(57)【要約】【課題】簡単な構成で、燃料電池発電システムに用いられる水の凍結を抑制する。【解決手段】燃料電池発電システムは、エンクロージャパネル１と、エンクロージャパネル１に収納された燃料電池４と、燃料電池４などの排熱を回収して蓄熱媒体である水を蓄えるタンク１９と、エンクロージャパネル１の内部の温度を測定する温度計２１と、タンク１９に蓄えられた水をエンクロージャパネル１の内部に導いて放熱させる床暖房ヒータ１５と、エンクロージャパネル１の内部の温度に基づいて床暖房ヒータ１５に水を流す床暖房ヒータポンプ２２を制御する制御装置２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】
エンクロージャパネルと、
前記エンクロージャパネルに収納された燃料電池発電装置と、
前記燃料電池発電装置から排出される排熱を回収して蓄熱媒体に蓄える蓄熱装置と、
前記エンクロージャパネルの内部のエンクロージャパネル内部温度を測定する温度計と、
前記蓄熱媒体に蓄えられた熱を前記エンクロージャパネルの内部に放熱可能な放熱装置と、
前記エンクロージャパネル内部温度に基づいて前記放熱装置を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記放熱装置は、前記蓄熱媒体を前記エンクロージャパネルの内部に導いて放熱させる放熱器を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記放熱器は、前記エンクロージャパネルの床面に設けられた床暖房ヒータを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記放熱器は、前記燃料電池発電装置の構成部品のうちの少なくとも一部の部品をそれぞれ加熱することができる位置に配置されて前記蓄熱媒体が流れる配管を含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記エンクロージャパネル内部温度がしきい値以下になった場合に、前記放熱装置を稼働させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記しきい値は前記エンクロージャパネル内部温度の単位時間当たりの変化量に基づいて変化することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記蓄熱装置は前記蓄熱媒体を加熱する加熱装置を備え、前記制御装置はさらに前記蓄熱装置を制御するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池発電装置の余剰電力を用いて前記冷却水を加熱する余剰電力回収ヒータを備え、前記制御装置はさらに前記余剰電力回収ヒータを制御するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを反応させ、直接電気を取り出すシステムである。このため、燃料電池発電システムは、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。また、騒音が小さく、また、有害な排気ガスを出さないため、環境性に優れた特徴を有する。都市ガス、ＬＰガスおよび灯油などの炭化水素系燃料は、既に燃料供給基盤が整っているため、このような炭化水素系燃料から水蒸気との改質反応により得られる水素で発電を行う燃料電池発電システムを中心に、開発が進められている。
【０００３】
家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、発電電力および発電に伴う排熱を供給するコージェネレーションシステムとして使用される場合がある。排熱の回収には、水を循環させる場合が多い。
【０００４】
コージェネレーションシステムとしての優位性をより良く発揮するためには、給湯、床暖房などに、排熱をより多く使用することが効果的である。そのため、特に冬季に多くの排熱利用が見込まれる寒冷地への燃料電池発電システムの設置は、高い総合効率での運転が期待でき、燃料電池発電システムが本格的に実用化されるころには多くの需要が見込まれる。
【０００５】
燃料電池発電システムの寒冷地への設置にあたっては、内部機器が氷点下においても機器を損傷せずに発電のための待機運転を行えるようにするとともに、安定した発電運転を行えるようにする必要がある。寒冷地に燃料電池発電システムを設置する場合、燃料電池本体の冷却系統では水を循環させる方法がある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２９４１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池発電システムは、信頼性の向上および低コスト化を図るために、できるだけ簡素な構成であることが求められる。しかし、発電に用いる水素を炭化水素系燃料から水蒸気との改質反応により得る燃料電池発電システムでは、改質装置に水を供給する必要がある。改質装置へ供給する水は、改質のためには循環させる必要がないが、循環によって凍結を防止しようとすると、改質装置をバイパスして水を戻す系統を追加せざるを得ない。このため、低コストを実現するための簡素化が困難である。
【０００７】
また、冷却水を循環運転することにより、発電停止中でも冷却水の凍結を防ぐことは可能であるが、制御装置や電力変換装置の結露を防止することはできない。さらに、凍結を防止しなければならない冷却水系統は複数あるため、制御が複雑となることによる信頼性が低下する場合がある。
【０００８】
そこで、本発明は、簡単な構成で、燃料電池発電システムに用いられる水の凍結を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、エンクロージャパネルと、前記エンクロージャパネルに収納された燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置から排出される排熱を回収して蓄熱媒体に蓄える蓄熱装置と、前記エンクロージャパネルの内部のエンクロージャパネル内部温度を測定する温度センサと、前記蓄熱媒体に蓄えられた熱を前記エンクロージャパネルの内部に放熱可能な放熱装置と、前記エンクロージャパネル内部温度に基づいて前記放熱装置を制御する制御装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡単な構成で、燃料電池発電システムに用いられる水の凍結を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【００１３】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料電池発電装置と、貯湯槽１１、凍結防止装置およびエンクロージャパネル１を備えている。燃料電池発電装置は、改質装置６、改質水ポンプ７、燃料電池４、電力変換装置３、冷却水系統、排熱回収系統および回収ヒータ１４を備えている。排熱回収系統は、温水ポンプ１２および２台の熱交換器３１，３２を備えている。貯湯槽１１は、タンク１９、ボイラ１６、床暖房ヒータバルブ２３および給湯バルブ１７を備えている。電力変換装置３は、燃料電池４に接続されている。
【００１４】
凍結防止装置は、床暖房ヒータ１５、床暖房ヒータポンプ２２、温度計２１および制御装置２を備えている。床暖房ヒータ１５の内部には、床暖房ヒータ配管２５が引き回されている。
【００１５】
燃料電池４、改質装置６、改質水ポンプ７、冷却水系統、排熱回収系統、回収ヒータ１４、電力変換装置３および凍結防止装置は、エンクロージャパネル１に収納されて、パッケージ構造をなしている。貯湯槽１１は、エンクロージャパネル１とは独立して設けられる。
【００１６】
改質装置６は、供給される燃料と、改質水ポンプ７によって供給される水タンク８の水とを用いて水蒸気改質反応によって水素リッチガスを生成する。生成された水素リッチガスは、燃料電池４に供給される。
【００１７】
燃料電池４は、カソード、アノードおよび電解質膜を備えた単位セルを積層したものである。電解質膜は、カソードとアノードによって挟まれている。また、燃料電池４には、たとえば単位セルの間に設けられたセパレータに冷却水流路が形成されている。
【００１８】
燃料電池４は、カソードに供給される空気およびアノードに供給される水素を用いて発電する。燃料電池４が発電した直流電流は、電力変換装置３によって交流電流に変換される。
【００１９】
冷却水系統では、水タンク８に貯えられた水１８を冷却水として、燃料電池４の冷却材流路を通って、冷却水ポンプ５で循環させる。さらに、水タンク８に貯えられた水は、純水ポンプ１０によって純水装置９に送られる。純水装置９は、供給された水を要求される低い電気伝導度にし、かつ、金属イオンなどの溶出成分を取り除くように水処理を施す。純水装置９によって水処理が施された水は、再び水タンク８に送られる。
【００２０】
排熱回収系統は、貯湯槽１１に貯えられた水を、温水ポンプ１２によってエンクロージャパネル１の内部に導いて、熱交換器３１，３２によって燃料電池発電システムの排熱を回収して貯湯槽１１に貯える系統である。つまり、排熱回収系統および貯湯槽１１は、燃料電池発電装置から排出される排熱を回収して、蓄熱媒体に蓄える蓄熱装置である。排熱回収系統の熱交換器３１，３２は、冷却水系統と熱交換する熱交換器３１と、改質装置６で発生した熱を回収する熱交換器３２を含む。なお、これら以外の場所で排熱を回収してもよい。
【００２１】
貯湯槽１１は、給水バルブ２０を介して外部から水を供給されてタンク１９に貯える。タンク１９に貯えられた水は、排熱回収系統によって加熱される。また、タンク１９に貯えられた水は、給湯バルブ１７を介して外部に供給され、給湯や暖房などに利用される。外部への供給に際して、タンク１９に貯えられた水の温度が低い場合には、ボイラ１６によって加熱される。また、タンク１９に貯えられた水は、床暖房ヒータバルブ２３を介して床暖房ヒータ１５にも供給される。
【００２２】
また、燃料電池４が発電した電力のうち、外部で消費されない分は、回収ヒータ１４によって消費される。回収ヒータ１４は、この余剰電力を用いて排熱回収系統に流れる水を加熱する。
【００２３】
凍結防止装置の温度計２１は、エンクロージャパネル１の内部に設けられている。温度計２１は、エンクロージャパネル１の内部の温度を測定する。温度計２１が測定した温度が凍結あるいは結露を生じるおそれのある所定の温度以下になった場合に、制御装置２は、床暖房ヒータポンプ２２を起動して、床暖房ヒータ１５の内部の床暖房ヒータ配管２５に、タンク１９に蓄えられた温水を流す。この際、制御装置２は、必要に応じて、床暖房ヒータバルブ２３を操作してもよい。
【００２４】
これにより、貯湯槽１１に蓄えられた熱をエンクロージャパネル１の内部で放熱する。この放熱によってエンクロージャパネル１の内部の温度は上昇し、エンクロージャパネル１の内部の機器の凍結および結露を抑制する。
【００２５】
つまり、床暖房ヒータ１５、床暖房ヒータポンプ２２および床暖房ヒータバルブ２３は、貯湯槽１１に蓄えられた熱をエンクロージャの内部に放熱可能な放熱装置であり、この放熱装置は、エンクロージャパネル内部の温度に基づいて制御装置２によって制御される。
【００２６】
改質装置６に改質水を供給する系統は、循環系統をなしていない。このため、燃料電池４で発電していない状態では、改質装置６に改質水を供給する系統に存在する水は停止した状態となる。しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、エンクロージャパネル１の内部全体を凍結あるいは結露のおそれのある所定の温度以下にならないようにすることができる。このため、循環系統をなしていない改質装置６に改質水を供給する系統であっても、循環運転をするために改質装置６をバイパスして水タンク８に改質水を戻す系統を追加することなく、燃料電池発電システムに用いられる水の凍結を抑制することができる。よって、安定した運転が実現できる。
【００２７】
また、凍結を防止するために冷却水を循環させるシステムの場合、凍結を防止しなければならない冷却水系統が複数あると、制御が複雑となる。しかし、本実施の形態では、エンクロージャパネル１の内部全体を加熱するため、簡単な構成によって凍結を抑制することができる。
【００２８】
さらに、貯湯槽１１には、給湯温度を所定の温度以上に保つために、ボイラ１６を設ける必要がある。そこで、床暖房ヒータ１５に供給される水の温度が低い場合には、制御装置２はボイラ１６を起動して、水の温度を上げるようにしてもよい。このようにすると、追加の機器を設けることなく、床暖房ヒータ１５に供給される水の温度を所定の温度以上に保つことができる。
【００２９】
また、エンクロージャパネル１の内部全体を凍結あるいは結露のおそれのある所定の温度以下にならないようにすることができため、電力変換装置３などの電気部品に凍結および結露が生じることを抑制することができる。
【００３０】
制御装置２が床暖房ヒータ１５などで放熱を開始させるしきい温度は、一定の値であってもよいが、たとえば温度変化が急激な場合には、そのしきい温度を高くしてもよい。この場合、床暖房ヒータ１５によるエンクロージャパネル１の内部の昇温速度が比較的小さい場合であっても、急激な外気温の変化などによるエンクロージャパネル１の内部の温度の急激な変化に対応して、エンクロージャパネル１の内部を所定の温度以上に保つことができる。
【００３１】
さらに、エンクロージャパネル１の内部に、湿度計を設けて、温度および湿度によって放熱装置を制御してもよい。これにより、結露の発生をより抑制することができるようになる。また、ここでは、蓄熱装置として、給湯に用いる貯湯槽１１を例として説明したが、暖房系統に用いられるものなどであってもよい。
【００３２】
また、放熱装置は、床暖房ヒータ１５以外であってもよい。たとえば、電力変換装置３、燃料電池４などの凍結・結露を抑制する必要がある機器の近傍に引き回しされ、タンク１９の水が流れる配管であってもよい。さらに、このような放熱装置を組み合わせて用いてもよい。
【００３３】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【００３４】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、床暖房ヒータ１５を排熱回収系統の途中に設けた点が第１の実施の形態と異なる。本実施の形態で、床暖房ヒータ１５は、回収ヒータ１４の下流側で排熱回収系統に挿入されている。これに伴い、床暖房ヒータポンプ２２（図１参照）および床暖房ヒータバルブ２３（図１参照）は不要となる。床暖房ヒータ１５に流れる水は、温水ポンプ１２によって駆動される。
【００３５】
制御装置２は、温水ポンプ１２を制御することにより、床暖房ヒータ１５への水の流れを制御する。つまり、温度計２１が測定した温度が凍結あるいは結露を生じるおそれのある所定の温度以下になった場合に、制御装置２は、温水ポンプ１２を起動して、床暖房ヒータ１５の内部の床暖房ヒータ配管２５に、タンク１９に蓄えられた温水を流す。
【００３６】
このような燃料電池発電システムであっても、第１の実施の形態と同様に、凍結を抑制することができる。また、本実施の形態では、第１の実施の形態に比べて、ポンプおよびバルブの数を少なくすることができる。
【００３７】
また、排熱回収系統において、回収ヒータ１４の下流側に床暖房ヒータ１５をバイパスさせる弁を設けてもよい。この弁を制御装置２で制御することにより、凍結・結露のおそれがない場合には、床暖房ヒータ１５に排熱を回収した水が流れなくし、エンクロージャパネル１の内部の不要な加熱を抑制することができる。
【００３８】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…エンクロージャパネル、２…制御装置、３…電力変換装置、４…燃料電池、５…冷却水ポンプ、６…改質装置、７…改質水ポンプ、８…水タンク、９…純水装置、１０…純水ポンプ、１１…貯湯槽、１２…温水ポンプ、１４…回収ヒータ、１５…床暖房ヒータ、１６…ボイラ、１７…給湯バルブ、１８…水、１９…タンク、２０…給水バルブ、２１…温度計、２２…床暖房ヒータポンプ、２３…床暖房ヒータバルブ、２５…床暖房ヒータ配管、３１…熱交換器、３２…熱交換器
【図１】
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【図２】
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