、
    前記第１熱媒体経路に設けられ、前記第１熱媒体を貯えるタンクと、を備え、
    前記タンクは前記余剰電力ヒータで加熱された前記第１熱媒体と前記タンク内の前記第１熱媒体とが混合するように構成されている、燃料電池システム。
  2. 前記余剰電力ヒータは前記第１熱媒体経路に設けられ、該余剰電力ヒータで加熱された第１熱媒体が前記タンク内に流入す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. 前記タンク内に前記余剰電力ヒータが設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記タンクは大気開放されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記タンクには圧抜き器が設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第１熱媒体経路の前記余剰電力ヒータと前記タンクとの間の部分は、水平又は前記第１熱媒体の流れにおいて上り勾配になるように構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１熱媒体経路の前記熱交換器よりも下流側に設けられた第１温度検出器と、
    前記第２熱媒体流路を通流する前記第２熱媒体の流量を調整する第１流量調整器と、
    前記第１温度検出器の検出温度に基づき前記第１流量調整器を制御する第１制御器と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第１熱媒体経路の前記熱交換器よりも下流側に設けられた第１温度検出器と、
    前記燃料電池を冷却した後、前記余剰電力ヒータで加熱される前の前記第１熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、
    前記第１熱媒体経路を通流する前記第１熱媒体の流量を調整する第２流量調整器と、
    前記第２温度検出器の検出温度が前記第１温度検出器の検出温度と前記１熱媒体の沸点との平均温度よりも低くなるように前記第２流量調整器を制御する第２制御器と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
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