本発明は、水素含有ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池の発電時の燃料として用いる水素含有ガスは一般的なインフラガスとして整備されていない。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備える。この改質器は、改質反応により、一般的なインフラである都市ガス、天然ガス、あるいはLPガスから、水素含有ガスを生成する。改質反応としては、例えば、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。

この水蒸気改質反応は、原料となる都市ガス等と水蒸気とを、Ni系またはRu系等の貴金属系の改質触媒を用いて、600℃〜700℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成する。水蒸気改質反応には、原料だけでなく、水も必要であり、水蒸気改質反応に使用する水を改質水と呼ぶ。

改質水は、改質触媒の劣化を防止するために、純水を用いることが一般的であり、水道水などの市水を用いる場合は、イオン交換樹脂などを用いて、純水にしてから改質器に供給する。

また、改質器を水蒸気改質反応に適した温度にするため、燃焼器によって改質器を加熱している。起動時は、水素生成装置を通流した原料ガスを燃焼器に戻して燃焼させ、燃料電池に水素含有ガスを供給している時は、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器で燃焼させる方法が一般的である。

ところで、燃料電池システムでは、一般的に、改質器での水蒸気改質反応に用いる改質水として、燃料電池システム内部で生成する水蒸気を含んだガスを冷却し、凝縮した水を回収して用いる。

これにより、改質水を全量市水から供給する場合に比べてイオン交換樹脂への負担が軽減され、燃料電池システムの運転に必要なコストを抑制することが可能となる。ただし、凝縮水を回収して貯える燃料電池システムでは、長期間にわたって凝縮水を貯えておくとカビ菌が繁殖し腐敗する可能性があるため、水が腐敗する前に、回収した凝縮水を排出して、新たに市水を供給することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。

特許第4040062号公報

しかしながら、特許文献1で提案されたものでは、凝縮水からカビ菌が繁殖する前に水を入れ替えることで、カビ菌の繁殖による経路詰まりや改質水供給装置の詰まり故障を防止することが出来るが、外部から新たに給水する必要があるため、燃料電池システム外部から新たに菌を燃料電池システム内部に持ち込む可能性が高まり、カビ菌が繁殖し易くなるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システム内部で水を回収し、燃料電池システム外部から水を供給しなくても燃料電池システムの運転を継続可能であり、かつ、カビ菌の繁殖を抑制すること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。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、水循環経路の冷却水と排ガスとを第1熱交換器で熱交換させて排ガスから凝縮水を回収する燃料電池システムであって、水循環経路に冷却水を放熱するラジエータを備え、ラジエータを通った後の冷却水の温度を第1の所定温度に制御する第1の運転モードと、第1の所定温度よりも高い第2の所定温度に制御する第2の運転モードとを、切り替えながら運転するのである。

これにより、燃料電池システム内で必要な水を、燃料電池システム内で回収した水だけで賄いながら、燃料電池システム内でのカビ菌の繁殖を防止することが出来る。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システム内で必要な水を、燃料電池システム内で回収し賄うことができる。それにより、燃料電池システム内部で水自立を成立させることができる。さらに、燃料電池システム内で水経路の温度をカビ菌が死滅する温度に上昇させることで、カビ菌の繁殖を防止することができる。水自立とカビ菌対策とを両立することで、燃料電池システムの安定した運転を実現できる。

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の一例を示すブロック図

本発明の実施の形態1における燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャート

本発明の実施の形態2における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図

本発明の実施の形態2における燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャート

第1の発明は、燃料を用いて発電する燃料電池と、排ガスが流通する排ガス経路と、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する水循環経路と、排ガス経路および水循環経路に設けられ、排ガスと冷却水との間で熱交換させる第1熱交換器と、排ガスを第1熱交換器で冷却して生成した凝縮水を回収する水回収手段と、水循環経路に設けられ、冷却水を放熱するラジエータと、水循環経路に設けられ、水循環経路の冷却水を循環させる循環ポンプと、ラジエータでの冷却水の放熱量を制御する制御器と、を備え、制御器が、ラジエータでの放熱量を調整することで、ラジエータを通った後の冷却水の温度を第1の所定温度に制御する第1の運転モードと、第1の所定温度よりも高い第2の所定温度に制御する第2の運転モードを有し、第1の運転モードと第2の運転モードを切り替えながら運転することを特徴とする燃料電池システムである。

これにより、燃料電池システム内で必要な水量を、燃料電池システム内で回収した水量だけで賄いながら、燃料電池システム内でのカビ菌の繁殖を防止することができる。

第2の発明は、特に、第1の発明における排ガスが、固体酸化物形燃料電池から排出される燃焼排ガスであるものであり、これにより、固体酸化物形燃料電池から排出される燃焼排ガスから回収される水量で燃料電池システム内にて消費される水量を賄いながら、水 回収手段及び水循環経路でのカビ菌の繁殖を防止することができる。

第3の発明は、特に、第1の発明における排ガスが、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置から排出される燃焼排ガスであるものであり、これにより、水素生成装置から排出される燃焼排ガスから回収される水量で燃料電池システム内にて消費される水量を賄いながら、水回収手段及び水循環経路でのカビ菌の繁殖を防止することができる。

第4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか1つの発明における制御器が、第2の運転モードとして、ラジエータを通った冷却水の温度を第2の所定温度に一定周期で上げるように運転するものであり、これにより、カビ菌の繁殖を長期的に防止することができる。

第5の発明は、特に、第1〜第4のいずれか1つの発明において、第1の所定温度を、水回収手段により燃料電池システムの運転に必要な水量を回収可能な温度とし、第2の所定温度を、水循環経路の冷却水、及び、水回収手段により回収された水中のカビ菌が死滅する温度とするものである。

これにより、燃料電池システム内で必要な水量を燃料電池システム内で回収した水量だけで賄いながら、燃料電池システム内でのカビ菌の繁殖を防止することをより確実に行うことができる。

第6の発明は、特に、第1〜第5のいずれか1つの発明に加えて、水回収手段で得た水を一時的に貯える第1タンクと、この第1タンク内の水残量を検知する水残量検知手段を備え、制御器が、水残量検知手段により検知された水残量が所定量以上の場合において、ラジエータを通った冷却水の温度を第2の所定温度に制御する第2の運転モードで運転するものである。

これにより、カビ菌を殺菌することよりも、燃料電池システム内での水回収を優先することで、燃料電池システム内で水が不足することを防止することができる。

第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか1つの発明において、制御器が、ラジエータを通った冷却水の温度を第2の所定温度に上げた状態を、カビ菌が死滅する所定時間以上継続させるものであり、これにより、カビ菌をより確実に殺菌することができ、燃料電池システムのカビ菌に対する信頼性を向上させることができる。

第8の発明は、燃料を用いて発電する燃料電池と、排ガスが流通する排ガス経路と、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する水循環経路と、排ガス経路および水循環経路に設けられ、排ガスと冷却水との間で熱交換させる第1熱交換器と、排ガスを第1熱交換器で冷却して生成した凝縮水を回収する水回収手段と、水循環経路に設けられ、冷却水を放熱するラジエータと、水循環経路に設けられ、水循環経路の冷却水を循環させる循環ポンプと、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、ラジエータでの放熱量を調整することで、ラジエータを通った後の冷却水の温度を第1の所定温度にするステップと、第1の所定温度よりも高い第2の所定温度にするステップと、を有する。

この運転方法により、燃料電池システム内で必要な水を燃料電池システム内で回収した水だけで賄いながら、燃料電池システム内での菌の繁殖を防止することができる。

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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

(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の一例を示すブロック図である。図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システム100は、排ガス経路1と、固体酸化物形燃料電池2と、水循環経路3と、第1熱交換器4と、水回収手段5と、ラジエータ6と、循環ポンプ7と、制御器8とを備える。

排ガス経路1は、排ガスが流通する経路である。本実施の形態では、排ガス経路1を通流する排ガスを、固体酸化物形燃料電池2から排出される燃焼排ガスとした。

一般的に、固体酸化物形燃料電池2は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、生成した水素含有ガスを燃料として用いて発電する燃料電池とが一体化したホットモジュールとして構成され、燃料電池で使用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させて、改質器及び燃料電池での反応に必要な温度帯を改質器及び燃料電池が維持するためのエネルギーとしている。

そして、燃焼した後の燃焼排ガスは、排ガス経路1を通して固体酸化物形燃料電池2の外部に供給される。

水循環経路3は、排ガス経路1を通して排出される排ガスを冷却するための冷却水が循環する経路である。また、水循環経路3は、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却水が循環する経路でもある。本実施の形態では、燃料電池である固体酸化物形燃料電池2から排出される排ガスを冷却するために冷却水を用いる。

第1熱交換器4は、排ガス経路1の排ガスと水循環経路3の冷却水とを熱交換させるための熱交換器であり、排ガス経路1と水循環経路3の両方の経路にまたがって設けらる。

水回収手段5は、排ガス経路1を通して第1熱交換器4に供給された排ガスが冷却水により熱交換され冷却されることで生成した凝縮水を回収するものである。本実施の形態での水回収手段5は、凝縮水を貯えるタンクであって、排ガスはタンク内の上部空間を流通して排出され、凝縮水だけがタンク内に貯まるような構成とした。

ラジエータ6は水循環経路3を流れる冷却水が保有する熱を放熱させ冷却する装置である。本実施の形態では、ラジエータ6に別途設けたファン(図示せず)により、燃料電池システム外部から空気を取り込み、取り込んだ空気により冷却水を冷却した上で、温められた空気を燃料電池システム外部に放出するように構成した。

循環ポンプ7は、水循環経路3の冷却水を循環させるポンプである。また、本実施の形態では、循環ポンプ7は水循環経路3上の第1熱交換器の下流で、ラジエータ6の上流に設置した。

制御器8は、ラジエータ6での冷却水の放熱量を制御する装置である。制御器8は、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。

制御器8は、ラジエータ6の放熱量を制御し、ラジエータ6後の冷却水温度を所定値もしくは所定範囲内に調整する。本実施の形態では、ラジエータ6後の冷却水温度を温度センサで計測する構成(図示せず)とした。

以上の様に構成された本実施の形態の燃料電池システム100について、以下、その動作、作用を説明する。なお、以下の動作は、制御器8が燃料電池システム100を制御することによっておこなわれる。

固体酸化物形燃料電池2は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器(図示せず)を有しており、改質反応に用いるために、固体酸化物形燃料電池2には別途改質水を供給する(図示せず)。改質水は固体酸化物形燃料電池2内の熱を用いて蒸発させるのが一般的である。

ここで、改質水として、水道水をそのまま用いると、水道水中に含まれる塩素やカルシウムなどが改質触媒を劣化させたり、改質器を詰まらせたりするため、改質水はイオン交換樹脂などで純水にしたものを用いる。

ここで、改質水を全て水道水で賄うと、イオン交換樹脂の負荷が大きく、非常に大きなイオン交換樹脂が必要となるため、燃料電池システム100が大きくなり設置可能な場所に制約が増えたり、イオン交換樹脂のコストが増加し、燃料電池システム100が高コスト化してしまう。そこで、改質水として用いる水は、燃料電池システム100内の水を回収して、利用する。

燃料電池システム100内で回収される水は、水道水に比べると、改質反応に用いるのに適した純度であり、イオン交換樹脂の負荷を軽減したり、イオン交換樹脂を不要としたりすることが可能となる。

固体酸化物形燃料電池2では、燃料電池で使用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスを燃焼させて、改質器での改質反応及び燃料電池での発電に必要な温度帯に改質器及び燃料電池を維持するためのエネルギーとする。その燃焼排ガス中には、固体酸化物形燃料電池2で必要な改質水量よりも多くの水量が含有されている。

そこで、排ガス経路1を通して、燃焼排ガスを第1熱交換器4に供給し、第1熱交換器4にて冷却水により冷却することで、排ガス中に含有している水蒸気を凝縮させる。凝縮した水は水回収手段5により回収され、改質水として改質器に供給される。ここで、第1熱交換器4にて排ガスを何℃まで冷却するかにより、水回収手段5により回収される水量は変化する。

第1熱交換器4に流通する冷却水の温度が上昇すると、第1熱交換器4から出る排ガスの温度も上昇する。本実施の形態の燃料電池システムでは、排ガスを45℃程度まで冷却することが出来れば、水回収手段5にて改質水に必要な水量を確保することが出来るが、45℃を上回ると、改質水に必要な水量よりも少ない水量しか回収出来なくなる。改質水に必要な水量以上の水を水回収手段5にて回収することを、水自立と呼ぶ。

次に、第1熱交換器4にて排ガスを冷却する冷却水が流れる水循環経路3について述べる。第1熱交換器4を通過した冷却水は排ガスの熱を受けて温度が上昇する。冷却水温度が上昇したままでは、再度、第1熱交換器4に循環ポンプ7を用いて供給しても排ガスを冷却することが出来ない。

そのため、冷却水をラジエータ6にて冷却する。本実施の形態において、燃料電池システム100にて、水自立を成立させるためには、排ガスを45℃程度まで冷却する必要があるため、排ガスを冷却する冷媒である冷却水の温度が42℃以下になるように、ラジエータ6での放熱量を調整する。

ここで、各部温度を、本実施の形態の燃料電池システム100の水自立が成立するように制御し続けると、水回収手段5や、ラジエータ6から第1熱交換器4までの水循環経路3に、カビ菌が繁殖する可能性がある。

ここで、カビ菌とは、大気中に存在する菌類であり、繁殖すると水経路の詰まりを引き起こす可能性がある。カビ菌は高温にすることで殺菌可能であり、例えば50℃以上に加熱すれば約30分程度でカビ菌を滅殺することができる。

そこで、カビ菌を殺菌する場合には、ラジエータ6での放熱量を通常運転時よりも減らし、第1熱交換器4に供給する冷却水の温度を50℃以上に制御する。そうすることで、ラジエータ6から第1熱交換器4までの水循環経路3を含めて、水循環経路3全域を50℃以上にすることができ、カビ菌を殺菌することができる。

また、第1熱交換器4に供給される冷却水温度は50℃以上であるため、第1熱交換器4から排出される排ガスの温度も50℃以上に高くなる。その高温になった排ガスが水回収手段5内の凝縮水と接触することにより、凝縮水を加熱し、カビ菌を殺菌することができる、 なお、水回収手段5内の凝縮水は排ガスと同等温度以下にしか温まらないため、装置構成によっては、凝縮水の温度が50℃以上に温まるように、ラジエータ6にて冷却水の放熱量を下げ、冷却水の温度を高める必要がある。

図2は、実施の形態1における燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、図2のフローチャートに示すように、まず、ラジエータ6を通った冷却水温度を第1の所定温度に制御する第1の運転モードで運転する(S101)。ここで、第1の所定温度は、燃料電池システム100にて水自立が成立する温度であれば良く、本実施の形態では、第1の所定温度を40℃とした。

次に、第1タイマをカウント開始する(S102)。次に、第1タイマが所定時間を経過したか判定する(S103)。ここで、所定時間は、カビ菌を殺菌する周期であり、本実施の形態では、所定時間を100時間とした。S103にてタイマが所定時間経過すれば、次に、ラジエータ6を通った冷却水温度を第2の所定温度に制御する第2の運転モードで運転する(S104)。

ここで、第2の所定温度とは、カビ菌を殺菌するための冷却水温度であり、本実施の形態では、第2の所定温度を55℃とした。この温度にすることで、水循環経路3の殺菌だけでなく、水回収手段5内の凝縮水の殺菌も行える。温度設定は、装置構成によって異なるため、カビ菌を殺菌できれば如何なる温度であっても構わない。

次に、第2タイマをカウント開始する(S105)。次に、第2タイマが所定時間を経過したか判定する(S106)。この所定時間はカビ菌を殺菌するのに必要な時間であり、本実施の形態では、所定時間を30分とした。所定時間は、カビ菌を殺菌するときの温度によって異なり、殺菌時の温度である第2の所定温度を高温にすればするほど、殺菌に要する時間(所定時間)を短縮することが可能である。

第2タイマが所定時間経過すれば、次に、第1タイマと第2タイマのカウントをリセットする(S107)。第1タイマと第2タイマをリセットした上で、S101に制御を戻す。燃料電池システム100が発電している間は、S101からS107までの動作を繰り替えし実行する。

以上の様に、本実施の形態によれば、燃料電池システム100にて改質反応などに必要な水を市水など外部から供給することなく賄うことができ、外部から燃料電池システム100にカビ菌を持ち込むリスクを低減できる。さらに、定期的にラジエータ6後の冷却水温度を通常の運転時よりも高い温度にすることで、カビ菌を殺菌し、燃料電池システム100内でカビ菌が繁殖し、水経路の詰まりが発生することを防止できる。

なお、排ガス経路1を流通する排ガスは燃料電池システム100内部で発生する水蒸気を含有したガスであれば、如何なるものであっても構わない。例えば、燃料電池での発電に用いる水素含有ガスを生成する水素生成装置から排出される燃焼排ガスや、燃料電池から排出されるアノードオフガスやカソードオフガスなどが挙げられる。

また、本実施の形態では、燃料電池である固体酸化物形燃料電池2から排出される排ガスを冷却するために冷却水を用いているが、燃料電池から発生する熱は、排ガスに限らない。

例えば、燃料電池から発生する熱が、燃料電池内部を通流した冷却用の冷媒で運ばれてもよく、その冷媒と冷却水が第1熱交換器4とは別の水循環経路3上の熱交換器を用いて熱交換しても構わない。その冷媒は熱交換器を出た後、燃料電池内部に戻るような循環構成としても構わない。水循環経路3を流れる冷却水により燃料電池から発生する熱が冷却されれば、如何なる構成であっても構わない。

また、第1熱交換器4は、熱交換器の方式は如何なる方式でもよく、排ガスと冷却水が互いに混合されることなく、熱を移動させることが出来ればよい。

なお、水回収手段5は、排ガスから凝縮した水が排ガスとともに燃料電池システム100の外部に排出されることがないように、凝縮水を回収することが出来れば、如何なる構成であっても構わない。

また、ラジエータ6にて冷却水を冷却する熱媒体は、空気や水などが挙げられるが、冷却出来れば如何なる熱媒体や構成であっても構わない。

なお、循環ポンプ7は、水循環経路3の冷却水を循環させることが出来れば如何なる方式のポンプであっても構わない。本実施の形態では、循環ポンプ7は水循環経路3上の第1熱交換器の下流で、ラジエータ6の上流に設置したが、それに限ることなく、ラジエータ6の下流で、第1熱交換器の上流であっても構わない。

また、制御器8は、制御機能を有するものであれば、燃料電池システム100全体あるいは一部を制御可能などのような制御装置でもよい。また、制御器8の演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。制御器8の記憶部としては、メモリが例示される。

また、制御器8は、単独の制御器でも複数の制御器でもよい。つまり、制御器8のそれぞれが、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。この点は、後述の他の実施形態の制御器においても同様である。

さらに、本実施の形態では、制御器8は、ラジエータ6の放熱量を制御し、ラジエータ6後の冷却水温度を所定値もしくは所定範囲内に調整する。その際、ラジエータ6後の冷却水温度を熱電対やサーミスタなどの温度センサで計測したが、それに限らず、例えば、第1熱交換器4から排出される排ガスの温度を計測して、それをもとに冷却水温度を推定し、ラジエータ6での放熱量を制御しても構わない。

また、ラジエータ6での放熱量を決めるファンなどの冷却手段の回転数や動作電圧などから冷却水温度を推定しても構わない。冷却水温度をラジエータ6により制御出来れば如何なる構成であっても構わない。

なお、冷却水の流れに対して、ラジエータ6の下流から第1熱交換器4の上流までの水循環経路3において、冷却水が滞留し易い部位にて、カビ菌は繁殖し易くなる。冷却水が滞留し易い部位がカビ菌を殺菌可能な温度以上になるように、ラジエータ6での冷却水の放熱量を調整することが望ましい。

特に、水質維持のために、イオン交換樹脂をラジエータ6の下流から第1熱交換器4の上流までの水循環経路3に設置する場合は、イオン交換樹脂内で水の滞留が発生する可能性があるため、カビ菌殺菌時は、水の滞留部まで水温をカビ菌が滅びる温度に制御することが望ましい。

また、水回収手段5で回収した凝縮水をイオン交換樹脂により純度を高めてから改質水として供給する燃料電池システム100においては、カビ菌殺菌時には、イオン交換樹脂の温度も上昇するように設計することが望ましい。

そのようにすることで、イオン交換樹脂内の水が滞留し易い部位にカビ菌が繁殖して経路が詰まってしまうことを防止することができる。なお、イオン交換樹脂の温度を上昇する際は、イオン交換樹脂の耐熱温度を上回らないように制御することが望ましい。

なお、燃料電池システム100は、水自立が成立しない状態になっても、すぐに改質水として供給する水が不足することがないように、水自立が成立している時に余った水をタンクなどに貯えておいても構わない。

また、本実施の形態では、燃料電池システム100にて水自立を成立させるためには、排ガスを45℃程度まで冷却する必要があるため、排ガスを冷却する冷媒である冷却水の温度が42℃以下になるように、ラジエータ6での放熱量を調整したが、冷却水の温度は装置構成によって異なるため、装置構成に応じて適切に設定すれば良い。

なお、第1タイマとは、S101を実施してからの時間経過が分かれば、如何なるものであっても構わない。また、第2タイマは、S104にてカビ菌の殺菌動作を実施してからの時間経過が分かれば、如何なるものであっても構わない。

なお、S103の所定時間は、カビ菌が繁殖して経路詰まりを起こさない時間であれば如何なる時間であっても構わない。また、カビ菌を殺菌する第2の所定温度と所定時間とは、カビ菌を殺菌出来れば、如何なる温度と時間の組合せであっても構わない。

(実施の形態2) 図3は、本発明の実施の形態2における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。実施の形態2に係る燃料電池システム200の構成は、図3に示すように、実施の形態1の燃料電池システム100の構成において、実施の形態1の固体酸化物形燃料電池2の代わりに排ガスを排出する水素生成装置9を備え、さらに、第1タンク10、水残量検知手段11、第2熱交換器12を加えたものであり、上記の点以外は、実施の形態1と同様である。

本実施の形態の燃料電池システム200で使用する燃料電池は固体高分子形燃料電池であり、水素生成装置9は、固体高分子形燃料電池に水素含有ガスを供給する装置である。なお、水素生成装置9は、水素含有ガスを生成するための改質器(図示せず)を有しており、改質器を加熱するための燃焼器(図示せず)を備えており、その燃焼器から排出される燃焼排ガスが排ガス経路1を流通する。

第1タンク10は、水回収手段5により排ガスから回収された凝縮水を貯めるためのタ ンクである。第1タンク10に貯められた水は、改質水として水素生成装置9内の改質器に供給される。第1熱交換器4から排出される排ガス、または、水回収手段5の回収水により第1タンク10が加熱される構成(図示せず)にすることで、冷却水の温度を上げてカビ菌の殺菌運転を行うと、第1タンク10内の凝縮水も殺菌することが可能となる。

水残量検知手段11は、第1タンク10に貯えられた水の残量を検知する手段であり、本実施の形態では、水残量検知手段11として第1タンク10内の液面の位置を検知するフロートスイッチを用いた。

水残量検知手段11により水が所定量以上存在することが検知されたならば、燃料電池システム200内での水自立が成立していなくても、改質器に供給する改質水が不足することはないが、水残量検知手段11により水が所定量未満しか存在しないと検知されたならば、燃料電池システム200内での水自立が成立していないと改質水が不足する恐れがある。

そのため、水残量検知手段11により水残量が所定量未満と検知されたときは、燃料電池システム200内の水自立を成立させるように運転することが望ましい。

第2熱交換器12は、水循環経路3に設けられた熱交換器である。第1熱交換器4を流通した冷却水が第2熱交換器12を通り、ラジエータ6の方に流れる構成とする。第2熱交換器12は、冷却水の熱と燃料電池(固体高分子形燃料電池)で発生する熱とを熱交換する。第2熱交換器12が燃料電池を冷却水で冷却する熱交換器であり、燃料電池にて発生する熱を冷却水にて回収する。以下、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。

図4は、実施の形態2における燃料電池システム200の動作の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、図4のフローチャートに示すように、まず、ラジエータ6を通った冷却水の温度を第1の所定温度に制御する第1の運転モードで運転する(S201)。ここで、第1の所定温度は、燃料電池システム200にて水自立が成立する温度であれば良く、本実施の形態では、第1の所定温度を40℃とした。

次に、第1タイマをカウント開始する(S202)。次に、第1タイマが所定時間を経過したか判定する(S203)。この所定時間は、カビ菌を殺菌する周期であり、本実施の形態では、所定時間を100時間とした。次に、水残量検知手段11により検知される第1タンク10内の水残量が所定量以上であるか判定する(S204)。

水残量の所定量は、第2の運転モードで運転し、ラジエータ6を通った冷却水温度を、カビ菌を殺菌可能な第2の所定温度に制御している間、燃料電池システム200内で水自立が成立しなくても、改質水として供給する水量を十分に賄える水量である。本実施の形態では、所定量は300mLの水量とした。

S204にて水残量が所定量以上あれば、次に、ラジエータ6を通った冷却水温度を第2の所定温度に制御する第2の運転モードで運転する(S205)。ここで、第2の所定温度とは、カビ菌を殺菌するための冷却水温度であり、本実施の形態では、第2の所定温度を55℃とした。この温度にすることで、水循環経路3の殺菌だけでなく、水回収手段5及び第1タンク内の凝縮水の殺菌も行える。

次に、第2タイマをカウント開始する(S206)。次に、第2タイマが所定時間を経過したか判定する(S207)。この所定時間は、カビ菌を殺菌するのに必要な時間であり、本実施の形態では、所定時間を30分とした。所定時間は、カビ菌を殺菌するときの温度によって異なり、殺菌時の温度である第2の所定温度を高温にすればするほど、殺菌 に要する時間(所定時間)を短縮することが可能である。

S207にて第2タイマが所定時間経過すれば、次に、第1タイマと第2タイマのカウントをリセットする(S208)。第1タイマと第2タイマをリセットした上で、S201に制御を戻り、水自立が成立する第1の運転モードにて、第1の所定温度に冷却水をラジエータ6により制御する。

以上の様に、本実施の形態によれば、燃料電池システム200は外部からの給水に頼ることなく改質水を供給するとともに、燃料電池システム200内でカビ菌が繁殖し水流路が閉塞してしまうことを防止しながら、燃料電池システム200の外部に電力を安定して供給することができる。

なお、燃料電池は水素含有ガスを燃料として用いて発電することが出来れば如何なる方式のものであってもよい。

なお、水残量検知手段11としては、第1タンク10内の液面の位置を検知しても構わないし、第1タンク10内の水の重量を検知しても構わない。水の残量の絶対値を検知可能なものであっても構わないし、所定量以上の水量があるかどうかを検知するようなものであっても構わない。

また、第2熱交換器12は、冷却水の熱と燃料電池から発生する熱とを熱交換するものであり、第2熱交換器12が燃料電池そのものであっても構わないし、燃料電池内を流通した冷媒が第2熱交換器12に流通し、燃料電池の熱と冷却水とを熱交換した上で燃料電池に循環するように構成しても構わない。第2熱交換器12は、燃料電池にて発生する熱を冷却水にて回収することが出来れば如何なる構成であっても構わない。

なお、図4の動作は、燃料電池システム200が発電中は常に動作させ続けることが望ましい。

また、第1タイマは、S201を実施してからの時間経過が分かれば如何なるものであっても構わない。

なお、S203の所定時間はカビ菌が繁殖して経路詰まりを起こさない時間であれば、如何なる時間であっても構わない。

また、S204の水残量の所定量は、カビ菌を殺菌する時間や燃料電池システム200の構成、燃料電池システム200の発電量などによって異なるため、第2の運転モードにてカビ菌を殺菌中に改質水が不足しなければ如何なる水残量であっても構わない。

なお、第2の所定温度の温度設定は、装置構成によって異なるため、カビ菌を殺菌できれば如何なる温度であっても構わない。

また、第2タイマは、S205にてカビ菌の殺菌動作を実施してからの時間経過が分かれば如何なるものであっても構わない。

なお、S207の第2の所定温度と所定時間は、カビ菌を殺菌出来れば、如何なる温度と時間の組合せであっても構わない。

また、燃料電池システム200の発電量が変動するものについては、変動に合わせて、S204での判定に用いる水残量を増減する調整を行っても構わない。

なお、S204にて水残量が所定量未満である場合は、ラジエータ6により冷却水を第1の所定温度に制御する第1の運転モードでの運転を継続し、水残量検知手段11により検知される水残量が所定量以上となり次第、第2の所定温度に制御する第2の運転モードで運転する。そのため、S202の第1タイマは実際にカビ菌が繁殖し始める時間に対して短い時間に設定しておき、余裕をもたせておくのが望ましい。

また、本実施の形態においては、水循環経路3を流れる冷却水が第1熱交換器及び第2熱交換器から得た熱を全てラジエータ6にて放出する構成としたが、水循環経路3に熱をお湯として貯えるための貯湯タンクを備えても構わない。冷却水が得た熱を、貯湯タンクを介して湯水として燃料電池システム200外部に供給しても構わない。

貯湯タンクの設置位置としては、水循環経路3における第2熱交換器の下流側で、ラジエータ6の上流側が望ましい。

なお、水残量検知手段11により検知される第1タンク10の水残量が、少量であっても、改質水が不足することなくカビ菌の殺菌動作を行うためには、第2の所定温度を高くし、殺菌時間を短くする方が望ましい。また、水循環経路3や水回収手段5、第1タンク10に用いられている材料が熱影響で劣化しないように、材料の耐熱温度以下に設定することが望ましい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システム及びその運転方法は、外部からの水供給を実施しなくても改質水を安定に供給しながら、カビ菌の繁殖を防止できるため、安定した発電をおこないたい用途、例えば家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。

1 排ガス経路 2 固体酸化物形燃料電池 3 水循環経路 4 第1熱交換器 5 水回収手段 6 ラジエータ 7 循環ポンプ 8 制御器 9 水素生成装置 10 第1タンク 11 水残量検知手段 12 第2熱交換器 100 燃料電池システム 200 燃料電池システム