(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屋外に配置された小屋と、
電力を出力する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体より発生した排熱を熱回収系に伝達させる熱交換器と、
小屋内に配置され前記熱回収系により回収された熱を蓄熱する蓄熱器と、
小屋内に配置され、前記熱回収系により回収された熱を送風により放熱する放熱器と、
小屋内に配置され、前記放熱器の送風先を小屋内又は小屋外に切り替え可能な切替手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記蓄熱器の蓄熱量を計測する蓄熱量計測器と、
気温を計測する気温計測器と、
前記蓄熱器が蓄熱可能な蓄熱量を超えた場合、かつ、前記気温が所定の温度以下の場合には、前記放熱器の送風先を小屋内に向けるように前記切替手段を動作させる制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記気温が低いほど前記放熱器の小屋内への送風量が多くなるように前記切替手段を動作させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池本体は、固体酸化物形燃料電池である請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池又は改質器の排熱を有効利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１記載のシステムでは、燃料電池本体、燃料の改質を行う燃料処理系、排熱を回収する貯湯槽、及び回収しきれない排熱を室内へ放出する放熱器が、凍結防止のために屋内に配置される。そして、特許文献１記載のシステムは、貯湯槽の蓄熱量を超える排熱が生じ、かつ、気温が低い場合には、放熱器によって屋内に温風を供給する運転を行う。一方、貯湯槽の蓄熱量を超える排熱が生じ、かつ、気温が高い場合には、放熱器を作動させずに燃料電池システムの運転を停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池の種類によっては燃料電池システムの再起動に伴う損失や運転負荷が大きいため、このような燃料電池を有する燃料電池システムにあっては、エネルギー効率の観点から連続運転することが好ましい。しかしながら、特許文献１記載の燃料電池システムにあっては、利用できない廃熱の発生を防止すべく燃料電池システムの運転を停止するため、燃料電池の種類によってはシステム全体のエネルギー効率が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、屋外に配置された小屋と、電力を出力する燃料電池本体と、前記燃料電池本体より発生した排熱を熱回収系に伝達させる熱交換器と、小屋内に配置され前記熱回収系により回収された熱を蓄熱する蓄熱器と、小屋内に配置され、前記熱回収系により回収された熱を送風により放熱する放熱器と、小屋内に配置され、前記放熱器の送風先を小屋内又は小屋外に切り替え可能な切替手段と、を備えて構成される。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、蓄熱器及び放熱器が屋内に配置されるため、凍結を抑制することができる。また、放熱器の送風先を室内又は室外に切り替えることが可能であるため、例えば気温が低い時には送風先を室内にすることで凍結を一層抑制することができるとともに、例えば気温が高い時には送風先を室外にすることで室内の温度を上昇させることなく燃料電池システムの連続運転を行うことが可能となる。よって、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる。
【０００８】
ここで、前記蓄熱器の蓄熱量を計測する蓄熱量計測器と、気温を計測する気温計測器と、前記蓄熱器が蓄熱可能な蓄熱量を超えた場合、かつ、前記気温が所定の温度以下の場合には、前記放熱器の送風先を小屋内に向けるように前記切替手段を動作させる制御部と、を備えることが好適である。このように構成することで、制御部が蓄熱量及び気温に基づいて切替手段を動作させるため、例えば気温に応じた排熱の有効利用を機器により行うことができる。また、温度が低いときには、蓄熱器が蓄熱できない余剰熱を用いて小屋内に温風を供給することができるので、余剰熱を用いて凍結の防止を図ることが可能となる。
【００１０】
また、前記制御部は、前記気温が低いほど前記放熱器の小屋内への送風量が多くなるように前記切替手段を動作させてもよい。このように構成することで、凍結抑制効果を一層高めることができる。
【００１１】
また、前記燃料電池本体は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概要図である。
【図２】図１の燃料電池システムの切替動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、家庭用の燃料電池システムとして好適に採用されるものである。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概略図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、燃料電池本体２及び貯湯ユニット３を備えている。
【００１６】
燃料電池本体２は、単位セルを直列に接続したスタック２０を有する直流電源であって、例えば家庭内負荷へ電力を供給するものである。燃料電池本体２は、例えば屋外に配置される。燃料電池本体２として、例えば固体酸化物形燃料電池が用いられる。また、燃料電池本体２は、熱交換器２１を備えている。熱交換器２１は、燃料電池本体２で発生する熱を回収し、熱交換器２１と貯湯ユニット３との間で水を循環させる熱回収系４内の水に熱を伝達する。熱回収系４は、配管Ｈ１〜Ｈ３及び水ポンプ（不図示）を備え、循環路を有している。
【００１７】
貯湯ユニット３は、気温低下による凍結を防止するために気密性の高い箱型の小屋９内に配置されている。貯湯ユニット３は、貯湯槽（蓄熱器）３１、三方弁１０、ラジエータ６及び送風ファン５を備えている。なお、ラジエータ６及び送風ファン５により放熱器が構成される。
【００１８】
貯湯槽３１は、熱交換器２１において熱伝達された水を貯えるタンクである。三方弁１０は、熱交換器２１に接続される熱回収系４の配管Ｈ３と、貯湯槽３１に接続される配管Ｈ１とを接続する。貯湯槽３１は、上部において配管Ｈ１と接続しており、熱交換器２１で熱伝達された水が配管Ｈ１を介して流入可能な構成とされている。また、貯湯槽３１は、下部において配管Ｈ２と接続しており、貯湯槽３１の下部に貯えられた水を流出し、ラジエータ６を介して熱交換器２１に流入可能な構成となっている。また、三方弁１０は、熱交換器２１に接続される熱回収系４の配管Ｈ３と、配管Ｈ２とを接続しており、熱伝達された水が貯湯槽３１に流入せずにラジエータ６へ直接流入し、熱交換器２１へ再流入する循環路を構成している。
【００１９】
ラジエータ６は、空冷式であり放熱フィンを備えている。送風ファン５は、ラジエータ６に風を送り込み、空気に循環水の熱を伝達させて温風とし、排気ダクトＤ０へ出力する。排気ダクトＤ０は、室外へ排気する排気ダクトＤ１と、室内へ排気する排気ダクトＤ２に分岐している。貯湯ユニット３は、排気ダクトＤ１を介して室外と接続され、排気ダクトＤ２を介して室内と接続されている。
【００２０】
排気ダクトＤ０の分岐点には、切替弁（切替手段）７が配置されている。切替弁７は、排気ダクトＤ０と排気ダクトＤ１との接続、及び、排気ダクトＤ１と排気ダクトＤ２との接続を切り替える機能を有している。すなわち、切替弁７は、送風ファン５の送風先を室内又は屋外に切り替える機能を有している。切替弁７としては、三方弁、プラグ弁、切替バルブ、電磁弁及び継手、又は、シャッターもしくは板部材により通路を仕切るもの等が用いられる。
【００２１】
また、貯湯ユニット３は、貯湯槽３１に貯えられた水の温度を計測可能な水温計（蓄熱量計測器）３０を備えている。また、小屋９内には、室内の気温を計測可能な気温計（気温計測器）３２を備えている。水温計３０、気温計３２として、熱電対やサーミスタ等が用いられる。
【００２２】
以上の燃料電池システム１の構成機器類は、電装機器類であるシステム制御装置（制御部）８により動作が制御される。システム制御装置８は、電子制御するデバイスであり、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、および入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。システム制御装置８は、例えば小屋９内に配置されており、水温計３０、気温計３２、送風ファン５及び切替弁７に接続されている。システム制御装置８は、水温計３０及び気温計３２が出力した情報に基づいて、送風ファン５及び切替弁７を動作可能に構成されている。
【００２３】
燃料電池システム１は、燃料電池本体２で発電した電力を家庭に供給するとともに、発電に伴って発生した熱で加熱した水を貯湯槽３１に貯め、家庭で利用可能とする。また、貯湯槽３１に蓄熱しきれない熱が燃料電池本体２から発生した場合には、送風ファン５を動作させて室内又は室外へ熱を放出する。以下では、燃料電池システム１の動作を図２を用いて詳細に説明する。図２は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。図２に示す制御処理は、例えば燃料電池システム１の電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池システム１は、蓄熱量を取得する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、システム制御装置８が、水温計３０の温度に基づいて蓄熱量を取得する。あるいは、システム制御装置８が、図示しないセンサにより貯湯槽３１の貯湯量を取得し、水温計３０の温度に基づいて蓄熱量を取得してもよい。ステップＳ１０の処理が終了すると、蓄熱判定処理へ移行する（ステップＳ１２）。
【００２５】
ステップＳ１２の処理では、システム制御装置８が、貯湯槽３１が蓄熱可能か否かを判定する。システム制御装置８は、ステップＳ１０の処理で取得した蓄熱量に基づいて、貯湯槽３１が蓄熱可能か否かを判定する。例えば、システム制御装置８は、ステップＳ１０の処理で得られた水温が所定値（例えば７０℃）以下である場合には、蓄熱可能であると判定する。一方、システム制御装置８は、ステップＳ１０の処理で得られた水温が所定値（例えば７０℃）を越えており、かつ、貯湯槽３１の貯湯量が限界値である場合には、蓄熱不可と判定する。ステップＳ１２の処理において、蓄熱が可能であると判定した場合には、排熱を放出するよりも蓄熱する方が効率的であるので、図２に示す制御処理を終了する。一方、ステップＳ１２の処理において、蓄熱が不可であると判定した場合には、気温判定処理へ移行する（ステップＳ１４）。
【００２６】
ステップＳ１４の処理では、システム制御装置８が、気温が所定値以下であるか否かを判定する。システム制御装置８は、気温計３２により取得された気温と、所定値（例えば１０℃）とを比較して、気温が所定値以下であるか否かを判定する。ステップＳ１４の処理において、気温が所定値以下であると判定した場合には、切替処理へ移行する（ステップＳ１６）。
【００２７】
ステップＳ１６の処理では、システム制御装置８が、切替弁７を動作させて送風ファン５による温風の送風先を室内へ切り替える。すなわち、切替弁７を作動させて、ダクトＤ０，Ｄ１の流路を閉とし、ダクトＤ０，Ｄ２の流路を開とする。ステップＳ１６の処理が終了すると、送風処理へ移行する（ステップＳ２０）。
【００２８】
ステップＳ２０の処理では、システム制御装置８が、送風ファン５を作動させる。これにより、温風はダクトＤ０，Ｄ２を介して室内へ送風される。ステップＳ２０の処理が終了すると、図２に示す制御処理を終了する。
【００２９】
一方、ステップＳ１４の処理において、気温が所定値以下でないと判定した場合には、切替処理へ移行する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８の処理では、システム制御装置８が、切替弁７を動作させて送風ファン５による温風の送風先を屋外へ切り替える。すなわち、切替弁７を作動させて、ダクトＤ０，Ｄ１の流路を開とし、ダクトＤ０，Ｄ２の流路を閉とする。ステップＳ１８の処理が終了すると、送風処理へ移行する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０の処理では、システム制御装置８が、送風ファン５を作動させる。これにより、温風はダクトＤ０，Ｄ１を介して室外へ送風される。ステップＳ２０の処理が終了すると、図２に示す制御処理を終了する。
【００３０】
以上で図２に示す制御処理を終了する。図２に示す制御処理を実行することにより、貯湯槽３１に蓄熱しきれない熱が燃料電池本体２から発生した場合において、気温が所定値以下の場合には、屋内に温風が供給され、気温が所定値以下でない場合には、屋外に温風が供給される。このため、例えば冬場や寒冷地において気温が低下して凍結するおそれがある場合には、蓄熱できずに廃棄する熱を小屋９内へ送り込むことにより凍結の防止を図ることができるとともに、例えば夏場において気温が上昇した場合であっても蓄熱できずに廃棄する熱を小屋９の外へ放出することが可能となる。このように、気温低下時において適切に排熱を利用することができるとともに、気温上昇時に燃料電池システム１を連続運転させた状態であっても小屋９内の温度を必要以上に上昇させることを回避することが可能となる。特に、運転の起動停止の繰り返しが困難な固体酸化物形の燃料電池を燃料電池本体２に採用する場合に有効である。また、固体酸化物形の燃料電池を燃料電池本体２に採用することにより、凍結対策として燃料電池システム１の全てを小屋９内に配置する必要がなくなり、燃料電池本体２を屋外へ配置することができる。これにより、小屋９の建物スペースを小さくすることが可能となるので、敷地が狭い場所でも凍結対策された燃料電池システム（寒冷地仕様の燃料電池システム）を配置することができる。また、小屋９内に燃料電池本体２を配置しないことで、発電に伴うガス等を小屋９内に排出することを回避することが可能となるので、凍結防止と安全性の両立を図ることができる。
【００３１】
以上、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、貯湯槽３１、ラジエータ６及び送風ファン５が小屋９内に配置されるため、凍結を抑制することができる。また、送風ファン５の送風先を室内又は室外に切り替えることが可能であるため、気温が低い時には送風先を室内にすることで凍結を一層抑制することができるとともに、気温が高い時には送風先を室外にすることで室内の温度を上昇させることなく燃料電池システム１の連続運転を行うことが可能となる。よって、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる。
【００３２】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、システム制御装置８が、蓄熱量及び気温に基づいて切替弁７を動作させるため、温度が低いときには、蓄熱器が蓄熱できない余剰熱を用いて室内に温風を供給することができるので、余剰熱を用いて凍結の防止を図ることが可能となる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について具体的に説明したが、上記実施形態は本発明に係る燃料電池システムの一例を示すものであり、本発明に係る燃料電池システムは、上記実施形態に係る燃料電池システム１に限られるものではない。
【００３４】
例えば、上記実施形態では、熱交換器２１は燃料電池本体２より発生した排熱を熱回収系４の循環水に伝達する例を説明したが、例えば、燃料電池本体２の余剰電力を余剰ヒータ等で消費する場合には、熱交換器２１は当該余剰ヒータにより生じた熱を燃料電池本体２より発生した排熱として回収し、熱回収系４の循環水に伝達してもよい。
【００３５】
また、上記実施形態では、システム制御装置８は、切替弁７を動作させて送風ファン５の送風先を屋内又は屋外に切り替える例を説明したが、例えば、気温が低いほど送風ファン５の室内への送風量が多くなるように切替弁７を動作させてもよい。すなわち、システム制御装置８は、例えば弁の開度と気温との依存性を示すテーブルをＲＯＭ等の記憶領域に格納しており、気温が低くなるほど、室内への流路の弁の開度を大きくするとともに、室外への流路の弁の開度を小さくするように動作してもよい。このように動作することにより、凍結抑制効果を一層高めることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、システム制御装置８は、切替弁７を動作させて送風ファン５の送風先を屋内又は屋外に切り替える例を説明したが、切替弁７を手動により動作させてもよい。例えば、季節ごとに人が流路を手動で変更することにより、冬場では凍結防止、夏場では燃料電池システム１の連続運転を実現することができる。この時、切替弁７は、開度を手動で調整できるようにされていてもよい。また、手動で調整する場合、システム制御装置８、水温計３０及び気温計３２は備えなくてもよい。
【００３７】
さらに、上記実施形態では、燃料電池本体２として、固体酸化物形燃料電池の場合を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、固体高分子形燃料電池であってもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…燃料電池システム、２…燃料電池本体、３…貯湯ユニット、４…熱回収系、５…送風ファン（放熱器）、６…ラジエータ（放熱器）、７…切替弁（切替手段）、８…システム制御装置（制御部）、９…小屋、１０…三方弁、２０…スタック、２１…熱交換器、３０…水温計（蓄熱量計測器）、３１…貯湯槽（蓄熱器）、３２…気温計（気温計測器）。
【図１】
0005631037.tif 000002
【図２】
0005631037.tif 000003