本開示は、燃料電池システムに関する。

電力及び熱の両方を供給可能な燃料電池システムはよく知られている。燃料電池システムの運転に伴って排熱が発生する。排熱は、温水の生成に使用される。温水は、貯湯タンクに貯められ、必要に応じて浴槽又は蛇口に供給される。

昨今、停電等の非常時にも運転が可能な燃料電池システムの開発が進められている。当業者に知られているように、貯湯タンクの上部から下部まで高温の温水が貯まると、燃料電池システムは運転を継続できない。貯湯タンクの温水を破棄したり浴槽に移したりして貯湯タンクに冷たい市水を補給すれば運転を継続できるものの、非常時には断水が同時に起こっている可能性がある。集合住宅では、停電時に揚水ポンプが止まって断水が起こることもある。

この問題に対処するべく、特許文献1に記載された発電システムは、貯湯タンクの温水を冷却するための補助ユニットを備えている。非常時において、貯湯タンクの温水を補助ユニットによって冷却すれば、発電システムが運転を継続できない状態に陥ることを防止できる。

特開2010−262833号公報

特許文献1に記載された補助ユニットなどの冷却装置は、通常時には使用されないことが多い。そのため、非常時に冷却装置が確実に動作するように、普段から冷却装置の検査を行う必要がある。

本開示は、非常時にも運転可能な燃料電池システムに関し、温水を冷却するための冷却装置の検査を容易にする技術を提供する。

本開示は、 燃料電池ユニットと、 前記燃料電池ユニットの排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、 前記貯湯タンクから前記燃料電池ユニットに供給されるべき水が流れる第1部分と、前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水が流れる第2部分と、を有する熱回収経路と、 前記第1部分の第1位置と前記第2部分の第2位置とを接続しているバイパス経路と、 前記第1位置よりも下流側かつ前記第2位置よりも上流側において前記熱回収経路に設けられた、又は、前記バイパス経路に設けられた冷却装置と、 前記温水が前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに導かれる第1状態と前記温水が前記燃料電池ユニットから前記バイパス経路に導かれる第2状態との間で選択的に切り換えられる流路切換機構と、 を備えた、燃料電池システムを提供する。

本開示の技術によれば、非常時の冷却装置の検査を容易に行うことができる。

図1は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

図2は、燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。

図3は、冷却装置の検査方法を示すフローチャートである。

図4は、燃料電池ユニットの変形例を示す構成図である。

図5は、冷却装置の変形例を示す構成図である。

図6Aは、流路切換機構の変形例を示す構成図である。

図6Bは、流路切換機構の他の変形例を示す構成図である。

(本開示の基礎となった知見) 燃料電池システムにおいては、ガスの加湿、水蒸気改質による燃料ガスの生成などの処理に水が使用されている。アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスなどの排気ガスには多量の水蒸気が含まれているので、貯湯タンクに貯められた水で排気ガスを冷却すれば、凝縮水を回収できる。凝縮水を再利用すれば、外部から水を供給することなく、燃料電池システムの運転を継続することが可能である。凝縮水には金属イオンなどの不純物が含まれていないという利点もある。

貯湯タンクの上部から下部まで高温の温水が貯まると、貯湯タンクの温水で排気ガスを十分に冷却できない。排気ガスを十分に冷却できない場合、凝縮水の回収量が減少する。その結果、燃料電池システムの内部の水が枯渇し、燃料電池システムが運転を継続できない状態に陥る。特許文献1に記載されているように、貯湯タンクの温水を補助ユニットで冷却することは確かに有効である。ただし、補助ユニットなどの冷却装置を使用することは、燃料電池システムのエネルギー効率の観点で不利である。そのため、冷却装置は、通常時には使用されないことが多い。一方、非常時に冷却装置が確実に動作するように、普段から冷却装置の検査を行う必要がある。

特許文献1に記載された発電システムにおいて、補助ユニットが正常に動作するかどうかを検査するためには、運転を継続できない状態又はそれに近い状態を予め準備する必要がある。つまり、貯湯タンクの上部から下部に高温の温水を貯めたのち、補助ユニットが正常に動作するかどうか、及び、発電システムが運転を継続できない状態に陥ることを防止できるかどうかを確認する必要がある。しかし、貯湯タンクの中の水の熱容量は大きいので、貯湯タンクの上部から下部に高温の温水を貯めるのに長い時間がかかる場合がある。このことは、冷却装置の健全性を定期的に検査したり、簡単に検査したりすることの大きな障害となる。

(本開示に係る一態様の概要) 本開示の第1態様に係る燃料電池システムは、 燃料電池ユニットと、 前記燃料電池ユニットの排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、 前記貯湯タンクから前記燃料電池ユニットに供給されるべき水が流れる第1部分と、前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水が流れる第2部分と、を有する熱回収経路と、 前記第1部分の第1位置と前記第2部分の第2位置とを接続しているバイパス経路と、 前記第1位置よりも下流側かつ前記第2位置よりも上流側において前記熱回収経路に設けられた、又は、前記バイパス経路に設けられた冷却装置と、 前記温水が前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに導かれる第1状態と前記温水が前記燃料電池ユニットから前記バイパス経路に導かれる第2状態との間で選択的に切り換えられる流路切換機構と、 を備えたものである。

第1態様によれば、バイパス経路を開通して高温の温水を冷却装置に導くことができる。これにより、貯湯タンクを満蓄状態にするまでもなく、冷却装置が正常に動作するかどうかを検査できる。検査に費やされる時間も短時間で済む。そのため、冷却装置の健全性を定期的に検査することが容易であるとともに、検査で消費されるエネルギーも少ない。

本開示の第2態様において、例えば、第1態様に係る燃料電池システムでは、前記流路切換機構は、前記第1位置又は前記第2位置に配置された三方弁を含む。第2態様によれば、温水を熱回収経路にスムーズに循環させることができる。

本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様に係る燃料電池システムでは、前記冷却装置は、前記熱回収経路の前記第1部分に配置された第1熱交換器を含む。第3態様によれば、水又は温水が冷却装置の第1熱交換器を通るので、水又は温水の温度が下がる可能性がある。水又は温水の温度が第1熱交換器で下がると、水又は温水と熱交換するべき対象(排気ガス)との温度差が拡大するので、燃料電池ユニットにおける熱交換効率の向上を期待できる。

本開示の第4態様において、例えば、第3態様に係る燃料電池システムでは、前記冷却装置は、第2熱交換器と、前記1熱交換器と前記第2熱交換器との間で冷媒を循環させるための冷媒循環経路と、をさらに含む。第4態様によれば、第1熱交換器として、液−液熱交換器を使用できる。液−液熱交換器は、空冷式熱交換器よりも寸法の観点で有利である。

本開示の第5態様において、例えば、第4態様に係る燃料電池システムでは、前記第2熱交換器は、空冷式熱交換器である。第2熱交換器が空冷式熱交換器である場合、冷却装置は、断水時にも十分な冷却能力を発揮できる。

本開示の第6態様において、例えば、第1〜第5態様のいずれか1つに係る燃料電池システムは、断水時に前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御する制御器をさらに備えている。第6態様によれば、燃料電池ユニットにおいて凝縮水を十分に回収でき、断水であるにもかかわらず燃料電池システムの運転を長時間にわたって継続できる。

本開示の第7態様において、例えば、第6態様に係る燃料電池システムでは、断水時において、前記制御器は、前記貯湯タンクが満蓄状態に達するまで前記温水が前記貯湯タンクに導かれるように前記流路切換機構を制御し、前記貯湯タンクが満蓄状態に達したら前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御する。第7態様によれば、外部への供給電力が増えるので、ユーザの利便性が増す。

本開示の第8態様において、例えば、第1〜第7態様のいずれか1つに係る燃料電池システムは、前記熱回収経路又は前記バイパス経路に配置され、前記燃料電池ユニットに供給されるべき前記水の温度を検出する温度センサをさらに備えている。第8態様によれば、冷却装置で冷却される前の温水の温度又は冷却装置で冷却された温水の温度を正確に検出できる。

本開示の第9態様において、例えば、第8態様に係る燃料電池システムでは、前記温度センサは、前記第1位置よりも下流側において、前記熱回収経路の前記第1部分に配置されている。第9態様によれば、冷却装置で冷却される前の温水の温度又は冷却装置で冷却された温水の温度を正確に検出できる。

本開示の第10態様において、例えば、第6態様に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御して前記冷却装置の検査を定期的に実行する。第10態様によれば、冷却装置の健全性を常に保証できるので、非常時に確実に運転することができる信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。

本開示の第11態様において、例えば、第10態様に係る燃料電池システムでは、前回の前記検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、前記燃料電池ユニットが発電中である場合、前記制御部は、今回の前記検査を実行する。第11態様によれば、冷却装置の健全性を常に保証できるので、非常時に確実に運転することができる信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。

本開示の第12態様において、例えば、第10又は第11態様に係る燃料電池システムでは、前回の前記検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、前記燃料電池ユニットが停止中である場合、前記制御部は、前記燃料電池ユニットを起動させて今回の前記検査を実行する。第12態様によれば、燃料電池ユニットで発電が行われていなかったとしても、冷却装置の検査を確実に実施することができる。

本開示の第13態様において、例えば、第10〜第12態様のいずれか1つに係る燃料電池システムでは、前記冷却装置の動作が正常でないとき、前記制御器は、前記燃料電池ユニットの発電を停止させること、及び、前記冷却装置に異常があることを外部に報知すること、からなる群より選ばれる少なくとも1つの処理を実行する。第13態様によれば、冷却装置の修理に直ちに着手できるので、冷却装置の健全性を常に保証できる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

(実施形態) 本実施形態の燃料電池システム100は、燃料電池ユニット10及び貯湯ユニット30を備えている。貯湯ユニット30は、貯湯タンク20を有する。燃料電池ユニット10及び貯湯タンク20は、熱回収経路21によって互いに接続されている。燃料電池ユニット10において生成された温水が貯湯タンク20に貯められる。

燃料電池ユニット10は、燃料電池11、改質器12、熱交換器13及びポンプ14を有する。

燃料電池11は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を生成する。改質器12は、都市ガスなどの原料ガスを改質することによって燃料ガスを生成する。燃料ガスは、水素ガスを含む。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。燃料電池11の型式は特に限定されない。燃料電池11は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。純水素ガスが燃料電池11に供給される場合、改質器12は省略されうる。

熱交換器13は、燃料電池11のアノードオフガス、燃料電池11のカソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも1つのガスを冷却して凝縮水を生じさせる冷却器でありうる。複数のガスを個別に冷却できるように、熱交換器13は、複数の部分に分かれていてもよい。貯湯タンク20の下部に貯められた水を冷却媒体として熱交換器13に流すことができるように、熱交換器13が貯湯タンク20に接続されている。凝縮水は、凝縮水タンク(図示せず)に貯められる。凝縮水タンクに貯められた水は、改質器12に供給され、燃料ガスの生成に使用される。燃焼排ガスは、改質器12を昇温するためのバーナの燃焼排ガスである。バーナの燃料には、燃料電池11のアノードオフガスが使用されうる。熱交換器13は、例えば、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの気−液熱交換器である。

熱回収経路21は、第1部分21a及び第2部分21bを含む。第1部分21aは、貯湯タンク20の下部と熱交換器13の入口とを接続している。第2部分21bは、熱交換器13の出口と貯湯タンク20の上部とを接続している。第1部分21aは、熱回収経路21の上流部分を構成している。第2部分21bは、熱回収経路21の下流部分を構成している。第1部分21aは、熱交換器13において加熱されるべき水を熱交換器13に導くための流路である。第1部分21aには、貯湯タンク20から燃料電池ユニット10に供給されるべき水が流れる。第2部分21bは、熱交換器13において加熱された水(温水)を貯湯タンク20に導くための流路である。第2部分21bには、燃料電池ユニット10から貯湯タンク20に戻されるべき温水が流れる。

ポンプ14は、熱回収経路21に配置されている。ポンプ14の働きによって、貯湯タンク20から熱交換器13に水が供給され、生成された温水が熱交換器13から貯湯タンク20に戻される。本実施形態では、ポンプ14は、熱回収経路21の第1部分21aに配置されている。ポンプ14は、第2部分21bに配置されていてもよい。

本実施形態の燃料電池システム100に使用されたポンプのそれぞれは、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。

燃料電池システム100は、さらに、バイパス経路22、三方弁23及び冷却装置24を備えている。バイパス経路22、三方弁23及び冷却装置24は、断水時において、燃料電池ユニット10に供給されるべき温水の温度を下げるために使用される。

バイパス経路22は、熱回収経路21の第1部分21aと熱回収経路21の第2部分21bとを接続している。詳細には、バイパス経路22は、第1部分21aの第1位置P1から第2部分21bの第2位置P2まで延びている。バイパス経路22は、燃料電池ユニット10で生成された温水を貯湯タンク20に戻さず、熱回収経路21に循環させるための経路である。

三方弁23は、熱回収経路21に配置されている。本実施形態において、三方弁23は、熱回収経路21とバイパス経路22との接続位置に配置されている。三方弁23は、温水の流路を切り換える流路切換機構の一例である。詳細には、三方弁23は、温水が燃料電池ユニット10から貯湯タンク20に導かれる第1状態と温水が燃料電池ユニット10からバイパス経路22に導かれる第2状態との間で選択的に切り換えられる。図1に示す例において、三方弁23は、バイパス経路22と熱回収経路21の第2部分21bとの接続位置である第2位置P2に配置されている。ただし、三方弁23は第1位置P1に配置されていてもよい。三方弁23の働きによって、温水を熱回収経路21にスムーズに循環させることができる。ただし、三方弁23は、複数の開閉弁によって置き換えられてもよい。三方弁23は、分配機能又は混合機能を有していてもよい。

断水時において、ユーザは、貯湯タンク20の温水を使用できる。ユーザが温水を使用すると、市水が補給されないので、貯湯タンク20の上部には空間が生じる。そのため、第1位置P1のみに三方弁23が配置されている場合、温水がバイパス経路22に向かわず、貯湯タンク20に戻る可能性がある。貯湯タンク20に温水が戻ることを阻止するためには、追加の開閉弁が必要である。しかし、第2位置P2に三方弁23が配置されている場合、貯湯タンク20の水量によらず、温水を確実にバイパス経路22に導くことができる。貯湯タンク20が空にならない限り、熱回収経路21に水を循環させて燃料電池システム100の運転を継続できる。

冷却装置24は、熱回収経路21を流れる温水を冷却する役割を担っている。冷却装置24は、第1位置P1よりも下流側かつ第2位置P2よりも上流側において熱回収経路21に設けられている。本実施形態において、冷却装置24は、第1熱交換器40を有する。第1熱交換器40は、熱回収経路21の第1部分21aに配置されている。第1熱交換器40は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。第1熱交換器40において、温水が冷却されるように、温水と冷媒との間で熱交換が行われる。冷媒の種類は特に限定されない。冷媒は、水、ブライン、オイル、アルコールなどの液冷媒である。

燃料電池システム100の通常の運転時において、冷却装置24の機能はオフである。ただし、水又は温水が冷却装置24の第1熱交換器40を通るので、水又は温水の温度が下がる可能性がある。水又は温水の温度が第1熱交換器40で下がると、水又は温水と熱交換するべき対象(排気ガス)との温度差が拡大するので、燃料電池ユニット10における熱交換効率の向上を期待できる。燃料電池システム100の通常の運転時において、燃料電池ユニット10によって生成された温水の温度が第1熱交換器40で低下することも回避できる。もちろん、冷却装置24は、熱回収経路21の第2部分21bに設けられていてもよい。

冷却装置24は、バイパス経路22に設けられていてもよい。この場合、バイパス経路22を流れる温水が冷却装置24によって冷却されうる。燃料電池システム100の通常の運転時において、温水はバイパス経路22を流れないので、バイパス経路22には水が滞留する。バイパス経路22が短ければ短いほど滞留する水の量が減る。冷却装置24が熱回収経路21に配置されている場合、バイパス経路22を十分に短くすることができる。他方、バイパス経路22に冷却装置24が設けられている場合、熱回収経路21の第1部分21a又は第2部分21bの長さを短縮できるので、燃料電池システム100の通常の運転時における圧力損失を抑制できる。

本実施形態において、冷却装置24は、第2熱交換器41及び冷媒循環経路45をさらに有する。第2熱交換器41は、第1熱交換器40において温水によって加熱された冷媒を冷却する役割を担う。冷媒循環経路45は、第1熱交換器40と第2熱交換器41との間で冷媒を循環させるための経路である。

本実施形態の冷却装置24によれば、第1熱交換器40として、液−液熱交換器を使用できる。液−液熱交換器は、空冷式熱交換器よりも寸法の観点で有利である。第1熱交換器40を貯湯ユニット30の筐体の中に収めることも可能である。その結果、外気温が低いときに熱回収経路21の中の水が凍結することを防止できる。

第2熱交換器41は、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの空冷式熱交換器でありうる。第2熱交換器41が空冷式熱交換器である場合、冷却装置24は、断水時にも十分な冷却能力を発揮できる。第2熱交換器41は、貯湯ユニット30の筐体の外部に配置されうる。

冷媒循環経路45には、シスターンタンク42及びポンプ43が設けられている。シスターンタンク42に冷媒が貯められている。ポンプ43の働きによって、第1熱交換器40と第2熱交換器41との間で冷媒が循環する。冷媒を循環させながら第2熱交換器41のファンを回せば、冷却装置24が所定の冷却能力を発揮する。シスターンタンク42には、オーバーフロー管44が取り付けられていてもよい。

燃料電池システム100は、さらに、温度センサ26,27及び28を備えている。温度センサ26,27及び28は、熱回収経路21を流れる水の温度を検出する。温度センサ26は、第1位置P1よりも下流側において、熱回収経路21の第1部分21aに配置されている。詳細には、温度センサ26は、第1位置P1と冷却装置24との間において、熱回収経路21の第1部分21aに配置されている。温度センサ26によれば、冷却装置24の第1熱交換器40の入口における温水の温度を正確に検出できる。温度センサ27は、第2位置P2よりも上流側において、熱回収経路21の第2部分21bに配置されている。詳細には、温度センサ27は、燃料電池ユニット10と第2位置P2との間において、熱回収経路21の第2部分21bに配置されている。温度センサ27によれば、燃料電池ユニット10で生成された温水の温度を正確に検出できる。温度センサ28は、冷却装置24と熱交換器13の間において、熱回収経路21の第1部分21aに配置されている。温度センサ28は、燃料電池ユニット10に含まれていてもよいし、貯湯ユニット30に含まれていてもよい。温度センサ28は、燃料電池ユニット10の筐体の内部に位置していてもよいし、貯湯ユニット30の筐体の内部に位置していてもよい。温度センサ28によれば、冷却装置24の第1熱交換器40の出口における温水の温度であって、熱交換器13に供給されるべき温水の温度を正確に検出できる。後述するように、温度センサ26,27及び28の検出値は、冷却装置24の検査においても有効に使用されうる。

温度センサ26又は温度センサ27は、バイパス経路22に配置されていてもよい。この場合、バイパス経路22を流れる温水の温度を正確に検出できる。

温度センサ28によって検出された水の温度が閾値温度以下(例えば、45℃以下)であるとき、燃料電池ユニット10が水不足に陥るおそれが無く、燃料電池11の運転を継続可能である。温度センサ28によって検出された水の温度が閾値温度よりも高いとき、燃料電池ユニット10が水不足に陥る可能性がある。燃料電池ユニット10が水不足に陥るおそれがあるとき、貯湯タンク20の温水を一部破棄又は浴槽に放出し、市水を貯湯タンク20に補給してもよい。電力需要に応じて、発電を停止させてもよい。

本実施形態の燃料電池システム100に使用された温度センサのそれぞれは、例えば、サーミスタを用いた温度センサ又は熱電対を用いた温度センサである。

貯湯タンク20は、燃料電池11の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留するための容器である。貯湯タンク20は、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。貯湯タンク20には、複数の温度センサ25a〜25eが設けられている。温度センサ25a〜25eは、鉛直方向に沿って概ね等間隔で配置されている。温度センサ25a〜25eは、貯湯タンク20の内部に配置されていてもよく、貯湯タンク20の表面上に配置されていてもよい。

温度センサ25a〜25eは、貯湯タンク20に貯められた温水の温度を検出する。高温の温水が貯湯タンク20の上部に貯められる。温水が使用されると市水が貯湯タンク20の下部に補給される。そのため、貯湯タンク20の内部には温水の温度成層が形成される。温度センサ25a〜25eの検出値によって、貯湯タンク20の蓄熱状態を把握できる。

貯湯タンク20の下部には、市水の給水経路47が接続されている。貯湯タンク20の温水が消費されると、給水経路47を通じて市水が貯湯タンク20に補給される。したがって、貯湯タンク20には市水の給水圧力が加わっている。

貯湯タンク20の上部には、給湯経路60が接続されている。給湯経路60は、貯湯タンク20に貯められた温水を浴槽、蛇口などのユースポイントに供給するための流路であり、貯湯タンク20からユースポイントまで延びている。

給水経路47には、流量センサ51、温度センサ52、圧力センサ53、減圧弁54及び逆止弁55が設けられている。逆止弁55と圧力センサ53との間において、給水経路47から分岐経路57が分岐している。分岐経路57は、給湯経路60に合流している(図示せず)。分岐経路57には、混合弁58が配置されている。混合弁58を制御して貯湯タンク20の温水と市水とを適切な比率で混合すれば、適切な温度の温水をユースポイントに供給できる。

圧力センサ53は、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサである。通常時において、圧力センサ53には市水の圧力(例えば、0.15〜0.5MPa)が加わっている。断水時には、圧力センサ53の検出値は、通常時の値を大幅に下回る。圧力センサ53の検出値に基づき、断水かどうかを特定できる。市水の圧力を検出できる限り、圧力センサ53の位置は特に限定されない。

貯湯タンク20の下部には、排水経路62が接続されている。排水経路62には、開閉弁63が設けられている。開閉弁63は、手動式であってもよい。例えば、長期不在のとき、排水経路62を通じて、貯湯タンク20の水を全て抜くことができる。排水経路62には分岐排水経路64が接続されている。分岐排水経路64は、例えば、浴槽等に接続されている経路である。分岐排水経路64を通じて、貯湯タンク20の水を浴槽等に短時間で移すことができる。熱回収経路21から取水経路65が分岐しており、取水経路65の先端には蛇口61が取り付けられている。熱回収経路21及び取水経路65は細い経路なので、取水経路65及び蛇口61を通じて、ペットボトルなどの容器に貯湯タンク20の水をゆっくり移すことができる。

熱回収経路21、バイパス経路22、冷媒循環経路45、給水経路47、給湯経路60、排水経路62、分岐排水経路64及び取水経路65は、それぞれ、少なくとも1つの配管によって構成されている。配管は、ステンレス管などの金属配管であってもよいし、樹脂配管であってもよい。必要に応じて、フィルタ、逆止弁、流量センサ、開閉弁などの部品が各流路に設けられていてもよい。

燃料電池システム100は、さらに、制御器70を備えている。制御器70は、例えば、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)である。温度センサ26、温度センサ27、温度センサ28、圧力センサ53などの計測機器の検出信号が制御器70に入力される。制御器70は、各種計測機器の計測結果に基づき、三方弁23、第2熱交換器41、ポンプ43などの制御対象を制御する。制御器70には、燃料電池システム100を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

制御器70は、単一のマイクロコンピュータによって構成されていてもよく、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。さらに、燃料電池システム100が複数の制御器を有していてもよい。

次に、燃料電池システム100の運転について説明する。制御器70は、図2のフローチャートに示す各処理を定期的に実行する。

ステップS1において、断水かどうかを判断する。具体的には、圧力センサ53の検出値が閾値以下かどうかを判断する。断水時には水圧が大幅に低下するので、圧力センサ53の検出値から断水かどうかを容易に判断できる。閾値は、通常時の水圧を考慮に入れて、断水が起こったことを確実に検出できる値に設定されうる。

次に、ステップS2において、貯湯タンク20が満蓄状態に達しているかどうか判断する。具体的には、温度センサ26の検出値又は温度センサ28の検出値が閾値温度以下(例えば、45℃以下)かどうかを判断する。

貯湯タンク20が満蓄状態に達している場合、ステップS3において、ポンプ43及び第2熱交換器41のファンを動かして冷却装置24を起動する。ステップS4において、温水がバイパス経路22に導かれるように三方弁23を制御する。温水が冷却装置24の第1熱交換器40において冷却されるので、低温の温水(例えば、40℃未満)が燃料電池ユニット10の熱交換器13に供給される。その結果、凝縮水を十分に回収でき、断水であるにもかかわらず燃料電池システム100の運転を長時間にわたって継続できる。ステップS3の処理とステップS4の処理との順序は、図2に示す順序と逆であってもよい。

貯湯タンク20が満蓄状態に達していない場合、ステップS5において、温水が貯湯タンク20に導かれるように三方弁23を制御する。ステップS6において、冷却装置24を停止させる。ステップS5の処理とステップS6の処理との順序は、図2に示す順序と逆であってもよい。

本実施形態によれば、断水が起こったとしても、満蓄状態に達するまで、温水が貯湯タンク20に貯められる。このようにすれば、停電と断水が同時に起こっている場合において、冷却装置24によって電力が消費されずに済む。冷却装置24によって電力が消費されない場合、外部への供給電力が増加する。これにより、ユーザの利便性が増す。

ただし、満畜状態に達した後も貯湯タンク20と燃料電池ユニット10との間で温水を循環させてもよい。バイパス経路22を使用することは必須ではない。冷却装置24の働きによって、低温の温水が燃料電池ユニット10に供給されうる。

次に、冷却装置24を検査する方法について説明する。制御器70は、図3のフローチャートに沿って冷却装置24が正常に動作するかどうかを検査する。

ステップS11において、冷却装置24の検査が1回目かどうかを判断する。冷却装置24の検査が1回目である場合、つまり、過去に検査を全く実施したことがない場合、ステップS12において、冷却装置24の検査を実施する。検査は、断水時と同じ状況を作ることから始まる。すなわち、温水がバイパス経路22に導かれるように三方弁23を制御する。ポンプ43及び第2熱交換器41のファンを動かして冷却装置24を起動する。このようにすれば、貯湯タンク20の蓄熱状態によらず、冷却装置24の検査を直ちに実施できる。仮に、貯湯タンク20の全体が冷水で満たされていたとしても、燃料電池ユニット10が所定の運転状態に達した時点で検査を行うことができる。「所定の運転状態に達した時点」とは、例えば、第1熱交換器40の入口における温水の温度(温度センサ26の検出値)が所定温度(50℃)に達した時点である。ステップS12の処理は、例えば、燃料電池システム100の試運転とともに行われる。

本実施形態によれば、全自動で冷却装置24の検査が行われる。ただし、メンテナンス担当者又はシステム管理者が外部から制御器70に命令を与えることによって、任意のタイミングで冷却装置24の検査を実行することも可能である。

次に、ステップS13において、冷却装置24の動作が正常かどうかを判断する。具体的には、温度センサ26の検出値及び温度センサ28の検出値から冷却装置24の動作が正常かどうかを判断する。温度センサ26の検出値は、第1熱交換器40の入口における水温に概ね一致する。温度センサ28の検出値は、第1熱交換器40の出口における水温に概ね一致する。温度センサ26の検出値と温度センサ28の検出値との差に基づき、冷却装置24の動作が正常かどうかを判断できる。具体的には、温度センサ28の検出値から温度センサ26の検出値を減じることによって、冷却装置24での温水の温度低下を算出する。例えば、低下した温度が閾値温度以上(例えば、10℃以上)のとき、冷却装置24の動作が正常である。低下した温度が閾値温度未満のとき、冷却装置24の動作は正常でない。

冷却装置24の動作が正常かどうかを判断する方法は、上記の方法に限定されない。例えば、燃料電池システム100の起動後において、温度センサ28の検出値が所定時間にわたって上限温度(例えば、40℃)を下回っている場合、冷却装置24の動作は正常であると言える。また、温度センサ28の検出値が上限温度(例えば、40℃)を下回っていることを条件に加えてもよい。

冷却装置24の動作が正常である場合、検査は終了する。冷却装置24の動作が正常でない場合、ステップS14において、冷却装置24に異常があることを外部に報知する。外部に異常を報知する方法は特に限定されない。例えば、異常ランプを点灯させてもよいし、タッチパネルなどの入出力デバイスに異常を知らせるメッセージを表示してもよいし、音声によって異常があることを報知してもよい。さらに、制御器70がインターネット等の通信網に接続されている場合、冷却装置24に異常があることをメンテナンス担当者の端末に通知してもよい。冷却装置24に異常があることを外部に報知する処理に代えて、又は、冷却装置24に異常があることを外部に報知する処理とともに、燃料電池ユニット10の発電を停止させてもよい。このようにすれば、冷却装置24の修理に直ちに着手できるので、冷却装置24の健全性を常に保証できる。ただし、冷却装置24に異常があったとしても、燃料電池システム100の通常の運転には支障は無い。そのため、発電を自動的に停止させたのち、ユーザの操作によって発電を再開することが可能である。

冷却装置24の検査が2回目以降である場合、ステップS15において、冷却装置24を検査すべき旨の指示が入力されたかどうかを判断する。例えば、冷却装置24に異常が見つかり、修理完了後、試運転が必要である。このような場合において、外部から制御器70に命令を与え、冷却装置24の検査を直ちに実施することができる。

次に、ステップS16において、条件1が成立したかどうかを判断する。条件1が成立している場合、ステップS17において、冷却装置24の今回の検査を実施する。条件1は、例えば、前回の検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、燃料電池ユニット10が発電中であることである。「一定期間」は、特に限定されず、例えば、25〜30日間である。つまり、本実施形態によれば、所定のスケジュールに沿って、定期的に冷却装置24の検査が行われる。このようにすれば、冷却装置24の健全性を常に保証できるので、非常時に確実に運転することができる信頼性の高い燃料電池システム100を提供できる。

条件1が成立していない場合、ステップS18において、条件2が成立したかどうかを判断する。条件2が成立している場合、ステップS19において、燃料電池システム100を起動し、ステップS17において、冷却装置24の今回の検査を実施する。条件2は、例えば、前回の検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、燃料電池ユニット10が停止中であることである。「一定期間」は、特に限定されず、例えば、30日間である。このようにすれば、燃料電池ユニット10で発電が行われていなかったとしても、冷却装置24の検査を確実に実施することができる。

条件1も条件2も成立していない場合、検査のタイミングではないので、現在の動作(運転又は停止)を継続する(ステップS20)。

以上の通り、本実施形態によれば、バイパス経路22を開通して高温の温水を冷却装置24に導くことができる。これにより、貯湯タンク20を満蓄状態にするまでもなく、冷却装置24が正常に動作するかどうかを検査できる。検査に費やされる時間も短時間で済む。そのため、冷却装置24の健全性を定期的に検査することが容易であるとともに、検査で消費されるエネルギーも少ない。

(変形例) 図4に示すように、燃料電池11が固体高分子型燃料電池であるとき、燃料電池ユニット10は、熱交換器15及び冷却水回路16をさらに備えていてもよい。熱交換器15は、燃料電池11の排熱によって貯湯タンク20の水を加熱する役割を担っている。熱交換器15は、燃料電池11の冷却水と貯湯タンク20の水との間で熱交換を生じさせる。熱交換器15は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。

冷却水回路16は、燃料電池11と熱交換器15との間で冷却水を循環させるための流路であり、燃料電池11と熱交換器15とを接続している。冷却水回路16によって、燃料電池11を効率的に冷却できるとともに、燃料電池11の排熱を温水の形で燃料電池11の外部に取り出すことができる。冷却水回路16には、ポンプ17及び冷却水タンク18が設けられている。

熱回収経路21は、熱交換器13と熱交換器15とを接続する第3部分21cを含んでいてもよい。熱回収経路21において、熱交換器13が上流側に位置し、熱交換器15が下流側に位置している。このような配置によれば、貯湯タンク20の水は、熱交換器13及び熱交換器15の順番で加熱される。熱交換器13により低い温度の水が供給される。熱交換器13において、少なくとも1つのガスを十分に冷却できるので、凝縮水を十分に回収できる。第3部分21cは、熱交換器13の出口と熱交換器15の入口とを接続している。

図5に示すように、変形例に係る冷却装置74は、冷却経路75、熱交換器76及び流路切換機構77によって構成されている。冷却経路75は、熱回収経路21の第1部分21aから分岐し、第1部分21aに合流している。冷却経路75は、熱回収経路21の第2部分21bから分岐し、第2部分21bに合流していてもよい。熱交換器76は、冷却経路75に配置されている。熱交換器76は、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの空冷式熱交換器でありうる。流路切換機構77は、例えば、冷却経路75と熱回収経路21との接続位置に配置された三方弁である。流路切換機構77は、複数の開閉弁で構成されていてもよい。本変形例によれば、熱交換器が1つで済むので安価である。流路切換機構77は、状態Aと状態Bとを選択的にとりうる。流路切換機構77が状態Aのとき、温水が冷却経路75に導かれる。流路切換機構77が状態Bのとき、温水が冷却経路75を流れることが禁止される。

ただし、図1に示す実施形態によれば、冷却装置24がオフのときに第1熱交換器40に水が滞留しないので、衛生上有利である。

図6Aに示すように、バイパス経路22の両端(第1位置P1及び第2位置P2)のそれぞれに三方弁23が配置されていると、ユーザが貯湯タンク20の温水を使用して貯湯タンク20が空になったとしても、燃料電池システム100の運転を継続できる。本変形例では、2つの三方弁23によって流路切換機構が構成されている。

図6Bに示すように、本変形例では、3つの開閉弁78a〜78cによって流路切換機構が構成されている。三方弁78aは、貯湯タンク20と第1位置P1との間において熱回収経路21に配置されている。三方弁78bは、第2位置P2と貯湯タンク20との間において熱回収経路21に配置されている。三方弁78cは、バイパス経路22に配置されている。

本開示の技術は、燃料電池システムなどのコジェネレーションシステムに有用である。

10 燃料電池ユニット 11 燃料電池 12 改質器 13 熱交換器 14 ポンプ 20 貯湯タンク 21 熱回収経路 21a 第1部分 21b 第2部分 21c 第3部分 22 バイパス経路 23 三方弁 24 冷却装置 25a〜25e,26,27,28 温度センサ 30 貯湯ユニット 40 第1熱交換器 41 第2熱交換器 42 シスターンタンク 43 ポンプ 44 オーバーフロー管 45 冷媒循環経路 47 給水経路 51 流量センサ 52 温度センサ 53 圧力センサ 54 減圧弁 55 逆止弁 57 分岐経路 58 混合弁 60 給湯経路 62 排水経路 63 開閉弁 70 制御器 74 冷却装置 75 冷却経路 76 熱交換器 77 流路切換機構 78a,78b,78c 開閉弁 100 燃料電池システム P1 第1位置 P2 第2位置