(57)【要約】【課題】通電できない状態であっても、寒冷地における冬場の凍結を防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１６におけるパッケージング内部の水回り近くに、外気温度が氷点下になる寒冷地対応の凍結防止ヒータ４０を設置する。凍結防止ヒータ４０は、系統配線からの通電により周囲を加熱することができるヒータである。凍結防止ヒータ４０の周囲に、蓄熱材４１を配置する。この蓄熱材４１は、放熱と蓄熱の繰り返し、すなわち、放熱が終了した後に、外部からの加熱により蓄熱を行うことができるものが用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体を搭載したパッケージング内部に、凍結を防止すべき流体の流通箇所を有し、
前記流通箇所の近傍に、蓄熱材が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記流通箇所は、水タンク、イオン交換樹脂、熱交換器及び水ポンプの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流通箇所には、凍結防止ヒータが配設され、
前記蓄熱材は、前記凍結防止ヒータの周囲に配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流通箇所は、排熱回収水タンクであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記蓄熱材は、過冷却状態から凝固する時に融解熱を発生する潜熱型蓄熱材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記蓄熱材は、核生成により過冷却状態から凝固する潜熱型蓄熱材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記潜熱型蓄熱材に対する核生成手段が設けられていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記核生成手段は、形状記憶合金を用いたバネにより動作可能に設けられていることを特徴とする請求項７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、寒冷地等における凍結防止技術に改良を施した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。
【０００３】
このような燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで、燃料極であるアノード電極と酸化剤極であるカソード電極とを向い合わせることにより電池セルを形成し、この電池セルをセパレータで挟持した構造物を複数枚積層することによって構成されている。
【０００４】
かかる固体高分子型の燃料電池システムは、車載用等の機動性を重視する環境で使用する場合、通常は燃料として純水素を使用し、酸化剤として空気を用いることが多い。ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から、燃料にメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合、燃料となるガスを水素に改質する必要があるが、そのためには、燃料ガスに水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。
【０００５】
燃料として純水素を使用するシステムであっても、都市ガスやプロパンガスを使用するシステムであっても、アノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れることにより、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギーが得られる。
【０００６】
ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギーの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。
【０００７】
このように発生する熱を利用すれば、電気エネルギーとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転が可能となるため、非常に経済的でエネルギー効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。
【０００８】
そこで、近年、このような燃料電池システムを、家庭に導入しようという開発活動が、日本を中心に非常に高まっている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ない技術が脚光を浴び、燃料電池システムの省エネ性や経済性に注目が集まっているためである。例えば、日本では、現在、政府予算の補助の下、家庭用燃料電池システムを一般家庭に設置して、大規模実証試験を実施中である。
【０００９】
しかし、かかる試験の現場で明らかになってきた問題点の一つに、プラント運転停止時の冬場の凍結がある。すなわち、燃料電池システムの設置場所としては、コージェネレーションとして、電気のみならず熱利用の需要が多い地域である寒冷地が望ましい。ところが、寒冷地においては、水回りを伴う燃料電池システムの周囲温度が氷点下になるため、凍結しやすい。
【００１０】
これに対処するため、外気温度が氷点下になる地域に設定するシステムには、凍結防止用の電気ヒータをパッケージング内部の水周り近くに配置する方法が一般的である（特許文献１参照）。この電気ヒータは、外気温度が氷点下に近づいた時に電源が入り、水回りが凍結しないように加熱することができる。
【特許文献１】特開２００３−２７２６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、家庭の屋外での据付直後で系統配線されていない状況下や、プラント運転が停止中に系統で停電が生じている場合には、パッケージング内部の水回りの凍結の可能性は高くなる。しかし、上記のような凍結防止策は、電気ヒータに通電する必要があるため、家庭用燃料電池システムが家庭用電源系統に接続されて、電気が供給される環境下においてのみ有効である。したがって、もし、系統配線されていない状況や停電が生じている状況では、電気ヒータそのものが機能し得ず、凍結を防止できない。
【００１２】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するものであり、その目的は、通電できない状態であっても、寒冷地における冬場の凍結を防止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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池本体を搭載したパッケージング内部に、凍結を防止すべき流体の流通箇所を有し、前記流通箇所の近傍に、蓄熱材が配設されていることを特徴とする。
【００１４】
以上のような本発明では、寒冷地において、通電による凍結防止策が採れない状況となっても、蓄熱材からの放熱によって、流体の凍結を防止でき、放熱が終わるまでの時間に、種々の対応措置を採る余裕ができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のような本発明によれば、通電できない状態であっても、寒冷地における冬場の凍結を防止できる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を、図面を参照して、具体的に説明する。
［第１の実施形態］
［燃料電池システム］
まず、本実施形態が適用される燃料電池システムの一例として、固体高分子型燃料電池を用いたものを、図１を参照して説明する。なお、図１は、燃料電池用の水素製造装置を備えた発電システムの構成図である。
【００１７】
すなわち、燃料電池システム１６は、主に燃料処理系（ＦＰＳ；Fuel Processing System）１、電池本体（ＣＳＡ；Cell Stack Assembly）２から構成されている。燃料処理系１は、燃料３（ガス供給部）、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用燃焼器１０、改質用水ポンプ１１、排熱熱交換器Ａ（及びタンク）１２ａ、排熱熱交換器Ｂ１２ｂ、イオン交換樹脂３０等によって構成されている。また、電池本体２は、アノード極１３、カソード極１４から構成されている。
【００１８】
図中、１５はカソード極用空気ブロア、１８はＣＯ選択酸化用空気ブロア、２０は燃料遮断弁、２１は起動用燃焼遮断弁、２２はメイン燃料遮断弁、２３は脱気用遮断弁、２４はオフガス逆止弁、２５は燃焼空気切替弁、２６は燃料用空気ブロア、２７は水蒸気流量調節弁、３１は燃料昇圧ブロアであり、これらのブロアや弁、各機器の差動により、燃料電池システム１６が運転されるが、詳細は省略する。
【００１９】
さらに、上記の燃料処理系１及び電池本体２を収容したパッケージ外には、温水を利用するための貯湯槽３６が配置されている。なお、図中、３３は温水循環ポンプ、３７は放熱器である。
【００２０】
このような燃料電池システム１６においては、以下のように発電が行われる。まず、燃料３としては、炭化水素系燃料、例えば、都市ガスやプロパンが用いられる。この燃料３は、脱硫器４、改質器６を通過することにより、水素ガスへ改質される。水蒸気発生器５は改質に必要な水蒸気を供給し、吸熱反応に必要な加熱は改質用燃焼器１０から得る。
【００２１】
ＣＯシフト反応器７では、Ｈ２Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１８の空気供給により、ＣＯからＣＯ２への酸化反応を進める。
【００２２】
メタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は(1)式、ＣＯシフト反応は(2)式、ＣＯ選択酸化反応は(3)式のようになる。
【００２３】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２        …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２              …（２）
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２                  …（３）
【００２４】
ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等より構成される。これらのガスが、アノード極１３に送り込まれる。アノード極１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)の触媒層を経て、プロトンＨ＋が電解質膜を通過、カソード極用空気ブロア１５によりカソード極１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて、水が生成される。
【００２５】
したがって、アノード極１３は−極、カソード極１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば、電源としての機能を持つことになる。発電に使われずに残ったアノード極出口ガスは、水蒸気加熱器５及び改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器Ａ１２ａにより、水分を回収し、システムでの水自立を図る。
【００２６】
電池本体２の排熱は、電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器Ｂ１２ｂによって熱回収される。温水循環ポンプ３３の運転で排熱熱交換器Ａ１２ａ及び排熱熱交換器Ｂ１２ｂで熱交換して暖められた温水は、貯湯槽３６に蓄熱され、給湯やお風呂の温水として使われる。貯湯槽３６の熱が使われずに、タンク下部まで高温の温水が貯まった状態では、燃料電池システム１６に戻る循環水温度が上昇するため、放熱器３７を通じて大気への放熱が行われる。
【００２７】
［凍結防止構造］
本実施形態は、上記の燃料電池システム１６におけるパッケージング内部の水回り近く（水の流通箇所近傍）に、外気温度が氷点下になる寒冷地対応の凍結防止ヒータ４０が設置されている。この凍結防止ヒータ４０は、系統配線からの通電により周囲を加熱することができるヒータである。
【００２８】
凍結防止ヒータ４０の設置箇所としては、水の凍結を防止すべき排熱熱交換器Ａ１２ａ、イオン交換樹脂３０、各種水ポンプや配管近くにすることが考えられる。さらに、凍結防止ヒータ４０の周囲には、蓄熱材４１が配置されている。この蓄熱材４１は、放熱と蓄熱の繰り返し、すなわち、放熱が終了した後に、外部からの加熱により蓄熱を行うことができるものが用いられている。
【００２９】
［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果は、以下の通りである。すなわち、燃料電池システム１６の運転停止時に、パッケージング内部温度が低くなり、水回りの周囲温度が、例えば５℃まで低下すると、サーモスイッチにより凍結防止ヒータ４０が、系統電力より自動的に通電される。また、燃料処理系１の各触媒加熱に使われている電気ヒータ（図示せず）も、最低設定温度以下になると、系統電力より通電され、各触媒層温度の極端な冷却を防止する。
【００３０】
ここで、上記のような凍結防止ヒータ４０等への通電は、燃料電池システム１６の発電停止中、系統電力より行われる。このため、万一停電が発生した場合には、系統からの電力が得られなくなり、ヒータへの通電ができなくなる。
【００３１】
本実施形態においては、凍結防止ヒータ４０の通電が停止した状態になったとしても、凍結防止ヒータ４０の周囲に配設された蓄熱材４１の放熱を行うことによって、水周りの加熱ができる。したがって、蓄熱材４１が放熱できる暫くの間は、凍結のリスクを回避することが可能となるので、この間に種々の対応措置を採る余裕ができる。
【００３２】
なお、系統停電が発生していないにもかかわらず、誤って燃料電池システム１６の近くのブレーカが遮断されてしまった場合であっても、蓄熱材４１によって、水回りの凍結のリスク回避ができる。さらに、蓄熱材４１の蓄熱は、凍結防止ヒータ４０の通電時の加熱によって、何度でも繰り返して行うことができる。
【００３３】
［第２の実施形態］
［構成］
次に、本発明の第２の実施形態を、図２を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態においては、蓄熱材４１が、排熱熱交換器Ａ（及びタンク）１２ａの周囲に配置されている。
【００３４】
［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果は、以下の通りである。すなわち、燃料電池システム１６の発電運転中は、燃焼排ガスやカソード空気排気ガスの熱回収を行っている排熱熱交換器Ａ１２ａの温度は、燃料電池システム１６から貯湯槽３６への温水供給温度程度に高くなっている。このため、排熱熱交換器Ａ１２ａの周囲の蓄熱材４１も、高温に維持されている。
【００３５】
したがって、燃料電池システム１６の運転停止時に、凍結防止ヒータ４０の通電が停止した状態になったとしても、蓄熱材４１の放熱により、排熱熱交換器Ａ１２ａ及びその周辺への加熱ができる。これにより、蓄熱材４１が放熱できる暫くの間は、凍結のリスクを回避することが可能となる。
【００３６】
また、系統停電が発生していないにもかかわらず、誤って燃料電池システム１６の近くのブレーカが遮断されてしまった場合であっても、排熱熱交換器Ａ１２ａの凍結のリスク回避ができる。さらに、蓄熱材４１の蓄熱は、燃料電池システム１６の発電運転時における排熱熱交換器Ａ１２ａからの加熱によって、何度でも繰り返して行うことができる。
【００３７】
［第３の実施形態］
［構成］
次に、本発明の第３の実施形態を、図３を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態は、凍結防止ヒータ４０の周囲に配置された蓄熱材４１は、潜熱型蓄熱材であるという特徴を有している。この潜熱型蓄熱材としては、例えば、融点約３２℃のＮａ２ＳＯ４-１０Ｈ２０等の無機水和塩等が挙げられるが、これには限定されない。
【００３８】
蓄熱材４１は、燃料電池システム１６を家庭の屋外設置先に置く前の状態は、蓄熱され過冷却状態である。潜熱型蓄熱材は、外部からの刺激による核生成がトリガーとなり凝固が始まり、その間、放熱される。本実施形態においては、蓄熱材４１には、トリガーとなる刺激を与える針４３を挿入するための核発生誘導口４２を備えている。
【００３９】
［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果は、以下の通りである。すなわち、寒冷地等の家庭用の燃料電池システム１６の設置作業時には、まず、外気温度が低い屋外等に置かれることになる。このとき、止むを得ない状況で系統電力との接続が暫く無く、凍結防止ヒータの入力ができない場合がある。このように設置された後、受電するまでに長い時間かかると、燃料電池システム１６の水回りが凍結するおそれが生じる。
【００４０】
そのため、このような状況においては、作業者が、燃料電池システム１６の外部から、蓄熱材４１の核発生誘導口４２に針４３を挿入することにより、蓄熱材４１に刺激を与えて核を生成させる。すると、この核発生がトリガーとなり、蓄熱材４１の凝固が始まり、凝固が完全に終了するまでの間、周りに放熱するので、当分の間、燃料電池システム１６の水回りの凍結を防止することができる。
【００４１】
また、運転開始後は、上記の実施形態と同様に、蓄熱材４１への蓄熱が可能であり、停電時には、針４３の挿入により、放熱を行うことができる。このように、運転開始後の停電のみならず、燃料電池システム１６の運転開始前のように、電力が全く得られない場合においても、凍結を防止することができる。
【００４２】
［第４の実施形態］
［構成］
次に、本発明の第４の実施形態を、図４を参照して説明する。本実施形態は、上記の第３の実施形態と同様に、蓄熱材４１は、潜熱型蓄熱材であり、凍結防止ヒータ４０の周囲に配置されている。但し、核発生誘導口４２から挿入される針４３は、形状記憶合金を用いたバネ４４により動作する機構となっている。つまり、周囲の温度が低いとバネ４４が縮んで針４３が核発生誘導口４２に挿入され、周囲の温度が高いとバネ４４が伸びて針４３が核発生誘導口４２から出るように構成されている。
【００４３】
［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果は、以下の通りである。すなわち、針４３の周囲の雰囲気温度が低くなると、バネ４４が縮むことにより針４３が図中右に移動して核発生誘導口４２に挿入され、蓄熱材４１に刺激を与え核を生成させる。その核発生がトリガーとなり、蓄熱材４１の凝固が始まり、凝固が完全に終了するまでの間、周りに放熱する。一方、蓄熱材４１の放熱時や凍結防止ヒータ４０により蓄熱されて、針４３の周囲が暖かい時は、針４３は左に移動し、核発生誘導口４２の外部に位置している。
【００４４】
本実施形態においては、上記の第３の実施形態と同様に、蓄熱材４１によって、設置時及び通電停止時等における凍結防止が可能となる。さらに、針４３の移動が、周囲温度に合わせて自動的に行われるので、作業員の手間がかからず、事故時等に作業員が不在であっても、凍結防止を実現できる。
【００４５】
［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、各部の配置、寸法、数量、材質、形状等は自由に変更可能である。例えば、蓄熱材は、対象となる機器等に接して配置されていてもよいし、間隔を空けて配置されていてもよい。対象となる機器等と蓄熱材との間に、他の部材や機器が介在していてもよい。蓄熱材を、対象となる機器等の一部の側面に配置してもよいし、周囲を囲むように配置してもよい。
【００４６】
蓄熱材の形状を、対象となる機器等の形状に合わせてもよい。蓄熱材の設置は、上記の実施形態で例示した箇所には限定されず、水タンク、イオン交換樹脂、熱交換器、水ポンプ、排熱回収水タンク、その他の凍結を防止すべきあらゆる対象に設置可能である（凍結防止ヒータを介在させる場合も、介在させない場合も含む）。蓄熱材を、複数箇所に設置してもよい。蓄熱材の容量も、凍結防止のために必要な放熱時間を確保できればよいので、特定の数値には限定されない。
【００４７】
潜熱型蓄熱材の核生成手段も、上記の実施形態で例示したものには限定されない。形状記憶合金によるバネにより、核生成手段を駆動させる場合に、未使用の状態での作動を防止するストッパを設けてもよい。
【００４８】
本発明を適用する燃料電池システムの構成は、上記の実施形態で例示したものには限定されず、個々の構成要素として何を採用するか若しくはしないかは自由である。さらに、本発明は、固体高分子形燃料電池には限定されず、凍結防止を必要とする燃料電池に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池システムの第１の実施形態を示す構成図
【図２】本発明の燃料電池システムの第２の実施形態を示す構成図
【図３】本発明の燃料電池システムの第３の実施形態における蓄熱材の配置例を示す構成図
【図４】本発明の燃料電池システムの第４の実施形態における蓄熱材の配置例を示す構成図
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料処理系
２…電池本体
３…燃料
４…脱硫器
５…水蒸気加熱器
６…改質器
７…ＣＯシフト反応器
８…ＣＯ選択酸化器
９…水蒸気分離器
１０…改質用燃焼器
１１…改質用水ポンプ
１２ａ… 排熱熱交換器Ａ
１２ｂ… 排熱熱交換器Ｂ
１３…アノード極
１４…カソード極
１５…カソード極用空気ブロア
１６…燃料電池システム
１８…ＣＯ選択酸化用空気ブロア
２０…燃料遮断弁
２１…起動用燃料遮断弁
２２…メイン燃料遮断弁
２３…脱気用遮断弁
２４…オフガス逆止弁
２５…燃焼空気切替弁
２６…燃焼用空気ブロア
２７…水蒸気流量調節弁
２９…電池冷却水ポンプ
３１…燃料昇圧ブロア
３３…温水循環ポンプ
３６…貯湯槽
３７…放熱器
４０…凍結防止ヒータ
４１…蓄熱材
４２…核発生誘導口
４３…針
４４…バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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