燃料電池システム
【課題】燃料電池システムのスタック４を冷却する熱媒体を熱媒体タンク５に供給する熱媒体供給配管７及び、排気口１０で排ガスが凝縮して発生する凝縮水を排出するドレイン配管１１について、効率良く、安価で小さなスペースで配管内の凍結を防止する。
【解決手段】熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうち少なくとも一方を熱媒体タンク５のオーバーフロー配管６の放熱で熱交換して温められるように、オーバーフロー配管６に沿わせて配置することで、配管内の凍結を防止する。
【解決手段】熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうち少なくとも一方を熱媒体タンク５のオーバーフロー配管６の放熱で熱交換して温められるように、オーバーフロー配管６に沿わせて配置することで、配管内の凍結を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、本体筐体内に燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質器と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池（以降、スタックと呼ぶ）と、スタックや改質器を円滑に作動させるための補助機器と、本体筐体内部の配管内などの水の凍結を防止するために筐体内部を加熱する凍結予防ヒータと、燃料電池システム全体の制御を行う制御装置を備えている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。
図５に示すように、筐体１０１と、改質器１０２と、スタック１０３と、補助機器１０４と筐体１０１内部の凍結を防止する凍結予防ヒータ１０５と、制御装置１０６とで構成されている。制御装置１０６は、燃料電池システム全体の制御を行う機能と共に、スタック１０３で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換回路や、筐体１０１内部の温度を検知して凍結予防ヒータ１０５を制御する温度制御機能を備えている。この構成によって、スタック１０３の周囲温度を温度センサ（図示せず）によって検知し、その検知に基づき制御装置１０６で凍結予防ヒータ１０５を制御することによって筐体１０１の内部空間を加熱し、筐体１０１内の温度を凍結の恐れのない温度以上に保つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０３４９９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムの運転中に凍結予防ヒータ１０５を加熱して、筐体１０１の内部空間全体を凍結しない温度以上に保つために、凍結予防ヒータ１０５においてかなりの電力の消費が必要であり、燃料電池システムとしての発電効率が低下してしまうという課題があった。また、凍結予防ヒータ１０５は、筐体１０１の下部に設けられており、筐体１０１の上方に配置される補助機器１０４としての配管（例えば、スタック１０３の熱を回収する熱媒体タンクに熱媒体である冷却水を供給する配管）の周囲まで温めるには時間がかかり、配管内部で凍結が発生する可能性がある。また、このような、筐体１０１の上方に配置され、凍結予防ヒータ１０５からの距離が離れている配管の凍結防止には、配管に断熱材を被せて凍結防止を図っても良いが、断熱材を追加するコストがかかり、断熱材の分だけ配管用のスペースも多く必要になり、筐体１０１の小型化を妨げるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの運転中の筐体内部の配管の凍結防止を多くの電力を消費することなく効率良く行うことができ、さらに、凍結防止用の断熱材などの部品を追加することなく、安価で小さなスペースで実現することができる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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備える燃料電池モジュールと、燃料電池の熱を回収す
る熱媒体タンクと、熱媒体タンクから溢れる熱媒体を排水するオーバーフロー経路と、熱媒体タンクに熱媒体を供給する熱媒体供給経路と、燃料電池モジュールから排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排水するドレイン経路とを備えている。そして特に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とが熱交換するように配置されるものである。
【０００８】
これによって、燃料電池モジュールの運転中に熱媒体供給経路やドレイン経路を構成する配管など水分が流れる配管が、燃料電池の熱を回収した熱媒体が流れるオーバーフロー経路の配管の放熱により温められ、熱交換されることで、排熱されていたオーバーフロー経路の熱を有効利用して、効率良く、部品を追加することもなく、配管内部での水分の凍結防止を行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転中の配管の凍結防止を、排熱を利用して、効率良く安価で小さなスペースで実現することができる。
【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の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの配管を結束した状態を示す概略図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの配管を断熱材で覆った状態を示す概略図
【図４】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの熱媒体タンクに発熱装置を設けた状態を示す概略図
【図５】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備える燃料電池モジュールと、燃料電池の熱を回収する熱媒体タンクと、熱媒体タンクから溢れる熱媒体を排水するオーバーフロー経路と、熱媒体タンクに熱媒体を供給する熱媒体供給経路と、燃料電池モジュールからの排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排水するドレイン経路とを備えている。そして特に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とが熱交換するように配置されている。これにより、燃料電池モジュールの運転中に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路を構成する水分の流れる配管のうちの少なくとも一方が、燃料電池の熱を回収した熱媒体が流れるオーバーフロー経路の配管の放熱により温められ熱交換される位置に配置されることで、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方の内部で水分が凍結することを抑制できる。
【００１２】
第２の発明は、特に第１の発明において、燃料電池モジュールは、燃料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、燃料ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器とを備えている。そして特に、燃料電池モジュールから排気される排ガスは、燃料電池から排出される燃料電池排ガス及び燃焼器から排出される燃焼排ガスのうちの少なくとも一方である。これにより、改質器を備えた燃料電池システムにおいても、運転中に改質器を加熱する燃焼器の排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が排水されるドレイン経路が、燃料電池の熱を回収した熱媒体が流れるオーバーフロー経路の配管の放熱により温められ熱交換される位置に配置されることで、ドレイン経路の配管の内部で水分が凍結することを抑制できる。
【００１３】
第３の発明は、特に第１または第２の発明において、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とが少なくとも一部で接触するよう
に配置されることにより、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路の配管のうち少なくとも一方が、オーバーフロー経路の放熱により、より確実に効果的に熱交換されることで、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００１４】
第４の発明は、特に第２または第３の発明において、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方は、改質器と隣接するように配置されることにより、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路の配管のうち少なくとも一方が、オーバーフロー経路からの放熱に加えて、改質器からの放熱による熱交換も行われることで、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００１５】
第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明において、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路との少なくとも一部をまとめて覆うように配置される断熱材を備えている。そして特に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とをまとめて断熱材で覆うため、オーバーフロー経路の放熱を利用して、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方をより確実に加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００１６】
第６の発明は、特に第１〜５のいずれか１つの発明において、熱媒体タンクの内部に熱媒体を加熱するための発熱装置を備えることにより、燃料電池システムの起動時など、熱媒体タンク内の熱媒体が温まっていない場合でも、発熱装置で熱媒体タンク内の熱媒体を加熱した後、熱媒体供給経路で熱媒体を熱媒体タンクに供給し、加熱された熱媒体をオーバーフロー経路から排水することで、熱媒体供給経路及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方を加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止を行うことができる。
【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。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。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。
【００１９】
図１において、筐体１は、燃料電池システム本体の外郭を形成する筐体で、改質器２やスタック４、及びその周辺の構成要素を内部に収納するものである。改質器２は、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱する燃焼器３により構成される。改質器２は、筐体１の中央部から下部にかけて配置される。
【００２０】
スタック４は、セルを集合化して構成される。セルとは、触媒層を水素ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータで挟持して構成されたものである。ここで、触媒層は、固体高分子電解質膜の両側に触媒を担持した燃料極と空気極を形成することで作られている。スタック４は、改質器２の斜め上方に配置される。
【００２１】
熱媒体タンク５は、スタック４の発電時に水素ガスと酸素の化学反応によって発生する熱を回収し、スタック４を所定の温度に維持するための熱媒体としての冷却水を蓄えるものである。熱媒体タンク５には、熱媒体の水位を検知する水位センサ（図示せず）が設けられており、水位センサは後述する制御装置１２により制御されている。熱媒体タンク５は、スタック４の上方に配置される。
【００２２】
スタック４と熱媒体タンク５との間には、図示していないが、冷却水などの熱媒体を搬
送するための熱媒体循環配管や熱媒体循環配管内に冷却水を循環するための循環ポンプなどが設けられる。また、改質器２と熱媒体タンク５との間には、熱媒体タンク５の熱媒体を改質器２で改質水として使用するために、熱媒体タンク５と改質器２を結ぶ改質水供給配管（図示せず）や改質水供給装置（図示せず）などが設けられる。
【００２３】
オーバーフロー配管６は、熱媒体タンク５から溢れる熱媒体を排水する配管である。オーバーフロー配管６の一端は熱媒体タンク５の上方に接続され、もう一端は、後述する凝縮水タンク８に接続され、熱媒体タンク５から排水された熱媒体は、凝縮水タンク８に流れ込む。熱媒体タンク５からオーバーフロー配管６を通って排水される熱媒体は、５０度〜６０度程度の高温である。オーバーフロー配管６は、例えば、樹脂製のチューブが使用され、オーバーフロー配管６には、断熱材など放熱を妨げる部品は装着されない。
【００２４】
熱媒体供給配管７は、熱媒体タンク５に冷却水などの熱媒体を供給するための配管である。熱媒体供給配管７の一端は、後述する熱媒体供給装置９に接続され、もう一端は、熱媒体タンク５のオーバーフロー配管６の接続部より上方に接続される。熱媒体供給配管７には、例えば、樹脂製のチューブが使用される。
【００２５】
凝縮水タンク８は、燃焼器３より排出された燃焼排ガスや、スタック４より排出された排空気や排水素ガスから得られる凝縮水を蓄積するものである。
【００２６】
熱媒体供給装置９は、凝縮水タンク８内の凝縮水を熱媒体として熱媒体供給配管７を通して熱媒体タンク５に供給するための装置（例えば、電動式ポンプ）である。
【００２７】
凝縮水タンク８と熱媒体タンク５の間には、凝縮水タンク８内の水をスタック４の性能に影響を及ぼさない熱媒体である純水に変換するイオン交換樹脂を供えたイオン交換装置（図示せず）が設けられ、熱媒体供給配管７で接続される。
【００２８】
排気口１０は、燃焼器３より排出された燃焼排ガスやスタック４より排出された排空気を筐体１の外部に排出する部分である。排気口１０は、改質器２やスタック４より上方に配置される。排気口１０と燃焼器３やスタック４との間には、図示していないが、燃焼器３やスタック４からの排ガスを排気口１０に導くための配管が設けられている。
【００２９】
ドレイン配管１１は、排気口１０において、排ガスが外気と接触することにより、排ガス中の水分が凝縮されて発生する凝縮水を排水するための配管である。ドレイン配管１１の一端は、排気口１０の下部に接続され、もう一端は、筐体１の下部に接続され、凝縮水が筐体１の外部に排出されるように設けられる。ドレイン配管１１には、例えば、樹脂製のチューブが使用される。
【００３０】
熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、オーバーフロー配管６に沿わせてオーバーフロー配管６の放熱により熱交換が行える位置に配置される。また、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、筐体１の中央側に配置される。こうすることで、筐体１の壁側に配置した場合よりも、外気の気温による影響を受けにくくなり、配管内の水分の凍結防止効果が改善する。また、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、改質器２に隣接して配置してもよい。改質器２に隣接して配置することにより、改質器２の放熱により、配管が温められ、配管内の水分の凍結の防止効果を改善することができる。
【００３１】
なお、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１のどちらか一方（または、両方）をオーバーフロー配管６に沿わせ、オーバーフロー配管６の放熱により熱交換が行える位置に配置してもよい。また、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１のどちらか一方（または、両方）を改質器２に隣接して配置してもよい。
【００３２】
制御装置１２は、低電圧回路と１００Ｖ以上を扱う高電圧回路から構成されている。高電圧回路は、筐体１の外部の商用電源に接続され、スタック４で発電される直流電力を交流電力に変換して商用電源に接続された負荷に供給するインバータと交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路で構成されている。低電圧回路は、筐体１内の改質器２やスタック４等の各装置を制御する制御手段である。
【００３３】
なお、筐体１の内部には、補助機器として、改質器２やスタック４を円滑に作動させるための装置や配管（図示せず）が構成されている。この補助機器の構成としては、例えば、筐体１の外部に設けられる貯湯槽と接続する貯湯配管や、筐体１の外部から都市ガスなどの原料ガスを供給し、原料ガスを改質器２に搬送する原料ガス配管や、原料ガスの供給を制御する制御弁、原料ガスを昇圧して改質器２に送るガス昇圧ポンプ、改質器２で生成された水素ガスをスタック４に搬送するための水素ガス配管、スタック４に空気を供給するための空気ブロワ、空気ブロワから供給される空気をスタック４に搬送するための空気配管、貯湯槽から供給される水を筐体１内で循環し、改質器２やスタック４の排熱を回収し、貯湯槽へ湯を搬送させる熱回収配管、熱回収配管内で水を循環させる循環ポンプ、改質器２やスタック４からの排ガスの熱を回収し熱回収配管内の水に伝達する熱交換器、フィルターなどからなる空気浄化装置、改質器２に原料ガスの改質反応のために必要な水を搬送するための改質水ポンプ、改質水ポンプから改質器２に搬送される水の量を制御する制御弁、燃料電池システムのメンテナンス時に燃料電池システム内の各装置から水を抜いて筐体１の外部に排出するための水抜き配管などがある。
【００３４】
なお、筐体１の内部に、筐体内部を加熱する凍結予防ヒータを設けてもよい。この場合、筐体内部の凍結予防をより確実に行うことができる。
【００３５】
次に、筐体１内の各装置間のその他の接続について説明する。改質器２は補助機器である原料ガス配管に接続され、筐体１外部から原料ガスの供給を受ける。スタック４は、改質器２と補助機器である水素ガス配管により接続され、改質器２から水素ガスの供給を受ける。また、スタック４は、補助機器である空気ブロワと空気配管で接続され空気の供給を受ける。制御装置１２は、スタック４と電気ケーブルで接続され、スタック４で発電された直流電力を制御する。制御装置１２と改質器２は電気ケーブルで接続され、制御装置１２により動作を制御される。制御装置１２と補助機器であるポンプや制御弁は電気ケーブルで接続され、制御装置１２により動作を制御される。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
まず、筐体１外部の都市ガス管と接続された原料ガス配管から供給された原料ガス（例えば、メタン）が、制御弁によりガスの量を制御されながら改質器２に供給される。そして、燃焼器３により改質器２が加熱された後、改質反応により原料ガスから水素ガスが生成される。改質器２で生成された水素ガスは水素ガス配管を通ってスタック４へ供給される。一方、制御装置１２に制御された空気ブロワによって、空気が空気配管を通してスタック４に供給される。スタック４では、供給された水素ガスと空気中の酸素を化学反応させて直流電力を発電する。発電された直流電力は、制御装置１２のインバータにより交流電力に変換され商用電源に供給される。
【００３８】
燃焼器３での燃焼により発生した燃焼排ガスは、燃焼器３から排出され、凝縮されて凝縮水を取り出される。凝縮水は凝縮水タンク８に送られる。凝縮水を取り出された燃焼排ガスは排気口１０から筐体１の外部に排出される。
【００３９】
スタック４での化学反応による発電で残った排水素ガスは、発電の際に発生する水蒸気
を含んだ状態でスタック４から排出され、凝縮されて凝縮水を取り出される。凝縮水は凝縮水タンク８に送られる。凝縮水を取り出された排水素ガスは、燃焼器３に送られ、改質反応の可燃燃料として使用される。
【００４０】
スタック４での化学反応による発電で使われた空気は、発電の際に発生する水蒸気を含んだ状態でスタック４から排空気として排出され、凝縮されて凝縮水を取り出される。凝縮水は凝縮水タンク８に送られる。凝縮水を取り出された排空気は排気口１０から筐体１の外部に排出される。
【００４１】
排気口１０で燃焼排ガスや排空気が凝縮することで発生した凝縮水は、ドレイン配管１１を通って筐体１の外部に排出される。
【００４２】
凝縮水タンク８に蓄積された水は、熱媒体供給装置９により、熱媒体供給配管７を通ってイオン交換装置を経由して後に熱媒体タンク５に運ばれ、スタック４の熱媒体としての冷却水として使用される。
【００４３】
スタック４の発電時には、熱媒体タンク５から熱媒体が循環ポンプにより熱媒体循環配管を通ってスタック４に送られ、スタック４で発生する熱を除去し、スタック４を所定の温度に維持する。スタック４の熱を回収した熱媒体は熱媒体循環配管を通って熱媒体タンク５に送られ、熱媒体タンク５内の熱媒体が温められる。
【００４４】
また、熱媒体タンク５からは、改質器２にも改質水供給配管を通って熱媒体が送られる。
【００４５】
熱媒体タンク５の熱媒体の量が少なくなり、水位センサで熱媒体タンク５の水位が低いことが検知されると、制御装置１２により熱媒体供給装置９が動作され、熱媒体供給配管７を通して凝縮水タンク８から熱媒体タンク５に熱媒体が供給される。
【００４６】
その後、水位センサで熱媒体タンク５の水位が戻ったことが検知されると、熱媒体供給装置９での熱媒体の供給が停止される。
【００４７】
熱媒体供給配管７により熱媒体タンク５に供給された熱媒体は、熱媒体タンク５に接続されたオーバーフロー配管６の位置まで達すると、オーバーフロー配管６を通って、凝縮水タンク８に排出される。このとき、熱媒体がオーバーフロー配管６を通ることで、熱媒体の熱がオーバーフロー配管６の表面から放熱され、熱媒体供給配管７やドレイン配管１１が温められることで、熱媒体供給配管７やドレイン配管１１の内部の水分が温められ、凍結が防止される。
【００４８】
なお、オーバーフロー配管６と、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、その経路中のある区間を、図２に示すように、結束部品１３（例えば、バンド）によって結束して、オーバーフロー配管６と熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１を接触させてもよい。この場合、オーバーフロー配管６での放熱が、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１により効果的に伝わり、熱媒体供給配管７及びドレイン配管１１の配管内の水分の凍結防止をより確実に行える。なお、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１の一方のみをオーバーフロー配管６と結束してもよい。また、オーバーフロー配管６と熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１を結束する際に、それ以外の配管も合わせて結束してもよい。
【００４９】
なお、オーバーフロー配管６と、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、その経路中のある区間を、図３に示すように、断熱材１４でまとめて覆う構成にしてもよい。こ
の場合、断熱材１４で覆われることにより、オーバーフロー配管６の放熱がより効果的に熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１に伝わり、熱媒体供給配管７及びドレイン配管１１の配管内の水分の凍結防止をより確実に行える。なお、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１の一方のみを、オーバーフロー配管６とまとめて断熱材１４で覆ってもよい。また、オーバーフロー配管６と熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１を断熱材１４で覆う際に、それ以外の配管も合わせてまとめて断熱材１４で覆ってもよい。また、断熱材１４は、円筒状の断熱材を用いてもよいし、板状の断熱材を用いて巻きつけてもよい。
【００５０】
次に、図４に示すように、熱媒体タンク５の内部にヒータ等の発熱装置１５を設けた構成について説明する。この場合、燃料電池システムの起動時など、スタック４が発電していない期間において、熱媒体タンク５内の熱媒体が温まっていない場合でも、発熱装置１５で熱媒体タンク５内の熱媒体を加熱した後、熱媒体供給配管７で熱媒体を熱媒体タンク５に供給し、加熱された熱媒体をオーバーフロー配管６から排水することで、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１を温めることができ、配管内の凍結を防止することができる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態においては、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１のうちの少なくとも一方を、オーバーフロー配管６の放熱により熱交換できる距離に沿わせて配置することにより、スタック４の発電中に、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方の内部で水分が凍結することを抑制することができ、排熱されていたオーバーフロー配管６の熱を有効利用して、効率良く安価に凍結防止を行うことができる。
【００５２】
また、本実施の形態では、燃焼器３を備えた改質器２を備え、スタック４から排空気が排出され、燃焼器３から燃焼排ガスが排出されることにより、排気口１０において排空気及び燃焼排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が排水されるドレイン配管１１が、オーバーフロー配管６の放熱により温められ熱交換される位置に配置されることで、ドレイン配管１１の内部で水分が凍結することを抑制できる。
【００５３】
また、本実施の形態の熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー配管６とが結束部品１３により結束されて、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー配管６とが少なくとも一部で接触するように配置される構成としても良い。これにより、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうち少なくとも一方が、オーバーフロー配管６の放熱により、より確実に効果的に熱交換され、配管の内部の水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００５４】
また、本実施の形態の熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方は、改質器２と隣接するように配置される構成としても良い。これにより、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうち少なくとも一方が、オーバーフロー配管６からの放熱に加えて、改質器２からの放熱による熱交換も行われることで、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００５５】
また、本実施の形態の熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー配管６との少なくとも一部を断熱材１４でまとめて覆う構成としても良い。これにより、オーバーフロー配管６の放熱を利用して、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方をより確実に加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００５６】
また、本実施の形態の熱媒体タンク５の内部に熱媒体を加熱するための発熱装置１５を
備える構成としても良い。これにより、燃料電池システムの起動時など、熱媒体タンク５内の熱媒体が温まっていない場合でも、発熱装置１５で熱媒体タンク５内の熱媒体を加熱した後、熱媒体供給配管７で熱媒体を熱媒体タンク５に供給し、加熱された熱媒体をオーバーフロー配管６から排水することで、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方を加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池システムの配管の凍結防止を効率良く、安価で、小さなスペースで実現することが可能となるので、寒冷地向けの他の設備機器等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 筐体
２ 改質器
３ 燃焼器
４ スタック
５ 熱媒体タンク
６ オーバーフロー配管
７ 熱媒体供給配管
８ 凝縮水タンク
９ 熱媒体供給装置
１０ 排気口
１１ ドレイン配管
１２ 制御装置
１３ 結束部品
１４ 断熱材
１５ 発熱装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、本体筐体内に燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質器と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池（以降、スタックと呼ぶ）と、スタックや改質器を円滑に作動させるための補助機器と、本体筐体内部の配管内などの水の凍結を防止するために筐体内部を加熱する凍結予防ヒータと、燃料電池システム全体の制御を行う制御装置を備えている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。
図５に示すように、筐体１０１と、改質器１０２と、スタック１０３と、補助機器１０４と筐体１０１内部の凍結を防止する凍結予防ヒータ１０５と、制御装置１０６とで構成されている。制御装置１０６は、燃料電池システム全体の制御を行う機能と共に、スタック１０３で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換回路や、筐体１０１内部の温度を検知して凍結予防ヒータ１０５を制御する温度制御機能を備えている。この構成によって、スタック１０３の周囲温度を温度センサ（図示せず）によって検知し、その検知に基づき制御装置１０６で凍結予防ヒータ１０５を制御することによって筐体１０１の内部空間を加熱し、筐体１０１内の温度を凍結の恐れのない温度以上に保つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０３４９９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムの運転中に凍結予防ヒータ１０５を加熱して、筐体１０１の内部空間全体を凍結しない温度以上に保つために、凍結予防ヒータ１０５においてかなりの電力の消費が必要であり、燃料電池システムとしての発電効率が低下してしまうという課題があった。また、凍結予防ヒータ１０５は、筐体１０１の下部に設けられており、筐体１０１の上方に配置される補助機器１０４としての配管（例えば、スタック１０３の熱を回収する熱媒体タンクに熱媒体である冷却水を供給する配管）の周囲まで温めるには時間がかかり、配管内部で凍結が発生する可能性がある。また、このような、筐体１０１の上方に配置され、凍結予防ヒータ１０５からの距離が離れている配管の凍結防止には、配管に断熱材を被せて凍結防止を図っても良いが、断熱材を追加するコストがかかり、断熱材の分だけ配管用のスペースも多く必要になり、筐体１０１の小型化を妨げるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの運転中の筐体内部の配管の凍結防止を多くの電力を消費することなく効率良く行うことができ、さらに、凍結防止用の断熱材などの部品を追加することなく、安価で小さなスペースで実現することができる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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備える燃料電池モジュールと、燃料電池の熱を回収す
る熱媒体タンクと、熱媒体タンクから溢れる熱媒体を排水するオーバーフロー経路と、熱媒体タンクに熱媒体を供給する熱媒体供給経路と、燃料電池モジュールから排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排水するドレイン経路とを備えている。そして特に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とが熱交換するように配置されるものである。
【０００８】
これによって、燃料電池モジュールの運転中に熱媒体供給経路やドレイン経路を構成する配管など水分が流れる配管が、燃料電池の熱を回収した熱媒体が流れるオーバーフロー経路の配管の放熱により温められ、熱交換されることで、排熱されていたオーバーフロー経路の熱を有効利用して、効率良く、部品を追加することもなく、配管内部での水分の凍結防止を行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転中の配管の凍結防止を、排熱を利用して、効率良く安価で小さなスペースで実現することができる。
【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の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの配管を結束した状態を示す概略図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの配管を断熱材で覆った状態を示す概略図
【図４】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの熱媒体タンクに発熱装置を設けた状態を示す概略図
【図５】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備える燃料電池モジュールと、燃料電池の熱を回収する熱媒体タンクと、熱媒体タンクから溢れる熱媒体を排水するオーバーフロー経路と、熱媒体タンクに熱媒体を供給する熱媒体供給経路と、燃料電池モジュールからの排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排水するドレイン経路とを備えている。そして特に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とが熱交換するように配置されている。これにより、燃料電池モジュールの運転中に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路を構成する水分の流れる配管のうちの少なくとも一方が、燃料電池の熱を回収した熱媒体が流れるオーバーフロー経路の配管の放熱により温められ熱交換される位置に配置されることで、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方の内部で水分が凍結することを抑制できる。
【００１２】
第２の発明は、特に第１の発明において、燃料電池モジュールは、燃料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、燃料ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器とを備えている。そして特に、燃料電池モジュールから排気される排ガスは、燃料電池から排出される燃料電池排ガス及び燃焼器から排出される燃焼排ガスのうちの少なくとも一方である。これにより、改質器を備えた燃料電池システムにおいても、運転中に改質器を加熱する燃焼器の排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が排水されるドレイン経路が、燃料電池の熱を回収した熱媒体が流れるオーバーフロー経路の配管の放熱により温められ熱交換される位置に配置されることで、ドレイン経路の配管の内部で水分が凍結することを抑制できる。
【００１３】
第３の発明は、特に第１または第２の発明において、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とが少なくとも一部で接触するよう
に配置されることにより、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路の配管のうち少なくとも一方が、オーバーフロー経路の放熱により、より確実に効果的に熱交換されることで、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００１４】
第４の発明は、特に第２または第３の発明において、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方は、改質器と隣接するように配置されることにより、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路の配管のうち少なくとも一方が、オーバーフロー経路からの放熱に加えて、改質器からの放熱による熱交換も行われることで、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００１５】
第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明において、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路との少なくとも一部をまとめて覆うように配置される断熱材を備えている。そして特に、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー経路とをまとめて断熱材で覆うため、オーバーフロー経路の放熱を利用して、熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方をより確実に加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００１６】
第６の発明は、特に第１〜５のいずれか１つの発明において、熱媒体タンクの内部に熱媒体を加熱するための発熱装置を備えることにより、燃料電池システムの起動時など、熱媒体タンク内の熱媒体が温まっていない場合でも、発熱装置で熱媒体タンク内の熱媒体を加熱した後、熱媒体供給経路で熱媒体を熱媒体タンクに供給し、加熱された熱媒体をオーバーフロー経路から排水することで、熱媒体供給経路及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方を加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止を行うことができる。
【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。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。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。
【００１９】
図１において、筐体１は、燃料電池システム本体の外郭を形成する筐体で、改質器２やスタック４、及びその周辺の構成要素を内部に収納するものである。改質器２は、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱する燃焼器３により構成される。改質器２は、筐体１の中央部から下部にかけて配置される。
【００２０】
スタック４は、セルを集合化して構成される。セルとは、触媒層を水素ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータで挟持して構成されたものである。ここで、触媒層は、固体高分子電解質膜の両側に触媒を担持した燃料極と空気極を形成することで作られている。スタック４は、改質器２の斜め上方に配置される。
【００２１】
熱媒体タンク５は、スタック４の発電時に水素ガスと酸素の化学反応によって発生する熱を回収し、スタック４を所定の温度に維持するための熱媒体としての冷却水を蓄えるものである。熱媒体タンク５には、熱媒体の水位を検知する水位センサ（図示せず）が設けられており、水位センサは後述する制御装置１２により制御されている。熱媒体タンク５は、スタック４の上方に配置される。
【００２２】
スタック４と熱媒体タンク５との間には、図示していないが、冷却水などの熱媒体を搬
送するための熱媒体循環配管や熱媒体循環配管内に冷却水を循環するための循環ポンプなどが設けられる。また、改質器２と熱媒体タンク５との間には、熱媒体タンク５の熱媒体を改質器２で改質水として使用するために、熱媒体タンク５と改質器２を結ぶ改質水供給配管（図示せず）や改質水供給装置（図示せず）などが設けられる。
【００２３】
オーバーフロー配管６は、熱媒体タンク５から溢れる熱媒体を排水する配管である。オーバーフロー配管６の一端は熱媒体タンク５の上方に接続され、もう一端は、後述する凝縮水タンク８に接続され、熱媒体タンク５から排水された熱媒体は、凝縮水タンク８に流れ込む。熱媒体タンク５からオーバーフロー配管６を通って排水される熱媒体は、５０度〜６０度程度の高温である。オーバーフロー配管６は、例えば、樹脂製のチューブが使用され、オーバーフロー配管６には、断熱材など放熱を妨げる部品は装着されない。
【００２４】
熱媒体供給配管７は、熱媒体タンク５に冷却水などの熱媒体を供給するための配管である。熱媒体供給配管７の一端は、後述する熱媒体供給装置９に接続され、もう一端は、熱媒体タンク５のオーバーフロー配管６の接続部より上方に接続される。熱媒体供給配管７には、例えば、樹脂製のチューブが使用される。
【００２５】
凝縮水タンク８は、燃焼器３より排出された燃焼排ガスや、スタック４より排出された排空気や排水素ガスから得られる凝縮水を蓄積するものである。
【００２６】
熱媒体供給装置９は、凝縮水タンク８内の凝縮水を熱媒体として熱媒体供給配管７を通して熱媒体タンク５に供給するための装置（例えば、電動式ポンプ）である。
【００２７】
凝縮水タンク８と熱媒体タンク５の間には、凝縮水タンク８内の水をスタック４の性能に影響を及ぼさない熱媒体である純水に変換するイオン交換樹脂を供えたイオン交換装置（図示せず）が設けられ、熱媒体供給配管７で接続される。
【００２８】
排気口１０は、燃焼器３より排出された燃焼排ガスやスタック４より排出された排空気を筐体１の外部に排出する部分である。排気口１０は、改質器２やスタック４より上方に配置される。排気口１０と燃焼器３やスタック４との間には、図示していないが、燃焼器３やスタック４からの排ガスを排気口１０に導くための配管が設けられている。
【００２９】
ドレイン配管１１は、排気口１０において、排ガスが外気と接触することにより、排ガス中の水分が凝縮されて発生する凝縮水を排水するための配管である。ドレイン配管１１の一端は、排気口１０の下部に接続され、もう一端は、筐体１の下部に接続され、凝縮水が筐体１の外部に排出されるように設けられる。ドレイン配管１１には、例えば、樹脂製のチューブが使用される。
【００３０】
熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、オーバーフロー配管６に沿わせてオーバーフロー配管６の放熱により熱交換が行える位置に配置される。また、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、筐体１の中央側に配置される。こうすることで、筐体１の壁側に配置した場合よりも、外気の気温による影響を受けにくくなり、配管内の水分の凍結防止効果が改善する。また、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、改質器２に隣接して配置してもよい。改質器２に隣接して配置することにより、改質器２の放熱により、配管が温められ、配管内の水分の凍結の防止効果を改善することができる。
【００３１】
なお、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１のどちらか一方（または、両方）をオーバーフロー配管６に沿わせ、オーバーフロー配管６の放熱により熱交換が行える位置に配置してもよい。また、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１のどちらか一方（または、両方）を改質器２に隣接して配置してもよい。
【００３２】
制御装置１２は、低電圧回路と１００Ｖ以上を扱う高電圧回路から構成されている。高電圧回路は、筐体１の外部の商用電源に接続され、スタック４で発電される直流電力を交流電力に変換して商用電源に接続された負荷に供給するインバータと交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路で構成されている。低電圧回路は、筐体１内の改質器２やスタック４等の各装置を制御する制御手段である。
【００３３】
なお、筐体１の内部には、補助機器として、改質器２やスタック４を円滑に作動させるための装置や配管（図示せず）が構成されている。この補助機器の構成としては、例えば、筐体１の外部に設けられる貯湯槽と接続する貯湯配管や、筐体１の外部から都市ガスなどの原料ガスを供給し、原料ガスを改質器２に搬送する原料ガス配管や、原料ガスの供給を制御する制御弁、原料ガスを昇圧して改質器２に送るガス昇圧ポンプ、改質器２で生成された水素ガスをスタック４に搬送するための水素ガス配管、スタック４に空気を供給するための空気ブロワ、空気ブロワから供給される空気をスタック４に搬送するための空気配管、貯湯槽から供給される水を筐体１内で循環し、改質器２やスタック４の排熱を回収し、貯湯槽へ湯を搬送させる熱回収配管、熱回収配管内で水を循環させる循環ポンプ、改質器２やスタック４からの排ガスの熱を回収し熱回収配管内の水に伝達する熱交換器、フィルターなどからなる空気浄化装置、改質器２に原料ガスの改質反応のために必要な水を搬送するための改質水ポンプ、改質水ポンプから改質器２に搬送される水の量を制御する制御弁、燃料電池システムのメンテナンス時に燃料電池システム内の各装置から水を抜いて筐体１の外部に排出するための水抜き配管などがある。
【００３４】
なお、筐体１の内部に、筐体内部を加熱する凍結予防ヒータを設けてもよい。この場合、筐体内部の凍結予防をより確実に行うことができる。
【００３５】
次に、筐体１内の各装置間のその他の接続について説明する。改質器２は補助機器である原料ガス配管に接続され、筐体１外部から原料ガスの供給を受ける。スタック４は、改質器２と補助機器である水素ガス配管により接続され、改質器２から水素ガスの供給を受ける。また、スタック４は、補助機器である空気ブロワと空気配管で接続され空気の供給を受ける。制御装置１２は、スタック４と電気ケーブルで接続され、スタック４で発電された直流電力を制御する。制御装置１２と改質器２は電気ケーブルで接続され、制御装置１２により動作を制御される。制御装置１２と補助機器であるポンプや制御弁は電気ケーブルで接続され、制御装置１２により動作を制御される。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
まず、筐体１外部の都市ガス管と接続された原料ガス配管から供給された原料ガス（例えば、メタン）が、制御弁によりガスの量を制御されながら改質器２に供給される。そして、燃焼器３により改質器２が加熱された後、改質反応により原料ガスから水素ガスが生成される。改質器２で生成された水素ガスは水素ガス配管を通ってスタック４へ供給される。一方、制御装置１２に制御された空気ブロワによって、空気が空気配管を通してスタック４に供給される。スタック４では、供給された水素ガスと空気中の酸素を化学反応させて直流電力を発電する。発電された直流電力は、制御装置１２のインバータにより交流電力に変換され商用電源に供給される。
【００３８】
燃焼器３での燃焼により発生した燃焼排ガスは、燃焼器３から排出され、凝縮されて凝縮水を取り出される。凝縮水は凝縮水タンク８に送られる。凝縮水を取り出された燃焼排ガスは排気口１０から筐体１の外部に排出される。
【００３９】
スタック４での化学反応による発電で残った排水素ガスは、発電の際に発生する水蒸気
を含んだ状態でスタック４から排出され、凝縮されて凝縮水を取り出される。凝縮水は凝縮水タンク８に送られる。凝縮水を取り出された排水素ガスは、燃焼器３に送られ、改質反応の可燃燃料として使用される。
【００４０】
スタック４での化学反応による発電で使われた空気は、発電の際に発生する水蒸気を含んだ状態でスタック４から排空気として排出され、凝縮されて凝縮水を取り出される。凝縮水は凝縮水タンク８に送られる。凝縮水を取り出された排空気は排気口１０から筐体１の外部に排出される。
【００４１】
排気口１０で燃焼排ガスや排空気が凝縮することで発生した凝縮水は、ドレイン配管１１を通って筐体１の外部に排出される。
【００４２】
凝縮水タンク８に蓄積された水は、熱媒体供給装置９により、熱媒体供給配管７を通ってイオン交換装置を経由して後に熱媒体タンク５に運ばれ、スタック４の熱媒体としての冷却水として使用される。
【００４３】
スタック４の発電時には、熱媒体タンク５から熱媒体が循環ポンプにより熱媒体循環配管を通ってスタック４に送られ、スタック４で発生する熱を除去し、スタック４を所定の温度に維持する。スタック４の熱を回収した熱媒体は熱媒体循環配管を通って熱媒体タンク５に送られ、熱媒体タンク５内の熱媒体が温められる。
【００４４】
また、熱媒体タンク５からは、改質器２にも改質水供給配管を通って熱媒体が送られる。
【００４５】
熱媒体タンク５の熱媒体の量が少なくなり、水位センサで熱媒体タンク５の水位が低いことが検知されると、制御装置１２により熱媒体供給装置９が動作され、熱媒体供給配管７を通して凝縮水タンク８から熱媒体タンク５に熱媒体が供給される。
【００４６】
その後、水位センサで熱媒体タンク５の水位が戻ったことが検知されると、熱媒体供給装置９での熱媒体の供給が停止される。
【００４７】
熱媒体供給配管７により熱媒体タンク５に供給された熱媒体は、熱媒体タンク５に接続されたオーバーフロー配管６の位置まで達すると、オーバーフロー配管６を通って、凝縮水タンク８に排出される。このとき、熱媒体がオーバーフロー配管６を通ることで、熱媒体の熱がオーバーフロー配管６の表面から放熱され、熱媒体供給配管７やドレイン配管１１が温められることで、熱媒体供給配管７やドレイン配管１１の内部の水分が温められ、凍結が防止される。
【００４８】
なお、オーバーフロー配管６と、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、その経路中のある区間を、図２に示すように、結束部品１３（例えば、バンド）によって結束して、オーバーフロー配管６と熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１を接触させてもよい。この場合、オーバーフロー配管６での放熱が、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１により効果的に伝わり、熱媒体供給配管７及びドレイン配管１１の配管内の水分の凍結防止をより確実に行える。なお、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１の一方のみをオーバーフロー配管６と結束してもよい。また、オーバーフロー配管６と熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１を結束する際に、それ以外の配管も合わせて結束してもよい。
【００４９】
なお、オーバーフロー配管６と、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１は、その経路中のある区間を、図３に示すように、断熱材１４でまとめて覆う構成にしてもよい。こ
の場合、断熱材１４で覆われることにより、オーバーフロー配管６の放熱がより効果的に熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１に伝わり、熱媒体供給配管７及びドレイン配管１１の配管内の水分の凍結防止をより確実に行える。なお、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１の一方のみを、オーバーフロー配管６とまとめて断熱材１４で覆ってもよい。また、オーバーフロー配管６と熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１を断熱材１４で覆う際に、それ以外の配管も合わせてまとめて断熱材１４で覆ってもよい。また、断熱材１４は、円筒状の断熱材を用いてもよいし、板状の断熱材を用いて巻きつけてもよい。
【００５０】
次に、図４に示すように、熱媒体タンク５の内部にヒータ等の発熱装置１５を設けた構成について説明する。この場合、燃料電池システムの起動時など、スタック４が発電していない期間において、熱媒体タンク５内の熱媒体が温まっていない場合でも、発熱装置１５で熱媒体タンク５内の熱媒体を加熱した後、熱媒体供給配管７で熱媒体を熱媒体タンク５に供給し、加熱された熱媒体をオーバーフロー配管６から排水することで、熱媒体供給配管７あるいはドレイン配管１１を温めることができ、配管内の凍結を防止することができる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態においては、熱媒体供給配管７、及びドレイン配管１１のうちの少なくとも一方を、オーバーフロー配管６の放熱により熱交換できる距離に沿わせて配置することにより、スタック４の発電中に、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方の内部で水分が凍結することを抑制することができ、排熱されていたオーバーフロー配管６の熱を有効利用して、効率良く安価に凍結防止を行うことができる。
【００５２】
また、本実施の形態では、燃焼器３を備えた改質器２を備え、スタック４から排空気が排出され、燃焼器３から燃焼排ガスが排出されることにより、排気口１０において排空気及び燃焼排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が排水されるドレイン配管１１が、オーバーフロー配管６の放熱により温められ熱交換される位置に配置されることで、ドレイン配管１１の内部で水分が凍結することを抑制できる。
【００５３】
また、本実施の形態の熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー配管６とが結束部品１３により結束されて、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー配管６とが少なくとも一部で接触するように配置される構成としても良い。これにより、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうち少なくとも一方が、オーバーフロー配管６の放熱により、より確実に効果的に熱交換され、配管の内部の水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００５４】
また、本実施の形態の熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方は、改質器２と隣接するように配置される構成としても良い。これにより、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうち少なくとも一方が、オーバーフロー配管６からの放熱に加えて、改質器２からの放熱による熱交換も行われることで、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００５５】
また、本実施の形態の熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方と、オーバーフロー配管６との少なくとも一部を断熱材１４でまとめて覆う構成としても良い。これにより、オーバーフロー配管６の放熱を利用して、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方をより確実に加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止の効果を向上できる。
【００５６】
また、本実施の形態の熱媒体タンク５の内部に熱媒体を加熱するための発熱装置１５を
備える構成としても良い。これにより、燃料電池システムの起動時など、熱媒体タンク５内の熱媒体が温まっていない場合でも、発熱装置１５で熱媒体タンク５内の熱媒体を加熱した後、熱媒体供給配管７で熱媒体を熱媒体タンク５に供給し、加熱された熱媒体をオーバーフロー配管６から排水することで、熱媒体供給配管７、及び、ドレイン配管１１のうちの少なくとも一方を加熱して熱交換することができ、配管の内部での水分の凍結防止を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池システムの配管の凍結防止を効率良く、安価で、小さなスペースで実現することが可能となるので、寒冷地向けの他の設備機器等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 筐体
２ 改質器
３ 燃焼器
４ スタック
５ 熱媒体タンク
６ オーバーフロー配管
７ 熱媒体供給配管
８ 凝縮水タンク
９ 熱媒体供給装置
１０ 排気口
１１ ドレイン配管
１２ 制御装置
１３ 結束部品
１４ 断熱材
１５ 発熱装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
前記燃料電池の熱を回収する熱媒体タンクと、
前記熱媒体タンクから溢れる熱媒体を排水するオーバーフロー経路と、
前記熱媒体タンクに熱媒体を供給する熱媒体供給経路と、
前記燃料電池モジュールからの排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排水するドレイン経路と、
を備え、
前記熱媒体供給経路、及び、前記ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、前記オーバーフロー経路とが熱交換するように配置される、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池モジュールは、燃料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスを燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、を備え、
前記燃料電池モジュールから排気される排ガスは、前記燃料電池から排出される燃料電池排ガス及び前記燃焼器から排出される燃焼排ガスのうちの少なくとも一方である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱媒体供給経路、及び、前記ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、前記オーバーフロー経路とが少なくとも一部で接触するように配置される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱媒体供給経路、及び、前記ドレイン経路のうちの少なくとも一方は、前記改質器と隣接するように配置される、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、前記オーバーフロー経路との少なくとも一部をまとめて覆うように配置される断熱材を備える、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱媒体タンクの内部に熱媒体を加熱するための発熱装置を備える、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
前記燃料電池の熱を回収する熱媒体タンクと、
前記熱媒体タンクから溢れる熱媒体を排水するオーバーフロー経路と、
前記熱媒体タンクに熱媒体を供給する熱媒体供給経路と、
前記燃料電池モジュールからの排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排水するドレイン経路と、
を備え、
前記熱媒体供給経路、及び、前記ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、前記オーバーフロー経路とが熱交換するように配置される、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池モジュールは、燃料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスを燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、を備え、
前記燃料電池モジュールから排気される排ガスは、前記燃料電池から排出される燃料電池排ガス及び前記燃焼器から排出される燃焼排ガスのうちの少なくとも一方である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱媒体供給経路、及び、前記ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、前記オーバーフロー経路とが少なくとも一部で接触するように配置される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱媒体供給経路、及び、前記ドレイン経路のうちの少なくとも一方は、前記改質器と隣接するように配置される、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱媒体供給経路、及び、ドレイン経路のうちの少なくとも一方と、前記オーバーフロー経路との少なくとも一部をまとめて覆うように配置される断熱材を備える、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱媒体タンクの内部に熱媒体を加熱するための発熱装置を備える、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１０９９８８（Ｐ２０１３−１０９９８８Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５４５５８（Ｐ２０１１−２５４５５８）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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