WO2008041528A1 - Système de pile à combustible - Google Patents

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Masataka Ozeki
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • a fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel supplied to the fuel cell from the outside and an oxidant, recovers heat generated by the reaction, stores it as hot water, and stores this hot water outside. It is a system that is effectively used for heat supply. Specifically, cooling water is supplied into the fuel cell, and the supplied cooling water exchanges heat in the fuel cell, is heated, and is discharged from the fuel cell. The discharged cooling water is cooled by exchanging heat with the heat medium (water) in the heat exchanger, and is supplied again to the fuel cell.
  • the heat medium exchanged by the heat exchanger is further heated by an electric heater and stored in a hot water storage tank.
  • dissolved oxygen in the heat medium became bubbles, which deteriorated the performance of the pump provided in the exhaust heat recovery flow path through which the heat medium flows, causing a problem that hindered water supply control.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-223913
  • the fuel cell power generation system disclosed in Patent Document 1 does not consider the flow rate of hot water flowing in the circulation path. For this reason, when the flow rate of hot water flowing through the circulation path is high, the force exerted on the bubbles in the direction in which the hot water flows is larger than the buoyancy of the bubbles, so the bubbles circulate without being discharged from the air vent valve. Flowing the route. Therefore, the flow path resistance in the path increases due to the bubbles remaining in the circulation path. There was a problem that the pump performance deteriorated due to the problem that the air bubbles in the path entered the pump.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell system that can be safely operated by reliably removing bubbles generated in the exhaust heat recovery flow path with a simple configuration. Doing that is what I do.
  • a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by a reaction between a fuel and an oxidant, and a cold passage through which a first heat medium that cools the fuel cell flows.
  • the exhaust heat collection flow path is provided with a speed reduction part that reduces the flow rate of the second heat medium, and a bubble vent part that discharges air bubbles in the speed reduction part to the outside of the heat recovery flow path.
  • the bubble removal unit may be provided on the downstream side of the heat exchanger.
  • the fuel cell system includes a heater that heats the second heat medium flowing through the exhaust heat recovery flow path, and the bubble removal unit is formed by the heater in the exhaust heat recovery flow path. It is provided downstream from the heated part!
  • the speed reduction portion is configured by a portion of the exhaust heat recovery passage that extends downward in the vertical direction and the second heat medium descends, and the portion includes:
  • the cross-sectional area may be larger than the upstream part and the downstream part.
  • the bubble removal unit may be provided above the speed reduction unit.
  • At least a part of the speed reduction unit is configured such that the flow rate of the second heat medium is 1. Oex iC ⁇ m / sec or less. It's good.
  • the exhaust heat recovery flow path extending downward is configured such that the flow rate of the second heat medium is 4.25 ⁇ 10— / sec or more! /, May! /.
  • the hot water storage tank in which the second heat medium is water and the second heat medium exchanged with the first heat medium via the heat exchanger is stored. Prepare.
  • the heater is a surplus power heater that uses surplus power generated by the fuel cell, and the speed reduction unit is heated by the surplus power heater.
  • a buffer portion configured to alleviate a temperature rise of the second heat medium, wherein the buffer portion is a portion downstream of the portion heated by the surplus power heater of the exhaust heat recovery flow path.
  • the cross-sectional area of the buffer unit may be larger than the cross-sectional area of the exhaust heat recovery path upstream of the buffer unit.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a table showing the results of measuring the flow velocity of the second heat medium and the flow of bubbles flowing through the speed reduction portion 7c and the portion 7e, with the inner diameter of the pipe constituting the exhaust heat recovery flow path 7 being changed.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell 1, a generation current controller 2, a cooling flow path 3, a first pump 4, a heat exchanger 5, and heating.
  • a fuel containing hydrogen supplied from a fuel supplier (not shown) and an oxidizer containing oxygen supplied from an oxidant supplier (not shown) are electrochemically included.
  • water is generated, generating heat and electricity.
  • the output terminal (not shown) of the fuel cell 1 The generator current controller 2 is connected.
  • the generated current controller 2 controls the current output to the outside of the fuel cell system 100.
  • the generated current controller 2 since the fuel cell 1 generates DC power, the generated current controller 2 has an inverter that converts the DC power generated in the fuel cell 1 into AC power.
  • One end of the output wiring 12 is connected to an output terminal (not shown) of the generated current controller 2, and a system connection point 13 is provided at the other end of the output wiring 12.
  • the system connection point 13 is connected to the system power supply 11 by appropriate wiring, and the generated current controller 2 and the system power supply 11 are system-connected at the system connection point 13. Further, an external power load 14 is connected to the grid connection point 13 by appropriate wiring. Further, a heater (surplus power heater) 6 is connected to the fuel cell 1 by appropriate wiring.
  • the external power load 14 is assumed to be a power consuming device used in a general household.
  • the surplus power heater 6 is made of a known electric heater such as a sheath heater.
  • the controller 10 includes a computer such as a microcomputer, and includes an arithmetic processing unit including a CPU, a storage unit including a memory, a display unit such as a monitor, a clock unit having a calendar function, a keyboard, and the like. Have an operation input section (not shown).
  • the arithmetic processing unit reads out a predetermined control program stored in the storage unit and executes it to perform various controls relating to the fuel cell system 100.
  • the arithmetic processing unit processes data stored in the storage unit and data input from the operation input unit. Further, the controller 10 causes the surplus power heater 6 to energize surplus power when the power generated by the fuel cell 1 is larger than the power consumed by the external power load 14 (when surplus power is generated). The This saves energy by storing surplus power as thermal energy.
  • a cooling flow path 3 is connected to the fuel cell 1, and a first pump 4 is provided in the middle of the cooling flow path 3.
  • the cooling flow path 3 includes a cooling forward path 3a and a cooling return path 3b.
  • the upstream end and the downstream end of the cooling forward path 3a are connected to the heat medium supply port (not shown) of the fuel cell 1 and the discharge port (not shown) of the first pump 4, respectively.
  • the upstream end and the downstream end of the cooling return path 3b are connected to a heat medium discharge port (not shown) of the fuel cell 1 and an intake port (not shown) of the first pump 4, respectively.
  • the primary of heat exchanger 5 A side flow path is interposed in the cooling return path 3b.
  • the first pump 4 uses a pump whose flow rate can be adjusted, and the first heat medium (here, water) is passed between the fuel cell 1 and the heat exchanger 5 via the cooling flow path 3. Circulating. Thereby, the temperature in the fuel cell 1 is maintained at a temperature suitable for power generation.
  • the first pump 4 may regulate the flow rate of the first heat medium flowing through the cooling flow path 3 using a flow rate regulator such as a pump and a flow rate regulating valve.
  • the exhaust heat recovery forward path 7a and the exhaust heat recovery return path 7b of the exhaust heat recovery flow path 7 are connected to the inlet and outlet of the secondary side flow path of the heat exchanger 5. Specifically, the downstream end of the exhaust heat recovery forward path 7a is connected to the inlet of the secondary side channel of the heat exchanger 5, and the exhaust is connected to the outlet of the secondary side channel of the heat exchanger 5. The upstream end of the heat recovery return path 7b is connected. The upstream end of the exhaust heat recovery path 7 a is connected to the lower part of the hot water storage tank 9, while the downstream end of the exhaust heat recovery return path 7 b is connected to the upper part of the hot water storage tank 9.
  • a heater (surplus power heater) 6 is provided on the downstream side of the heat exchanger 5 of the exhaust heat recovery passage 7 (exhaust heat recovery return passage 7b).
  • the surplus power heater 6 is configured so that the amount of heating can be adjusted by a control signal from the controller 10, and the second heat medium (here, water) flowing through the exhaust heat recovery return path 7b is supplied. Heat.
  • a second pump 8 is provided in the middle of the exhaust heat recovery flow path 7.
  • the second pump 8 uses a pump whose flow rate can be adjusted.
  • heat is exchanged through the partial heat of the second heat medium stored in the hot water storage tank 9 through the exhaust heat recovery passage 7 (more precisely, the exhaust heat recovery passage 7a).
  • the second heat medium exchanges heat with the first heat medium flowing through the cooling flow path 3.
  • the heat exchanger 5 exchanges heat with the first heat medium, and the heated second heat medium is further heated by the surplus electric power heater 6 and flows through the exhaust heat recovery return path 7b to be stored in the hot water storage tank.
  • the second pump 8 may regulate the flow rate of the second heat medium flowing through the exhaust heat recovery flow path 7 using a flow rate regulator such as a pump and a flow rate regulating valve.
  • the hot water storage tank 9 is formed in a cylindrical shape and has a central axis extending in the vertical direction.
  • a water supply pipe 15 for supplying brine is connected to the lower end of the hot water storage tank 9, and a hot water storage for supplying hot water (heat medium) to the user is provided above the hot water storage tank 3.
  • Water supply pipe 16 is connected.
  • the hot water supply pipe 16 is connected to a heat load that uses the hot water (not shown). Examples of the heat load include hot water supply equipment, heating equipment, and air conditioning equipment.
  • the second heat medium is heated by the heat exchanger 5 and the surplus power heater 6, flows through the exhaust heat recovery return path 7b, and is heated as described above, the force S stored in the hot water storage tank 9. If the dissolved oxygen in the second heat medium (water) becomes bubbles, and the bubbles stay in the exhaust heat recovery channel 7, the flow resistance of the second heat medium flowing through the exhaust heat recovery channel 7 is reduced. Will increase. For this reason, in the fuel cell system according to the first embodiment, a portion of the pipe that forms the exhaust heat recovery passage 7 (more precisely, the exhaust heat recovery passage 7b) where the surplus power heater 6 is provided. A speed reduction part 7c and a bubble removal valve (bubble removal part) 7d are provided downstream!
  • the speed reduction part 7c is a part that extends downward in the vertical direction of the pipe that forms the exhaust heat recovery flow path 7, and is formed by a part where the second heat medium descends.
  • the cross-sectional area is configured to be larger than the cross-sectional area of the upstream and downstream pipes.
  • the flow velocity of the second heat medium flowing through at least the speed reduction unit 7c is configured to be 1. Oex iC ⁇ m / sec or less.
  • the exhaust heat recovery flow path 7 has a portion where the second heat medium descends in a portion extending downward in the vertical direction of the pipe forming the exhaust heat recovery flow path 7 other than the speed reduction portion 7c.
  • the flow velocity force of the second heat medium flowing through the portion 7e is 4. SS X lC ⁇ m / sec or more.
  • Test Example 1 the fuel cell system shown in FIG. 1 was constructed by using transparent piping for the exhaust heat recovery flow path 7. Then, the second heat pump 8 is controlled so that the second heat medium flows through the exhaust heat recovery flow path 7 at a predetermined flow rate, and is a portion that extends downward in the vertical direction of the pipe that forms the exhaust heat recovery flow path 7. The flow rate of the second heat medium and the flow of bubbles flowing through the portions where the second heat medium descends (decelerator 7c and portion 7e) were measured.
  • FIG. 2 is a table showing the results of the above test performed by changing the inner diameter of the pipe constituting the exhaust heat recovery flow path 7. As shown in Figure 2, when the flow rate of the second heat medium is 0.106 m / sec, the bubbles rise against the water flow, and when the flow rate of the second heat medium is 0.425 m / sec. Shows that the bubbles descend on the water stream.
  • a heat medium here, a second heat medium
  • a heat medium here, the first heat medium
  • the flow path (in this case, the exhaust heat recovery flow path 7) through which the heat medium) flows is controlled to flow at a predetermined flow rate according to the output of the fuel cell.
  • the exhaust heat recovery flow path 7 is set so as not to retain air bubbles.
  • the flow rate of the second heat medium flowing through the portion 7e when the flow rate of the second heat medium flowing through the gas is minimum (for example, 0 ⁇ lL / min for a household fuel cell system (300 W)) Force S, 4.25 X lCTim / sec or more.
  • the speed reduction unit 7c in order to raise the bubbles against the water flow, when the flow rate of the second heat medium flowing through the exhaust heat recovery flow path 7 is maximum (for example, in a household fuel cell system (lkW)). In this case, at 0.5 ⁇ L / min), the flow velocity of the second heat medium flowing through the speed reduction unit 7c is at least 1. Oex iC ⁇ m / sec.
  • the fuel cell system according to Embodiment 1 has a simple configuration and exhaust heat. It is possible to reduce bubbles generated in the recovery flow path and to operate safely.
  • a temperature sensor 17 is provided downstream of the surplus power heater 6 in the exhaust heat recovery return path 7b.
  • the temperature sensor 17 uses a thermocouple, detects the temperature of the second heat medium heated by the heat exchanger 5 and the surplus power heater 6, and transmits the detected temperature to the controller 10. Is configured to do.
  • the controller 10 controls the fuel cell system 100 based on the temperature detected by the temperature sensor 17. Specifically, the controller 10 detects the second heat flowing through the exhaust heat recovery passage 7 when the temperature detected by the temperature sensor 17 is higher than a predetermined first threshold stored in the storage unit. Control second pump 8 to reduce the flow rate of the medium. Then, when the flow rate of the second heat medium is decreased and the temperature of the second heat medium is higher than the predetermined second threshold stored in the storage unit, the operation of the fuel cell system 100 is stopped. To do.
  • the fuel cell system is normally controlled so as to adjust the power generation amount according to the load fluctuation of the external power load 14, but it is difficult to make the load fluctuation and the power generation quantity coincide with each other. .
  • the electric power generated by the fuel cell 1 temporarily becomes excessive, and the excess electric power may become excessive.
  • the surplus electric power heater 6 even if the second heat medium is overheated and heated to an abnormally high temperature due to boiling or the like, the high-temperature second heat medium is still stored in the hot water storage tank. 9 may be supplied.
  • the cross-sectional area of the piping forming the speed reduction portion 7c is that of the piping of the upstream side and downstream side portions (more precisely, the vicinity thereof). It is configured to be larger than the cross-sectional area, and functions as a buffer portion 7c that alleviates the temperature rise of the second heat medium overheated by the surplus power heater 6.
  • the heat of the second heat medium that has been overheated is transferred to the second heat medium existing in the buffer part 7c, causing a rapid temperature rise. Is alleviated. As a result, The possibility that the always hot second heat medium is supplied to the hot water storage tank 9 is reduced.
  • the hot second heat medium that is overheated by the surplus power heater 6 is used as the hot water storage tank. The possibility of being supplied to 9 can be reduced.
  • the fuel cell system of the present invention is useful as a fuel cell system that can be safely operated with a simple configuration, reducing bubbles generated in the exhaust heat recovery flow path.

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Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池システムに関する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料と酸化剤との電気化学 反応により発電を行い、反応により生じた熱を回収して湯水をして貯え、この湯水を 外部への熱供給に有効利用するシステムである。具体的には、燃料電池内に冷却 水が供給され、この供給された冷却水は、燃料電池内で熱交換を行い、加熱されて 燃料電池から排出される。そして、排出された冷却水は、熱交換器で熱媒体 (水）と 熱交換をすることにより冷却され、再び、燃料電池に供給される。
[0003] 一方、熱交換器で熱交換された熱媒体は、電気ヒータでさらに加熱されて貯湯タン クに貯えられる。このとき、熱媒体中の溶存酸素が気泡となり、熱媒体が流れる排熱 回収流路に設けられるポンプの性能が低下し、送水制御に支障をきたす問題が生じ ていた。
[0004] このような問題に対して、循環経路 (排熱回収流路）に空気抜き弁を設けた燃料電 池発電システムが知られている（例えば、特許文献 1参照）。特許文献 1に開示されて V、る燃料電池発電システムでは、熱交換器と燃料電池とを含む温水の循環経路に 空気抜き弁を設けることにより、循環経路内で生じた気泡を取り除くことができる。 特許文献 1 :特開 2003— 223913号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] しかしながら、特許文献 1に開示されて!/、る燃料電池発電システムでは、循環経路 を流れる温水の流速を考慮していない。このため、循環経路を流れる温水の流速が 早い場合には、気泡の浮力よりも、気泡に対して温水がその流れる方向に及ぼす力 が大きいので、気泡が、空気抜き弁から排出されずにそのまま循環経路を流れる。し たがって、循環経路内に気泡が滞留することによる、経路内の流路抵抗が増加する という問題や、経路内に存在する気泡がポンプに入ることによって生じる、ポンプ性 能の低下という問題があった。
[0006] 本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、排熱回収流路 内で発生した気泡を確実に除去し、安全に運転可能な燃料電池システムを提供する ことを目白勺とする。
課題を解決するための手段
[0007] 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、燃料と酸化剤との反 応により発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する第 1の熱媒体が通流する冷 却流路と、前記冷却流路に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して前記第 1 の熱媒体と熱交換する第 2の熱媒体が流れる排熱回収流路と、を備え、前記排熱回 収流路には、前記第 2の熱媒体の流速を低減させる減速部と、該減速部内の気泡を 前記排熱回収流路外へ放出する気泡抜き部と、が設けられて!/、る。
[0008] これにより、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を確実に除去し、安全 に運転すること力 Sできる。
[0009] 本発明の燃料電池システムでは、前記気泡抜き部は、前記熱交換器よりも下流側 に設けられていてもよい。
[0010] 本発明の燃料電池システムでは、前記排熱回収流路を流れる前記第 2の熱媒体を 加熱する加熱器を備え、前記気泡抜き部は、前記排熱回収流路の前記加熱器により 加熱される部分より下流に設けられて!/、てもよレ、。
[0011] 本発明の燃料電池システムでは、前記減速部は、前記排熱回収流路の、鉛直方向 下向きに延び、かつ、前記第 2の熱媒体が下降する部分で構成され、該部分は、そ の上流部分及び下流部分より断面積が大きくてもよい。
[0012] 本発明の燃料電池システムでは、前記気泡抜き部は、前記減速部の上方に設けら れていてもよい。
[0013] 本発明の燃料電池システムでは、前記減速部は、少なくともその一部において、前 記第 2の熱媒体の流速が 1. Oe x iC^m/sec以下となるように構成されていてもよ い。
[0014] 本発明の燃料電池システムでは、前記排熱回収流路の前記減速部以外の部分で 下向きに延伸する該排熱回収流路は、前記第 2の熱媒体の流速が、 4. 25 X 10— /sec以上になるように構成されて!/、てもよ!/、。
[0015] 本発明の燃料電池システムでは、前記第 2の熱媒体が水であり、前記熱交換器を 介して前記第 1の熱媒体と熱交換した第 2の熱媒体が貯えられる貯湯タンクを備えて あよい。
[0016] また、本発明の燃料電池システムでは、前記加熱器は、前記燃料電池で発電され た余剰の電力を使用する余剰電力ヒータであり、前記減速部は、前記余剰電力ヒー タにより加熱された前記第 2の熱媒体の温度上昇を緩和するように構成されたバッフ ァ部であり、前記バッファ部は、前記排熱回収流路の前記余剰電力ヒータにより加熱 される部分よりも下流の部分に設けられ、前記バッファ部の断面積は、該バッファ部よ り上流の前記排熱回収路の断面積より大きくてもよい。
発明の効果
[0017] 本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した 気泡を低減し、安全に運転することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック 図である。
[図 2]排熱回収流路 7を構成する配管の内径を代えて、減速部 7c及び部分 7eを流れ る第 2の熱媒体の流速と気泡の流れを測定した結果を示す表である。
符号の説明
[0019] 1 燃料電池
2 出力制御器
3 冷却流路
3a 冷却往路
3b 冷却復路
4 第 1ポンプ
5 熱交換器
6 加熱器 (余剰電力ヒータ） 7 排熱回収流路
7a 排熱回収往路
7b 排熱回収復路
7c 減速部
7d 気泡抜き弁
7e 部分
8 第 2ポンプ
9 貯湯タンク
10 制御器
11 系統電源
12 出力配泉
13 系統連結点
14 外部電力負荷
15 水供給配管
16 貯湯水供給配管
17 温度センサ
発明を実施するための最良の形態
[0020] 以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブ ロック図である。
[0021] まず、本実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成について説明する。
[0022] 図 1に示すように、本実施の形態 1に係る燃料電池システム 100は、燃料電池 1、発 電電流制御器 2、冷却流路 3、第 1ポンプ 4、熱交換器 5、加熱器 (余剰電力ヒータ） 6 、排熱回収流路 7、第 2ポンプ 8、貯湯タンク 9、及び制御器 10を備えている。
[0023] 燃料電池 1では、燃料供給器 (図示せず)から供給された水素を含む燃料と、酸化 剤供給器 (図示せず)から供給された酸素を含む酸化剤と、が電気化学的に反応し て、水が生成し、熱と電気が発生する。また、燃料電池 1の図示されない出力端子に は、発電電流制御器 2が接続されている。
[0024] 発電電流制御器 2は、燃料電池システム 100の外部へ出力する電流を制御する。
ここでは、燃料電池 1が直流電力を発生するので、発電電流制御器 2は、燃料電池 1 で発生した直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。発電電流制御 器 2の出力端子（図示せず）には、出力配線 12の一端が接続されており、出力配線 1 2の他端には、系統連繋点 13が設けられている。
[0025] そして、系統連繋点 13には、適宜な配線により系統電源 11が接続され、発電電流 制御器 2と系統電源 11が、系統連繋点 13で系統連繋されている。また、系統連繋点 13には、適宜な配線により外部電力負荷 14が接続されている。さらに、燃料電池 1 には、適宜な配線により加熱器 (余剰電力ヒータ） 6が接続されている。外部電力負荷 14は、ここでは、一般家庭で使用される電力消費機器を想定している。また、余剰電 力ヒータ 6は、シースヒータ等公知の電気ヒータを用いて!/、る。
[0026] 制御器 10は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、 CPU等からなる 演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、カレンダー機能を有す る時計部及びキーボード等の操作入力部（レ、ずれも図示せず）を有して!/、る。演算処 理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行すること により、燃料電池システム 100に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記 憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。さらに、制 御器 10は、燃料電池 1で発電された電力が、外部電力負荷 14で消費される電力より も大きい場合 (余剰電力が発生した場合）、余剰電力ヒータ 6に余剰電力を通電させ る。これにより、余剰電力を熱エネルギーとして貯えることで、省エネルギー化が図れ
[0027] また、燃料電池 1には、冷却流路 3が接続されており、冷却流路 3の途中には、第 1 ポンプ 4が設けられている。冷却流路 3は、冷却往路 3aと冷却復路 3bとから構成され ている。冷却往路 3aの上流端及び下流端は、それぞれ、燃料電池 1の熱媒体供給 口（図示せず)及び第 1ポンプ 4の吐出口（図示せず）と接続されている。また、冷却 復路 3bの上流端及び下流端は、それぞれ、燃料電池 1の熱媒体排出口（図示せず） 及び第 1ポンプ 4の吸入口（図示せず）と接続されている。そして、熱交換器 5の一次 側流路が、冷却復路 3bに介揷されている。
[0028] 第 1ポンプ 4は、流量調節可能なポンプを使用しており、第 1の熱媒体 (ここでは、水 )を燃料電池 1と熱交換器 5との間で冷却流路 3を介して循環させている。これにより、 燃料電池 1内の温度が、発電を行うのに適した温度に保たれる。なお、第 1ポンプ 4 は、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いて、冷却流路 3を流れる第 1の熱媒 体の流量を調節してもよい。
[0029] 熱交換器 5の二次側流路の入口部及び出口部には、排熱回収流路 7の排熱回収 往路 7a及び排熱回収復路 7bが接続されている。具体的には、熱交換器 5の二次側 流路の入口部には、排熱回収往路 7aの下流端が接続され、熱交換器 5の二次側流 路の出口部には、排熱回収復路 7bの上流端が接続されている。そして、排熱回収往 路 7aの上流端は、貯湯タンク 9の下部と接続されており、一方、排熱回収復路 7bの 下流端は、貯湯タンク 9の上部と接続されている。
[0030] また、排熱回収流路 7の熱交換器 5よりも下流側 (排熱回収復路 7b)には、加熱器（ 余剰電力ヒータ） 6が設けられている。余剰電力ヒータ 6は、制御器 10からの制御信 号により、その加熱量を調整できるように構成されており、排熱回収復路 7bを流通す る第 2の熱媒体 (ここでは、水）を加熱する。
[0031] さらに、排熱回収流路 7の途中には、第 2ポンプ 8が設けられている。第 2ポンプ 8は 、流量調節可能なポンプを使用している。第 2ポンプ 8が作動することにより、貯湯タ ンク 9に貯えられた第 2の熱媒体の一部力 排熱回収流路 7 (正確には、排熱回収往 路 7a)を介して熱交換器 5に供給され、熱交換器 5では、第 2の熱媒体は冷却流路 3 を流れる第 1の熱媒体と熱交換される。そして、熱交換器 5で第 1の熱媒体と熱交換 して、加熱された第 2の熱媒体は、余剰電力ヒータ 6で、さらに加熱されて排熱回収 復路 7bを通流して、貯湯タンク 9に貯えられる。なお、第 2ポンプ 8は、ポンプと流量 調節弁等の流量調節器を用いて、排熱回収流路 7を流れる第 2の熱媒体の流量を調 節してもよい。
[0032] 貯湯タンク 9は、筒状に形成され、その中心軸が鉛直方向に延びるように設けられ ている。貯湯タンク 9の下端には、巿水を供給するための水供給配管 15が接続され ており、貯湯タンク 3の上部には、貯湯水（熱媒体）を利用者に供給するための貯湯 水供給配管 16が接続されている。貯湯水供給配管 16には、貯湯水を利用する熱負 荷が接続されている（図示せず)。熱負荷としては、例えば、給湯機器、暖房機器や 空調機器が挙げられる。
[0033] ところで、第 2の熱媒体は、熱交換器 5及び余剰電力ヒータ 6で加熱され、排熱回収 復路 7bを通流して、貯湯タンク 9に貯えられる力 S、上述したように加熱された第 2の熱 媒体 (水）中の溶存酸素が気泡となり、該気泡が、排熱回収流路 7内を滞留すると排 熱回収流路 7を通流する第 2の熱媒体の流速抵抗が増加することとなる。このため、 本実施の形態 1に係る燃料電池システムでは、排熱回収流路 7 (正確には、排熱回 収復路 7b)を形成する配管で、余剰電力ヒータ 6が設けられている部分の下流側に 減速部 7cと気泡抜き弁（気泡抜き部） 7dが設けられて!/、る。
[0034] 減速部 7cは、排熱回収流路 7を形成する配管の鉛直方向下向きに延びる部分で、 第 2の熱媒体が下降する部分で形成されており、減速部 7cを形成する配管の断面積 は、その上流側及び下流側部分の配管の断面積よりも大きくなるように構成されてい る。そして、減速部 7cでは、排熱回収流路 7を流れる第 2の熱媒体の流量が最大のと き（例えば、家庭用の燃料電池システム（lkW)の場合、 0. 5L/min)に、少なくとも 減速部 7cを通流する第 2の熱媒体の流速が、 1. Oe x iC^m/sec以下となるように 構成されている。これにより、気泡を含有する第 2の熱媒体が減速部 7cを通流すると きに、第 2の熱媒体の気泡に及ぼす力よりも、気泡の浮力の方が大きくなる。このため 、気泡は、第 2の熱媒体の流れに逆らって、気泡抜き弁 7dに到達することが可能とな り、気泡抜き弁 7dから排熱回収流路 7外に放出される。
[0035] また、排熱回収流路 7が、減速部 7c以外の排熱回収流路 7を形成する配管の鉛直 方向下向きに延びる部分で、第 2の熱媒体が下降する部分を有するような場合 (例え ば、部分 7eを有するような場合）では、排熱回収流路 7を流れる第 2の熱媒体の流量 が最小のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（300W)の場合、 0. lL/min) に、部分 7eを通流する第 2の熱媒体の流速力 4. SS X lC^m/sec以上になるよう に構成されている。これにより、気泡を含有する第 2の熱媒体が、鉛直方向下向きに 流れる（部分 7eを下降する）場合に、第 2の熱媒体の気泡に及ぼす力の方力 S、気泡 の浮力よりも大きくなるため、気泡は、第 2の熱媒体の流れに乗って部分 7eを下降す ること力 Sできる。このため、気泡が、部分 7eの上部で滞留することがなぐ第 2の熱媒 体の流速抵抗が、増加することを防止することができる。
[0036] ここで、本実施の形態 1に係る燃料電池システム 100における第 2の熱媒体の流速 について、試験例を参照しながら、さらに詳細に説明する。
[0037] [試験例 1]
本試験例 1では、排熱回収流路 7を構成する配管を透明な配管にして、図 1に示す 燃料電池システムを構築した。そして、第 2の熱媒体が、所定の流量で排熱回収流 路 7を流れるように第 2ポンプ 8を制御し、排熱回収流路 7を形成する配管の鉛直方 向下向きに延びる部分で、第 2の熱媒体が下降する部分 (減速部 7c及び部分 7e)を 流れる第 2の熱媒体の流速と気泡の流れを測定した。
[0038] 図 2は、排熱回収流路 7を構成する配管の内径を変えて、上記試験を行った結果を 示す表である。図 2に示すように、第 2の熱媒体の流速が、 0. 106m/secのときは、 気泡が水流に逆らって上昇し、第 2の熱媒体の流速が、 0. 425m/secのときは、気 泡が水流に乗って下降することがわかる。
[0039] ところで、燃料電池システムでは、一般に、燃料電池内の温度を所定の温度に保 つための熱媒体（ここでは、第 1の熱媒体）と熱交換する熱媒体（ここでは、第 2の熱 媒体）が流れる流路 (ここでは、排熱回収流路 7)は、燃料電池の出力に応じた所定 の流量で流れるように制御されて!/、る。
[0040] このため、上述したように、本実施の形態 1に係る燃料電池システム 100における排 熱回収流路 7の部分 7eでは、気泡を滞留させないようにするために、排熱回収流路 7を流れる第 2の熱媒体の流量が最小のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（3 00W)の場合、 0· lL/min)に、部分 7eを通流する第 2の熱媒体の流速力 S、 4. 25 X lCTim/sec以上になるように構成されている。一方、減速部 7cでは、気泡を水流 に逆らって上昇させるために、排熱回収流路 7を流れる第 2の熱媒体の流量が最大 のとき（例えば、家庭用の燃料電池システム（lkW)の場合、 0· 5L/min)に、少なく とも減速部 7cを通流する第 2の熱媒体の流速が、 1. Oe x iC^m/sec以下となるよ うに構成している。
[0041] このようにして、本実施の形態 1に係る燃料電池システムでは、簡易な構成で、排熱 回収流路内で発生した気泡を低減し、安全に運転することが可能となる。
[0042] また、排熱回収復路 7bにおける余剰電力ヒータ 6の下流には、温度センサ 17が設 けられている。温度センサ 17は、ここでは、熱電対を用いており、熱交換器 5及び余 剰電力ヒータ 6で加熱された第 2の熱媒体の温度を検出し、制御器 10に検出した温 度を伝達するように構成されている。そして、制御器 10では、温度センサ 17で検出さ れた温度を基に、燃料電池システム 100の制御を行う。具体的には、制御器 10は、 温度センサ 17で検出された温度が、記憶部に記憶されている所定の第 1閾値よりも 高い場合に、排熱回収流路 7を流れる第 2の熱媒体の流量を減少させるように第 2ポ ンプ 8を制御する。そして、第 2の熱媒体の流量を減少させた後の第 2の熱媒体の温 度力 記憶部に記憶されている所定の第 2閾値よりも高い場合に、燃料電池システム 100の運転を停止する。
[0043] これにより、貯湯タンク 9に異常な高温の第 2の熱媒体が供給されるのを低減するこ とができ、また、燃料電池システム 100の運転を停止することにより、余剰電力ヒータ 6 で第 2の熱媒体が過熱されるのを抑制することができる。
[0044] ところで、燃料電池システムは、通常、外部電力負荷 14の負荷変動に応じて、発電 量を調整するように制御されているが、負荷変動と発電量を一致させるのは、困難で ある。このため、燃料電池 1で発電された電力が一時的に過剰となり、余剰電力が過 大になる場合がある。このような場合、余剰電力ヒータ 6では、第 2の熱媒体が過熱さ れて、沸騰等により異常に高温になる力 上記のように制御しても、高温の第 2の熱 媒体が貯湯タンク 9に供給される場合がありうる。
[0045] しかしながら、本実施の形態 1に係る燃料電池システム 100では、減速部 7cを形成 する配管の断面積が、その上流側及び下流側部分（正確には、その近傍部分）の配 管の断面積よりも大きくなるように構成されており、余剰電力ヒータ 6により過熱された 第 2の熱媒体の温度上昇を緩和するバッファ部 7cとして機能する。このように構成す ることで、過大な余剰電力が供給された余剰電力ヒータ 6により、第 2の熱媒体が過 熱された場合に、過熱された第 2の熱媒体は、排熱回収復路 7bを通流して、減速部 (バッファ部） 7cにまで到達すると、過熱された第 2の熱媒体の熱が、バッファ部 7cに 存在する第 2の熱媒体に伝達されて、急激な温度上昇が緩和される。これにより、異 常に高温の第 2の熱媒体が、貯湯タンク 9に供給される可能性が低減される。
[0046] このようにして、本実施の形態 1に係る燃料電池システム 100では、過大な余剰電 力が生じた場合に、余剰電力ヒータ 6で過熱された高温の第 2の熱媒体を貯湯タンク 9に供給される可能性を低減することが可能となる。
産業上の利用可能性
[0047] 本発明の燃料電池システムは、簡易な構成で、排熱回収流路内で発生した気泡を 低減し、安全に運転することができる燃料電池システムとして有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料と酸化剤との反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する第 1の熱媒体が通流する冷却流路と、
前記冷却流路に設けられた熱交換器と、
前記熱交換器を介して前記第 1の熱媒体と熱交換する第 2の熱媒体が流れる排熱 回収流路と、を備え、
前記排熱回収流路には、前記第 2の熱媒体の流速を低減させる減速部と、該減速 部内の気泡を前記排熱回収流路外へ放出する気泡抜き部と、が設けられている、燃 料電池システム。
[2] 前記気泡抜き部は、前記熱交換器よりも下流側に設けられている、請求項 1に記載 の燃料電池システム。
[3] 前記排熱回収流路を流れる前記第 2の熱媒体を加熱する加熱器を備え、前記気泡 抜き部は、前記排熱回収流路の前記加熱器により加熱される部分より下流に設けら れている、請求項 1に記載の燃料電池システム。
[4] 前記減速部は、前記排熱回収流路の、鉛直方向下向きに延び、かつ、前記第 2の 熱媒体が下降する部分で構成され、該部分は、その上流部分及び下流部分より断 面積が大きい、請求項 1に記載の燃料電池システム。
[5] 前記気泡抜き部は、前記減速部の上方に設けられている、請求項 4に記載の燃料 電池システム。
[6] 前記減速部は、少なくともその一部において、前記第 2の熱媒体の流速が 1. 06 X lCTim/sec以下となるように構成されている、請求項 4に記載の燃料電池システム
[7] 前記排熱回収流路の前記減速部以外の部分で下向きに延伸する該排熱回収流 路は、前記第 2の熱媒体の流速が、 4. 25 X lC^m/sec以上になるように構成され ている、請求項 1に記載の燃料電池システム。
[8] 前記第 2の熱媒体が水であり、前記熱交換器を介して前記第 1の熱媒体と熱交換し た第 2の熱媒体が貯えられる貯湯タンクを備える、請求項 1に記載の燃料電池システ ム。 前記加熱器は、前記燃料電池で発電された余剰の電力を使用する余剰電力ヒータ であり、
前記減速部は、前記余剰電力ヒータにより加熱された前記第 2の熱媒体の温度上 昇を緩和するように構成されたバッファ部であり、
前記バッファ部は、前記排熱回収流路の前記余剰電力ヒータにより加熱される部分 よりも下流の部分に設けられ、前記バッファ部の断面積は、該バッファ部より上流の 前記排熱回収路の断面積より大きい、請求項 3に記載の燃料電池システム。
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