(57)【要約】  【課題】  再起動における起動時間を短縮可能な燃料電池装置を提供する。  【解決手段】  酸素含有ガスと燃料とで発電を行なう燃料電池と、燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段２と、酸素含有ガス供給手段２により供給される酸素含有ガスを加熱するための加熱装置２０と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段１と、燃料供給手段１における燃料の流れを検知するマイコンメータ３２と、マイコンメータ３２の値に基づいて、燃料電池に供給する燃料を所定期間ごとに所定時間停止するよう燃料供給手段１を制御して、燃料電池の運転を停止するとともに、燃料電池の再起動時において、所定時間が経過する前に、酸素含有ガス供給手段２と加熱装置２０とを作動させる制御を行なう制御装置７とを備えることにより、再起動時の起動時間を短縮した燃料電池装置とすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有ガスと燃料とで発電を行なう燃料電池と、該燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスを加熱するための加熱装置と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料供給手段における燃料の流れを検知するマイコンメータと、該マイコンメータの値に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料を所定期間ごとに所定時間停止するよう前記燃料供給手段を制御して、前記燃料電池の運転を停止するとともに、前記燃料電池の再起動時において、前記所定時間が経過する前に、前記酸素含有ガス供給手段と前記加熱装置とを作動させる制御を行なう制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池より排出される排ガスと、前記燃料電池に供給する酸素含有ガスとで熱交換するための第１の熱交換器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池と、該燃料電池より排出される排ガスを浄化するための浄化装置と、前記第１の熱交換器とが順に接続されており、前記浄化装置を加熱するための浄化装置加熱手段と、前記浄化装置より排出される排ガスの温度を測定するための第１の温度センサとを備えるとともに、前記制御装置は、前記第１の温度センサにより測定された前記排ガスの温度が所定の温度以下の場合に、前記浄化装置加熱手段を作動させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記所定時間経過後に、前記燃料電池に前記燃料を供給すべく前記燃料供給手段を作動させる制御を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池の温度を測定するための第２の温度センサと、前記加熱装置と前記燃料電池との間に設けられた前記加熱装置を流れた前記酸素含有ガスの温度を測定するための第３の温度センサとを備え、前記制御装置は、前記第２の温度センサにより測定された前記燃料電池の温度が所定の温度以上で、かつ前記第３の温度センサにより測定された酸素含有ガスの温度が所定の温度以上の場合に、前記加熱装置の動作を停止する制御を行なうことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記浄化装置より排出される排ガスの温度を測定するための第１の温度センサと、前記第１の熱交換器の下流側に設けられ、該第１の熱交換器より排出された排ガスと水とで熱交換してお湯を生成するための第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器に向けて前記酸素含有ガスを供給するための第１熱交換器供給ラインと、前記第１の熱交換器にて熱交換された前記酸素含有ガスを前記加熱装置に向けて供給するための加熱装置供給ラインと、前記第１熱交換器供給ラインと前記加熱装置供給ラインとをつなぐバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第１熱交換器供給ラインとの接続部に三方弁を備えており、前記制御装置は、前記第１の温度センサにより測定された前記排ガスの温度が所定の温度以下の場合に、前記第１熱交換器供給ラインを流れる酸素含有ガスを、前記バイパスラインを介して前記加熱装置供給ラインに流すように前記三方弁を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記第１の熱交換器の下流側に設けられ、該第１の熱交換器より排出された排ガスと水とで熱交換してお湯を生成するための第２の熱交換器と、該第２の熱交換器で生成されたお湯を貯湯するための貯湯タンクと、該貯湯タンクの温度を測定するための貯湯タンク温度センサと、前記第１の熱交換器に向けて前記酸素含有ガスを供給するための第１熱交換器供給ラインと、前記第１の熱交換器にて熱交換された前記酸素含有ガスを前記加熱装置
に向けて供給するための加熱装置供給ラインと、前記第１熱交換器供給ラインと前記加熱装置供給ラインとをつなぐバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第１熱交換器供給ラインとの接続部に三方弁を備えており、前記制御装置は、前記貯湯タンク温度センサにより測定された前記貯湯タンク中のお湯の温度が所定の温度以下の場合に、前記第１熱交換器供給ラインを流れる酸素含有ガスまたは燃料を、前記バイパスラインを介して前記加熱装置供給ラインに流すように前記三方弁を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電効率の向上した燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、連続運転に伴い燃料ガスを消費し続けることとなり、マイコンメータにおいてガス漏れと検知されてガスの供給が停止するおそれがあることから、マイコンメータの誤作動を避けるため、１月に１回程度、所定の時間について燃料電池装置の運転を停止することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７５８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、マイコンメータの誤作動を避けるために燃料電池装置を停止して所定時間が経過した後、燃料電池装置を再起動するが、この停止時間が長い場合に、燃料電池モジュールの温度が低下する。この場合に、燃料電池装置の再起動にかかる時間が長くなってしまう場合がある。
【０００６】
それゆえ、本発明は、マイコンメータの誤作動を避けるために停止した燃料電池装置の再起動に係る時間を短縮することが可能な燃料電池装置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】
【０００７】
本発明の燃料電池装置は、酸素含有ガスと燃料とで発電を行なう燃料電池と、該燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスを加熱するための加熱装置と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料供給手段における燃料の流れを検知するマイコンメータと、該マイコンメータの値に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料を所定期間ごとに所定時間停止するよう前記燃料供給手段を制御して、前記燃料電池の運転を停止するとともに、前記燃料電池の再起動時において、前記所定時間が経過する前に、前記酸素含有ガス供給手段と前記加熱装置とを作動させる制御を行なう制御装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、マイコンメータの誤作動を避けるために停止した燃料電池装置の再起動時において、制御装置が、所定時間が経過する前に、酸素含有ガス供給手段と加熱装置とを作動させる制御を行なうことにより、燃料が供給可能となる前に、燃料電池の温度を上昇させることができることから、再起動における時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池装置の一例の一部を構成する燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】本実施形態の燃料電池装置における燃料電池モジュールに、第１の熱交換器と第２の熱交換器とが順に接続されていること示す概念図である。
【図５】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。
【図６】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
【図７】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
【図８】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。
【００１１】
図１に示す発電ユニットは、燃料極層、固体電解質層、空気極層を有する固体酸化物形の燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック５、都市ガス等の原燃料を供給する燃料供給手段１、燃料供給手段１より供給される原燃料の流れを検知するマイコンメータ３２、セルスタック５を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段２、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを加熱するための加熱装置２０、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器３、セルスタックから排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置１８を備えている。なお、図１に示す発電ユニットでは、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある。）が構成され、図１においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図には示していないが、モジュール４内には、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置が設けられている。また、図１に示す燃料電池システムでは浄化装置１８をモジュール４の外部に設けた例を示しているが、モジュール４内に設けることもできる。また、酸素含有ガス供給手段２により供給される酸素含有ガスの供給ラインである酸素含有ガス供給ラインを破線で示している。
【００１２】
また、図１に示す発電ユニットにおいては、セルスタック５を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう第２の熱交換器である熱交換器８に水を循環させる循環配管１５、熱交換器８で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置９、凝縮水処理装置９にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１１とが設けられており、水タンク１１と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。なお、熱交換器８での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置９を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置９が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク１１を設けない構成とすることもできる。
【００１３】
水タンク１１に貯水された水は、水タンク１１と改質器３とを接続する水供給管１３に備えられた水ポンプ１２により改質器３に供給される。
【００１４】
さらに図１に示す発電ユニットは、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）６、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１４のほか、各種機器の動作を制御する制御装置７が設けられており、循環配管１５内で水を循環させる循環ポンプ１７とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、後述する外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１６を具備して構成されている。
【００１５】
ここで、図１に示した燃料電池システムの通常状態の運転方法について説明する。
【００１６】
セルスタック５の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置７は原燃料供給手段１、水ポンプ１２を作動させる。それにより、改質器３に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極側に供給される。
【００１７】
一方、制御装置７は酸素含有ガス供給手段２を動作させることにより、燃料電池セルの空気極側に酸素含有ガス（空気）を供給する。なお、酸素含有ガスの供給に関しては後述する。
【００１８】
なお、制御装置７はモジュール４において着火装置（図示せず）を作動させることにより、セルスタック５の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック５や改質器３の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
【００１９】
セルスタック５の発電に伴って生じた排ガスには、未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素が含まれる場合があるため、これらの排ガスを浄化装置１８にて浄化する。なお、浄化装置１８としては、例えば容器内に燃焼触媒を備えた構成とすることができる。
【００２０】
そして、浄化装置１８で浄化された排ガスは、後述する第１の熱交換器１９を介して熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、凝縮水処理装置９に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
【００２１】
続いて、本実施形態のモジュール４について説明する。図２、図３は、本実施形態の燃料電池装置を構成するモジュール４の一例を示し、図２はモジュール４を示す外観斜視図であり、図３は図２に示すモジュール４の断面図である。
【００２２】
図２に示すモジュール４においては、収納容器２２の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル２３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル２３間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル２３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でガスタンク２４に固定してなるセルスタック５を２つ備えるセルスタック装置２１を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル２３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し
部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置２１が構成される。なお、図２においては、セルスタック装置２１が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。また、収納容器２２には、後述する燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させるための着火装置３０、モジュール４の温度を測定するための第２の温度センサである熱電対３１が設けられている。
【００２３】
また、図２においては、燃料電池セル２３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル２３を例示している。なお、燃料電池セル２３においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもでき、この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール４の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２２の形状を適宜変更することが好ましい。
【００２４】
また、図２に示すモジュール４においては、燃料電池セル２３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管２８を介して供給される都市ガス等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器３をセルスタック５の上方に配置している。なお、原燃料供給管２８は、図１に示す燃料供給手段１にあわせて、適宜配置することができる。また、改質器３は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部２６と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２５とを備えている。なお、改質器３においては、水蒸気改質のほか部分酸化改質を行なってもよく、改質触媒としては、水蒸気改質のほか、部分酸化改質も可能な燃焼触媒を用いることができる。そして、改質器３で生成された燃料ガス（水素含有ガス）は、燃料ガス流通管２７を介してガスタンク２４に供給され、ガスタンク２４より燃料電池セル２３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置２１の構成は、燃料電池セル２３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置２１に改質器３を含むこともできる。
【００２５】
また図２においては、収納容器２２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置２１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示したモジュール４においては、セルスタック装置２１を、収納容器２２内にスライドして収納することが可能である。
【００２６】
なお、収納容器２２の内部には、ガスタンク２４に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル２３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材２９が配置されている。
【００２７】
図３に示すように、モジュール４を構成する収納容器２２は、内壁３３と外壁３４とを有する二重構造で、外壁３４により収納容器２２の外枠が形成されるとともに、内壁３３によりセルスタック装置２１を収納する発電室３５が形成されている。さらに収納容器２２においては、内壁３３と外壁３４との間を、燃料電池セル２３に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路４０としている。
【００２８】
ここで、収納容器２２内には、収納容器２２の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３７とを備え、下端部に燃料電池セル２３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口３６が設けられてなる反応ガス導入部材２９が、内壁３３を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部３７と内壁３３との間には断熱部材３７が配置されている。
【００２９】
なお、図３においては、反応ガス導入部材２９が、収納容器２２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材２９を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。
【００３０】
また発電室３５内には、モジュール４内の熱が極端に放散され、燃料電池セル２３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール４内の温度を高温に維持するための断熱部材３７が適宜設けられている。
【００３１】
断熱部材３７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル２３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル２３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３７を配置することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材３７を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材２９より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル２３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック５の両側面側に配置された断熱部材３７においては、燃料電池セル２３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル２３の積層方向における温度分布を低減するための開口部３８が設けられている。なお、複数の断熱部材３７を組み合わせて開口部３８を形成するようにしてもよい。
【００３２】
また、燃料電池セル２３の配列方向に沿った内壁３３の内側には、排ガス用内壁３９が設けられており、内壁３３と排ガス用内壁３９との間が、発電室３５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路４１とされている。なお、排ガス流路４１は、収納容器２２の底部に設けられた排気孔４５と通じている。また、排ガス用内壁３９のセルスタック５側にも断熱部材３７が設けられている。
【００３３】
それにより、モジュール４の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路４１を流れた後、排気孔４５より排気される構成となっている。なお、排気孔４５は収納容器２２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
【００３４】
なお、モジュール４においては、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを着火させるための着火装置３０が、燃料電池セル２３と改質器３との間に位置するように、収納容器２の側面より挿入されている。なお、着火装置３０により燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを着火させることにより、モジュール４内の温度を高温とすることができるほか、燃料電池セル２３、改質器３の温度を高温に維持することができる。
【００３５】
ところで、燃料電池装置は連続運転することで、燃料ガスを消費し続けることとなることから、マイコンメータ３２がガス漏れと検知し、燃料の供給が停止することがある。それゆえ、この誤作動を回避するため、１月に１回程度、所定の時間について燃料電池装置の運転を停止する。そして所定の時間が経過した後は、燃料電池装置を再起動する。なお、燃料電池装置の停止とは、燃料供給手段１および酸素含有ガス供給手段２の何れもが停止した時をいうものとする。
【００３６】
しかしながら、燃料電池装置の停止時間が長い場合には、モジュール４内の温度が低下し、再起動にかかる時間が長くなってしまう場合がある。
【００３７】
そこで、図１に示す本実施形態の燃料電池装置においては、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを加熱するための加熱装置２０を備えており、所定の時間が経過する前に、制御装置７が酸素含有ガス供給手段２および加熱装置２０を作動させ、温度の上昇した酸素含有ガスのみをモジュール４に供給する暖気運転を行なうことを特徴とする。なお、言うまでもないが、この時間帯において燃料は供給されていない。
【００３８】
それにより、燃料電池装置の停止から所定時間が経過して、燃料電池装置に燃料が供給可能となった時には、すでにモジュール４内の温度が上昇していることとなるから、燃料電池装置の再起動にかかる時間を短くすることができる。なお、所定の時間が経過する前とは、所定の時間に応じて適宜設定することができ、例えば所定の時間が１日（２４ｈ）の場合には、所定の時間が終了する１〜３時間前に、酸素含有ガス供給手段２および加熱装置２０を作動させる。ちなみに、この場合において先に加熱装置２０を作動させることが好ましい。
【００３９】
図４は、上記モジュール４、浄化装置１８、第１の熱交換器１９および第２の熱交換器８の接続状態を示す概念図である。なお、モジュール１の外周には、モジュール１の温度を高温に維持するための断熱部材３７が設けられている。
【００４０】
上述したように、温度の上昇した酸素含有ガスをモジュール４に供給した場合に、モジュール４に供給された酸素含有ガスは、モジュール４の温度を温めるのに使用された後、排気孔４５よりそのまま排出される。この場合に、排気孔４５より排出された酸素含有ガス（排ガス）の温度が高い場合があり、この場合に、モジュール４に供給する酸素含有ガスと、排気孔４５より排出された酸素含有ガスとで熱交換を行った後、加熱手段２０により加熱することで、モジュール４に供給する酸素含有ガスの温度をより上昇させることができる。
【００４１】
ここで、図４においては、モジュール４の底部の排気ガスを排出するための排気孔（図示せず）に、モジュール４より排出される排ガスを浄化するための浄化装置１８、浄化装置１８を通ったガスとモジュール４に供給する酸素含有ガスとで熱交換するための第１の熱交換器１９、第１の熱交換器１９を通過した排ガスと水とで熱交換を行なってお湯を生成するための第２の熱交換器８とがこの順に接続されている。なお、第２の熱交換器８は、下方側に温度の低い水が供給される入口４６が設けられており、上方側に第２の熱交換器８内で生成された水を送水するための出口４７が設けられている。
【００４２】
燃料電池装置の通常運転時においては、モジュール４内にて燃料電池セル２３の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることでモジュール４内の温度を高温に維持することができるが、この燃焼後の排ガスには未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素が含まれる場合があり、これらを浄化する必要があることから、モジュール４より排出される排ガスを浄化するための浄化装置１８が設けられている。また、浄化装置１８にて浄化された排ガスは、続いて第２の熱交換器である熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水と熱交換される。
【００４３】
ここで、図４に示すように、浄化装置１８と第２の熱交換器８との間に、酸素含有ガス供給手段２より供給された酸素含有ガスと熱交換するための第１の熱交換器１９が設けられており、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスは、第１の熱交換器８の外面を通った後、加熱装置２０を通って、モジュール４の底部に設けられた酸素含有ガス導入部４８よりモジュール４内に供給される。
【００４４】
モジュール４より排出される酸素含有ガスの熱を用いて、酸素含有ガス供給手段２より
供給された酸素含有ガスの温度を上昇させるとともに、さらに加熱装置２０で酸素含有ガスをさらに加熱することで、モジュール４の温度を上昇させることができ、燃料電池装置の再起動に要する時間を短くすることができる。
【００４５】
なお、加熱装置２０としては例えばヒータを用いることができる。さらに、第１の熱交換器１８での熱交換を向上するため、酸素含有ガス供給ラインを第１の熱交換器１８の周囲を周回してから加熱装置２０に供給するようにしてもよい。
【００４６】
図５は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。
【００４７】
図５に示す燃料電池システムにおいては、図１に示す燃料電池システムの構成に加えて、浄化装置１８より排出された排ガスの温度を測定するための第１の温度センサ５３と、浄化装置１８の温度を上昇させるための浄化装置加熱手段５４とを備えている。
【００４８】
モジュール４に供給する酸素含有ガスの温度をさらに上昇させるにあたり、第１の熱交換器１９での熱交換を有効利用することが考えられる。ここで、燃料電池装置の停止の所定時間経過後は、燃料供給手段１により原燃料を供給し、燃料電池セル２３の発電に使用されなかった燃料を燃焼させるが、それに伴い浄化装置１８での浄化が必要となるため、燃料供給手段１より原燃料の供給が開始される際には、浄化装置１８が浄化可能な温度に上昇していることが好ましい。
【００４９】
それゆえ、図５に示す燃料電池システムにおいては、浄化装置１８にヒータ等の浄化装置加熱手段５４を設けるとともに、浄化装置１８より排出された排ガス（酸素含有ガス）の温度を測定するための第１の温度センサ５３を備えている。
【００５０】
ここで、浄化装置加熱手段５４により浄化装置１８の温度を上昇させることで、浄化装置より排出された排ガス（酸素含有ガス）の温度も上昇させることができる。それにより、第１の熱交換器１９における熱交換も効率良く行なうことができ、モジュール４に供給する酸素含有ガスの温度が上昇することから、燃料電池装置の再起動に要する時間を短くすることができる。
【００５１】
具体的には、第１の温度センサ５３により測定された温度情報が制御装置７に伝送される。ここで、制御装置７は第１の温度センサ５３により測定された温度が、予め設定された所定の温度以下の場合には、浄化装置加熱手段５４を動作させる制御を行なう。それにより、モジュール４に供給する酸素含有ガスの温度を上昇することができる。なお、第１の温度センサ５３における予め設定された所定の温度は例えば１００〜２００℃の間で適宜設定することができる。
【００５２】
図６は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
【００５３】
図６に示す燃料電池システムにおいては、図５に示す燃料電池システムに加え、加熱装置２０とモジュール４との間に第３の温度センサ４９を備えており、またモジュール４には図２、３で示した第２の温度センサ３１を備えている。
【００５４】
モジュール４に供給される酸素含有ガスが十分に高温となっており、またモジュール４内の温度も十分高温となっている場合に、加熱装置２０を動作させると、余分な電力消費につながり、効率が低下することとなる。
【００５５】
それゆえ、第２の温度センサ３１にて測定されたモジュール４の温度や、第３の温度センサ４９にて測定された加熱装置２０を通った酸素含有ガスの温度がそれぞれ所定の温度以上の場合には、加熱装置２０の動作を停止する制御を行なうことが好ましい。それゆえにより、余分な電力消費を行なうことを抑制できる。
【００５６】
具体的には、第２の温度センサ３１により測定された温度情報と、第３の温度センサ４９により測定された温度情報が制御装置７に伝送される。ここで、制御装置７は、第２の温度センサ３１により測定された温度が予め設定された所定の温度以上で、かつ第３の温度センサ４９により測定された温度が予め設定された所定の温度以上の場合には、加熱装置２０の動作を停止する制御を行なう。それにより、余分な電力消費を抑制することができる。なお、第２の温度センサ３１における予め設定された所定の温度は例えば２００〜３００℃の間で適宜設定することができ、第３の温度センサ４９における予め設定された所定の温度は例えば１００〜２００℃の間で適宜設定することができる。
【００５７】
図７は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
【００５８】
図７に示す燃料電池システムにおいては、図６に示す燃料電池システムに加えて、酸素含有ガス供給手段２と第１の熱交換器１９とを接続する第１熱交換器供給ラインと、第１の熱交換器１９と加熱装置２０とを接続する加熱装置供給ラインとを接続するバイパスライン５２を備えており、バイパスライン５２と第１熱交換器供給ラインとの接続部に、三方弁５０が設けられている。なお、図７に示す燃料電池システムにおいては、バイパスライン５２と加熱装置供給ラインとの接続部にも三方弁５１を設けており、バイパスライン５２を流れた酸素含有ガスが、第１の熱交換器１９側に流れない構成としている。
【００５９】
浄化装置１８より排出された排ガスの温度が十分高い場合には、第１の熱交換器１９にて酸素含有ガスと熱交換した後の排ガスが第２の熱交換器８に供給されたとしても、循環ポンプ１７を作動させて、第２の熱交換器８において熱交換することで、排ガスの温度を低下できるほか、貯湯タンク１６に貯水されるお湯の温度を上昇させることができる。それゆえ、例えば燃料電池装置の運転が停止している場合に、お湯の使用量が増えた場合であっても、貯湯タンク１６に貯水されるお湯の量を増やすことができる。
【００６０】
一方で、浄化装置１８より排出された排ガスの温度が低い場合には、第１の熱交換器１９にて熱交換をしても、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスの温度が十分には上昇せず、一方で浄化装置１８より排出された排ガスの温度がさらに低下して、第２の熱交換器８での熱交換が十分に行なうことができず、十分量のお湯を生成できないおそれがある。
【００６１】
それゆえ、この場合において、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを、バイパスラインを介して加熱装置２０に供給することにより、第２の熱交換器８に供給される排ガスの温度が下がることを抑制でき、お湯の生成量が減少することを抑制することができる。
【００６２】
具体的には、第１の温度センサ５３により測定された排ガスの温度情報が制御装置７に伝送される。ここで、制御装置７は第１の温度センサ５３により測定された温度が、予め設定された所定の温度以下の場合には、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン５２に供給するように三方弁５０、５１を制御する。
【００６３】
なお、第１の温度センサ５３における予め設定された所定の温度は例えば１５０〜２００℃の間で適宜設定することができる。
【００６４】
また、図７に示した燃料電池システムにおいて、バイパスライン５２を流れた酸素含有ガスが、第１の熱交換器１９側に流れないように、バイパスライン５２と加熱装置供給ラインとの接続部にも三方弁５１を設けたが、例えば、三方弁５１の代わりに、バイパスライン５２と加熱装置供給ラインとの接続部よりも第１の熱交換器１９側に逆止弁を設ける構成とすることもできる。
【００６５】
図８は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
【００６６】
図８に示す燃料電池システムにおいては、図７に示す燃料電池システムに加えて、貯湯タンク１６に貯水されたお湯の温度を測定するための貯湯タンク温度センサ５５を備えている。なお、図８において貯湯タンク温度センサ５５は、貯湯タンク１６における中央部の温度を測定するように１つだけ設けている例を示しているが、例えば貯湯タンク１６の温度を計測するにあたり、貯湯タンク温度センサ５５を複数個設けて、平均の値を採用するようにしてもよい。
【００６７】
通常、貯湯タンク１６の貯湯量は一定の量となるように、お湯の使用量が増えた場合には、水道水が貯湯タンク１６に貯水されるように設定されている。しかしながら、この場合、貯湯タンク１６に貯水された水の量は十分量となるものの、その温度が低下することとなる。従って、貯湯タンク１６に貯水されたお湯の温度が低下した場合には、第２の熱交換器である熱交換器８での熱交換率が低下しないよう、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを、バイパスラインを介して加熱装置２０に供給することが好ましい。それにより、熱交換器８に供給される浄化済み排ガスの温度が低下することを抑制でき、熱交換器８でのお湯の生成が低下することを抑制できる。
【００６８】
具体的には、貯湯タンク温度センサ５５により測定された温度情報が制御装置７に伝送される。ここで、制御装置７は貯湯タンク温度センサ５５により測定された温度が、予め設定された所定の温度以下の場合には、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン５３に供給するように三方弁５０、５１を制御する。
【００６９】
なお、図８に示す貯湯タンク温度センサ５５を貯湯タンク１６の中央部に設けた例においては、貯湯タンク温度センサ５５における予め設定された所定の温度は例えば４〜３０℃の間で適宜設定することができる。
【００７０】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００７１】
例えば、上記制御装置７での制御において、第１の温度センサ５３と、第２の温度センサ３１および第３の温度センサ４９との制御を別々に説明したが、同時に制御することも可能である。この場合、制御装置７は、全ての温度センサにより測定された温度が、予め設定された温度以上となった場合に、加熱装置２０の動作を停止するよう制御すればよい。
【００７２】
また、上記制御装置７での制御において、第１の温度センサ５３と貯湯タンク温度センサ５５の少なくとも一方の温度センサにより測定された温度が、設定された温度以下となった場合に、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン５３に供給するように三方弁５０、５１を制御することもできる。
【符号の説明】
【００７３】
２：酸素含有ガス供給手段
４：燃料電池モジュール
７：制御装置
８：第２の熱交換器
１８：浄化装置
１９：第１の熱交換器
２０：加熱装置
３１：第２の温度センサ
４９：第３の温度センサ
５０、５１：三方弁
５２：バイパスライン
５３：第１の温度センサ
５４：浄化装置加熱手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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