(57)【要約】【課題】従来の燃料電池システムでは、凍結防止運転を制御する温度検知部または制御装置に異常が生じた場合、凍結防止運転を作動させることができなくなり、燃料電池システム内の水が凍結する。その結果、次回起動時には発電効率が低下する、運転不能になる、水漏れ、漏電が生じる可能性があるという課題があった。【解決手段】燃料電池システムは、水凍結防止回路に第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６を備えることで、前記温度検知部１５または前記制御部１６に異常が生じても、第２のスイッチ２６が加熱部１４を制御することにより、水凍結防止が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路と、前記燃料電池の排気ガス中の水分を回収する水回収経路と、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つを加熱する加熱部と、温度検知部と、制御部と、前記制御部の異常を検知する異常検知部と、前記加熱部を作動させる凍結防止回路とを備え、前記凍結防止回路は、前記温度検出部で検出された温度が第1の設定温度以下である場合には前記制御部により接続される、ならびに前記温度検出部が故障した場合には前記制御部により接続される、及び／または前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には該異常検知部により接続される、第１のスイッチと、第２の設定温度以下で機械的に接続される、第２のスイッチとを備え、前記第１のスイッチと第２のスイッチとが直列であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記凍結防止回路は、前記第１のスイッチに代えて前記温度検知部で検出された温度が第１の設定温度以下である場合には前記制御部により接続される、ならびに前記温度検知部が故障した場合には前記制御部により開放される、及び／または前記異常検知部により前記制御部の異常検知された場合には該異常検知部により開放される、第３のスイッチと、前記第１の設定温度以下である第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチとを備え、前記第３のスイッチと前記第２のスイッチとが並列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】
前記燃料電池に供給される水素含有ガスを改質反応により生成する改質部と、前記改質部に水を供給するための改質水経路を備え、前記加熱部は、前記改質水経路、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つに設けられていることを特徴とする請求項１または２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、燃料電池システムの水凍結の防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池２８と、燃料電池２８の冷却を行う水循環部２９とを備える。このような燃料電池システムを屋外で一定時間以上運転せずに放置すると、外気温度の低下とともに、水循環部２９が凍結し、燃料電池２８が運転不能になる、水循環部２９の構成部品が破損するといった恐れがある。したがって、低温環境下においても内部の水が凍結しない燃料電池システムが求められる。
【０００３】
上記凍結を防止するための燃料電池システムの一例として、外部の温度を検出する温度検出部３０を備え、閾値以下の温度を検出した際に凍結防止運転を行っていた（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
以下に、その詳細について説明する。図４は、上記特許文献１に記載された従来の燃料電池システム構成の概要を示す。
【０００５】
上記特許文献１記載の燃料電池システムは、水素供給部３１から供給される水素と空気供給部３２から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池２８と、燃料電池２８に水を循環させる水循環部２９と、外部の温度を検出する温度検出部３０および制御装置３３とを備えていた。水循環部２９は、メインタンク３４と、メインタンク３４内の水をポンプ３５によって燃料電池２８に供給する給水路３６と、燃料電池２８からの排水をメインタンク３４に回収する排水路３７とから構成されている。
【０００６】
次に、この燃料電池システムの凍結防止運転の動作について説明する。
【０００７】
温度検出部３０が閾値以下の温度を検出した際に、制御装置３３によって燃料電池２８へ水素供給部３１と空気供給部３２からそれぞれ水素と空気が供給され、燃料電池２８は発電を行う。同時に、水循環部２９を作動させる。このとき、燃料電池２８は発電反応で熱を発するため、水循環部２９であるメインタンク３４、給水路３６、排水路３７中の水は、その熱を利用することで凍結を防止することができる。
【特許文献１】特開平１１−２１４０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、温度検出部または制御装置に異常が生じた場合、低温環境下においても凍結防止運転を作動させることができず、水循環部内部の水は凍結してしまう。
【０００９】
その結果、次回起動時に燃料電池の温度制御ができずに発電できない、もしくは効率が著しく低下する可能性がある。また、燃料電池が、凍結による機械的ダメージを受け変形することも想定され、それにより、発電効率低下、運転不能になる可能性もある。同様の機械的ダメージは、水を循環させるポンプ、タンク、及び配管等にも生じる可能性がありそれにより、燃料電池の冷却を行うのに充分な水量を循環させることが出来ず、消費電力の増加、発電効率低下あるいは運転不能になることが想定される。更には、破損箇所から漏れた水が漏電を引き起こし、安全上危険な状態になることも危惧される。また、仮に、解凍後、全構成部品が再使用可能であったとしても、耐久性が劣化することが予想される。
【００１０】
このように、燃料電池システムの水が凍結した場合、商品性、安全性に著しく悪影響を及ばすことが想定される。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度検出部または制御装置に異常が生じた場合でも、凍結防止運転が作動不可となる前記異常が生じた場合においても、水凍結防止が可能な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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路と、前記燃料電池の排気ガス中の水分を回収する水回収経路と、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つを加熱する加熱部と、温度検知部と、制御部と、前記制御部の異常を検知する異常検知部と、前記加熱部を作動させる凍結防止回路とを備え、前記凍結防止回路は、前記温度検出部で検出された温度が第1の設定温度以下である場合には前記制御部により接続される、ならびに前記温度検出部が故障した場合には前記制御部により接続される、及び／または前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には該異常検知部により接続される、第１のスイッチと、第２の設定温度以下で機械的に接続される、第２のスイッチとを備え、前記第１のスイッチと第２のスイッチとが直列であることを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じ、温度検知部に温度に基づいた凍結防止制御が不可となった場合は、通常時第１の設定温度以下で接続状態となる第１のスイッチは常時接続状態となり、第２のスイッチが第２の設定温度以下で機械的に接続されることで、凍結防止運転が作動し、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能となる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、前記凍結防止回路は、前記第１のスイッチに代えて前記温度検知部で検出された温度が第１の設定温度以下である場合には前記制御部により接続される、ならびに前記温度検知部が故障した場合には前記制御部により開放される、及び／または前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には該異常検知部により開放される、第３のスイッチと、前記第１の設定温度以下である第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチとを備え、前記第３のスイッチと前記第２のスイッチとが並列であることを特徴とする。上記構成により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じた場合は、通常時第１の設定温度以下で接続状態となる第１のスイッチは開放状態となり、第２のスイッチが第２の設定温度以下で機械的に接続されることによって凍結防止運転が作動し、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能になる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池に供給される水素含有ガスを改質反応により生成する改質部と、前記改質部に水を供給するための改質水経路を備え、前記加熱部は、前記改質水経路、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つに設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じ、温度検知部による凍結防止制御が不可となった場合においても、凍結防止制御のための凍結防止回路に第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチを用いることで、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。本実施の形態における燃料電池システムは、原料供給経路１から供給される原料ガスおよび水蒸気から水蒸気改質反応によって水素リッチガスを生成する改質器２と、改質器２に熱を供給するバーナー３と、水素リッチガスと空気中の酸素との化学反応により発電する燃料電池４と、燃料電池４の冷却を行う冷却水経路５と、冷却水経路５を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路６と、燃料電池４の反応で生じる生成水、バーナー３からの排気ガス７中に含まれる水分、および燃料電池４の反応に使われなかった排水素をバーナーに供給する排水素経路中８に含まれる水分を回収する水回収経路９と、水回収経路９と冷却水経路５との間を相互循環ポンプ１０によって循環させる相互循環経路１１と、改質器２での反応に使用される水を供給する改質水経路１２と、冷却水経路５、貯湯経路６、水回収経路９、相互循環経路１１、改質水経路１２に含まれる水をシステム外部へ排水する排水経路１３と、冷却水経路５、貯湯経路６、水回収経路９、相互循環経路１１、改質水経路１２、排水経路１３にそれぞれ設けられた加熱部１４と、外気温度を検出する位置に取付けられた温度検知部１５と、制御部１６と、制御部１６の異常を検知する異常検知部１７と、前記制御部１６により前記温度検知部１５の検知信号に基づき第１の設定温度以下であると判断された場合に、前記加熱部１４を作動させる凍結防止回路とを備える。
【００１９】
加熱部１４は、例えば、ヒーターとし、低温時に凍結する可能性がある箇所を加熱により凍結防止できる箇所であれば良いが、本実施の形態では、冷却水経路５、貯湯経路６、水回収経路９、相互循環経路１１、改質水経路１２、排水経路１３にそれぞれ取り付けられている。
【００２０】
温度検知部１５の場所は、燃料電池システム内の水凍結防止のために温度を検知できる場所であれば、燃料電池システム内外を問わず、いずれの箇所でもかまわないが、外気温度の低下を最も敏感に検知できる箇所が望ましい。本実施の形態では、燃料電池システムの底板部に取り付けられている。
【００２１】
次に、本実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する。原料供給経路１から供給された原料ガスはバーナー３により加熱され、改質水経路１２から供給される改質水との水蒸気改質反応により、水素リッチガスとなる。水素リッチガスは水素供給経路１８を通して、燃料電池４に供給され、空気供給部１９によって送り込まれた空気中の酸素と反応し、発電を行う。発電反応に消費されなかった排水素は排水素経路８を通して、バーナー３に供給され、改質器２の加熱に利用される。
【００２２】
燃料電池４での反応で生じる生成水は、水回収経路９に回収される。また、バーナー３からの排気ガス７中に含まれる水分、およびバーナー３での燃焼を安定させるために除去された排水素経路中８の水分も水回収経路９に回収される。水回収経路９で回収された水分は、凝縮水タンク２０に貯められ、相互循環ポンプ１０により相互循環経路１１を通して燃料電池４を冷却するための冷却水、そして改質水ポンプ２１により改質器２に供給される改質水として利用される。また、燃料電池４の発電反応で生じる熱は冷却水ポンプ２２により冷却水を循環させることにより冷却水経路５中の熱交換器２３を介して、貯湯経路６を流れる貯湯水に伝えられ、家庭の給湯、暖房等に使用される。
【００２３】
また、停電時など凍結防止運転を作動できない場合は、燃料電池システム内の水は各水経路と接続された排水経路１３を通して、外部へと排水される。
【００２４】
次に、本実施の形態における凍結防止回路、および凍結防止運転の動作について説明する。
【００２５】
図２は本発明の実施の形態１における凍結防止部を作動させる凍結防止回路図である。図２において、図１と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００２６】
凍結防止回路は、電源２４と、前記加熱部１４と、第１のスイッチ２５と、第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６とを備え、両スイッチは直列に接続されている。ここで、上記第１のスイッチは、通常時には、温度検出部１５で検出された温度が、第１の設定温度以下になった場合に、接続状態となるが、制御部１６に温度検出部１５が故障したと判定された場合には制御部１６により接続され、異常検知部１７により制御部１６が故障したと判定された場合にも接続される。なお、本実施の形態においては、上記温度検出部１５の故障の際の第１のスイッチの接続及び上記制御部１６の異常の際の第１のスイッチの接続のうち両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えていても構わない。
【００２７】
次に、本実施の形態における凍結防止運転の動作について説明する。
【００２８】
第１のスイッチ２５は温度検知部１５で検知された温度が、燃料電池システム内の水温が凍結領域またはその近傍と推定される温度である第１の設定温度以下になった場合、制御部１６により凍結防止回路に接続され、本実施の形態では、第１の設定温度を０℃とする。また、第２のスイッチ２６は、温度検知部１５または制御部１６が故障した場合に、加熱部１４を制御し燃料電池システムの凍結防止を行うための安全装置であり、第２の設定温度以下になった場合に、機械的に凍結防止回路に接続されるよう構成されている。この第２のスイッチ２６としては、例えば、第２の設定温度以下で接続状態となるバイメタルを用いたスイッチが挙げられる。なお、燃料電池システム内の水が凍結しないためには、第２の設定温度は第１の設定温度以上であることが望ましく、例えば本実施の形態では、第２の設定温度を４℃とする。
【００２９】
これにより、外気温度の低下と共に温度検知部１５が０℃以下であると制御部１６により判定された場合には、第１のスイッチ２５、第２のスイッチ２６共に回路接続状態となり、燃料電池システムの水経路に取り付けられた加熱部１４が作動し、凍結が防止される。さらに、制御部１６により温度検知部１５が故障したと判定された場合、または異常検知部１７により制御部１６がノイズ等の影響により異常が起きたと判定された場合においても第１のスイッチ２５は回路接続状態となり、４℃以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６によって加熱部１４が制御され、凍結が防止される。
【００３０】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における凍結防止部を作動させる凍結防止回路図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を用い、説明を省略する。
【００３１】
本実施の形態において、凍結防止回路は、電源２４と、前記加熱部１４と、第３のスイッチ２７と、第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６とを備え、第３のスイッチ２７と第２のスイッチ２６は並列に接続されている。ここで、第３のスイッチは、通常時には、温度検出部１５で検出された温度が、第１の設定温度以下になった場合に、接続状態となるが、制御部１６により温度検出部１５が故障したと判定された場合には制御部１６により開放状態が維持され、異常検知部１７により前記制御部１６が故障したと判定された場合にはこの異常検知部１７により開放状態が維持される。
【００３２】
なお、本実施の形態においては、通常時に温度検知部で検知された温度が第１の設定温度以下になることで凍結防止運転が作動するよう、第２の設定温度は、第１の設定温度以下となっており、さらに、燃料電池システムの水経路の凍結防止を確実にするために、具体的には、第１の設定温度は４℃で、第２の設定温度が０℃となる。また、本実施の形態においては、上記温度検出部１５の故障の際の第３のスイッチの開放状態の維持及び上記制御部１６の異常の際の第３のスイッチの開放状態の維持のうち両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えていても構わない。
【００３３】
以上の構成により、本実施の形態の燃料電池システムは、通常時には温度検知部１５で検知された温度が第１の設定温度以下になった場合に、加熱部１６が動作し、燃料電池システムの水経路の凍結防止が可能となるが、制御部１６により温度検知部１５が故障したと判定された場合、または異常検知部１７により制御部１６が故障したと判定された場合においても、第２の設定温度以下で機械的に接続される第２のスイッチ２６によって加熱部１４が動作し、燃料電池システムの水経路内の水の凍結が防止される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システム内の凍結防止運転を制御する温度検知部、制御部の少なくともひとつに異常が生じた際においても、凍結防止運転を作動させることが可能であり、水凍結による発電効率低下や運転不能になるといった商品性の低下を防止でき、かつ安全性も確保できるため、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図
【図２】実施の形態１における凍結防止部を作動させる回路図
【図３】実施の形態２における凍結防止部を作動させる回路図
【図４】従来の技術における燃料電池システムを示す構成図
【符号の説明】
【００３６】
４    燃料電池
５    冷却水経路
６    貯湯経路
９    水回収経路
１１    相互循環経路
１２    改質水経路
１３    排水経路
１４    加熱部
１５    温度検知部
１６    制御部
１７    異常検知部
２５    第１のスイッチ
２６    第２のスイッチ
２７    第３のスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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