(57)【要約】【課題】燃料電池発電システムの小型化やシンプル化を図る。【解決手段】燃料電池４０の冷却水の循環流路に三方弁８２により組み込み可能な加熱器７２が取り付けられた迂回流路を設け、起動時には、加熱器７２の燃焼部７４にガス配管２２から都市ガスを供給すると共に三方弁８０によりブロア４１から燃焼部７４への管路を確立して燃焼部７４に燃焼用の空気を供給し、都市ガスの燃焼熱により冷却水を加熱して燃料電池４０を暖機する。暖機が完了すると、三方弁８０によりブロア４１から燃料電池４０への管路を確立して燃料電池４０に発電用の空気を供給する。加熱器７２の燃焼部７４への空気の供給と燃料電池４０への空気の供給にブロア４１を共用するから、システムを構成する機器数を少なくしてシステムの小型化やシンプル化を図ることができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池と、貯湯可能な貯湯槽と、前記燃料電池を冷却可能な冷却媒体と前記貯湯槽の水との熱交換により該燃料電池の冷却と該貯湯槽の水の加温が可能な冷却加温手段とを備える燃料電池発電システムであって、
可燃燃料と空気の供給を受けて該可燃燃料の燃焼により該燃料電池の前記冷却媒体を加熱する加熱手段と、
前記燃料電池と前記加熱手段とに空気の供給が可能な空気供給手段と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
起動時には、前記加熱手段に空気が供給されるよう前記空気供給手段を制御すると共に前記加熱手段により加熱された冷却媒体で前記燃料電池が暖機されるよう該加熱手段と前記冷却加温手段とを制御する起動時制御手段を備える請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記空気供給手段は、空気を圧送する圧送手段と、該圧送手段から前記燃料電池への主管路と、該主管路から前記加熱手段への分岐管路と、前記主管路から前記分岐管路が分岐する部位に設けられた管路切替手段とを有する請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな前記燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質手段を備える請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記炭化水素系の燃料は都市ガスである請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記可燃燃料は前記炭化水素系の燃料である請求項４または５記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記可燃燃料は暖機が完了するまでに前記改質手段から供給される混合ガスである請求項４または５記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池から得られる直流電力を交流電力に変換して商用電源からの配線に供給する電力変換供給手段を備える請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、詳しくは、燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池と貯湯可能な貯湯槽と燃料電池を冷却する冷却媒体との熱交換により貯湯槽の水を加温する熱交換器とを備える燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池発電システムとしては、システムの起動時に燃料電池を暖機するスタートアップバーナを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、スタートアップバーナによる燃焼熱により直接燃料電池を暖機すると共に燃焼熱によりスチームを発生させて燃料電池以外の機器を暖機し、迅速に起動できるようにしている。なお、スチームにより暖機される機器としては、従来例では、燃料電池に供給される燃焼ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化する転化器である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１６２１３７号公報（図１，図４、第６〜７頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池発電システムでは、スタートアップバーナによる暖機により迅速にシステムを起動できるが、スタートアップバーナに燃焼用の燃料や空気を供給するために供給管路や圧送ポンプなどの機器が必要になり、システムを構成する部材が多くなってシステムが複雑なものになってしまう。燃料電池発電システムを一般家庭に設置する場合などを考慮すると、システムを小型でシンプルなものにすることが望まれる。
【０００５】
本発明の燃料電池発電システムは、システムを小型でシンプルなものにすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池発電システムは、システムの起動を迅速に行なうことを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池発電システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池発電システムは、
燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池と、貯湯可能な貯湯槽と、前記燃料電池を冷却可能な冷却媒体と前記貯湯槽の水との熱交換により該燃料電池の冷却と該貯湯槽の水の加温が可能な冷却加温手段とを備える燃料電池発電システムであって、
可燃燃料と空気の供給を受けて該可燃燃料の燃焼により該燃料電池の前記冷却媒体を加熱する加熱手段と、
前記燃料電池と前記加熱手段とに空気の供給が可能な空気供給手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池発電システムでは、起動時には加熱手段に空気を供給して燃料電池の冷却媒体を加熱して燃料電池を暖機し、起動完了したときには燃料電池に空気を供給して燃料電池による発電に用いることができる。この結果、空気供給手段の駆動系を燃料電池の暖機と燃料電池の発電とに共用することができるから、システムの小型化とシンプル化を図ることができる。もとより、システムの起動を迅速に行なうことができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池発電システムにおいて、起動時には、前記加熱手段に空気が供給されるよう前記空気供給手段を制御すると共に前記加熱手段により加熱された冷却媒体で前記燃料電池が暖機されるよう該加熱手段と前記冷却加温手段とを制御する起動時制御手段を備えるものとすることもできる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記空気供給手段は、空気を圧送する圧送手段と、該圧送手段から前記燃料電池への主管路と、該主管路から前記加熱手段への分岐管路と、前記主管路から前記分岐管路が分岐する部位に設けられた管路切替手段とを有するものとすることもできる。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな前記燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質手段を備えるものとすることもできる。この場合、前記炭化水素系の燃料は都市ガスであるものとすることもできる。こうすれば、システムを一般家庭への設置に適するものとすることができる。
【００１２】
こうした改質手段を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記可燃燃料は、前記炭化水素系の燃料であるものとしたり、暖機が完了するまでに前記改質手段から供給される混合ガスであるものとすることもできる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池から得られる直流電力を交流電力に変換して商用電源からの配線に供給する電力変換供給手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、システムを商用電源からの電力と共用するものとすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム２０は、図示するように、ガス配管２２から都市ガス（１３Ａ）の供給を受けて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするＣＯ選択酸化部３４と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の冷却水と貯湯槽４４の低温水との熱交換を行なう熱交換器４２と、燃料電池４０からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、変換された直流電力を商用電源１０と同位相の交流電力に変換して商用電源１０から遮断器１４を介して負荷１６へ電力を供給する電力ライン１２に遮断器５５を介して供給するインバータ５４と、電圧または電流が調整された直流電力の一部を降圧して補機電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、負荷１６で消費する負荷電力を検出する負荷電力計５８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット６０と、システムの運転状態を表示すると共にシステムの運転を操作する操作表示パネル７０とを備える。
【００１５】
改質器３０は、ガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２６と硫黄分を除く脱硫器２７とを介して供給される都市ガスと図示しない配管により供給される水蒸気とによる次式（１）および次式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられており、燃焼部３２にはガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２８とを介して都市ガスが供給されるようになっている。また、燃焼部３２には、電磁弁８４，８６，８８の操作により燃料電池４０のアノード側の排出ガスやＣＯ選択酸化部３４からの混合ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素や混合ガス中の水素や未反応の都市ガスを燃料として用いることができるようになっている。
【００１６】
【数１】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２　　（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２　　　（２）
【００１７】
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（実施例では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。
【００１８】
燃料電池４０は、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる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ており、ＣＯ選択酸化部３４からの燃料ガス中の水素とブロア４１からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池４０には循環する冷却水の流路が形成されており、冷却水を循環させることによって適温（実施例では、８０〜９０℃程度）に保持される。この冷却水の循環流路には、熱交換器４２が設けられており、燃料電池４０の冷却水との熱交換により貯湯槽４４からポンプ４６により供給される低温水が加温されて貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。また、冷却水の循環流路は、三方弁８２により冷却水を加熱する加熱器７２が設けられた迂回流路が設けられており、起動時に冷却水を加熱して燃料電池４０を迅速に暖機できるようになっている。この加熱器７２の燃焼部７４には、ガス配管２２からの図示しない供給管を用いて都市ガスが可燃燃料として供給されると共にブロア４１により燃料電池４０に供給される空気の供給管から三方弁８０を介して分岐した分岐管を用いて燃焼用の空気が供給されるようになっている。
【００１９】
燃料電池４０の図示しない出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２，インバータ５４，遮断器５５を介して商用電源１０から負荷１６への電力ライン１２に接続されており、燃料電池４０からの直流電力が商用電源１０と同位相の交流電力に変換されて商用電源１０からの交流電力に付加されて負荷１６に供給できるようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やインバータ５４は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。なお、負荷１６は、遮断器１８を介して電力ライン１２に接続されている。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側から分岐した電力ラインには、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，ポンプ４６などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６が接続されている。
【００２１】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット６０には、燃料電池４０の出力端子に取り付けられた電力計５１からの出力電力Ｐｆｃやインバータ５４内の図示しない電流センサや電圧センサからの出力電流や電圧，負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏ，貯湯槽４４に取り付けられた温度センサ４８からの貯湯槽４４で貯湯している温水の温度Ｔ，同じく貯湯槽４４に取り付けられた水位センサ４９からの貯湯槽４４で貯湯している温水の水位Ｌ，改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度，操作表示パネル７０からの操作信号などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，循環ポンプ４３，ポンプ４６などへの駆動信号や燃焼部３２への点火信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やＤＣ／ＤＣコンバータ５６への制御信号，インバータ５４へのスイッチング制御信号，遮断器５５への駆動信号，操作表示パネル７０への表示信号、加熱器７２への駆動信号，三方弁８０，８２や電磁弁８４，８６，８８への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２２】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池発電システム２０の動作、特に起動時の動作について説明する。図２は、燃料電池発電システム２０の起動時に電子制御ユニット６０により実行される起動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、操作表示パネル７０から「運転」ボタンなどが操作されたときに実行される。起動時処理ルーチンが実行されると、まず、燃料電池４０の冷却水の循環流路に加熱器７２が組み込まれるよう三方弁８２を駆動すると共に（ステップＳ１００）、ブロア４１からの空気が加熱器７２の燃焼部７４に供給されるよう三方弁８０を駆動する（ステップＳ１１０）。そして、暖機完了前のＣＯ選択酸化部３４からの混合ガスが燃料電池４０のカソードに供給されず改質器３０の燃焼部３２に供給されるよう電磁弁８４，８６，８８を駆動して（ステップＳ１２０）、暖機を開始する（ステップＳ１３０）。改質器３０とＣＯ選択酸化部３４の暖機は、調節弁２４を開成すると共に昇圧ポンプ２８を駆動して改質器３０の燃焼部３２に都市ガスを供給すると共にこの燃焼部３２を点火して、改質器３０に都市ガスと水蒸気を供給して燃料ガスの生成を行ないながら行なわれる。また、燃料電池４０の暖機は、加熱器７２の燃焼部７４にガス配管２２からの都市ガスの供給を開始すると共に燃焼部７４を点火して循環流路に流れる冷却水を加熱することにより行なわれる。
【００２３】
改質器３０およびＣＯ選択酸化部３４の暖機が完了すると共に燃料電池４０の暖機が完了すると（ステップＳ１４０）、加熱器７２による加熱を停止させると共に加熱器７２を燃料電池４０の循環流路から除かれるよう三方弁８２を駆動する（ステップＳ１５０）。そして、ブロア４１からの空気が燃料電池４０に供給されるよう三方弁８０を駆動し（ステップＳ１６０）、ＣＯ選択酸化部３４からの燃料ガスが燃料電池４０のアノードに供給されるよう電磁弁８４，８６，８８を駆動して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。
【００２４】
以上説明した実施例の燃料電池発電システム２０によれば、ブロア４１からの空気は、三方弁８０により、システムの暖機時には燃料電池４０の暖機に用いられる加熱器７２の燃焼部７４に供給され、暖機が終了すると燃料電池４０のカソードに供給されるから、加熱器７２の燃焼部７４への空気供給のためのブロアと燃料電池４０への空気供給のためのブロアとをブロア４１によって共用することができる。この結果、システムを構成する部品数を少なくすることができ、システムの小型化とシンプル化を図ることができる。もとより、暖機によりシステムを迅速に起動することができる。
【００２５】
実施例の燃料電池発電システム２０では、ブロア４１からの空気を、三方弁８０により、システムの暖機時には燃料電池４０の暖機に用いられる加熱器７２の燃焼部７４に供給し、暖機が終了したときには燃料電池４０のカソードに供給するものとしたが、三方弁８０に代えて燃料電池４０への管路と加熱器７２への管路に電磁弁を備え、燃料電池４０の暖機が完了する前に燃料電池４０に空気を供給するものとしてもよい。即ち、燃料電池４０への空気の供給と加熱器７２への空気の供給を選択的に行なうものに限られず、同時に双方に供給するものとしてもよいのである。
【００２６】
実施例の燃料電池発電システム２０では、加熱器７２の燃焼部７４にガス配管２２からの都市ガスを供給するものとしたが、加熱器７２の燃焼部７４に暖機完了前のＣＯ選択酸化部３４からの混合ガスを供給するものとしてもよい。即ち、暖機完了前は、ＣＯ選択酸化部３４からは水蒸気改質反応により生成された水素と未反応の都市ガスとの混合ガスが排出されるが、この混合ガスを加熱器７２の燃焼部７４で可燃燃料として用いてもよいのである。
【００２７】
実施例の燃料電池発電システム２０では、貯湯槽４４として貯湯量が変化するタイプのものを用いたが、貯湯槽としては常時満水で温度のみ変化させるクローズタイプのものを用いるものとしてもよい。この場合、水位センサ４９は不要となる。
【００２８】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０として固体高分子型の燃料電池を用いたが、固体高分子型の燃料電池に限られず、如何なるタイプの燃料電池であっても構わない。
【００２９】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガス（１３Ａ）を改質器３０に供給して水素リッチな燃料ガスを生成するものとしたが、都市ガス（１２Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質器３０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよく、これらのガス以外の炭化水素系の燃料を改質器３０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよい。
【００３０】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガスを改質器３０とＣＯ選択酸化部３４とにより水素リッチな燃料ガスとして燃料電池４０に供給するものとしたが、水素リッチな燃料ガスや純水素を蓄える水素タンクから燃料電池４０に供給するものとしてもよい。
【００３１】
実施例の燃料電池発電システム２０では、システムで得られる電力を商用電源に接続された負荷に供給できるよう接続したが、商用電源に接続されていない負荷に電力を供給するものとしてもよい。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】電子制御ユニット６０により実行される起動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０　商用電源、１２　電力ライン、１４　遮断器、１６　負荷、１８　遮断器、２０　燃料電池発電システム、２２　ガス配管、２４　調節弁、２６，２８昇圧ポンプ、２７　脱硫器、３０　改質器、３２　燃焼部、３４　ＣＯ選択酸化部、４０　燃料電池、４１　ブロア、４２　熱交換器、４３　循環ポンプ、４４　貯湯槽、４６　ポンプ、５１　電力計、５２　ＤＣ／ＤＣコンバータ、５４インバータ、５５　遮断器、５６　ＤＣ／ＤＣコンバータ、５８　負荷電力計、６０　電子制御ユニット、６２　ＣＰＵ、６４　ＲＯＭ、６６　ＲＡＭ、６８タイマ、７０　操作表示パネル、７２　加熱器、７４　燃焼部、８０，８２　三方弁、８４，８６，８８　電磁弁。
【図１】
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【図２】
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