(57)【要約】【課題】水供給部からの給水量を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガスを反応させて発電する燃料電池と、発電反応に用いられた燃料ガス中に残存する燃料成分を燃焼させて排ガスを生じさせる燃焼部と、燃焼部から排出された排ガスから生じる凝縮水を回収して精製する水精製器と、水精製器により精製された凝縮水を回収する水タンクと、凝縮水とは独立に、水タンクへ水を供給可能な水供給部と、注水指令に基づき、水供給部に水タンクへ水を注水させる注水運転を実行させる新規注水制御を行う運転制御部と、外気温に関する温度情報を取得する温度情報取得部と、を備え、運転制御部は、新規注水制御において、水供給部による水タンクへの注水量が温度情報に基づいて決定される目標注水量に達したときに、水供給部による注水運転を停止させる。【選択図】図２
2018170193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料ガス及び酸素ガスを反応させて発電する燃料電池と、
発電反応に用いられた燃料ガス中に残存する燃料成分を燃焼させて排ガスを生じさせる燃焼部と、
前記燃焼部から排出された排ガスから生じる凝縮水を回収して精製する水精製器と、
前記水精製器により精製された前記凝縮水を回収する水タンクと、
前記凝縮水とは独立に、前記水タンクへ水を供給可能な水供給部と、
前記水タンクに貯留された水を前記改質器に供給可能な水供給路と、
注水指令に基づき、前記水供給部に前記水タンクへ水を注水させる注水運転を実行させる新規注水制御を行う運転制御部と、
外気温に関する温度情報を取得する温度情報取得部と、を備え、
前記運転制御部は、前記新規注水制御において、前記水供給部による前記水タンクへの注水量が前記温度情報に基づいて決定される目標注水量に達したときに、前記水供給部による前記注水運転を停止させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼部から排出される前記排ガスの熱を回収する熱交換器を備え、
前記水タンクは前記熱交換器による熱回収後の前記排ガスから前記凝縮水を回収する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
湯水を貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクと前記熱交換器との間で湯水を循環させる循環路と、を備え、
前記熱交換器は、前記燃焼部から排出される前記排ガスと前記湯水とを熱交換させる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水供給部は、前記注水運転において、前記水精製器を経由して前記水タンクへ水を供給可能である請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水供給部により供給される水の性質を測定する水質測定部を備え、
前記水供給部は、前記注水運転として、前記水精製器を経由して前記水タンクへ水を供給する第１注水運転と、前記水精製器を経由せずに前記水タンクへ水を供給する第２注水運転と、の何れか一方を切り替えて実行可能であり、
前記運転制御部は、前記新規注水制御において、前記水質測定部が測定した水の性質が前記水精製器による水の精製を要する状態であるとき、前記水供給部を前記第１注水運転させ、前記水質測定部が測定した水の性質が前記水精製器による水の精製を要さない状態であるとき、前記水供給部を前記第２注水運転させる請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記運転制御部は、前記温度情報に基づき、前記注水指令後に前記燃料電池が発電開始するときの時点における外気温又はその相当量を推定して前記目標注水量を決定する請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記目標注水量は、外気温が高くなるほど注水量が多くなる関係で定められている請求項１〜６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、燃料ガス及び酸素ガスを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排ガスから生じる凝縮水を回収する水タンクと、を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の燃料電池システムでは、燃料電池の発電に関連し、燃料電池を冷却するための冷却水や、水蒸気改質用の改質水が必要となり、この冷却水や改質水として、燃料電池からの排ガスから生じた凝縮水を貯留した水タンク中の水が用いられている。そして、例えば特開２０１３−８７０２号公報（特許文献１）には、水タンク中の水が不足しないように、水タンクへ水を供給可能な水供給部を備え、凝縮水とは独立に水タンクに水を注水可能な燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる上記従来の燃料電池システムの運転方法では、水道水等を水供給部から供給するところ、水道水は凝縮水に比べ不純物が多い可能性が高く、水精製器による精製の負担が高くなる。そのため、水供給部からの注水は、システムの運転における凝縮水の発生量に合わせた必要最小限の量にとどめることが好ましい。ただし、凝縮水は燃焼排ガスの冷却に伴い発生することから、凝縮水の発生量は外気温等の外部の影響を受けて変動する。したがって、その変動に応じて水供給部からの注水量を決定する必要がある。
【０００５】
そこで、水供給部からの給水量を抑制できる燃料電池システムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、
原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料ガス及び酸素ガスを反応させて発電する燃料電池と、
発電反応に用いられた燃料ガス中に残存する燃料成分を燃焼させて排ガスを生じさせる燃焼部と、
前記燃焼部から排出された排ガスから生じる凝縮水を回収して精製する水精製器と、
前記水精製器により精製された前記凝縮水を回収する水タンクと、
前記凝縮水とは独立に、前記水タンクへ水を供給可能な水供給部と、
前記水タンクに貯留された水を前記改質器に供給可能な水供給路と、
注水指令に基づき、前記水供給部に前記水タンクへ水を注水させる注水運転を実行させる新規注水制御を行う運転制御部と、
外気温に関する温度情報を取得する温度情報取得部と、を備え、
前記運転制御部は、前記新規注水制御において、前記水供給部による前記水タンクへの注水量が前記温度情報に基づいて決定される目標注水量に達したときに、前記水供給部による前記注水運転を停止させる。
【０００７】
この構成によれば、温度情報取得部により温度情報を取得し、この温度情報に基づき目標注水量を定めるので、外気温の変化に基づく凝縮水の発生量の変動に応じて水供給部からの給水量を調節することができる。これにより、水供給部からの注水量を効果的に抑制できる。
【０００８】
以下、本発明に係る燃料電池システムの好適な態様について説明する。但し、以下に記載する好適な態様例によって、本発明の範囲が限定される訳ではない。
【０００９】
１つの態様として、前記燃焼部から排出される前記排ガスの熱を回収する熱交換器を備え、前記水タンクは前記熱交換器による熱回収後の前記排ガスから前記凝縮水を回収すると好適である。
【００１０】
この構成によれば、排ガスから熱を回収することにより、効率的に凝縮水を生成することができ、また、回収した熱を他目的に利用でき効率的な運転が可能になる。
【００１１】
１つの態様として、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクと前記熱交換器との間で湯水を循環させる循環路と、を備え、前記熱交換器は、前記燃焼部から排出される前記排ガスと前記湯水とを熱交換させると好適である。
【００１２】
この構成によれば、燃焼部の排ガスから回収した熱により湯水を生成できるため、熱の効率的な利用が可能になる。
【００１３】
１つの態様として、前記水供給部は、前記注水運転において、前記水精製器を経由して前記水タンクへ水を供給可能であると好適である。
【００１４】
この構成によれば、水供給部からの水を水精製器により精製するので、凝縮水に比べ不純物が多い可能性が高い水道水等の水を水供給部からの注水用の水として用いることができる。
【００１５】
１つの態様として、前記水供給部により供給される水の性質を測定する水質測定部を備え、前記水供給部は、前記注水運転として、前記水精製器を経由して前記水タンクへ水を供給する第１注水運転と、前記水精製器を経由せずに前記水タンクへ水を供給する第２注水運転と、の何れか一方を切り替えて実行可能であり、前記運転制御部は、前記新規注水制御において、前記水質測定部が測定した水の性質が前記水精製器による水の精製を要する状態であるとき、前記水供給部を前記第１注水運転させ、前記水質測定部が測定した水の性質が前記水精製器による水の精製を要さない状態であるとき、前記水供給部を前記第２注水運転させると好適である。
【００１６】
凝縮水に比べ不純物が多い可能性が高い水道水等の水を水供給部からの注水用の水として用いる場合、注水する水を水精製器により精製可能にする必要があるが、かかる水が常に水精製器による精製を要するほど不純物が多いとは限らず、水精製器による精製を要しない程度の不純物しか含まれていない場合もありえる。そして、そのような場合にも水精製器による水の精製を行うと、水精製器の無駄遣いとなり水精製器の劣化を早めてしまう。そこで、この構成によれば、水質測定部による測定結果に応じて、水を水精製器により精製する第１注水運転と、水を水精製器により精製しない第２注水運転と、を切り替えて行うので、必要時にのみ水精製器を使用させることになり、水精製器の劣化を抑制できる。
【００１７】
１つの態様として、前記運転制御部は、前記温度情報に基づき、前記注水指令後に前記燃料電池が発電開始するときの時点における外気温又はその相当量を推定して前記目標注水量を決定すると好適である。
【００１８】
燃料電池システムが運転を開始してから燃料電池が発電開始するときまでは数時間要する場合があり、その場合、凝縮水の発生量を推定するのは注水指令があった時点ではなく発電開始時点の温度を基準とするのが好ましい。そして、この構成によれば、凝縮水の発生量を推定するのに発電開始時点の外気温又はその相当量を基準とするので、水供給部からの注水量を効果的に抑制できる。
【００１９】
１つの態様として、前記目標注水量は、外気温が高くなるほど注水量が多くなる関係で定められていると好適である。
【００２０】
この構成によれば、外気温の変化に基づく凝縮水の発生量の変動に応じて水供給部からの給水量を好適に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムにおける新規注水制御のフローチャート
【図３】外気温と水タンクに必要とされる注水量との関係を示す図
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムにおける新規注水制御のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔第１の実施形態〕
本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示し、本実施形態に係る燃料電池システムは、基本的に、燃料ガス及び酸素ガスを反応させて発電する燃料電池１と、燃料電池１から排出される排ガスの熱を回収する熱交換器２と、熱交換器２による熱回収後の排ガスからの凝縮水を回収して精製する水精製器４と、水精製器４により精製された凝縮水を回収する水タンク５と、凝縮水とは独立に、水タンク５へ水を供給可能な水供給部６と、注水指令に基づき、水供給部６に水タンク５へ水を注水させる注水運転を実行させる新規注水制御を行う運転制御部７と、外気温に関する温度情報を取得する温度情報取得部８と、を備えている。以下、各部の構成について説明する。
【００２３】
燃料電池１は、原燃料流路１１を介して供給される原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器１２と、燃料ガス流路１３を介して改質器１２で生成された燃料ガスが供給されるアノード１５と、空気流路１４を介して空気（酸素ガスの一例）が供給されるカソード１６と、アノード１５とカソード１６との間に介在させる電解質１７と、を有しており、供給された燃料ガス及び空気を反応させて発電するようになっている。そして、燃料電池１は、アノード１５とカソード１６とから発電反応に用いられた後にそれぞれ排出される燃料ガス及び空気が供給される燃焼部１８を備え、この燃焼部１８により燃料ガス中に残存する燃料成分が燃焼されて排ガスが生じるようになっている。なお、後述するように、改質器１２には水供給路５２を介して水タンク５から水が供給されるようになっており、改質器１２は、水タンク５からの水を用いて原燃料の水蒸気改質を行うようになっている。
【００２４】
熱交換器２には、燃料電池１から排出される排ガスが排ガス供給路２１を介して供給され、熱回収後の排ガスが排ガス排出路２２を介して排気されるようになっている。そして、熱交換器２には、湯水を貯える貯湯タンク３と熱交換器２との間で湯水を循環させる循環路２３を介して貯湯タンク３からの湯水が供給されるようになっており、熱交換器２は、燃料電池１から排出される排ガスと湯水とを熱交換させるようになっている。なお、循環路２３には、ポンプ２４、放熱ファン２５ａを備える放熱器２５、及び、貯湯タンク３の入口側と出口側とのそれぞれに配置された温度センサ２６，２７が設けられており、温度センサ２６，２７により計測される温度に基づいて運転制御部７がポンプ２４及び放熱器２５の運転を制御するようになっている。また、貯湯タンク３には、貯留タンク３中の湯水を出湯するための出湯路３１、及び、湯水の出湯に応じて貯留タンク３に給水するための給水路３２が設けられている。
【００２５】
水タンク５は、燃料電池１から排出された排ガスから生じる凝縮水を回収するためのものであり、本実施形態では、熱交換器２による熱回収後の排ガスから凝縮水を回収するようになっている。また、本実施形態では、水タンク５に供給される凝縮水を水精製器４により精製するようになっており、具体的には、排ガス排出路２２を流れる排ガスから凝縮水回収路４１を介して凝縮水を水精製器４に回収して、水精製器４により精製された凝縮水が凝縮水回収路５１を介して水タンク５に回収されるようになっている。また、水タンク５に貯留された凝縮水（及び水供給部６から供給される水）は、ポンプ５３の運転により、水供給路５２を介して改質器１２に供給可能になっている。また、水タンク５には水位検出器５４が設けられており、水タンク５における水位を検出可能になっている。
【００２６】
また、水タンク５には、凝縮水とは独立に、水供給部６から水を供給可能になっている。具体的には、水供給部６は水道水を供給するようになっており、注水運転として、注水指令に応じて運転制御部７が弁６２を開動作させることで水供給部６から補給水供給路６１を介して水が供給されるようになっている。そして、流量計６３により注水運転開始からの注水量を計測して、この注水量が予め定めた目標注水量に達するまで注水が行われるようになっている。また、水道水は凝縮水に比べ不純物が多い可能性が高いため、水供給部６は、注水運転において、水精製器４を経由して水タンク５へ水を供給可能にして、不純物が取り除かれた後の水が水タンク５に供給されるようになっている。
【００２７】
運転制御部７は、例えばマイコンであり、注水指令に基づき、弁６２を開動作させて水供給部６に水タンク５へ水を注水させる注水運転を実行させる新規注水制御を行う等、システムを構成する各部の運転を制御するようになっている。なお、水タンク５中の水は、改質器１２で用いられるなど燃料電池システムの各部で用いられるため、システムの運転開始時に必要量の水が水タンク５に貯められていなければならない。そのため、注水指令は、例えばシステムの運転開始時に発せられるようになっており、運転制御部７は、注水指令により、システムの運転開始時に水供給部６に水タンク５へ水を注水させるようになっている。
【００２８】
温度情報取得部８は、例えば温度計などであり、外気温に関する温度情報を取得するようになっている。
【００２９】
また、本実施形態のように、水供給部６から水タンク５に水道水を供給する場合、水道水は凝縮水に比べ不純物が多い可能性が高く、水精製器４による精製の負担が高くなる。そのため、水供給部６からの注水は、システムの運転における凝縮水の発生量に合わせた必要最小限の量にとどめることが好ましい。しかし、凝縮水は排ガスの冷却に伴い発生することから、凝縮水の発生量は外気温の影響を受けて変動するため、外気温に応じて水供給部６からの注水量を決定する必要がある。そこで、本実施形態では、温度情報取得部８を用いて、注水指令が発せられた時点における温度情報を取得し、運転制御部７が、予め作成した図３に示すような外気温と水タンク５に必要とされる注水量との関係（外気温が高くなるほど注水量が多くなる関係）を利用して、温度情報取得部８により取得される温度情報に基づいて目標注水量を決定するようになっている。詳しくは、本実施形態では、運転制御部７は、新規注水制御において、流量計６３により計測される水供給部６による水タンク５への注水量がこの目標注水量に達したときに、弁６２を閉動作させて水供給部６による注水運転を停止させるようになっている。これにより、温度情報取得部により温度情報を取得し、この温度情報に基づき目標注水量を定めるので、外気温の変化に基づく凝縮水の発生量の変動に応じて水供給部６からの給水量を調節することができ、水供給部６からの注水量を抑制できる。
【００３０】
次に、図２のフローチャートを用いて、運転制御部７による新規注水制御について説明する。まず、例えばシステムの運転開始時において運転制御部７が注水指令を受けると、新規注水制御を開始し、温度情報取得部８から温度情報を取得する（＃１０）。そして、取得した温度情報に基づいて目標注水量を決定し（＃１１）、水供給部６による注水運転を開始させる（＃１２）。その後、流量計６３により計測される注水量が目標注水量に達したかを判定し（＃１３）、注水量が目標注水量に達するまで注水運転を継続し（＃１３：Ｎｏ）、注水量が目標注水量に達すると（＃１３：Ｙｅｓ）、注水運転を停止して新規注水制御を終了する（＃１４）。
【００３１】
〔第２の実施形態〕
本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態について、図４，５を参照して説明する。本実施形態では、水供給部６から水タンク５への水の供給の形態が第１の実施形態と異なっている。以下、本実施形態に係る燃料電池システムについて、主に第１の実施形態との相違点について説明する。なお、特に明記しない点に関しては、第１の実施形態と同様であり、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池システムでは、図４に示すように、弁６２と流量計６３との間に、水供給部６により供給される水の性質を測定する水質測定部６４を備えるとともに、水精製器４の上流側において三方弁４２が設けられており、三方弁４２により水供給部６からの水が水精製器４を経由して水タンク５へ供給される状態と、水精製器４を経由せずに水タンク５へ水を供給される状態とに切替可能になっている。つまり、水供給部６は、注水運転として、水精製器４を経由して水タンク５へ水を供給する第１注水運転と、水精製器４を経由せずに水タンク５へ水を供給する第２注水運転と、の何れか一方を切り替えて実行可能になっている。そして、運転制御部７は、新規注水制御において、水質測定部６４が測定した水の性質が水精製器４による水の精製を要する状態であるとき、三方弁４２を第１注水運転側に切り替えて水供給部６を第１注水運転させ、水質測定部６４が測定した水の性質が水精製器６４による水の精製を要さない状態であるとき、三方弁４２を第２注水運転側に切り替えて水供給部６を第２注水運転させるようになっている。なお、水質測定部６４は、水の性質として例えば電気伝導度や残留塩素濃度を測定し、運転制御部７は、電気伝導度や残留塩素濃度が基準値を超えているかどうかで水の性質が水精製器４による水の精製を要する状態であるか要しない状態であるかを判定し、第１注水運転と第２注水運転とを切り替えるようになっている。
【００３３】
具体的には、本実施形態では、運転制御部７は図５のフローチャートのような新規注水制御を行う。まず、運転制御部７が注水指令を受けると、新規注水制御を開始し、温度情報取得部８から温度情報を取得する（＃２０）。そして、取得した温度情報に基づいて目標注水量を決定し（＃２１）、水供給部６による注水運転を開始させる（＃２２）。その後、水質測定部６４から水質の測定結果を取得し（＃２３）、取得した性質が水の精製を要するかを判定して（＃２４）、水の精製を要する状態であるとき（＃２４：Ｙｅｓ）は三方弁４２を第１注水運転側に切り替えて水供給部６を第１注水運転させ（＃２５）、水の精製を要しない状態であるとき（＃２４：Ｎｏ）、三方弁４２を第２注水運転側に切り替えて水供給部６を第２注水運転させるようになっている（＃２６）。そして、流量計６３により計測される注水量が目標注水量に達したかを判定し（＃２７）、注水量が目標注水量に達するまで注水運転を継続し（＃２７：Ｎｏ）、注水量が目標注水量に達すると（＃２７：Ｙｅｓ）、注水運転を停止して新規注水制御を終了する（＃２８）。
【００３４】
つまり、凝縮水に比べ不純物が多い可能性が高い水道水の水を水供給部６からの注水用の水として用いる場合、注水する水を水精製器４により精製可能にする必要があるが、常にかかる水が水精製器４による精製を要するほど不純物が多いとは限らず、水精製器４による精製を要しない程度の不純物しか含まれていない場合もありえる。そこで、本実施形態では、水質測定部６４による測定結果に応じて、水を水精製器４により精製する第１注水運転と、水を水精製器４により精製しない第２注水運転と、を切り替えて行うので、必要時にのみ水精製器４を使用させることができ、水精製器４の劣化を抑制できるようになっている。
【００３５】
〔別実施形態〕
（１）上述の実施形態では、熱交換器２が、燃料電池１から排出される排ガスと湯水とを熱交換させる構成を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されず、排ガスを他の熱媒体と熱交換させるようにしてもよい。また、熱交換器２を設けることなく、排ガスの熱を回収するのではなく、水タンク５により回収する凝縮水を他の自然放熱等のみによって生じさせるようにしてもよい。
【００３６】
（２）燃料電池システムが運転を開始してから燃料電池１が発電開始するときまでは数時間要する場合があり、その場合、凝縮水の発生量を推定するのは注水指令があった時点ではなく発電開始時点の温度を基準とするのが好ましい。そのため、運転制御部７は、注水指令が発せられた時点における温度情報に基づき、注水指令後に燃料電池１が発電開始するときにおける外気温又はその相当量を推定して目標注水量を決定するようにしてもよい。このようにすれば、凝縮水の発生量を推定するのに発電開始時点の外気温又はその相当量を基準とするので、水供給部６からの注水量を効果的に抑制できる。
【００３７】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、例えば燃料電池システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１      燃料電池
２      熱交換器
２３    循環路
３      貯湯タンク
４      水精製器
５      水タンク
６      水供給部
６４    水質測定部
７      運転制御部
８      温度情報取得部
【図１】
2018170193.tif 000003
【図２】
2018170193.tif 000004
【図３】
2018170193.tif 000005
【図４】
2018170193.tif 000006
【図５】
2018170193.tif 000007