(57)【要約】【課題】システム全体の大型化を抑制しつつ高効率に運転することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】一実施形態によれば、燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置と、燃料電池スタックの発電に伴って排出された酸化剤オフガスを凝縮する凝縮熱交換器と、酸化剤オフガスを凝縮熱交換器を介さずに排気するバイパスラインと、凝縮熱交換器とバイパスラインへそれぞれ流入する酸化剤オフガスの流量を調整可能な流量調整部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置と、
前記燃料電池スタックの発電に伴って排出された酸化剤オフガスを凝縮する凝縮熱交換器と、
前記酸化剤オフガスを前記凝縮熱交換器を介さずに排気するバイパスラインと、
前記凝縮熱交換器と前記バイパスラインへそれぞれ流入する前記酸化剤オフガスの流量を調整可能な流量調整部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックを循環する第１次循環冷却媒と、前記放熱装置および前記凝縮熱交換器を循環する二次循環冷媒とを熱交換させる熱交換器をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの出力状態、前記放熱装置の稼働状態、および外気状態の少なくとも１つに基づいて、前記流量調整部を制御する制御装置をさらに備える、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流量調整部は、前記制御装置によって、前記バイパスラインへ流入する前記酸化剤オフガスの第１流量が前記凝縮熱交換器へ流入する前記酸化剤オフガスの第２流量よりも多くなる第１状態と、前記第１流量が前記第２流量よりも少なくなる第２状態とに切り替えられる三方弁である、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により燃料電池スタックが発電し、
前記燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却し、
前記燃料電池スタックの発電に伴って排出された酸化剤オフガスを凝縮熱交換器で凝縮し、
前記酸化剤オフガスを前記凝縮熱交換器を介さずにバイパスラインから排気し、
前記凝縮熱交換器および前記バイパスラインへ流入する前記酸化剤オフガスの流量を調整する、
燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスは、発電に伴い発生する熱により加熱され、また、生成水を水蒸気として含む。そのため、凝縮熱交換器により熱回収を行うことで、熱回収効率の向上に寄与することができる。凝縮熱交換器は、燃料電池システム内を循環する循環冷媒を冷熱源として用いることが多く、循環冷媒は、ラジエータ等の放熱により冷却される。
【０００３】
上記のような燃料電池システムにおいて、熱需要が比較的少ない夏期では、熱利用が少ないため回収した熱の放熱量が多くなる。また、外気温度が高いため、燃料電池スタックの運転温度との温度差が小さくなり、必要な放熱量を満たすために、ラジエータのサイズを大きくする必要が生じる。一方、外気温度が低く、酸化剤オフガスが白煙化しやすい冬季では、酸化剤オフガスを冷却するために十分なサイズを有する凝縮熱交換器が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０６４４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、システム全体の大型化を抑制しつつ高効率に運転することが可能な燃料電池システムおよびその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置と、燃料電池スタックの発電に伴って排出された酸化剤オフガスを凝縮する凝縮熱交換器と、酸化剤オフガスを凝縮熱交換器を介さずに排気するバイパスラインと、凝縮熱交換器とバイパスラインへそれぞれ流入する酸化剤オフガスの流量を調整可能な流量調整部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本実施形態によれば、システム全体の大型化を抑制しつつ高効率に運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１０】
(第１実施形態)
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池スタック１０と、凝縮熱交換器２０と、ラジエータ４０と、バイパスライン５０と、三方弁６０と、を備える。
【００１１】
燃料電池スタック１０には、水素を含む燃料ガス１０１および空気を含む酸化剤ガス１０２が供給される。これらのガスが供給されると、燃料電池スタック１０は発電する。燃料電池スタック１０の発電に伴って、熱が発生し、また酸化剤オフガス１０３が排出される。
【００１２】
凝縮熱交換器２０は、燃料電池スタック１０から排出された酸化剤オフガス１０３と、ラジエータ４０で冷却された一次循環冷媒１０５とを熱交換する。その結果、酸化剤オフガス１０３に含まれた水蒸気が凝縮され、凝縮生成水が生成される。一次循環冷媒１０５は、純水またはエチレングリコール等の液体である。なお、一次循環冷媒１０５には凝縮熱交換器２０で生成された凝縮生成水を用いてもよい。
【００１３】
ラジエータ４０は、燃料電池スタック１０の発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置の一例である。ラジエータ４０は、一次循環冷媒１０５の循環路において燃料電池スタック１０と凝縮熱交換器２０との間に設置されている。そのため、燃料電池スタック１０の発熱で加温された一次循環冷媒１０５は、ラジエータ４０によって冷却される。冷却された一次循環冷媒１０５は、凝縮熱交換器２０で熱交換され、再び燃料電池スタック１０へ供給される。
【００１４】
バイパスライン５０は、三方弁６０を介して燃料電池スタック１０と連通する。バイパスライン５０からは酸化剤オフガス１０３が、凝縮熱交換器２０を介することなく大気中に排出される。
【００１５】
三方弁６０は、手動により第１状態と第２状態とに切り替え可能である。第１状態では、バイパスライン５０へ流入する酸化剤オフガス１０３の第１流量が凝縮熱交換器２０に流入する第２流量よりも多くなる。反対に第２状態では、上記第１流量が上記第２流量よりも少なくなる。このようにして、三方弁６０は、凝縮熱交換器２０とバイパスライン５０とにそれぞれ流入する酸化剤オフガス１０３の流量を調整可能な流量調整部として機能する。なお、この流量調整部は、三方弁６０に限定されず、例えばバタフライ弁やダンパーであってもよい。
【００１６】
例えば夏期の日中のように、酸化剤オフガス１０３の熱や凝縮生成水の回収が不要な場合に、凝縮熱交換器２０で全ての酸化剤オフガス１０３を熱交換に用いると、ラジエータ４０の放熱量が増加してしまう。この場合、燃料電池システム１の温度バランスのために余分な動力を使用することになり、その結果、効率低下の要因となる。
【００１７】
そこで、本実施形態では、上記の場合に、三方弁６０を上記第２状態から上記第１状態に切り替えることによって、酸化剤オフガス１０３を凝縮熱交換器２０を介することなくバイパスライン５０から大気中に排出する。これにより、夏期の日中という限られた期間に対応するためにラジエータ４０を大型化しなくても、効率よく燃料電池システム１を運転することができる。なお、夏期の日中は、外気の温度が高いため、酸化剤オフガス１０３が白煙化する可能性は極めて低い。
【００１８】
一方、例えば冬期のように、酸化剤オフガス１０３の熱や凝縮生成水の回収が必要な場合には、三方弁６０を上記第１状態から上記第２状態に切り替える。これにより、燃料電池スタック１０の発熱で生じた酸化剤オフガス１０３は、凝縮熱交換器２０により熱回収される。
【００１９】
以上説明した本実施形態によれば、凝縮熱交換器２０とバイパスライン５０が酸化剤オフガス１０３の排出経路として形成される。また、三方弁６０が、熱回収や白煙防止の需要に応じて、凝縮熱交換器２０とバイパスライン５０へそれぞれ流入する酸化剤オフガス１０３の流量を調整できる。このように、設置環境に応じて酸化剤オフガス１０３を使い分けることによって、システム全体の大型化を抑制しつつ高効率に運転することが可能となる。
【００２０】
(第２実施形態)
図２は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池システム２では、図２に示すように、熱交換器７０が、燃料電池スタック１０とラジエータ４０との間に設置される。熱交換器７０は、一次循環冷媒１０５と二次循環冷媒１０６とを熱交換させる。
【００２２】
一次循環冷媒１０５は、燃料電池スタック１０を循環する。一方、二次循環冷媒１０６は、ラジエータ４０および凝縮熱交換器２０を循環する。凝縮熱交換器２０では、酸化剤オフガス１０３は、二次循環冷媒１０６と熱交換を行う。
【００２３】
上述した本実施形態においても、第１実施形態と同様に、酸化剤オフガス１０３の熱や凝縮生成水の回収が不要な場合には、酸化剤オフガス１０３がバイパスライン５０へ流入するように三方弁６０を手動で切り替える。これにより、ラジエータ４０の放熱量は抑制されるので、サイズの大きなラジエータ４０は不要になる。
【００２４】
反対に、酸化剤オフガス１０３の熱や凝縮生成水の回収が必要な場合には、酸化剤オフガス１０３が凝縮熱交換器２０に流入するように三方弁６０を手動で切り替える。これにより、酸化剤オフガス１０３の熱や凝縮生成水が回収される。したがって、システム全体の大型化を抑制しつつ高効率に運転することが可能となる。
【００２５】
(第３実施形態)
図３は、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２６】
本実施形態に係る燃料電池システム３では、熱交換器７１が、燃料電池スタック１０とラジエータ４０との間に設置される。熱交換器７１は、一次循環冷媒１０５との熱交換により温水１０７を生成する。
【００２７】
また、燃料電池システム３は、温度センサ８１、温度センサ８２、および温湿度センサ８３も備える。温度センサ８１は、一次循環冷媒１０５が流入するラジエータ４０の入口の温度を検出する。温度センサ８２は、冷却された一次循環冷媒１０５が流出するラジエータ４０の出口の温度を検出する。温湿度センサ８３は、ラジエータ４０が設置されている屋外の外気温度および外気湿度を検出する。
【００２８】
さらに、燃料電池システム３は、制御装置９０も備える。制御装置９０は、上述した燃料電池スタックの出力状態、ラジエータ４０の稼働状態、および外気状態の少なくとも１つに基づいて、三方弁６１を制御する。三方弁６１は、電動弁であり、第１実施形態で説明した三方弁６０と同様に、第１状態と第２状態とに切り替え可能である。
【００２９】
燃料電池スタック１０の出力状態は、例えば、燃料電池スタック１０の出力電流、この出力電流と出力電圧とを乗算した発電出力などで示される。ラジエータ４０の稼働状態は、温度センサ８１および温度センサ８２の検出結果、ラジエータ４０のファン（不図示）の動力などで示される。外気状態は、温湿度センサ８３の検出結果などで示される。
【００３０】
例えば、制御装置９０は、温湿度センサ８３で検出された外気温度と、燃料電池スタック１０の出力状態とに基づいて、白煙化対策の有無を判断する。外気温度が高くなるにつれて、酸化剤オフガス１０３は白煙化しにくくなる。そのため、外気温度が、予め設定されった設定温度を超えると、制御装置９０は三方弁６１の開度を調整する。三方弁６１の開度は、外気温度に応じて予め設定されている。
【００３１】
また、制御装置９０は、燃料電池スタック１０の出力状態と、温度センサ８１で検出されたラジエータ４０の入口温度とに基づいて、熱交換器７１で利用される熱量を、所定の式またはデータを用いて算出する。算出した熱量が予め設定された設定値よりも小さい場合、酸化剤オフガス１０３の熱回収は不要である可能性が高い。そのため、酸化剤オフガス１０３がバイパスライン５０から排出されるように制御装置９０は、三方弁６１の開度を調整する。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、制御装置９０が、熱回収や白煙防止の需要に応じて、凝縮熱交換器２０とバイパスライン５０へそれぞれ流入する酸化剤オフガス１０３の流量を自動的に調整する。これにより、弁の切り替え動作、換言すると酸化剤オフガス１０３の排出経路の切り替えを自動的に行うことができるので、燃料電池システム３の運転効率をさらに向上させることが可能となる。
【００３３】
以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００３４】
１〜３：燃料電池システム、１０：燃料電池スタック、２０：凝縮熱交換器、４０：ラジエータ、５０：バイパスライン、６０、６１：三方弁、７０：熱交換器、９０：制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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