JP2006318750A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおいて、システムの大型化・高コスト化、環境悪化を招くことなく、熱効率を向上し、早期かつ確実に加湿器・燃料電池を暖機する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料極１１および酸化剤極１２にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池１０と、燃料ガスを生成する改質部２２と、可燃性燃料（改質部２２からの燃料ガス）が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部２２を加熱する燃焼部２１と、加湿媒体（酸化剤極１２から排出される酸化剤オフガス）と酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する加湿器１４とを備えている。当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、燃焼部２１で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器１４に少なくとも流通させて同加湿器１４を暖機する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、加湿媒体と酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムに関する。

この燃料電池システムとして、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤極から排出される酸化剤オフガスと酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えたものはよく知られている。このような燃料電池システムの停止時において、燃料電池システムの設置されている場所の雰囲気温度が低温となった場合、燃料電池システム特に加湿器の凍結防止が望まれている。

燃料電池システムの凍結防止対策の一形式として、特許文献１「固体高分子形燃料電池発電装置」に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、固体高分子形燃料電池発電装置は、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、起動時に各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガスバーナ３４、燃料電池６、燃料電池を冷却するための水を収納した水タンク２１、温水を蓄える貯湯タンク５０などを備え、装置停止時に水系統が凍結する恐れがある場合は、それを検知してプロセスガスバーナ３４を作動させて貯湯タンク５０の温水を水系統の一部あるいは全部に循環して送って凍結防止するようになっている。

また、他の形式として、特許文献２「燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池システムは、原料を水素を含んだ改質ガスに改質する改質器１と、改質器１に原料を供給する原料供給手段２と、改質のために改質器１を加熱する加熱手段３と、改質器１から供給される改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、所定箇所の温度を検出する温度検出手段１８とを備えている。温度検出手段１８が閾値以下の温度を検出した場合には、改質器１においてバーナ３で加熱された原料が、燃料電池システム内を水素供給経路５、燃料電池４、排水素経路８の水素経路凝縮器８ａ、水素経路凝縮水タンク８ｂ、及びバーナ３の順に通流し、それによって、各経路内の残留水及び水素経路凝縮水タンク８ｂ内の凍結が防止されるようになっている。

また、加湿装置の両端での温度低下を抑制するものとして、特許文献３「ガスの加湿装置」に示されているものが知られている。特許文献３の図４に示されているように、加湿装置１０は、圧力媒体導入口９８、１０６と圧力媒体導出口１００、１０８とに連通して第１および第２圧力室２６、７４に圧力媒体を循環供給するための循環系１１０を備える。循環系１１０は、圧力媒体として、例えば圧力水を貯留する水タンク１１２を有し、この水タンク１１２と加湿装置１０とを連通する循環路１１４には、水循環用ポンプ１１６と、圧力水の温度調整を行う温度制御手段を構成するヒータ１１８と、圧力調整レギュレータ１２０と、流量制御バルブ１２２とが配設される。ヒータ１１８および流量制御バルブ１２２は、ＣＰＵ１２４を介して駆動制御されており、このＣＰＵ１２４には、加湿装置１０内に配置された図示しない温度検出センサからの温度信号が入力される。ＣＰＵ１２４は、入力した温度信号に基づいてヒータ１１８および流量制御バルブ１２２を制御することにより、加湿装置１０内の温度分布を均一化することができる。特許文献３は、加湿装置１０の両端での温度低下を抑制するものである。

また、空調制御システムの管内凍結防止するものとして、特許文献４「空調制御システムにおける調節弁制御方法」に示されているものが知られている。特許文献４の図１に示されているように、管内凍結防止時、凍結の虞れのある調節弁を１グループとして、一括して全開とするようになっている。

また、凍結防止弁として、特許文献５「凍結防止弁」に示されているものが知られている。特許文献５の図１に示されているように、凍結防止弁は、弁ケーシングで入口４と出口５を形成し、入口４と出口５の間に環状弁座６を設け、環状弁座６の入口側にディスク状弁体７を配置し、ディスク状弁体７を開弁方向に付勢する弾性部材１０を設け、低温時にディスク状弁体７を開弁方向に付勢する温度応動部材１１を設けたものである。入口４側の流体の温度が所定以下になると、ディスク状弁体７が環状弁座６から離座して出口５を開口し、入口４の低温復水を出口５から系外に排除するようになっている。
特開２００２−２１６８２４号公報（第２−７頁、第１，２図） 特開２００４−６２７０号公報（第２−１０頁、第１図） 特開平１０−１７２５９２号公報（第２−５頁、第４図） 特開平０８−２７１０１１号公報（第２−５頁、第１図） 特開２００３−２０７０６３号公報（第２−３頁、第１図）

燃料電池システムの停止時において、燃料電池システムの設置されている場所の雰囲気温度が低温となった場合、燃料電池システム特に加湿器の凍結防止が望まれている。
しかし、上述した特許文献１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置においては、貯湯タンク５０の温水を水系統の一部あるいは全部に循環して送って凍結防止するようになっている。この技術を加湿器の凍結防止に適用しようとすると、加湿器に温水を循環させる構造が必要となり、装置の大型化・高コストを招くという問題がある。

また、上述した特許文献２に記載の燃料電池システムにおいては、改質器１においてバーナ３で加熱された原料が、燃料電池システム内を水素供給経路５、燃料電池４、排水素経路８の水素経路凝縮器８ａ、水素経路凝縮水タンク８ｂ、及びバーナ３の順に通流し、それによって、各経路内の残留水及び水素経路凝縮水タンク８ｂ内の凍結が防止されるようになっている。この技術を加湿器の凍結防止に適用しようとすると、原料を加湿器に直接投入することになり、加湿器の水透過膜を損傷するという問題があり、またそのまま外部に排気するのは環境上問題がある。
また、上述した特許文献３では、圧力水を循環供給しているので、圧力水を循環させる構造が必要であり、装置の大型化・高コストを招くという問題がある。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システムの大型化・高コスト化、環境悪化を招くことなく、熱効率を向上し、早期かつ確実に加湿器・燃料電池を暖機することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、燃料ガスを生成する改質部と、可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、加湿媒体と酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、燃焼部で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器に少なくとも流通させて同加湿器を暖機することである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、燃焼部で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器および燃料電池に流通させてそれら加湿器および燃料電池を暖機することである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、燃焼ガスが流通する流通時間は所定時間以下であることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、燃焼ガスに酸化剤ガスを加えて加湿器に供給することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、燃焼部で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器に少なくとも流通させて同加湿器を暖機するので、既設の設備を利用して大型化・高コスト化を招くことなく加湿器を暖機することができる。また、燃料電池システムの運転中に酸化剤オフガス・酸化剤ガスが流通している流路に燃焼ガスを流通して流路を直接加熱するので、暖機したい部位を早期かつ確実に暖機することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、燃焼部で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器および燃料電池に流通させてそれら加湿器および燃料電池を暖機するので、加湿器だけでなく燃料電池も上述した作用効果を享受して暖機することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、燃焼ガスが流通する流通時間は所定時間以下であるので、高温である燃焼ガスが加湿器のみまたは加湿器および燃料電池に必要以上に流通することを防止し、加湿器の水透過膜および燃料電池の電極触媒の熱による損傷を防止することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、燃焼ガスに酸化剤ガスを加えて流通するので、高温である燃焼ガスに低温である酸化剤ガスを混合して降温して加湿器のみまたは加湿器および燃料電池に流通させるので、加湿器の水透過膜および燃料電池の電極触媒の熱による損傷を防止することができる。

１）第１実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３（本実施形態では高分子電解質膜）を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質器２０は、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、燃焼器であるバーナ（燃焼部）２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

バーナ（燃焼部）２１は、可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部２２を加熱するもの、すなわち改質部２２を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２１は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、ＣＯ選択酸化部２４から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１から供給されるアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後燃焼ガス排気管６３を通って外部に排出されるようになっている。なお、燃焼用燃料は制御装置９０の指令により駆動する燃焼用燃料ポンプ２１ａによって供給され、燃焼用空気は制御装置９０の指令により駆動する燃焼用空気ポンプ２１ｂによって供給されるようになっている。また、可燃性燃料は、上述した燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスである。可燃性燃料は、改質部２２によって生成される改質ガス（燃料ガス）だけでなく、改質部２２に供給される改質用燃料（天然ガス等）など、可燃性の燃料であれば他のものを用いてもよい。

改質部２２は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器２５からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。

ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。

ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

蒸発器２５は、一端が貯水器５０内に配置され他端が改質部２２に接続された改質水供給管６８の途中に配設されている。改質水供給管６８には改質水ポンプ５３が設けられている。このポンプ５３は制御装置９０によって制御されており、貯水器５０内の改質水として使用する回収水を蒸発器２５に圧送している。蒸発器２５は例えばバーナ２１から排出される燃焼ガス（または改質部２２、ＣＯシフト部２３などの排熱）によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管６４を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管６５を介してバーナ２１が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２１に供給するようになっている。改質ガス供給管６４とオフガス供給管６５の間には燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管６４およびオフガス供給管６５を直結するバイパス管６７が設けられている。改質ガス供給管６４にはバイパス管６７との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ６４ａが設けられている。オフガス供給管６５にはバイパス管６７との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ６５ａが設けられている。バイパス管６７には第２改質ガスバルブ６７ａが設けられている。第１および第２改質ガスバルブ６４ａ，６７ａおよびオフガスバルブ６５ａはそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。起動運転時には、改質器２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ６４ａおよびオフガスバルブ６５ａを閉じ第２改質ガスバルブ６７ａを開き、定常運転時には、改質器２０からの改質ガスを燃料電池１０に直接供給するため、第１改質ガスバルブ６４ａおよびオフガスバルブ６５ａを開き第２改質ガスバルブ６７ａを閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気供給管６１が接続されており、空気極１２内に空気（カソードエア）が供給されるようになっている。燃料電池１０の空気極１２の導出口には、カソードオフガス排気管６２が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。

また、これら空気供給管６１およびカソードオフガス排気管６２の途中には、空気極１２から排出される酸化剤オフガスであるカソードオフガスによって空気極１２に供給されるカソードエアを加湿する加湿器１４が両管６１，６２を跨ぐように設けられている。加湿器１４は、加湿媒体である空気極１２から排出されるカソードオフガスと酸化剤ガスであるカソードエアとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する水蒸気交換型であり、カソードオフガス排気管６２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気を空気供給管６１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。すなわち、加湿器１４は、水蒸気のみを透過する膜１４ａ（例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜）を挟んで加湿元の気体すなわち加湿媒体（カソードオフガス）と加湿したい気体（カソードエア）を流通させ、加湿元の気体中の水蒸気が膜１４ａを透過して加湿したい気体を加湿する膜透過型加湿器である。加湿媒体としては、酸化剤極（空気極１２）から排出される酸化剤オフガス（カソードオフガス）だけでなく、冷却水（ＦＣ冷却水）など、酸化剤ガスに水蒸気を供給できる水を含むものであれば他のものを用いてもよい。

また、空気供給管６１には、加湿器１４をバイパスするバイパス路６１ａが設けられるとともに、バイパス路６１ａには加湿器１４を流れるカソードエアの流量と加湿器１４をバイパスしてバイパス路６１ａを流れるカソードエアの流量を調整する流量調整器６１ｂ（流量調整手段；例えば電磁バルブ）が設けられている。この流量調整器６１ｂは、起動運転時には、全開状態となりカソードエアをバイパス路６１ａに流通させるようになっている。空気供給管６１には加湿器１４の上流であって分岐点の上流にカソードエアポンプ６１ｃおよびシャット弁６１ｄが設けられている。カソードエアポンプ６１ｃはカソードエアを燃料電池１０の空気極１２に供給するカソードエア（酸化剤ガス）供給手段であり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。シャット弁６１ｄは、空気供給管６１を開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。

さらに、カソードオフガス排気管６２には加湿器１４をバイパスするバイパス路６２ａが設けられるとともに、バイパス路６２ａには加湿器１４を流れるカソードオフガスの流量と加湿器１４をバイパスしてバイパス路６２ａを流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調整器６２ｂ（流量調整手段；例えば電磁バルブ）が設けられている。カソードオフガス排気管６２には加湿器１４の上流であって分岐点の上流にカソードオフガスバルブ６２ｃが設けられている。このカソードオフガスバルブ６２ｃは、カソードオフガス排気管６２を開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。カソードオフガス排気管６２には加湿器１４の下流であってバイパス路６２ａの合流点の下流にカソードオフガス用凝縮器３３、シャット弁６２ｄが設けられている。シャット弁６２ｄは、カソードオフガス排気管６２を開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。

なお、シャット弁６１ｄ，６２ｄは、システム運転時には開状態にされ、システム停止時には閉状態にされ空気供給管６１、カソードオフガス排気管６２を閉鎖する。また、加湿器１４と燃料電池１０は、隣接して一体的に配設されており、この一体構造体の外壁面に流量調整器６１ｂ，６２ｂ、およびシャット弁６１ｄ，６２ｄが一体的に取り付けられている。

そして、制御装置９０は、流量調整器６１ｂ，６２ｂ、カソードエアポンプ６１ｃを制御して、加湿器１４を流れるカソードオフガスおよび／またはカソードエアの流量を調整することにより、燃料電池１０の温度に応じて空気極１２内の水分状態を良好な状態（適切な加湿状態）としている。

さらに、カソードオフガス排気管６２には、カソードオフガスバルブ６２ｃと加湿器１４の間に、燃焼ガスが流通する燃焼ガス排気管６３の燃焼ガス用凝縮器３４の下流位置から分岐した接続管６３ａが接続されている。これにより、燃焼部２１からの燃焼ガスは燃焼ガス排気管６３、接続管６３ａ、およびカソードオフガス排気管６２（加湿器１４）を通って外部に排出可能となる。接続管６３ａには第１燃焼ガスバルブ６３ｂが設けられている。この第１燃焼ガスバルブ６３ｂは、接続管６３ａを開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。また、燃焼ガス排気管６３には、接続管６３ａとの分岐点の下流に第２燃焼ガスバルブ６３ｃが設けられている。この第２燃焼ガスバルブ６３ｃは、燃焼ガス排気管６３を開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。これにより、システム運転時には、第１燃焼ガスバルブ６３ｂが閉状態、第２燃焼ガスバルブ６３ｃが開状態とされ、燃焼ガスは接続管６３ａを通らないで外部に排出される。システム停止時には加湿器１４の凍結防止するために、第１燃焼ガスバルブ６３ｂが開状態、第２燃焼ガスバルブ６３ｃが閉状態とされ、燃焼ガスは接続管６３ａ、カソードオフガス排気管６２を通って外部に排出され、このとき加湿器１４を加熱する。

また、改質ガス供給管６４、オフガス供給管６５、カソードオフガス排気管６２および燃焼ガス排気管６３の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２、カソードオフガス用凝縮器３３および燃焼ガス用凝縮器３４が設けられている。これら各凝縮器３１〜３４は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である凝縮器３０を構成している。改質ガス用凝縮器３１は改質ガス供給管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０のバーナ２１とを連通するオフガス供給管６５の途中に設けられており、そのオフガス供給管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器３３は、カソードオフガス排気管６２に設けられており、そのカソードオフガス排気管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器３４は燃焼ガス排気管６３に設けられており、その燃焼ガス排気管６３中を流れる改質部２２から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。これら凝縮器３１〜３４においては、凝縮冷媒が各凝縮器３１〜３４を流通する各ガスと熱交換して各ガスの顕熱・潜熱を回収し昇温する。

これら凝縮器３１〜３４は配管６６を介して純水器４０に連通しており、各凝縮器３１〜３４にて凝縮された凝縮水は、純水器４０に導出され回収されるようになっている。純水器４０は、凝縮器３０から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器５０に導出するものである。なお、貯水器５０は純水器４０から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器４０には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器４０内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。

さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体（凝縮冷媒）が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６と、が備えられている。これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収され、第１熱交換器７４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。また、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の排熱（熱エネルギー）および改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、凝縮器３０を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器７６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。

貯湯槽７１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽７１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽７１に貯留された高温の温水が貯湯槽７１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽７１は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路７２にかかる形式のものである。

貯湯水循環回路７２の一端および他端は貯湯槽７１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路７２上には、一端から他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ７２ａ、第２熱交換器７６、および第１熱交換器７４が配設されている。貯湯水循環ポンプ７２ａは、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路７２を通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、貯湯水は、第２熱交換器７６、第１熱交換器７４をその順番に流通し、第２熱交換器７６にて凝縮冷媒からの熱を回収し第１熱交換器７４にてＦＣ冷却水からの熱を回収する。

ＦＣ冷却水循環回路７３上には、ＦＣ冷却水循環手段であるＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａが配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａは、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、ＦＣ冷却水循環回路７３上には第１熱交換器７４が配設されている。これにより、ＦＣ冷却水は、燃料電池１０に流通され、燃料電池１０で発生する熱を回収し昇温し、その熱が第１熱交換器７４にて貯湯水に回収され降温して再び燃料電池１０を流通する。

凝縮冷媒循環回路７５上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ７５ａが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは、矢印方向へ凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６から下流に順番にラジエータ７７、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａ、アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３、および改質ガス用凝縮器３１が配設されている。ラジエータ７７は、凝縮冷媒を冷却する冷却手段であり、制御装置９０の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。

さらに、燃料電池システムは、燃料電池システムの雰囲気温度を検出する雰囲気温度検出手段である温度センサ８０を備えており、温度センサ８０はその検出結果を制御装置９０に出力するようになっている。この温度センサ８０は燃料電池システムが設置されている場所の温度を測定できる場所に設置してもよいし、燃料電池システムを収容している筐体内に設置してもよい。加湿器１４・燃料電池１０の近くに設置するのが好ましい。

また、上述した温度センサ８０、各ポンプ２１ａ，２１ｂ，５３，６１ｃ，７２ａ，７３ａ，７５ａ、各バルブ６２ｃ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６７ａ，６５ａ、流量調整器６１ｂ，６２ｂ、シャット弁６１ｄ，６２ｄおよびバーナ２１は制御装置９０に接続されている（図２参照）。制御装置９０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、温度センサ８０が検出した温度に基づいて各ポンプ２１ａ，２１ｂ，５３，６１ｃ，７２ａ，７３ａ，７５ａ、各バルブ６２ｃ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６７ａ，６５ａ、流量調整器６１ｂ，６２ｂ、シャット弁６１ｄ，６２ｄおよびバーナ２１を制御してシステム停止中の凍結防止を実行している。ＲＡＭはシステムの運転を制御する制御プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記制御プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの凍結防止作動について説明する。まず、燃料電池システムが停止されると、燃料ガス（改質ガス）、燃焼ガスのパージ処理を実行し、その後、燃料電池システムの運転が開始されるまで燃料ガス系および燃焼ガス系は閉鎖されたままである。燃料ガス系は、主として改質部２２に改質用燃料を供給する供給管（図示省略）、改質部２２、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４、改質ガス供給管６４、燃料電池１０の燃料極１１、およびオフガス供給管６５から構成されている。燃焼ガス系は、主としてバーナ２１に燃焼用燃料を供給する供給管（図示省略）、バーナ２１、および燃焼ガス排気管６３から構成されている。燃料ガス系の閉鎖は、改質部２２に改質用燃料を供給する供給管の閉鎖、オフガスバルブ６５ａの閉状態によるオフガス供給管６５の閉鎖、および第２改質ガスバルブ６７ａの閉状態によるバイパス管６７の閉鎖により実行される。燃焼ガス系の閉鎖は、バーナ２１に燃焼用燃料を供給する供給管の閉鎖、第２燃焼ガスバルブ６３ｃの閉状態による燃焼ガス排気管６３の閉鎖、および第１燃焼ガスバルブ６３ｂの閉状態による接続管６３ａの閉鎖により実行される。また、シャット弁６１ｄ，６２ｄの閉状態により空気供給管６１およびカソードオフガス排気管６２がそれぞれ閉鎖されている。

このような燃料電池システムの停止中にあって、温度センサ８０は所定の短時間毎に燃料電池システムの雰囲気温度を検出しており、検出温度が所定温度（例えば１℃）以下となれば、制御装置９０は凍結防止制御を開始する。具体的には、制御装置９０は、バーナ２１に燃焼用燃料を供給する供給管の閉鎖を解除して、バーナ２１に燃焼用燃料を供給可能とする。また、制御装置９０は、第２燃焼ガスバルブ６３ｃの閉状態を維持し、第１燃焼ガスバルブ６３ｂおよびシャット弁６２ｄを開状態とし、カソードオフガスバルブ６２ｃを閉状態とする。これにより、バーナ２１は、燃焼ガス排気管６３、接続管６３ａ、およびカソードオフガス排気管６２を介して外気と連通する。また、制御装置９０は、流量調整器６２ｂを閉状態としている。

そして、制御装置９０は、燃焼用燃料ポンプ２１ａおよび燃焼用空気ポンプ２１ｂを駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ２１に供給し、バーナ２１を着火する。これによりバーナ２１において燃焼が開始され燃焼ガスが生成される。その燃焼ガスは、燃焼ガス排気管６３、接続管６３ａ、およびカソードオフガス排気管６２を通って外部に排出される。これと並行して、制御装置９０は、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを駆動しており、凝縮冷媒は凝縮冷媒循環回路７５を循環している。また、貯湯水循環ポンプ７２ａを駆動しており、貯湯水は貯湯水循環回路７２を循環している。したがって、燃焼ガスは燃焼ガス用凝縮器３４を流通する際に燃焼ガス用凝縮器３４にて降温され（例えば１００℃）、降温された燃焼ガスは加湿器１４を流通する際に加湿器１４を暖機（加熱）するとともにさらに降温され、さらに降温された燃焼ガスはカソードオフガス用凝縮器３３を流通する際にカソードオフガス用凝縮器３３にてさらに降温され（例えば６０℃）、その後外部に排出される。また、燃焼ガスが流通している間、その排熱を回収して貯湯水を昇温している。

上述の説明から明らかなように、この第１実施形態においては、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、バーナ２１で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器１４に少なくとも流通させて同加湿器１４を暖機するので、既設の設備を利用して大型化・高コスト化を招くことなく加湿器１４を暖機することができる。また、燃料電池システムの運転中に酸化剤オフガスが流通している流路に燃焼ガスを流通してその流路を直接加熱するので、暖機したい部位（膜１４ａ）を早期かつ確実に暖機することができる。さらに、燃料電池システムの運転中に外部に排気されていた凝縮熱回収後の燃焼ガスを利用するので、燃焼ガスの熱を有効利用することができ、また、燃焼ガス用凝縮器３４によって燃焼ガスから除去される凝縮水とともに燃焼ガス中の不純物も除去されるので、加湿器１４に送られる燃焼ガスは不純物が除去されており、水透過膜１４ａの不純物による損傷を防止することができる。同時に、燃焼ガスは不純物が除去されているので、燃焼ガスの排気により環境の悪化を招くことはない。また、上述した特許文献２においては、改質器１においてバーナ３で加熱された原料が、燃料電池システム内を水素供給経路５、燃料電池４、排水素経路８の水素経路凝縮器８ａ、水素経路凝縮水タンク８ｂ、及びバーナ３の順に通流し、それによって、各経路内の残留水及び水素経路凝縮水タンク８ｂ内の凍結が防止されるようになっている。この後、パージ処理する必要があるが、本実施形態によれば、燃料ガス系をパージ処理する必要はなく、燃焼ガス系も特にパージ処理をしなくてもよいので、従来ほど手間はかからない。

２）第２実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について図３を参照して説明する。図３は第２実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第１実施形態においては、燃焼ガス排気管６３から分岐した接続管６３ａをカソードオフガス排気管６２に接続するようにしたが、図３に示すように本第２実施形態においては、接続管６３ａを空気供給管６１に接続している。接続先は、加湿器１４とシャット弁６１ｄとの間が好ましい。この場合、カソードオフガスバルブ６２ｃは削除される。

この場合の凍結防止制御について説明する。制御装置９０は、バーナ２１に燃焼用燃料を供給する供給管の閉鎖を解除して、バーナ２１に燃焼用燃料を供給可能とする。また、制御装置９０は、第２燃焼ガスバルブ６３ｃの閉状態を維持し、第１燃焼ガスバルブ６３ｂおよびシャット弁６２ｄを開状態とする。これにより、バーナ２１は、燃焼ガス排気管６３、接続管６３ａ、空気供給管６１、燃料電池１０の空気極１２およびカソードオフガス排気管６２を介して外気と連通する。また、制御装置９０は、流量調整器６１ｂ，６２ｂを閉状態としている。

そして、制御装置９０は、燃焼用燃料ポンプ２１ａおよび燃焼用空気ポンプ２１ｂを駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ２１に供給し、バーナ２１を着火する。これによりバーナ２１において燃焼が開始され燃焼ガスが生成される。その燃焼ガスは、燃焼ガス排気管６３、接続管６３ａ、空気供給管６１、燃料電池１０の空気極１２およびカソードオフガス排気管６２を通って外部に排出される。これと並行して、制御装置９０は、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを駆動しており、凝縮冷媒は凝縮冷媒循環回路７５を循環している。また、貯湯水循環ポンプ７２ａを駆動しており、貯湯水は貯湯水循環回路７２を循環している。したがって、燃焼ガスは燃焼ガス用凝縮器３４を流通する際に燃焼ガス用凝縮器３４にて降温され（例えば１００℃）、降温された燃焼ガスは加湿器１４（カソードエア流路）を流通する際に加湿器１４を暖機（加熱）するとともにさらに降温され、降温された燃焼ガスは空気極１２を流通する際に燃料電池１０を暖機（加熱）するとともにさらに降温され、降温された燃焼ガスは加湿器１４（カソードオフガス流路）を流通する際に加湿器１４を暖機（加熱）するとともにさらに降温され、さらに降温された燃焼ガスはカソードオフガス用凝縮器３３を流通する際にカソードオフガス用凝縮器３３にてさらに降温され（例えば６０℃）、その後外部に排出される。また、燃焼ガスが流通している間、その排熱を回収して貯湯水を昇温している。

上述の説明から明らかなように、この第２実施形態においては、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、バーナ２１で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを加湿器１４および燃料電池１０に流通させて同加湿器１４および燃料電池１０を暖機するので、既設の設備を利用して大型化・高コスト化を招くことなく加湿器１４および燃料電池１０を暖機することができる。また、燃料電池システムの運転中に酸化剤ガス・酸化剤オフガスが流通している流路に燃焼ガスを流通してその流路を直接加熱するので、暖機したい部位（膜１４ａ、空気極１２の触媒）を早期かつ確実に暖機することができる。

また、上記加湿器１４（および燃料電池１０）への燃焼ガスの流通は、燃焼開始（流通開始）時点から所定時間の間だけ行われるようになっている。所定時間は、加湿器１４のみ流通する場合には加湿器１４の膜１４ａが温度による損傷を受けないように、流通する燃焼ガスの温度、膜１４ａの耐熱性能などを考慮して設定され、加湿器１４および燃料電池１０を流通する場合には燃料電池１０の電極触媒の耐熱性能も合わせて考慮して設定されている。また、改質部２２を空焚きすることになるので、改質部２２の改質触媒が損傷する温度まで昇温しない程度の時間に設定されている。これにより、燃焼ガスが流通する流通時間は所定時間以下であるので、高温である燃焼ガスが加湿器１４のみまたは加湿器１４および燃料電池１０に必要以上に流通することを防止し、加湿器１４の水透過膜および燃料電池の電極触媒の熱による損傷を防止することができる。

また、上述した燃焼ガスの流通にカソードエアを加えて流通するようにしてもよい。この場合、制御装置９０は、シャット弁６１ｄおよびカソードオフガスバルブ６２ｃをそれぞれ開状態とし（第２実施形態ではシャット弁６１ｄを開状態とし）、カソードエアポンプ６１ｃを駆動する。これにより、燃焼ガスに空気が混合され降温（例えば４０℃）された燃焼ガスが加湿器１４に供給される。加湿器１４に供給される燃焼ガスの温度は、燃焼用燃料ポンプ２１ａ、燃焼用空気ポンプ２１ｂおよびカソードエアポンプ６１ｃの供給量を制御して調整することは可能である。これにより、燃焼ガスにカソードエアを加えて流通するので、高温である燃焼ガスに低温であるカソードエアを混合して降温して加湿器１４のみまたは加湿器１４および燃料電池１０に流通させるので、加湿器１４の水透過膜および燃料電池の電極触媒の熱による損傷を防止することができる。

なお、上述した各実施形態において、流量調整器６１ｂ，６２ｂは電磁バルブでなく、流量比制御可能な三方弁で構成されるようにしてもよい。この場合、流量調整器６１ｂ，６２ｂは、バイパス路６１ａ，６２ａの各分岐点に設けられる。

また、上述した各実施形態において、接続管６３ａは燃焼ガス用凝縮器３４の上流位置から分岐してもよい。この場合、燃焼ガス用凝縮器３４によって降温されない比較的高温である燃焼ガスが加湿器１４に流通するので、流通時間を短縮したり、上述したようにカソードエアを混合させたりするのが望ましい。

また、上述した各実施形態においては、燃料電池システムの停止中に凝縮水が溜まる電磁バルブ、例えばシャット弁６１ｄ，６２ｄ、流量調整器６１ｂ，６２ｂに対して凍結防止制御を実施するのが望ましい。この場合、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、シャット弁６１ｄ，６２ｄ、流量調整器６１ｂ，６２ｂを開状態とする。これにより、既設の構造のまま簡単な制御をするだけでこれらバルブが溜まった凝縮水の凍結によるバルブの凍結を防止することができる。当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、シャット弁６１ｄ，６２ｄ、流量調整器６１ｂ，６２ｂの開状態と閉状態を繰り返し実行する。これにより、既設の構造のまま簡単な制御をするだけでこれらバルブが溜まった凝縮水の凍結によるバルブの凍結を防止することができる。

また、上述した各実施形態においては、燃料電池システムの停止中に閉状態を維持する必要のないバルブ（例えば、流量調整器６１ｂ、６２ｂなど）は、ノーマルオープンのバルブ（非通電時に開状態となるバルブ）を使用すれば、凍結防止に有効である。

本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の概要を示す概要図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１３…電解質、１４…加湿器、１４ａ…水透過膜、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…蒸発器、３０…凝縮器、３１…改質ガス用凝縮器、３２…アノードオフガス用凝縮器、３３…カソードオフガス用凝縮器、３４…燃焼ガス用凝縮器、４０…純水器、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１…空気供給管、６１ａ，６２ａ…バイパス管、６１ｂ，６２ｂ…流量調整器、６１ｃ…カソードエアポンプ、６１ｄ，６２ｄ…シャット弁、６２…カソードオフガス排気管、６２ｃ…カソードオフガスバルブ、６３…燃焼ガス排気管、６３ａ…接続管、６３ｂ…第１燃焼ガスバルブ、６３ｃ…第２燃焼ガスバルブ、６４…改質ガス供給管、６４ａ…第１改質ガスバルブ、６５…オフガス供給管、６５ａ…オフガスバルブ、６６…配管、６７…バイパス管、６７ａ…第２改質ガスバルブ、６８…改質水供給管、７１…貯湯槽、７２…貯湯水循環回路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７４…第１熱交換器、７５…凝縮冷媒循環回路、７６…第２熱交換器、７７…ラジエータ、７２ａ，７３ａ，７５ａ…ポンプ、８０…温度センサ、９０…制御装置。

Claims (4)

1. 燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを生成する改質部と、
   可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部と、
   加湿媒体と前記酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、前記燃焼部で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを前記加湿器に少なくとも流通させて同加湿器を暖機することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、当該燃料電池システムが停止中であり、かつ、当該燃料電池システムの雰囲気温度が所定温度以下となれば、前記燃焼部で燃焼ガスを生成しその燃焼ガスを前記加湿器および前記燃料電池に流通させてそれら加湿器および燃料電池を暖機することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記燃焼ガスが流通する流通時間は所定時間以下であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１または請求項２において、前記燃焼ガスに前記酸化剤ガスを加えて流通することを特徴とする燃料電池システム。
   
   

Images