(57)【要約】【課題】水循環通路の凍結防止構成を比較的簡易なものとし、凍結防止に要するランニングコストの低減を可能とすること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１及びそれに関わる各種構成機器２〜４，１７〜２０を備える。燃料電池１及び各種構成機器１７〜２０に水を循環させる水循環通路５〜７が設けられる。各水循環通路５〜７を構成する配管９，１４，２１の一部を地熱回収配管２５〜２７として地中に埋設する。各水循環通路５〜７の水を各地熱回収配管２５〜２７を通る流れと同配管２５〜２７を通らない流れとに切り替える三方弁２８〜３０と、各水循環通路５〜７の地上部の水温度を検出する水温センサ１０，１５，２４を設ける。検出される水温度が所定の低温度となるときだけ各三方弁２８〜３０を作動させて各水循環通路５〜７の水を各地熱回収配管２５〜２７を通る流れに切り替える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に関わる各種構成機器とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池及び前記各種構成機器の少なくとも一つに水を循環させる水循環通路を備え、前記水循環通路を構成する配管の一部を地熱回収配管として地中に埋設したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記各種構成機器は、貯湯槽、改質器及び凝縮器の少なくとも一つを含む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】
前記水循環通路の水を前記地熱回収配管を通る流れと前記地熱回収配管を通らない流れとに切り替える切替手段と、
前記水循環通路の地上部の水温度又は外気温度を検出するための温度検出手段と
を備え、前記検出される水温度又は外気温度が所定の低温度となるときだけ前記切替手段を作動させて前記水循環通路の水を前記地熱回収配管を通る流れに切り替えることを特徴とする請求項１又は２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】
この発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、詳しくは、燃料電池を含む各種構成機器に水循環通路を通じて水を循環させるようにした燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムでは、極低温雰囲気でシステムを停止させると、燃料電池内部に残留する凝縮水が凍結したり、水循環通路の水が凍結したりするおそれがある。このような凍結が一旦起きると、システムの再起動時に水を解凍してからでないと燃料電池で発電を行うことができない。
【０００３】
そこで、水循環通路などの凍結を防止するようにした燃料電池システムの一例が、下記の特許文献１に提案されている。この燃料電池システムは、水循環通路に燃焼機などの加熱手段を備え、システムの雰囲気温度が所定の閾値以下となったときに、凍結防止運転として、水循環通路に水を循環させると共に、加熱手段を作動させて凍結を防止するようにしている。特許文献１には、貯湯槽に貯えられる湯を水循環通路に循環させて利用することも開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、前記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、システムの停止時にも凍結防止運転として加熱手段を作動させなければならず、その分だけシステムのランニングコストが嵩むことになる。また、加熱手段を設ける分だけシステムが複雑化し、コスト高にもなる。
【０００６】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、水循環通路の凍結を防止する構成を比較的簡易なものとし、凍結防止に要するランニングコストの低減を可能とした燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に関わる各種構成機器とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池及び各種構成機器の少なくとも一つに水を循環させる水循環通路を備え、水循環通路を構成する配管の一部を地熱回収配管として地中に埋設したことを趣旨とする。
【０００８】
上記発明の構成によれば、水循環通路を循環する水が地熱回収配管にて回収される地熱により暖められて低温化が抑えられる。水循環通路を構成する配管の一部を地中に埋設すればよいので、加熱手段などの付属機器を設ける必要がない。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、各種構成機器は、貯湯槽、改質器及び凝縮器の少なくとも一つを含むことを趣旨とする。
【００１０】
上記発明の構成によれば、貯湯槽、改質器及び凝縮器の少なくとも一つを各種構成機器として含む燃料電池システムにおいて、請求項１に記載の発明と同様の作用が得られる。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、水循環通路の水を地熱回収配管を通る流れと地熱回収配管を通らない流れとに切り替える切替手段と、水循環通路の地上部の水温度又は外気温度を検出するための温度検出手段とを備え、検出される水温度又は外気温度が所定の低温度となるときだけ切替手段を作動させて水循環通路の水を地熱回収配管を通る流れに切り替えることを趣旨とする。
【００１２】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、水循環通路の地上部の水温度又は外気温度が所定の低温度となるときは、水循環通路の水が地熱回収配管を流れるので、地熱回収配管に伝わる地熱により水循環通路を循環する水が暖められる。一方、水循環通路の地上部の水温度又は外気温度が所定の低温度とならないときは、水循環通路の水が地熱回収配管を流れないので、凍結が起こらないときに地熱回収配管から地中へ熱が無駄に奪われることがない。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、水循環通路の凍結を防止することができ、その凍結防止のための構成を比較的簡易なものとすることができ、凍結防止に要するランニングコストを低減させることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、貯湯槽、改質器及び凝縮器の少なくとも一つを各種構成機器として含む燃料電池システムにおいて、水循環通路の凍結を防止することができ、その凍結防止のための構成を比較的簡易なものとすることができ、凍結防止に要するランニングコストを低減させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、凍結が起こらないときに地熱回収配管から地中へ熱が無駄に奪われることがないので、水循環通路が持つ本来の機能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明における燃料電池システムを具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池（ＦＣ）１と、その燃料電池１に関わる各種構成機器と、燃料電池１を含む各種構成機器に水を循環させる水循環通路５，６，７とを備える。この実施形態で、各種構成機器は、燃料ガスを生成する燃料ガス改質器（以下「改質器」と言う。）２、改質器２を加熱する改質器バーナ３、酸化ガスを加湿する加湿器４、燃料電池１に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置（図示略）、それらに付随した各凝縮器１７〜２０及び後述する貯湯槽８を含む。改質器２は、天然ガス等の燃料を水素に改質し、燃料電池１へ燃料ガスとして供給するためのものである。燃料電池１には、改質器２及び酸化ガス供給装置から燃料ガスと酸化ガスが供給される。燃料電池１は、単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成される。
【００１８】
各水循環通路５〜７は燃料電池１及び各種構成機器１７〜２０で発生する熱を処理するためのものであり、貯湯槽水循環通路５と、燃料電池水循環通路６と、凝縮器水循環通路７とを備える。貯湯槽水循環通路５は、燃料電池１及び各種構成機器１７〜２０で発生する熱により加熱される湯を貯える貯湯槽８を備え、その貯湯槽８の湯を循環させるものであり、配管９と、その配管９の途中にそれぞれ設けられた第１の水温センサ１０、第１のポンプ１１、第１の熱交換器１２及び第２の熱交換器１３とを備える。第１の熱交換器１２は、貯湯槽水循環通路５と凝縮器水循環通路７との間で熱交換を行うためのものである。第２の熱交換器１３は、貯湯槽水循環通路５と燃料電池水循環通路６との間で熱交換を行うためのものである。第１のポンプ１１は、貯湯槽水循環通路５の湯に流れを付与するためのものである。第１のポンプ１１は、電動式ポンプにより構成される。第１の水温センサ１０は、貯湯槽水循環通路５の地上部の水温度Ｔ１を検出するためのものであり、本発明の温度検出手段に相当する。
【００１９】
燃料電池水循環通路６は、燃料電池１を冷却する冷却水を循環させるものであり、燃料電池１の他に、配管１４と、その配管１４の途中にそれぞれ設けられた第２の水温センサ１５、第２のポンプ１６及び第２の熱交換器１３を備える。第２のポンプ１６は、燃料電池水循環通路６の冷却水に流れを付与するためのものである。第２のポンプ１６は、電動式ポンプにより構成される。第２の水温センサ１５は、燃料電池水循環通路６の地上部の水温度Ｔ２を検出するためのものであり、本発明の温度検出手段に相当する。
【００２０】
凝縮器水循環通路７は、各種構成機器２〜４から排出されるガス等の熱を回収するために設けられた複数の凝縮器１７，１８，１９，２０で発生する熱を処理するためのものである。この実施形態では、凝縮器水循環通路７は、配管２１と、その配管２１の途中にそれぞれ設けられた第１の熱交換器１２、ラジエータ２２、第３のポンプ２３、第３の水温センサ２４及び第１〜第４の凝縮器１７〜２０を備える。第１の凝縮器１７はアノードオフガスのためのものであり、第２の凝縮器１８は燃焼排気のためのものであり、第３の凝縮器１９はオフエアのためのものであり、第４の凝縮器２０は改質ガスのためのものである。第３の水温センサ２４は、凝縮器水循環通路７の地上部の水温度Ｔ３を検出するためのものであり、本発明の温度検出手段に相当する。
【００２１】
この実施形態では、各水循環通路５〜７の凍結を防止するために、各水循環通路５〜７を構成する配管９，１４，２１の一部が地熱回収配管２５，２６，２７として地中に埋設されている。
【００２２】
すなわち、貯湯槽水循環通路５を構成する配管９の途中で、第１の水温センサ１０と第１のポンプ１１との間には、水の流れを迂回させるように第１の地熱回収配管２５が設けられ、その配管２５の一部が地中に埋設される。この地熱回収配管２５の上流端は、本発明の切替手段としての第１の三方弁２８を介して配管９に接続される。この三方弁２８が切り替わることにより、貯湯槽水循環通路５の水が第１の地熱回収配管２５を通る流れと第１の熱回収配管２５を通らない流れとに切り替えられる。この実施形態で、第１の三方弁２８は電動式弁により構成され、オンされることで、貯湯槽水循環通路５の水が第１の地熱回収配管２５を通る流れに切り替えられ、オフされることで、同通路５の水が第１の地熱回収配管２５を通らない流れに切り替えられる。
【００２３】
同様に、この実施形態では、燃料電池水循環通路６を構成する配管１４の途中に、水の流れを迂回させるように第２の地熱回収配管２６が設けられ、その配管２６の一部が地中に埋設される。この地熱回収配管２６の上流端は、本発明の切替手段としての第２の三方弁２９を介して配管１４に接続される。この三方弁２９が切り替わることにより、燃料電池水循環通路６の水が第２の地熱回収配管２６を通る流れと第２の地熱回収配管２６を通らない流れとに切り替えられる。この実施形態で、第２の三方弁２９は電動式弁により構成され、オンされることで、燃料電池水循環通路６の水が第２の地熱回収配管２６を通る流れに切り替えられ、オフされることで、同通路６の水が第２の地熱回収配管２６を通らない流れに切り替えられる。
【００２４】
同様に、この実施形態では、凝縮器水循環通路７を構成する配管２１の途中で、ラジエータ２２と第３のポンプ２３との間には、水の流れを迂回させるように第３の地熱回収配管２７が設けられ、その配管２１の一部が地中に埋設される。この地熱回収配管２７の上流端は、本発明の切替手段としての第３の三方弁３０を介して配管２１に接続される。この三方弁３０が切り替わることにより、凝縮器水循環通路７の水が第３の地熱回収配管２７を通る流れと第３の地熱回収配管２７を通らない流れとに切り替えられる。この実施形態で、第３の三方弁３０は電動式弁により構成され、オンされることで、凝縮器水循環通路７の水が第３の地熱回収配管２７を通る流れに切り替えられ、オフされることで、同通路７の水が第３の地熱回収配管２７を通らない流れに切り替えられる。
【００２５】
この実施形態で、各地熱回収配管２５〜２７の地中への埋設深さは、立地条件により異なるが、必要十分な地熱を得るために「０．５〜１．０ｍ」程度の深さがあれば十分と考えられる。
【００２６】
この燃料電池システムを制御するために、コントローラ３１が設けられる。コントローラ３１には、上記した各ポンプ１１，１６，２３、各水温センサ１０，１５，２４及び各三方弁２８〜３０が接続される。また、コントローラ３１には、この燃料電池システムを構成するその他の電気機器が接続される。コントローラ３１は、凍結防止処理を実行するための制御プログラムを格納し、その制御プログラムに基づいて各ポンプ１１，１６，２３、各水温センサ１０，１５，２４及び各三方弁２８〜３０を制御するようになっている。
【００２７】
図２に、燃料電池システムを運転するための制御につきコントローラ３１が実行するメインルーチンをフローチャートに示す。図３に、コントローラ３１が実行する待機のためのサブルーチンをフローチャートに示す。コントローラ３１は、これらのルーチンを所定時間毎に周期的に実行する。
【００２８】
図２のメインルーチンにおいて、ステップ１００で、起動のデータが入力されると、ステップ１１０で、コントローラ３１は、燃料電池システムを起動させるための処理を実行する。データの入力は所定の入力装置から行われる。ここでは、ステップ１１０の詳しい内容の説明を省略する。
【００２９】
また、ステップ２００で、発電準備のデータが入力されると、ステップ２１０で、コントローラ３１は、燃料電池システムの発電準備のための処理を実行する。ここでは、ステップ２１０の詳しい内容の説明を省略する。
【００３０】
また、ステップ３００で、発電のデータが入力されると、ステップ３１０で、コントローラ３１は、燃料電池システムの発電のための処理を実行する。ここでは、ステップ３１０の詳しい内容の説明を省略する。
【００３１】
また、ステップ４００で、停止のデータが入力されると、ステップ４１０で、コントローラ３１は、燃料電池システムの停止のための処理を実行する。ここでは、ステップ４１０の詳しい内容の説明を省略する。
【００３２】
そして、ステップ５００で、待機のデータが入力されると、ステップ５１０で、コントローラ３１は、燃料電池システムの待機のための処理を実行する。このステップ５１０の詳しい内容を、図３のフローチャートを参照して説明する。図３のフローチャートは、貯湯槽水循環通路５に関する処理ルーチンを示す。燃料電池水循環通路６及び凝縮器水循環通路７に関する処理ルーチンについては、図３のフローチャートに準ずるものとして、ここでは説明を省略する。
【００３３】
処理がこのルーチンへ移行すると、ステップ５１１で、コントローラ３１は、第１の水温センサ１０で検出される水温度Ｔ１が所定の低温としての「１℃」より低いか否かを判断する。この「１℃」は例示であり、この温度に限定されるものではない。
【００３４】
ステップ５１１の判断結果が否定である場合、凍結のおそれがないことから、コントローラ３１は、ステップ５１６で、第１のポンプ１１をオフする。これにより、貯湯槽水循環通路５における水の循環は止められる。また、ステップ５１７で、コントローラ３１は、第１の三方弁２８をオフする。これにより、貯湯槽水循環通路５の水が第１の地熱回収配管２５を通らない流れに切り替えられる。
【００３５】
一方、ステップ５１１の判断結果が肯定である場合、コントローラ３１は、ステップ５１２で、第１のポンプ１１をオンする。これにより、貯湯槽水循環通路５の水に流れが付与され、貯湯槽８の湯が同通路５を流れる。
【００３６】
次に、ステップ５１３で、コントローラ３１は、第１の水温センサ１０で検出される水温度Ｔ１が「１℃」よりもわずかに高い所定の低温としての「４℃」より低いか否かを判断する。この「４℃」は例示であり、この温度に限定されるものではない。この判断結果が否定である場合、凍結のおそれがないことから、コントローラ３１は、上記したと同様にステップ５１６，５１７の処理を実行する。
【００３７】
一方、ステップ５１３の判断結果が肯定である場合、ステップ５１４で、コントローラ３１は、第１のポンプ１１を駆動させた後３分が経過したか否かを判断する。この「３分」は例示であり、この時間に限定されるものではない。ここで「３分」の経過を待つのは、貯湯槽８の湯を循環させることで、貯湯槽水循環通路５の水温度Ｔ１を上げるためである。この判断結果が否定である場合、コントローラ３１は、処理をステップ５１２へジャンプする。
【００３８】
一方、ステップ５１４の判断結果が肯定である場合、貯湯槽８の湯を循環させても水温度Ｔ１が「４℃」未満の低温のままであることから、コントローラ３１は、ステップ５１５で、第１の三方弁２８をオンする。これにより、貯湯槽水循環通路５の水が第１の地熱回収配管２５を通る流れに切り替えられる。これにより、貯湯槽水循環通路５の水が第１の地熱回収配管２５を介して循環することになる。
【００３９】
以上説明したようにこの実施形態の燃料電池システムの構成によれば、貯湯槽水循環通路５の地上部の水温度Ｔ１が所定の低温となる場合は、同通路５を循環する水が第１の地熱回収配管２５を流れ、同配管２５にて回収される地熱により暖められて低温化が抑えられる。このため、貯湯槽水循環通路５の凍結を未然に防止することができる。また、貯湯槽水循環通路５を構成する配管９の一部となる第１の地熱回収配管２５を地中に埋設すればよいので、電気ヒータやバーナなどの加熱手段を貯湯槽水循環通路５に設ける必要がない。このため、凍結防止のための構成を比較的簡易なものとすることができ、しかも加熱手段を駆動させない分だけ凍結防止に要するランニングコストを低減させることができる。
【００４０】
また、この実施形態によれば、貯湯槽水循環通路５の地上部の水温度Ｔ１が所定の低温度となるときは、同通路５の水が第１の地熱回収配管２５を流れるので、第１の地熱回収配管２５に伝わる地熱により貯湯槽水循環通路５を循環する水が暖められる。一方、水温度Ｔ１が所定の低温度とならないときには、貯湯槽水循環通路５の水が第１の地熱回収配管２５を流れないので、凍結が起こらないときに第１の地熱回収配管２５から地中へ熱が無駄に奪われることがない。このため、貯湯槽水循環通路５が持つ本来の機能を確保することができる。
【００４１】
この実施形態において、燃料電池水循環通路６及び凝縮器水循環通路７についても、上記した貯湯槽水循環通路５と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００４３】
（１）前記実施形態では、各水循環通路５〜７の地上部の水温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を検出するための水温センサ１０，１５，２４を温度検出手段として設けたが、水温センサ１０，１５，２４の代わりに、外気温度を検出する外気温センサを温度検出手段として設けてもよい。
【００４４】
（２）前記実施形態では、貯湯槽水循環通路５、燃料電池水循環通路６及び凝縮器水循環通路７のそれぞれに第１〜第３の地熱回収配管２５〜２７を設けたが、貯湯槽水循環通路５、燃料電池水循環通路６及び凝縮器水循環通路７のうち何れか一つ又は二つに地熱回収配管を設けてもよい。特に、燃料電池水循環通路６及び凝縮器水循環通路７は、クーラント（不凍液）を使用すれば凍結のおそれがなく、地熱を利用して凍結防止を図る必要性は低いものと言える。これらの通路６，７には、クーラントが使用できない条件で水を流すことを前提に地熱回収配管を設ければよいと考えられる。
【００４５】
（３）前記実施形態では、各水循環通路５〜７の配管９，１４，２１の途中に、水の流れを迂回させる迂回配管のように各地熱回収配管２５〜２７を設け、それら配管２５〜２７に対する水の流れを各三方弁２８〜３０により切り替えるようにした。これに対し、例えば、図４に示すように、貯湯槽水循環通路５の配管９の途中にて、迂回配管のように地熱回収配管を設けることなく、同通路５の配管９の途中を地熱回収配管２５として地中に埋設するように設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】制御プログラムのメインルーチンを示すフローチャート。
【図３】制御プログラムのサブルーチンを示すフローチャート。
【図４】燃料電池システムの一部を示す概略構成図。
【符号の説明】
【００４７】
１    燃料電池
２    改質器（各種構成機器）
３    改質器バーナ（各種構成機器）
４    加湿器（各種構成機器）
５    貯湯槽水循環通路
６    燃料電池水循環通路
７    凝縮器水循環通路
８    貯湯槽（各種構成機器）
９    配管
１０    第１の水温センサ（温度検出手段）
１４    配管
１５    第２の水温センサ（温度検出手段）
１７    第１の凝縮器（各種構成機器）
１８    第２の凝縮器（各種構成機器）
１９    第３の凝縮器（各種構成機器）
２０    第４の凝縮器（各種構成機器）
２１    配管
２４    第３の水温センサ（温度検出手段）
２５    第１の地熱回収配管
２６    第２の地熱回収配管
２７    第３の地熱回収配管
２８    第１の三方弁（切替手段）
２９    第２の三方弁（切替手段）
３０    第３の三方弁（切替手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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