(57)【要約】【課題】燃料電池ユニットから回収し、貯湯ユニットへ導入する熱を高温（燃料電池ユニット入水温度が常温の場合と同等）にできる燃料電池を提供すること。【解決手段】発電を行う燃料電池ユニット９と、燃料電池２から回収した熱を蓄える貯湯ユニット７と、燃料電池２から熱を回収し、貯湯ユニット７に熱を供給する熱を循環する排熱回収水流路６と、排熱回収水流路６のうち貯湯ユニット７から燃料電池ユニット９へ向かう排熱回収水流路６の温度を検知する温度検知器１２と、燃料電池２の発電出力を制御する制御装置１３と、を備え、燃料電池２に導入される熱が第１の温度以下である場合に、発電出力の下限値を上げるよう制御し、燃料電池２で生じる熱量を増加させることにより高い熱量を確保し、貯湯ユニット７に高温の熱を導出する。【選択図】図１
2013257956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備え、発電を行う燃料電池ユニットと、
前記燃料電池から回収した熱を蓄える貯湯ユニットと、
前記燃料電池から熱を回収し、前記貯湯ユニットに熱を供給する熱媒体を循環する排熱回収水流路と、
前記排熱回収水流路のうち前記貯湯ユニットから前記燃料電池ユニットへ向かう経路の温度を検知する温度検知器と、
前記燃料電池の発電出力を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記温度検知器で検知する温度が第１の温度以下である場合に、前記燃料電池の発電出力の下限値を上げるよう制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力の下限値を上げる制御を行った後、前記温度検知器で検知する温度が、第１の温度より高い状態が所定の時間継続した場合に、前記燃料電池の発電出力の下限値を下げるよう制御する、請求項１に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、燃料電池システムに関する。特に燃料電池ユニットで発電した際に電気、水とともに生成される熱を回収し、有効に利用することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素リッチな燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して水と熱を発生する装置である。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので発電効率が高い。また、発電の際に発生する熱を温熱源として有効利用することができ、これを組み合わせることで総合効率が高いシステムを構築することが可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、上記のように発電により得られる熱を回収する特許文献１の燃料電池システム１０１の構成を示す概要図である。図３では燃料電池システム１０１は燃料電池１０２において、燃料極に導入された燃料ガス中の水素とブロワ等により空気極に導入された酸化剤ガス（例えば、空気）中の酸素との電気化学的反応により発電し水と熱を発生する。発電により生成される熱は燃料電池冷却水流路１０３を通水される第１熱媒体により燃料電池から熱回収され、燃料電池冷却水流路１０３で燃料電池１０２から回収された熱は第１熱交換器１０５を介して排熱回収水流路１０６に回収される。さらに排熱回収水流路１０６にて回収された燃料電池冷却水流路１０３の熱は貯湯ユニット１０７へと導入されていた。
【０００４】
一方、燃料電池１０２入口に流入する燃料ガスの温度または燃料ガスに相関するものの温度を温度検知器１１４によって計測し、所定の温度と計測した温度とを比較している。温度検知器１１４によって計測した燃料電池１０２入口に流入する燃料ガスの温度または燃料ガスに相関するものの温度が所定の温度より大きい場合には、前回の燃料電池システム１０１発電時の発電出力制限値から所定量の発電出力を減算する作業を制御装置１１３によって行ない、今回の発電出力制限値として設定している。また、温度検知器１１４によって計測した燃料電池１０２入口に流入する燃料ガスの温度または燃料ガスに相関するものの温度が所定の温度より小さい場合には、前回の燃料電池システム１０１発電時の発電出力制限値から所定量の発電出力を加算する作業を制御装置１１３によって行ない、今回の発電出力制限値として設定している。燃料電池１０２入口に流入する燃料ガスおよび燃料ガスに相関するものの温度が所定の温度を計測することにより貯湯ユニット１０７が温度的に満水となった場合に、発電出力制限値の上限を低下させることで熱余りの状態をできる限り回避していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２５７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した通り燃料電池ユニットを運転すると貯湯ユニットには燃料電池から燃料電池冷却水流路の熱、燃料電池冷却水流路の熱からそれぞれ熱交換器を介し熱交換した排熱回収流路の熱と排熱回収された熱が導入される。燃料電池ユニット運転継続に伴い貯湯ユニット内の水温が高くなり、熱余り状態になるのを発電出力に上限を下げて回避していた。し
かしながら、燃料電池ユニットに導入される熱の温度が低い場合についての具体的な技術開示がないため、燃料電池システム入水温度が低い場合は排熱回収水流路のポンプ出力および流量を下げきれない現象が想定され、排熱回収水流路の流量および流量が下げきれない場合、熱交換効率が低下するとともに、貯湯ユニットに高温の熱を導出できず、貯湯ユニットに温度の低いぬるい湯が供給され、貯湯ユニットの温度成層が崩れるおそれもあるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、燃料電池ユニットへ導入される熱の温度が低い場合に生じる燃料電池ユニットから回収する熱が低くなる問題に対して、燃料電池ユニットから回収し、貯湯ユニットへ導入する熱を高温（燃料電池ユニットへ導入される熱の温度が常温の場合と同等）にできる燃料電池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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明は燃料電池ユニットに導入される熱の温度を温度検知器で検知し、燃料電池ユニットに導入される熱の温度が所定の温度以下である場合に、前記燃料電池の発電出力の下限値を上げるよう制御し、発電時に燃料電池ユニットで生じる熱量を増加させることにより高い熱量を確保する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池ユニットに導入される熱の温度が低い場合でも発電出力下限値を上昇させることにより発熱量を大きくし、高温の熱を貯湯ユニットに導出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システム構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における発電出力下限設定制御の具体的なフロー図
【図３】従来の燃料電池システム構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、発電を行う燃料電池ユニットと、燃料電池から回収した熱を蓄える貯湯ユニットと、燃料電池から熱を回収し、貯湯ユニットに熱を供給する熱媒体を循環する排熱回収水流路と、排熱回収水流路のうち貯湯ユニットから燃料電池ユニットへ向かう経路の温度を検知する温度検知器と、燃料電池の発電出力を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、温度検知器で検知する温度が第１の温度以下である場合に、燃料電池の発電出力の下限値を上げるよう制御する燃料電池システムである。この構成により、発電時に燃料電池ユニットで生じる熱量を増加させることにより高い熱量を確保し、貯湯ユニットに高温の熱を導出することができる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、制御装置は、燃料電池の発電出力の下限値を上げる制御を行った後、温度検知器で検知する温度が、第１の温度より高い状態が所定の時間継続した場合に、燃料電池の発電出力の下限値を下げるよう制御する燃料電池システムである。この構成により貯湯ユニットに導出する熱の温度を下げることなく通常の発電状態に戻すことができ、燃料電池システムに導入される熱の温度が低いことによる故障、保護動作がある場合にも燃料電池システムの運転を継続でき、省エネ性も向上させることができる。
【００１３】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１４】
（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１の構成を示す概要図である。本実施の形態における燃料電池システム１は、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）とを用いて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２が発電時に発生する熱を回収し燃料電池２の温度制御を行なう冷却水が通流する燃料電池冷却水流路３と、を備えている。
【００１５】
また、燃料電池システム１は、冷却水を燃料電池冷却水流路３に通流させる燃料電池冷却水ポンプ４と、燃料電池２により加熱された冷却水を排熱回収水と熱交換を行うことにより冷却する熱交換器５と、熱交換器５での熱交換により冷却水を冷却する排熱回収水を通流する排熱回収水流路６と、排熱回収水を蓄える貯湯ユニット７と、貯湯ユニット７の排熱回収水を排熱回収水流路６に循環させる排熱回収水ポンプ８と、を備えている。
【００１６】
さらに、燃料電池システム１は、燃料電池冷却水流路３において燃料電池２入口および出口の冷却水温度をそれぞれ検知する第２温度検知器１０および第３温度検知器１１と、排熱回収水流路６において燃料電池ユニット９入口の温度を検知する温度検知器１２と、一連の燃料電池冷却水、排熱回収水、出力電力量を制御する制御装置１３を備えている。
【００１７】
まず本実施の形態における燃料電池システム１の具体的動作を説明する。
【００１８】
燃料電池２は燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して水と熱を発生する装置である。燃料電池２は燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので発電効率が高い。また、発電の際に発生する熱を温熱源として有効利用することができ、これを組み合わせることで総合効率が高いシステムを構築することが可能である。
【００１９】
燃料電池システム１は燃料電池２において、燃料極に導入された燃料ガス中の水素とブロワ等により空気極に導入された酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し水と熱を発生する。
【００２０】
発電に伴い発熱した燃料電池２は、冷却部に燃料電池冷却水が導入されて冷却される。燃料電池冷却水は燃料電池冷却水ポンプ４により燃料電池冷却水流路３を循環する。このとき、燃料電池２のセルの触媒保護および発電効率向上の観点から燃料電池２を適正温度に保つ必要がある。そのため、制御装置１３は、第２温度検知器１０および第３温度検知器１１の温度検知結果の情報を受信して、燃料電池２入口と出口の燃料電池冷却水温度が燃料電池２を適正温度に維持するために適切な所定の温度になるように燃料電池冷却水ポンプ４および排熱回収水ポンプ８をフィードバック制御して、燃料電池冷却水および排熱回収水の流量を調整する。
【００２１】
燃料電池２から回収した熱は熱交換器５にて熱交換して温度が低下し、温度が低下した燃料電池冷却水は再び燃料電池２の冷却に用いられる。このときの燃料電池冷却水が交換する熱量は、燃料電池２から発生する熱を除去して燃料電池２を適正な温度に維持するために適切な燃料電池冷却水入口温度にするための熱量である。制御装置１３は、燃料電池２出口の燃料電池冷却水温度が所定の温度になるように燃料電池冷却水ポンプ４を制御して水の流量を調整する。
【００２２】
熱交換器５で燃料電池冷却水と熱交換を行い、温度が上昇した排熱回収水は排熱回収水流路６を流れ、貯湯ユニット７へ導入される。制御装置１３は、燃料電池２での発熱量が大きく、第２温度検知器１０および第３温度検知器１１で検知される水の温度が上昇していると判断した場合は燃料電池冷却水ポンプ４および排熱回収水ポンプ８により排熱回収水流量を増量し、熱交換器５を介して燃料電池冷却水流路３の温度を適正な温度に維持す
る。また、燃料電池２での発熱量が小さく、第２温度検知器１０および第３温度検知器１１で検知される水の温度が低下していると判断した場合は排熱回収水ポンプ８により排熱回収水流量を低下させ、燃料電池冷却水流路３の温度を適正な温度に維持する。
【００２３】
次に本実施の形態の燃料電池システムにおける特徴的な動作を具体的に説明する。
【００２４】
まず、燃料電池２に導入される水の温度を温度検知器１２によって検知する（Ｓ００１）。温度検知器１２によって検知した温度が予め定められる第１の温度と比較し（Ｓ００２）、第１の温度以下の場合次の判定（Ｓ００３）へ移行し、第１の温度より高ければ発電電力下限値を維持し、一連の動作を完了する。第１の温度以下の場合は、温度検知器１２によって検知した温度の第１所定時間の平均温度が第２の温度と比較（Ｓ００３）し、第２の温度以下の場合、発電電力の下限値を上昇し（Ｓ００４）、第２の温度より高ければ発電電力下限値を維持する。
【００２５】
また、発電電力下限値を上昇（Ｓ００４）した燃料電池システムについて第２の発明の具体的動作を説明する。
【００２６】
発電電力下限値を上昇（Ｓ００４）してから第２所定時間の間第１の温度と比較（Ｓ００５）し、第１の温度以下の場合発電電力下限値を維持し、第１の温度より高ければ発電電力下限値を下げる（Ｓ００６）。
【００２７】
本発明の実施の形態における燃料電池システム１の構成をとると、発電時に燃料電池ユニット９で生じる熱量が増加するとともに、高い熱量を確保でき、貯湯ユニット７に導出される熱の温度が高くなる。また更に本発明の実施の形態における燃料電池システム１の構成をとると、上述した作用、効果に加え、第１の温度より高い状態が所定の時間継続した場合に、燃料電池２の発電出力の下限値を下げるよう制御することにより貯湯ユニットに導出する熱の温度を下げることなく通常の発電状態に戻すことができることによって燃料電池システム１に導入される熱の温度が低いことによる故障、保護動作がある場合にも燃料電池システム１の運転を継続でき、省エネ性も向上させることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、瞬時値である第１の温度と比較するＳ００２のステップと、平均値である第２の温度と比較するＳ００３のステップの２つのステップがある形態について説明したが、いずれか一方のステップだけでもよい。一方のステップの場合は、比較する基準となる温度が第１の温度となる。また、第１の温度は、貯湯ユニット７の温度成層を崩さないように設定される温度であるため、例えば、０℃以上１５℃以下の範囲内で任意に設定することが可能である。また、燃料電池システムの構成によるが、温度検知器１２が検知する温度が０℃以上１５℃以下の場合には、貯湯ユニット７に戻ってくる排熱回収水の温度は約４０℃以上６０℃以下になるので、貯湯ユニット７の温度成層が崩れるおそれがあるので、発電出力の下限値を上げる必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、低温の熱が燃料電池システムに導入されても回収する熱の温度を高くすることが可能となるので、家庭用および産業用の固体高分子形燃料電池システムや固体酸化物形燃料電池システムなどの様々な燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  燃料電池冷却水流路
４  燃料電池冷却水ポンプ
５  熱交換器
６  排熱回収水流路
７  貯湯ユニット
８  排熱回収水ポンプ
９  燃料電池ユニット
１０  第２温度検知器
１１  第３温度検知器
１２  温度検知器
１３  制御装置
１０１  燃料電池システム
１０２  燃料電池
１０３  燃料電池冷却水流路
１０５  熱交換器
１０６  排熱回収水流路
１０７  貯湯ユニット
１１３  制御装置
１１４  温度検知器
【図１】
2013257956.tif 000003
【図２】
2013257956.tif 000004
【図３】
2013257956.tif 000005