(57)【要約】【課題】燃料電池の温度を適正な範囲内で早期に安定させ、発電効率および排熱回収効率を高める。【解決手段】燃料電池１の媒体循環路２は主循環路１２とバイパス路１３を有し、主循環路１２を開閉する第一流量調整バルブ８とバイパス路１３を開閉する第二流量調整バルブ９を備える。電池温度の単位時間当たりの変化量に関連させて流量調整バルブ８，９の開閉タイミングを制御する。電池温度が急上昇する場合は、流量調整バルブ８，９を比較的速いタイミングで切り替え、媒体を主循環路１２に流して熱交換器５で冷却し、急激な温度上昇を防止する。電池温度が緩やかに上昇する場合は、流量調整バルブ８，９を比較的遅いタイミングで切り替え、媒体をバイパス路１３に流し、急激な温度低下を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料ガスおよび酸化ガスによって発電する燃料電池と、燃料電池の内外で媒体を循環させるための媒体循環路と、媒体循環路内の媒体を燃料電池へ送り込むためのポンプと、湯水を貯えるための貯湯槽と、貯湯槽に貯えられた湯水を循環させるための湯水循環路と、媒体循環路を循環する媒体と湯水循環路を循環する湯水との間で熱交換を行うための熱交換器とを備えた燃料電池発電システムであって、
前記媒体循環路が、燃料電池から排出された媒体を熱交換器へ導く主循環路と、主循環路を開閉する第一バルブと、燃料電池から排出された媒体を熱交換器へ導くことなくポンプへ導くバイパス路と、バイパス路を開閉する第二バルブとを有しており、
燃料電池の温度の単位時間当たりの変化量に関連させて第一バルブおよび第二バルブを開閉するタイミングを制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制装置が、燃料電池の温度の単位時間当たりの変化量を多段階に区分して判別し、その判別結果に基づいて、前記区分と対応させて予め定められたタイミングで第一バルブおよび第二バルブの開閉を切り替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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスの化学反応により発電を行う燃料電池を備えているとともに、その燃料電池の発電によって生じた熱エネルギーを利用するための機構をも備えた燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素含有ガス路を通じて供給される水素含有ガス中の水素と、酸素含有ガス路を通じて供給される酸素含有ガスとしての空気中の酸素とを電気化学反応させることによって発電するものであり、近年、そのような燃料電池を利用した発電システムが多く開発されている。かかる燃料電池発電システムにおいては、燃料電池の温度が上昇すると、燃料電池内に設けられた高分子電解質を備えたセルの触媒の劣化が促進されてしまい、発電効率が低下してしまう。反対に、燃料電池の温度が低下しても、化学反応効率が悪くなって発電効率が低下してしまう。そこで、従来、燃料電池発電システムを効率良く運転するために、燃料電池の温度を適正な範囲内にコントロールする技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された燃料電池発電システムにおいては、燃料電池の内外で媒体を循環させるための循環路が設けられているとともに、この循環路に放熱器が付設されており、当該循環路内の媒体（市水や不凍液等）をポンプによって強制的に循環させて、燃料電池から回収した媒体の熱（排熱）を外部へ放出するようになっている。また、燃料電池の発電によって生じた熱を熱交換器によって回収し、回収された熱で貯湯槽内に貯えられた湯水を加熱する給湯機構を備えている。そして、燃料電池の温度が適正な範囲よりも低い場合には、貯湯槽側の循環路を流れる湯水の熱を熱交換器によって燃料電池側の循環路内の媒体へ伝えて燃料電池の温度を上昇させるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−４２８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の燃料電池発電システムのように、貯湯槽側の循環路を循環する湯水の流量を調整することによって燃料電池を冷却しようとすると、どうしても応答遅れが生じてしまい、燃料電池の温度を適正な範囲内に安定させることが困難である。また、給湯機構を備えた燃料電池発電システムの場合には、急な負荷変動に追随して燃料電池の発電量を調整することができないため、燃料電池の温度を適正な範囲内に安定させることが一層困難である。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来の燃料電池発電システムの問題点を解消し、燃料電池の温度を適正な範囲内に早期に安定させることができ、効率的に発電を行うことが可能な燃料電池発電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】
本発明の内、請求項１に記載された発明は、供給された燃料ガスおよび酸化ガスによって発電する燃料電池と、燃料電池の内外で媒体（温度調整媒体）を循環させるための媒体循環路と、媒体循環路内の媒体を燃料電池へ送り込むためのポンプと、湯水を貯えるための貯湯槽と、貯湯槽に貯えられた湯水を循環させるための湯水循環路と、媒体循環路を循環する媒体と湯水循環路を循環する湯水との間で熱交換を行うための熱交換器とを備えた燃料電池発電システムであって、前記媒体循環路が、燃料電池から排出された媒体を熱交換器へ導く主循環路と、主循環路を開閉する第一バルブと、燃料電池から排出された媒体を熱交換器へ導くことなくポンプへ導くバイパス路と、バイパス路を開閉する第二バルブとを有しており、燃料電池の温度の単位時間当たりの変化量に関連させて第一バルブおよび第二バルブを開閉するタイミングを制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、制御装置が、燃料電池の温度の単位時間当たりの変化量が多段階に区分して判別し、その判別結果に基づいて、前記区分と対応させて予め定められたタイミングで第一バルブおよび第二バルブの開閉を切り替えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載された燃料電池発電システムによれば、バルブをむやみに開閉しなくてすむため、燃料電池による発電のロスを低減することができるとともに、燃料電池の温度の変動を低減し、燃料電池の温度を適正な範囲内に早期に安定させることができ、効率的に発電を行うことが可能となる。
【００１０】
請求項２に記載された燃料電池発電システムによれば、電池温度の変動率に合わせてバルブの開閉タイミングを的確に制御し、電池温度を適正範囲内に早期に安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図であり、燃料電池発電システムSは、供給された燃料ガスおよび酸化ガスによって発電する燃料電池１、燃料電池１の内外で市水や不凍液等の温度調整媒体を循環させるための媒体循環路２、媒体循環路２内の媒体を燃料電池１へ送り込むためのポンプ１４、湯水を貯えるための貯湯槽３、貯湯槽３に貯えられた湯水を循環させるための湯水循環路４、媒体循環路２を循環する媒体と湯水循環路４を循環する湯水との間で熱交換を行うための第一熱交換器５および第二熱交換器６、湯水循環路４内の媒体を第一熱交換器５へ送り込むためのポンプ１５、湯水循環路４内の媒体を第二熱交換器６へ送り込むためのポンプ１６、媒体循環路２内を循環する媒体を給・排水して燃料電池１の温度を一定に保つための水槽７等を有している。
【００１２】
また、媒体循環路２は、燃料電池１から排出された媒体を第一熱交換器５へ導く主循環路１２と、燃料電池１から排出された媒体を第一熱交換器５へ導くことなく水槽７を介してポンプ１４へ導くバイパス路１３とを有している。バイパス路１３には、燃料電池１から直接的に水槽７へ導かれる媒体の量を調整するための電磁バルブである第一流量調整バルブ８が設けられており、主循環路１２には、燃料電池１から第一熱交換器５へ導かれる媒体の量を調整するための電磁バルブである第二流量調整バルブ９が設けられている。そして、バイパス路１３が第一流量調整バルブ８により、主循環路１２が第二流量調整バルブ９により、それぞれ交互に開閉される。
【００１３】
また、図２は、燃料電池発電システムＳにおいて、燃料電池１の温度に応じて第一流量調整バルブ８、第二流量調整バルブ９の開閉タイミングを制御するための制御機構を示すブロック図である。制御装置１０には、ＲＡＭ２１、ＲＯＭ２２、タイマ２３等が設けられている。また、制御装置１０には、燃料電池１の内部に設けられた温度センサ１１、第一流量調整バルブ８、および、第二流量調整バルブ９等が接続されている。また、制御装置１０のＲＯＭ２２内には、図３の如く、燃料電池１の温度の単位時間当たりの変化量（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）と対応した流量調整バルブ８，９の開閉タイミング（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）が記憶されている。開閉タイミングは、電池温度が上昇に転じてから流量制御バルブ８，９の開または閉を切り替えるまでの時間として記憶され、温度変化量Ｘ１＞Ｘ２＞Ｘ３に対応してＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３となるように設定されている。
【００１４】
以下、上記の如く構成された燃料電池発電システムＳの作動内容について説明する。燃料電池発電システムＳの通常の運転時（発電時）には、第一流量調整バルブ８をＯＦＦにしてバイパス路１３を閉じるとともに、第二流量調整バルブ９をＯＮにして主循環路１２を開いた状態で、媒体循環路２内の媒体をポンプ１４によって燃料電池１から第一熱交換器５へと導く。かかる作動により、燃料電池１の発電によって生じた熱（排熱）が第一熱交換器５を介して湯水循環路４内を循環する湯水（貯湯槽３内に貯えられる湯水）に回収される。
【００１５】
また、燃料電池発電システムＳは、燃料電池１の温度に応じて第一流量調整バルブ８、第二流量調整バルブ９の開閉タイミングを制御することによって、燃料電池１の温度が適正な範囲内に保持されるように制御する。すなわち、制御装置１０は、燃料電池１の発電時には、温度センサ１１によって燃料電池１の温度を周期的に検出し（たとえば、３０秒毎に検出し）、前回の検出から今回の検出までにおける燃料電池１の温度の単位時間当たりの変化量（たとえば、１分間当たりの変化量）を算出する。
【００１６】
そして、その単位時間当たりの変化量が１℃／分未満である場合には、レベル「Ｘ３（低）」と判断し、単位時間当たりの変化量が２℃／分以上５℃／分未満である場合には、レベル「Ｘ２（中）」と判断し、単位時間当たりの変化量が５℃／分以上である場合には、レベル「Ｘ１（高）」と判断する。（すなわち、燃料電池１の温度の単位時間当たりの変化量を「Ｘ１（高）・Ｘ２（中）・Ｘ３（低）」の３つのレベルに区分する）。
【００１７】
また、制御装置１０は、燃料電池１の温度の単位時間当たりの変化量を判断すると、ＲＯＭ２２内からその変化量に対応した「流量調整バルブの開閉タイミング」を呼び出す。そして、燃料電池１の温度がプラスに変化するときには、呼び出した時間（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）が経過した時点で、第一流量調整バルブ８を閉（ＯＦＦ）に第二流量調整バルブ９を開（ＯＮ）に切り替え、燃料電池１からの媒体を主循環路１２に流して第一熱交換器５に導く。一方、燃料電池１の温度がマイナスに変化するときには、第一流量調整バルブ８を開（ＯＮ）に第二流量調整バルブ９を閉（ＯＦＦ）に切り替え、燃料電池１からの媒体をバイパス路１３に流して水槽７に導く。
【００１８】
図４は、上記の如く制御された場合における燃料電池１の温度変化と第一流量調整バルブ８、第二流量調整バルブ９の開閉タイミングとの関係を示すタイムチャートである。たとえば、燃料電池１の温度が急上昇してその変化量が「Ｘ１（高）」と判断された場合には、「流量調整バルブの開閉タイミング」として「Ｔ１（短期）」が呼び出され、第一および第二流量調整バルブ８，９の開または閉が比較的速いタイミングで切り替えられ、媒体が主循環路１２に導かれる。このため、媒体を第一熱交換器５で効率よく冷却して、燃料電池１の急激な温度上昇を防止することができる。
【００１９】
また、燃料電池１の温度が緩やかに上昇してその変化量が「Ｘ３（低）」と判断された場合には、「流量調整バルブの開閉タイミング」として「Ｔ３（長期）」が呼び出され、流量調整バルブ８，９が比較的遅いタイミングで切り替えられ、媒体がバイパス路１３に導かれる。このため、媒体を第一熱交換器５で冷却することなく燃料電池１に還流させ、燃料電池２の急激な温度低下を防止することができる。
【００２０】
従って、この実施形態の燃料電池発電システムＳによれば、流量調整バルブ８，９の開閉タイミングを燃料電池１の温度変化量に基づいて制御するので、流量調整バルブ８，９をむやみに開閉しなくてすみ、燃料電池１による発電のロスを低減することができる。また、湯水循環回路４を流れる湯水の流量を制御することなく、燃料電池１の温度を最適な範囲内で早期に安定させることができ、燃料電池１の発電効率のみならず排熱回収効率をも高めることができ、発電システムＳの全体を効率よく稼動させることが可能となる。
【００２１】
なお、本発明に係る燃料電池発電システムの構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、燃料電池、媒体循環路、貯湯槽、湯水循環路、熱交換器、流量調整バルブ等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更できる。
【００２２】
たとえば、燃料電池発電システムは、燃料電池の温度変化を３段階のレベルで区分して第一流量調整バルブ、第二流量調整バルブの開閉タイミングを制御するものに限定されず、燃料電池の温度変化を２段階のレベルに区分するものや、４段階以上のレベルに区分するものに変更することも可能である。加えて、燃料電池発電システムは、貯湯槽内に貯留した湯水を外部の熱機器で利用するシステムとして構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池発電システムの制御機構の構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置の記憶手段に記憶された制御データの一例を示す説明図である。
【図４】電池温度とバルブ開閉タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１・・燃料電池
２・・媒体循環路
３・・貯湯槽
４・・湯水循環路
５・・第一熱交換器
６・・第二熱交換器
７・・水槽
８・・第一流量調整バルブ
９・・第二流量調整バルブ
１２・・主循環路
１３・・バイパス路
１４〜１６・・ポンプ
【図１】
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【図２】
2008311057.tif 000004
【図３】
2008311057.tif 000005
【図４】
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