(57)【要約】【課題】逆潮流の防止と、余剰電力の活用とを継続して行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１と、水を媒体として熱を蓄える蓄熱装置２と、燃料電池１と蓄熱装置２との間で行われる熱交換を、所定の周回経路４を循環する熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器３とを備えてなる燃料電池システムであり、熱交換器３は、周回経路４中の第１熱交換部５において、熱伝達媒体を介して燃料電池１と熱交換を行い、周回経路４中の第２熱交換部６において、熱伝達媒体を介して蓄熱装置２と熱交換を行い、更に、燃料電池１において発生された電力によって作動可能な、熱伝達媒体を加熱する加熱装置７と、熱伝達媒体を冷却する冷却装置８とが周回経路４に設けられてなる。【選択図】　図１
2004095360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、水を媒体として熱を蓄える蓄熱装置と、前記燃料電池と前記蓄熱装置との間で行われる熱交換を、所定の周回経路を循環する熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器とを備えてなる燃料電池システムであって、前記熱交換器は、前記周回経路中の第１熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記燃料電池と熱交換を行い、前記周回経路中の第２熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記蓄熱装置と熱交換を行い、
前記燃料電池において発生された電力によって作動可能な、前記熱伝達媒体を加熱する加熱装置と、前記熱伝達媒体を冷却する冷却装置とが前記周回経路に設けられてなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱装置が、前記周回経路から前記熱伝達媒体が流入する流入口、前記流入した前記熱伝達媒体が一時的に蓄えられる空間部、および前記周回経路へ前記熱伝達媒体が流出する流出口と、前記空間部内の前記熱伝達媒体を加熱する電気ヒータとを備えてなる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池と、水を媒体として熱を蓄える蓄熱装置と、前記燃料電池と前記蓄熱装置との間で行われる熱交換を、所定の周回経路を循環する熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器とを備えてなり、前記熱交換器が、前記周回経路中の第１熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記燃料電池と熱交換を行い、前記周回経路中の第２熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記蓄熱装置と熱交換を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池において発生された電力によって作動して、前記熱伝達媒体を加熱する加熱装置と、前記熱伝達媒体を冷却する冷却装置とを前記周回経路中に設け、
前記燃料電池において発生される電力が所定電力以上である場合に、前記燃料電池において発生された電力によって前記加熱装置を作動させる加熱工程と、
前記周回経路中を循環する前記熱伝達媒体の温度が、前記第１熱交換部への流入口において所定の温度を越える場合、前記燃料電池において発生された電力によって前記冷却装置を作動させる冷却工程とを含む燃料電池システムの作動方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の始動前に、前記熱伝達媒体を介して前記加熱装置から受け取る熱を利用して前記燃料電池の所定部位を昇温する工程を含む燃料電池システムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の余剰電力を活用する燃料電池システムおよびその作動方法に関し、詳細には、燃料電池と、水を媒体として熱を蓄える蓄熱装置と、上記燃料電池と上記蓄熱装置との間で行われる熱交換を、所定の周回経路を循環する熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器とを備えてなる燃料電池システムおよびその作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大規模発電所を需要家から離れた位置の建設し、そこから電気のみを送電する方式を採用する現在のエネルギ供給方式では、発電所で発生された熱が有効に利用されておらず、その分だけエネルギを浪費しているとの課題が提言されている。このため、電力供給と熱供給とを共に行うことができるシステムとして、コジェネレーション装置が提案されており、この場合、送電、変電によるロスを抑制して、発電によって発生した熱も同時供給するため、総合的に見たエネルギ効率を高くすることができる。
【０００３】
このようなコジェネレーション設備は、燃料電池や、ガスエンジン又はガスタービン等の原動機を駆動源とした発電機等を備えて、電力及び熱を発生するように構成され、発電した電力を、例えば電力供給業者から受電した電力と合わせて、家庭に供給することができると共に、発生した熱を家庭に供給することがするように構成される。
【０００４】
そして、コジェネレーション設備を各家庭等の需要地に設けることで、需要地で消費される電力の少なくとも一部をコジェネレーション設備の発電電力で補うことができるので、電力供給業者との契約電力負荷を低く押えることができる上に、そのときに発生した熱エネルギを湯水等として利用することができるため、省エネルギ性及び経済性の点で有効である。
【０００５】
但し、熱電供給システムとして燃料電池を採用した場合、その特性上、燃料電池は、運転を停止すると、再度の起動に伴うエネルギ損失や運転停止に伴う燃料改質装置およびセルの劣化が起こる。従って、電力需要が小さい場合であっても燃料電池を連続運転させることが好ましい。しかし、燃料電池の電力需要が低い場合には余剰電力が発生するため、その余剰電力を一般の電力供給系統に逆潮流させることも行われているが、逆潮流させないようなシステムも求められている。
【０００６】
燃料電池において発生された余剰電力を活用するシステムとしては、例えば、特開２００１−６８１２５号公報に記載の「燃料電池システム」がある。このシステムでは、貯湯タンクに設置した電気ヒータを余剰電力で作動させることで、余剰電力の熱への変換を行っている。また、セルを冷却（貯湯タンクにとっては熱吸収）することも同時に行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、長時間にわたって過剰な余剰電力が電気ヒータに供給された場合には、本来、セルを冷却するべき冷却水の温度が高くなり過ぎるため、セルの過昇温を防止するために燃料電池の運転を停止させる必要があった。つまり、従来の燃料電池システムは、連続運転を行いながら、逆潮流の防止と、余剰電力の活用とを長時間にわたって実施することは出来なかった。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、逆潮流の防止と、余剰電力の活用とを継続して行うことができる燃料電池システムおよびその作動方法を提供する点にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、燃料電池と、水を媒体として熱を蓄える蓄熱装置と、前記燃料電池と前記蓄熱装置との間で行われる熱交換を、所定の周回経路を循環する熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器とを備えてなる燃料電池システムであって、前記熱交換器は、前記周回経路中の第１熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記燃料電池と熱交換を行い、前記周回経路中の第２熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記蓄熱装置と熱交換を行い、前記燃料電池において発生された電力によって作動可能な、前記熱伝達媒体を加熱する加熱装置と、前記熱伝達媒体を冷却する冷却装置とが前記周回経路に設けられてなる点にある。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムの第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記加熱装置が、前記周回経路から前記熱伝達媒体が流入する流入口、前記流入した前記熱伝達媒体が一時的に蓄えられる空間部、および前記周回経路へ前記熱伝達媒体が流出する流出口と、前記空間部内の前記熱伝達媒体を加熱する電気ヒータとを備えてなる点にある。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムの作動方法の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載の如く、燃料電池と、水を媒体として熱を蓄える蓄熱装置と、前記燃料電池と前記蓄熱装置との間で行われる熱交換を、所定の周回経路を循環する熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器とを備えてなり、前記熱交換器が、前記周回経路中の第１熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記燃料電池と熱交換を行い、前記周回経路中の第２熱交換部において、前記熱伝達媒体を介して前記蓄熱装置と熱交換を行う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池において発生された電力によって作動して、前記熱伝達媒体を加熱する加熱装置と、前記熱伝達媒体を冷却する冷却装置とを前記周回経路中に設け、前記燃料電池において発生される電力が所定電力以上である場合に、前記燃料電池において発生された電力によって前記加熱装置を作動させる加熱工程と、前記周回経路中を循環する前記熱伝達媒体の温度が、前記第１熱交換部への流入口において所定の温度を越える場合、前記燃料電池において発生された電力によって前記冷却装置を作動させる冷却工程とを含む点にある。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムの作動方法の第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に記載の如く、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の始動前に、前記熱伝達媒体を介して前記加熱装置から受け取る熱を利用して前記燃料電池の所定部位を昇温する工程を含む点にある。
【００１３】
以下に作用並びに効果を説明する。
本発明に係る燃料電池システムの第一の特徴構成によれば、燃料電池において発生された電力量が需要電力量を上回った場合に発生する余剰電力によって加熱装置を作動させることができるので、加熱装置において発生された熱を熱伝達媒体に与え、その熱伝達媒体が有する熱を蓄熱装置内の水に与えて、即ち温水にして蓄えるという、エネルギ変換によるエネルギの有効利用を行うことができる。また、上記燃料電池において発生された電力（例えば、上記余剰電力）を用いて冷却装置を作動させることもできるので、上記周回経路を循環する熱伝達媒体の温度が高い場合にはその熱伝達媒体を冷却し、第１熱交換部において燃料電池の冷却を行うこともできる。従って、余剰電力が発生したとしても、その電力を本発明に係る燃料電池システム内で有効に活用することができるので、余剰電力が一般の電力供給系統に逆潮流することを防止することができる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの第二の特徴構成によれば、前記加熱装置においては、循環する熱伝達媒体が一時的に貯蔵される空間部において、電気ヒータによる加熱が行われるので、電気ヒータにより熱伝達媒体が局所的に加熱されるのではなく、空間部全体の熱伝達媒体を加熱するという効果を得ることができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムの作動方法の第一の特徴構成によれば、加熱工程が実施された場合、燃料電池において発生された電力量が需要電力量を上回った場合に発生する余剰電力によって加熱装置を作動させることができるので、加熱装置において発生された熱を熱伝達媒体に与え、その熱伝達媒体が有する熱を蓄熱装置内の水に与えて、即ち温水にして蓄えるという、エネルギ変換によるエネルギの有効利用を行うことができる。また、上記燃料電池において発生された電力（例えば、上記余剰電力）を用いて冷却装置を作動させることもできるので、上記周回経路を循環する熱伝達媒体の温度が高い場合にはその熱伝達媒体を冷却し、第１熱交換部において燃料電池の冷却を行うこともできる。従って、余剰電力が発生したとしても、その電力を本発明に係る燃料電池システム内で有効に活用することができるので、余剰電力が一般の電力供給系統に逆潮流することを防止することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの作動方法の第二の特徴構成によれば、燃料電池の始動前に、上記加熱装置を別電源にて作動させて上記熱伝達媒体を加熱し、その熱を上記燃料電池の所定部位の昇温（暖機）に利用することで、燃料電池が所定の電力を出力可能となるまでの起動時間を短縮させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る燃料電池システムについて図面を参照して説明する。
図１に例示するように、本発明に係る燃料電池システムは、水素と酸素とから電気を発生し、その電力を設置者に供給する燃料電池１と、水を媒体として熱を蓄えることができる蓄熱装置２と、燃料電池１と蓄熱装置２との間で行われる熱交換を周回経路４を流れる水などの熱伝達媒体を用いて仲介する熱交換器３とを備えてなる。燃料電池１としては、固体高分子型などの様々な形態のものを使用することができる。
【００１８】
熱交換器３は、周回経路４中の第１熱交換部５において、熱伝導媒体を介して燃料電池１と熱交換を行い、更に周回経路４中の第２熱交換部６において、熱伝導媒体を介して蓄熱装置２と熱交換を行う。また、周回経路４には、燃料電池１によって発生された電力によって作動可能な、熱伝達媒体を加熱する加熱装置７と、熱伝達媒体を冷却する冷却装置８とが設けられている。例えば、周回経路４は燃料電池の冷却水が内部を流れるように構成された配管を周回させて形成され、その冷却水の流れは、第１ポンプ９によって作り出されている。そして、その冷却水用配管（周回経路４）と燃料電池１とが接する部位が第１熱交換部５である。同様に、冷却水用配管（周回経路４）と蓄熱装置２に蓄えられた水（湯）が流れる経路とが接する部位が第２熱交換部６である。以上のように、周回経路４中を流れる熱伝達媒体は、燃料電池１を第１熱交換部５において冷却する役割と、第１熱交換部５と加熱装置７において燃料電池１から受け取った熱エネルギを、第２熱交換部において蓄熱装置２に与える役割とを果たしている。
【００１９】
ここで、加熱装置７としては、図２に例示するような構造の装置を採用することができる。この加熱装置７は、周回経路４から水（熱伝達媒体）が流入する流入口２０、流入した水（熱伝達媒体）が一時的に蓄えられる空間部２１、および周回経路４へ水（熱伝達媒体）が流出する流出口２２と、空間部２１内の水（熱伝達媒体）を加熱する電気ヒータ２３とを備えてなる。電気ヒータ２３に供給される電力は、上述したように燃料電池１において発生された電気である。
【００２０】
また、冷却装置８は周回経路４を構成する導管などの表面に対して冷気を吹き付けることのできるファンなどで実現可能であり、ここでも、冷却装置８に供給される電力は、上述したように燃料電池１において発生された電気である。
【００２１】
蓄熱装置２は、水（湯）を貯える貯水槽１０と、貯水槽１０から出て、再び貯水槽１０に帰還する導管１１と、上記導管１１中の水の流れを作り出す第２ポンプ１２とを備えてなり、導管１１途中の第２熱交換部６において、冷却水用配管（周回経路４）と接して熱交換が行われる。
【００２２】
以下に、本発明に係る燃料電池システムの動作について説明する。
上述のように、燃料電池の運転の停止および再開を繰り返した場合、運転再開時の大きなエネルギが必要となることや、燃料電池に水素を供給する改質装置および燃料電池のセルスタックが劣化するため、燃料電池の運転効率が悪化するという課題が従来から存在している。そのため、できるだけ燃料電池を継続的に運転することが要求されるのだが、消費電力（燃料電池の負荷）が小さい場合には燃料電池で発生した電力が余ってしまう。本発明に係る燃料電池システムは、この余剰電力を有効に活用する点に特徴がある。
【００２３】
余剰電力が発生した場合、その電力は図２に例示したような加熱装置７に供給され、周回経路４を流れる水が電気ヒータ２３によって加熱される。尚、電気ヒータ２３によって加熱される水は、第１熱交換部５において燃料電池１から熱の供給を受けた後の水である。加熱装置７において加熱された周回経路４中の水は第２熱交換部６の方へ流れ、第２熱交換部６において蓄熱装置２の導管１１を流れる水との間で熱交換を行う（導管１１を流れる水を加熱する）。その後、周回経路４を流れる水は、バルブＶと周回経路４ｂと第１ポンプ９を通過して、再度、第１熱交換部５へ至る。ここでは冷却装置８は作動していない。
【００２４】
上述のように、第１熱交換部５においては、燃料電池１から熱を受け取る（燃料電池１を冷却する）ことが行われているのだが、第１ポンプ９を経て第１熱交換部５に流入する熱伝達媒体の温度が高い場合（蓄熱装置２に十分な熱量が蓄積された場合）には燃料電池１を十分に冷却することができないという問題が発生する。従って、第１熱交換部５の流入口付近において、周回経路４中の熱伝達媒体の温度が所定値以上である場合には、これまで加熱装置７へ供給されていた余剰電力を冷却装置８に供給し（同時に、周回経路４ａへ熱伝達媒体が流れるようにバルブＶを切り換え）、周回経路４中の熱伝達媒体を冷却することに余剰電力が使用される。尚、蓄熱装置２においては、第２ポンプ１２の運転を停止して、蓄熱装置２に蓄積された熱が周回経路４に流れる熱伝達媒体に提供されないような対策を行うことができる。
【００２５】
以上のように本発明に係る燃料電池システム１を運転することで、燃料電池において発生された電力量が需要電力量を上回った場合に発生する余剰電力量によって加熱装置を作動させることができるので、加熱装置において発生された熱を熱伝達媒体に持たせ、その熱伝達媒体が有する熱を蓄熱装置内の水に渡して、即ち温水にして蓄えるという、燃料電池における排熱回収という効果が得られる。また、上記燃料電池において発生された電力（例えば、上記余剰電力）を用いて冷却装置を作動させることもできるので、上記周回経路を循環する熱伝達媒体の温度が高い場合には、その熱伝達媒体を冷却することもできる。従って、余剰電力が発生したとしても、その電力を本発明に係る燃料電池システム内で有効に活用することができるので、余剰電力が一般の電力供給系統に逆潮流することを防止することができる。
【００２６】
上述のように、燃料電池１の運転を停止せず、継続して運転することのできる燃料電池システムについて説明したが、本システムの構成を他の用途に使用することもできる。例えば、燃料電池１をスムーズに始動する場合にはそのセルスタックが所定の温度に昇温されていることが好ましいが、その際に、まず、別電源によって加熱装置７を作動させて周回経路４中の熱伝達媒体を加熱する。そして、その熱伝達媒体（熱エネルギ）が、バルブＶ、周回経路４ｂ、および第１ポンプ９を経て第１熱交換部５へ流入することで、燃料電池１のセルスタックを昇温することができる。その結果、所定の出力電力を燃料電池１が発生するまでの起動時間を短縮させることができる。
【００２７】
尚、以上の実施形態において、第１ポンプ９および第２ポンプ１２の流量（周回経路４および導管１１における水の流速）は適宜調整することができる。また、それらの動作タイミングについても適宜調整することができる。
【００２８】
（実施例）
以下に、燃料電池１として固体高分子型燃料電池を採用した本燃料電池システムを運転した場合の例を説明する。
燃料電池１の出力電力が５００Ｗとなるような運転を行っている場合に電力需要が３００Ｗに低下することで２００Ｗの余剰電力が生じた際、約０．３秒後にその余剰電力を電気ヒータ２３に供給し、逆潮流の発生を防止することができた。
【００２９】
更に、燃料電池１から排出される熱によって、第１熱交換部５から流出する周回経路４中の水の温度は約６８℃であったが、上述したように余剰電力の供給先を加熱装置７と冷却装置８とで切り換え可能であることで、第１熱交換部５へ流入する周回経路４中の水の温度を約６３℃以下に調整すること、即ち、燃料電池１の冷却を実施することができた。また、固体高分子型燃料電池は約８０℃以下の比較的低温で作動することから、本燃料電池システムの構成を用いることで良好な運転状態を保つことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】加熱装置の構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　蓄熱装置
３　熱交換器
４　周回経路
５　第１熱交換部
６　第２熱交換部
７　加熱装置
８　冷却装置
９　第１ポンプ
１０　貯水槽
１１　導管
１２　第２ポンプ
２０　流入口
２１　空間部
２２　流出口
２３　電気ヒータ
【図１】
2004095360.tif 000003
【図２】
2004095360.tif 000004