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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024154103
(43)【公開日】2024-10-30
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20241023BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20241023BHJP
H01M 8/04492 20160101ALI20241023BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20241023BHJP
H01M 8/04701 20160101ALI20241023BHJP
H01M 8/04828 20160101ALI20241023BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20241023BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/0432
H01M8/04492
H01M8/04746
H01M8/04701
H01M8/04828
H01M8/10 101
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023067736
(22)【出願日】2023-04-18
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-06-18
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】當山 広幸
(72)【発明者】
【氏名】高橋 邦幸
(72)【発明者】
【氏名】高野 洋
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA06
5H127AC02
5H127BA02
5H127BB02
5H127CC06
5H127DB17
5H127DB37
5H127DB74
5H127DB92
5H127DB93
5H127DC76
5H127DC79
(57)【要約】
【課題】本開示は、排気ガスにおいて白煙の発生を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、を備え、前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される燃料電池システム。
【選択図】図２
【解決手段】燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、を備え、前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される燃料電池システム。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、
前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される、
燃料電池システム。
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、
前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される、
燃料電池システム。
【請求項2】
前記第１熱媒体の流量を調節する第１調節弁と、
前記第２熱媒体の流量を調節する第２調節弁と、
を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記第２熱媒体の流量を調節する第２調節弁と、
を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
外気温度及び外気湿度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける第１温度と、前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスにおける第２温度と、前記第２熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスにおける第３温度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける湿度と、に基づいて、前記第１調節弁及び前記第２調節弁のそれぞれの開度を調節する調節部を更に備える、
請求項２に記載の燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記調節部は、前記第２温度が第１目標温度になるように、前記第１調節弁の開度を調節し、
前記調節部は、前記第３温度が第２目標温度になるように、前記第２調節弁の開度を調節する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
前記調節部は、前記第３温度が第２目標温度になるように、前記第２調節弁の開度を調節する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記第１目標温度は、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスに含まれる水蒸気量が飽和水蒸気量と等しくなる温度より低い、
請求項４に記載の燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記第２目標温度は、前記外気温度と、外気における水蒸気量と、前記第１目標温度にける飽和水蒸気量と、に基づいて定められる最低温度より高い、
請求項５に記載の燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
外気温度及び外気湿度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける第１温度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける湿度と、に基づいて、白煙の発生の有無を判定する調節部を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱交換ユニットは、前記冷却ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第１熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記燃料電池ユニットに排出し、
前記第２熱交換ユニットは、前記燃料電池ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第２熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記冷却ユニットに排出する、
燃料電池システム。
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱交換ユニットは、前記冷却ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第１熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記燃料電池ユニットに排出し、
前記第２熱交換ユニットは、前記燃料電池ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第２熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記冷却ユニットに排出する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、水分を含む燃料電池からのオフガスが大気中へ放出されたときの白煙の発生を抑制する排気管が開示されている。特許文献２には、排ガスの白煙化の防止を図った燃料電池発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１９－０８９４４２号公報
【特許文献2】特開２００２－１００３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
定置用の燃料電池システムにおいて、景観上の理由等から、排気ガスにおいて白煙が発生することを抑制することが求められている。
【0005】
本開示は、排気ガスにおいて白煙の発生を抑制する燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一の態様によれば、燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、を備え、前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【0007】
本開示の燃料電池システムによれば、排気ガスにおいて白煙の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0010】
なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。
【0011】
平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右及び前後等の方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、それぞれ略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。
【0012】
例えば、略平行は、２つの線あるいは２つの面が互いに完全に平行でなくても、製造上許容される範囲内であれば互いに平行として扱うことができることを意味する。他の略直角、略直交、略水平及び略垂直のそれぞれについても、略平行と同様に、２つの線又は２つの面の相互の位置関係が製造上許容される範囲内であればそれぞれに該当することが意図される。
【0013】
≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、を備える。また、第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットを備える。そして、第１実施形態に係る燃料電池システムにおける第１熱媒体は、冷却ユニットから燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分流される。
第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、を備える。また、第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットを備える。そして、第１実施形態に係る燃料電池システムにおける第１熱媒体は、冷却ユニットから燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分流される。
【0014】
第１実施形態に係る燃料電池システムについて、具体的な例を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る発電装置の一例である燃料電池システム１の概略図である。燃料電池システム１は、燃料電池セルを用いた燃料電池システムである。
【0015】
＜燃料電池システム１＞
燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、調節器６０と、調節弁６１と、手動弁７０と、を備える。熱交換ユニット４０は、燃料電池ユニット１０から排出される排気ガスＥＧを冷却する。調節器６０は、燃料電池ユニット１０における温度を測定する温度検出器１２の検出結果に基づいて、調節弁６１の開度を制御する。手動弁７０は、熱交換ユニット４０に流れる熱媒体の量を調節する。
燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、調節器６０と、調節弁６１と、手動弁７０と、を備える。熱交換ユニット４０は、燃料電池ユニット１０から排出される排気ガスＥＧを冷却する。調節器６０は、燃料電池ユニット１０における温度を測定する温度検出器１２の検出結果に基づいて、調節弁６１の開度を制御する。手動弁７０は、熱交換ユニット４０に流れる熱媒体の量を調節する。
【0016】
燃料電池ユニット１０は、冷却ユニット２０との間で循環する熱媒体ＲＦにより冷却される。熱媒体ＲＦは、例えば、水である。なお、熱媒体ＲＦは、例えば、防錆剤、防腐剤、不凍液を含んでいてもよい。また、熱媒体ＲＦは、フッ素系不活性液体でもよい。ポンプ３０は、熱媒体ＲＦを燃料電池ユニット１０と冷却ユニット２０との間で循環させる。
【0017】
より具体的に熱媒体ＲＦの流れについて説明する。冷却ユニット２０は、熱媒体ＲＦを冷却する。そして、冷却ユニット２０から排出された熱媒体ＲＦは、ポンプ３０により燃料電池ユニット１０に供給される。なお、冷却ユニット２０において冷却された低温の熱媒体ＲＦを熱媒体ＲＦ１と表す。
【0018】
冷却ユニット２０から排出された熱媒体ＲＦ１は、燃料電池ユニット１０に供給される熱媒体ＲＦａと、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂと、に分流される。なお、熱媒体ＲＦａにおいて、燃料電池ユニット１０に供給される低温の熱媒体ＲＦａを熱媒体ＲＦａ１と表す。また、熱媒体ＲＦａにおいて、燃料電池ユニット１０から排出される高温の熱媒体ＲＦａを熱媒体ＲＦａ２と表す。同様に、熱媒体ＲＦｂにおいて、熱交換ユニット４０に供給される低温の熱媒体ＲＦｂを熱媒体ＲＦｂ１と表す。また、熱媒体ＲＦｂにおいて、熱交換ユニット４０から排出される高温の熱媒体ＲＦｂを熱媒体ＲＦｂ２と表す。
【0019】
燃料電池ユニット１０から排出された熱媒体ＲＦａ、すなわち、熱媒体ＲＦａ２、と、熱交換ユニット４０から排出された熱媒体ＲＦｂ、すなわち、熱媒体ＲＦｂ２、とは、合流する。熱媒体ＲＦａ２と熱媒体ＲＦｂとが合流し、冷却ユニット２０に戻る熱媒体ＲＦを、熱媒体ＲＦ２と表す。
【0020】
冷却ユニット２０は、燃料電池ユニット１０を冷却して戻る熱媒体ＲＦ２を冷却して、熱媒体ＲＦ１として排出する。
【0021】
燃料電池システム１が備える構成要素のそれぞれについて詳細を説明する。
【0022】
［燃料電池ユニット１０］
燃料電池ユニット１０は、水素と酸素を化学反応させることにより電気を発生させる。燃料電池ユニット１０は、燃料電池セル１１を備える。
燃料電池ユニット１０は、水素と酸素を化学反応させることにより電気を発生させる。燃料電池ユニット１０は、燃料電池セル１１を備える。
【0023】
燃料電池セル１１は、供給される水素と、空気に含まれる酸素とを化学反応させることにより電気を発生させる。燃料電池セル１１は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。固体高分子形燃料電池である燃料電池セル１１は、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。
【0024】
固体高分子形燃料電池である燃料電池セル１１における単セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両側面に設けられた一対の電極と、を備える膜－電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。高分子電解質膜は、水素イオンを選択的に輸送する。また、一つの電極のそれぞれは、多孔質材料により形成される。一対の電極のそれぞれは、例えば、白金系の金属触媒（電極触媒）を担持するカーボン粉末を主成分とする触媒層と、通気性及び電子導電性を併せ持つガス拡散層と、を有する。さらに、単セルは、膜－電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を両側から挟み込む一対のセパレータを有する。
【0025】
燃料電池セル１１により発生した電気は、昇圧コンバータにより昇圧されて燃料電池ユニット１０から出力される。
【0026】
燃料電池セル１１は、発電する際に熱を発生する。燃料電池セル１１は、発生する熱により温度が上昇するため冷却する必要がある。燃料電池ユニット１０は、冷却ユニット２０から供給される熱媒体ＲＦを用いて燃料電池セル１１を冷却する。そして、燃料電池ユニット１０は、燃料電池セル１１を冷却して温度が上昇した熱媒体ＲＦを冷却ユニット２０に戻す。
【0027】
燃料電池システム１において、燃料電池セル１１は、冷却ユニット２０から供給される熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦａ）によって冷却される。燃料電池セル１１は、熱媒体ＲＦにより直接冷却されてもよいし、熱交換器において熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦａ）と熱交換した別の熱媒体によって冷却されることにより、熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦａ）により間接的に冷却されてもよい。
【0028】
燃料電池ユニット１０は、燃料電池セル１１等の燃料電池ユニット１０内部の温度を測定する温度検出器１２を備える。温度検出器１２は、例えば、燃料電池セル１１そのものの温度を検出してもよいし、燃料電池セル１１を冷却する熱媒体の温度を検出してもよい。
【0029】
燃料電池ユニット１０は、燃料電池セル１１において発電した後の排気ガスＥＧを外部空間ＯＤに排出する。排気ガスＥＧは、燃料電池セル１１において、水素と酸素が反応して発生する水を含む。排気ガスＥＧは、水素と酸素が反応して発生する際に発生する熱によって加熱される。排気ガスＥＧの温度は、例えば、５０℃から７０℃程度である。排気ガスＥＧは、水蒸気を含む高温のガスであることから、外気により冷却されると、排気ガスＥＧに含まれる水が凝縮して白煙が発生する場合がある。特に、冬季において、外気温度が低い場合に、排気ガスＥＧが外部空間ＯＤに排出されると、白煙が発生する可能性が高い。
【0030】
［冷却ユニット２０］
冷却ユニット２０は、燃料電池セル１１を冷却するための熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ１）を燃料電池ユニット１０に供給する。また、冷却ユニット２０は、燃料電池セル１１を冷却した熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ２）を燃料電池ユニット１０から回収する。そして、冷却ユニット２０は、回収した熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ２）を冷却する。冷却ユニット２０は、冷却した熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ１）を燃料電池ユニット１０に供給して、熱媒体ＲＦを、燃料電池ユニット１０と冷却ユニット２０との間において循環させる。
冷却ユニット２０は、燃料電池セル１１を冷却するための熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ１）を燃料電池ユニット１０に供給する。また、冷却ユニット２０は、燃料電池セル１１を冷却した熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ２）を燃料電池ユニット１０から回収する。そして、冷却ユニット２０は、回収した熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ２）を冷却する。冷却ユニット２０は、冷却した熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ１）を燃料電池ユニット１０に供給して、熱媒体ＲＦを、燃料電池ユニット１０と冷却ユニット２０との間において循環させる。
【0031】
冷却ユニット２０は、例えば、冷却塔（クーリングタワー）である。冷却塔は、熱媒体として水を用いる。冷却塔は、水を空気と接触させて、水の気化熱により、熱媒体である水を冷却する。なお、冷却ユニット２０は、冷却塔に限らず、例えば、チラーでもよい。
【0032】
冷却ユニット２０の冷却能力（除熱量）は、燃料電池ユニット１０に必要な除熱量に余裕度、例えば、１．２から１．５の定数、を掛けて算出される。燃料電池ユニット１０に必要な除熱量は、例えば、燃料電池ユニット１０が最大出力における必要な除熱量としてもよい。
【0033】
［ポンプ３０］
ポンプ３０は、燃料電池ユニット１０と冷却ユニット２０との間で熱媒体ＲＦを循環させる。ポンプ３０は、冷却ユニット２０において冷却されて排出された熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ１）を燃料電池ユニット１０に送る。
ポンプ３０は、燃料電池ユニット１０と冷却ユニット２０との間で熱媒体ＲＦを循環させる。ポンプ３０は、冷却ユニット２０において冷却されて排出された熱媒体ＲＦ（熱媒体ＲＦ１）を燃料電池ユニット１０に送る。
【0034】
［熱交換ユニット４０］
熱交換ユニット４０は、排気ガスＥＧと熱媒体ＲＦｂとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｂは、冷却ユニット２０から燃料電池ユニット１０に供給される熱媒体ＲＦ１が分流された熱媒体である。したがって、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂ１は、冷却ユニット２０において冷却された低温の熱媒体である。熱媒体ＲＦｂ１の温度は、例えば、３０℃から３５℃である。
熱交換ユニット４０は、排気ガスＥＧと熱媒体ＲＦｂとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｂは、冷却ユニット２０から燃料電池ユニット１０に供給される熱媒体ＲＦ１が分流された熱媒体である。したがって、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂ１は、冷却ユニット２０において冷却された低温の熱媒体である。熱媒体ＲＦｂ１の温度は、例えば、３０℃から３５℃である。
【0035】
熱交換ユニット４０は、冷温の熱媒体である熱媒体ＲＦｂ１が供給され、熱媒体ＲＦｂと排気ガスＥＧとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｂと排気ガスＥＧとの間で熱交換を行うと、排気ガスＥＧが冷却される。排気ガスＥＧが冷却されると、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮され、凝縮水ＣＷとして排出される。
【0036】
凝縮水ＣＷは、外部に排水されてもよいし、例えば、燃料電池ユニット１０を冷却する冷却水又は冷却ユニット２０において使用される冷却水として利用してもよい。
【0037】
熱交換ユニット４０は、例えば、熱媒体ＲＦｂが流れる複数の配管と、当該複数の配管と結合する複数のフィンと、を備える熱交換器を含む。
【0038】
低温の熱媒体ＲＢｂ１が熱交換ユニット４０に流入する。そして、熱交換ユニット４０は、熱媒体ＲＦｂ１と排気ガスＥＧとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｂ１は、熱交換ユニット４０において排気ガスＥＧと熱交換を行うことにより、温度が上昇する。排気ガスＥＧと熱交換を行って温度が上昇した熱媒体ＲＦｂ２は、熱交換ユニット４０から排出される。また、熱媒体ＲＦｂと熱交換して温度が低下した排気ガスＥＧは、熱交換ユニット４０から外部空間ＯＤに排出される。
【0039】
［調節器６０及び調節弁６１］
調節器６０は、温度検出器１２における検出結果に基づいて、調節弁６１を制御する。調節弁６１は、冷却ユニット２０から燃料電池ユニット１０に流れる熱媒体ＲＦ１の流路に設けられる。調節弁６１は、冷却ユニット２０から燃料電池ユニット１０に供給される熱媒体ＲＦの量を調節する。調節器６０は、温度検出器１２において検出した温度が、目標温度になるように、調節弁６１における開度を制御する。
調節器６０は、温度検出器１２における検出結果に基づいて、調節弁６１を制御する。調節弁６１は、冷却ユニット２０から燃料電池ユニット１０に流れる熱媒体ＲＦ１の流路に設けられる。調節弁６１は、冷却ユニット２０から燃料電池ユニット１０に供給される熱媒体ＲＦの量を調節する。調節器６０は、温度検出器１２において検出した温度が、目標温度になるように、調節弁６１における開度を制御する。
【0040】
調節弁６１は、例えば、空気圧式調節弁、油圧式調節弁又は電動式調節弁である。また、調節弁６１は、例えば、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁又はボール弁である。
【0041】
［手動弁７０］
手動弁７０は、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂの量を調節する。手動弁７０は、例えば、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁又はボール弁である。なお、手動弁７０に換えて、調節弁を備えるようにしてもよい。
手動弁７０は、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂの量を調節する。手動弁７０は、例えば、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁又はボール弁である。なお、手動弁７０に換えて、調節弁を備えるようにしてもよい。
【0042】
＜まとめ＞
第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、冷却ユニットから燃料電池ユニットに供給される熱媒体を分流した熱媒体により、排気ガスを冷却することから、簡易的に、排気ガスを冷却して、白煙の発生を抑制できる。
第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、冷却ユニットから燃料電池ユニットに供給される熱媒体を分流した熱媒体により、排気ガスを冷却することから、簡易的に、排気ガスを冷却して、白煙の発生を抑制できる。
【0043】
なお、第１実施形態に係る燃料電池システムの一例である燃料電池システム１は、１台の燃料電池ユニット１０を備えるが、燃料電池ユニットを複数備えてもよい。複数の燃料電池ユニットを備える場合は、複数の燃料電池ユニットのそれぞれの排気ガスを冷却する熱交換ユニットを備えてもよいし、複数の燃料電池ユニットのそれぞれの排気ガスを合流させ、合流した排気ガスを冷却する熱交換ユニットを備えてもよい。以下の実施形態についても同様である。
【0044】
≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムに、第１熱交換ユニットにより熱交換された排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットを更に備える。そして、第２実施形態において、第２熱媒体は、燃料電池ユニットから冷却ユニットに戻る熱媒体から分流される。
第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムに、第１熱交換ユニットにより熱交換された排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットを更に備える。そして、第２実施形態において、第２熱媒体は、燃料電池ユニットから冷却ユニットに戻る熱媒体から分流される。
【0045】
第２実施形態に係る燃料電池システムについて、具体的な例を用いて説明する。図２は、第２実施形態に係る発電装置の一例である燃料電池システム２の概略図である。燃料電池システム２は、燃料電池セルを用いた燃料電池システムである。
【0046】
＜燃料電池システム２＞
燃料電池システム２は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、熱交換ユニット５０と、調節器６０と、調節弁６１と、手動弁７０と、手動弁８０と、を備える。なお、燃料電池システム１と共通する構成は、燃料電池システム１の説明を参照することとして、ここでは説明を省略する。
燃料電池システム２は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、熱交換ユニット５０と、調節器６０と、調節弁６１と、手動弁７０と、手動弁８０と、を備える。なお、燃料電池システム１と共通する構成は、燃料電池システム１の説明を参照することとして、ここでは説明を省略する。
【0047】
［熱交換ユニット５０］
熱交換ユニット５０は、熱交換ユニット４０において熱交換された排気ガスＥＧと熱媒体ＲＦｃとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｃは、燃料電池ユニット１０から冷却ユニット２０に戻る熱媒体ＲＦ２が分流された熱媒体である。したがって、熱交換ユニット５０に供給される熱媒体ＲＦｃ１は、燃料電池ユニット１０において熱交換されて温度が上昇した高温の熱媒体である。熱媒体ＲＦｂ１の温度は、例えば、５０℃から６０℃である。
熱交換ユニット５０は、熱交換ユニット４０において熱交換された排気ガスＥＧと熱媒体ＲＦｃとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｃは、燃料電池ユニット１０から冷却ユニット２０に戻る熱媒体ＲＦ２が分流された熱媒体である。したがって、熱交換ユニット５０に供給される熱媒体ＲＦｃ１は、燃料電池ユニット１０において熱交換されて温度が上昇した高温の熱媒体である。熱媒体ＲＦｂ１の温度は、例えば、５０℃から６０℃である。
【0048】
熱交換ユニット５０は、高温の熱媒体である熱媒体ＲＦｃ１が供給され、熱媒体ＲＦｃと排気ガスＥＧとの間で熱交換を行う。熱媒体ＲＦｃと排気ガスＥＧとの間で熱交換を行うと、排気ガスＥＧは加熱される。排気ガスＥＧが加熱されると、外部空間ＯＤに排出されたときに、排気ガスＥＧと外気との混合ガスの温度を上昇させて、白煙の発生を抑制できる。熱交換ユニット５０は、熱交換した熱媒体ＲＦｃ（熱媒体ＲＦｃ２）を冷却ユニット２０に排出する。
【0049】
熱交換ユニット５０は、例えば、熱媒体ＲＦｃが流れる複数の配管と、当該複数の配管と結合する複数のフィンと、を備える熱交換器を含む。
【0050】
燃料電池ユニット１０から排出される排気ガスＥＧは、熱交換ユニット４０において熱媒体ＲＦｂと熱交換して冷却される。そして、熱交換ユニット４０において熱交換した排気ガスＥＧは、熱交換ユニット５０において熱媒体ＲＦｃと熱交換して加熱される。
【0051】
［手動弁８０］
手動弁８０は、熱交換ユニット５０に供給される熱媒体ＲＦｃの量を調節する。手動弁８０は、例えば、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁又はボール弁である。なお、手動弁８０に換えて、調節弁を備えるようにしてもよい。
手動弁８０は、熱交換ユニット５０に供給される熱媒体ＲＦｃの量を調節する。手動弁８０は、例えば、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁又はボール弁である。なお、手動弁８０に換えて、調節弁を備えるようにしてもよい。
【0052】
＜まとめ＞
第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、冷却ユニットから燃料電池ユニットに供給される熱媒体を分流した熱媒体により、排気ガスを冷却することから、簡易的に、排気ガスを冷却して、白煙の発生を抑制できる。さらに、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスを再加熱することにより、白煙の発生をより抑制できる。
第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、冷却ユニットから燃料電池ユニットに供給される熱媒体を分流した熱媒体により、排気ガスを冷却することから、簡易的に、排気ガスを冷却して、白煙の発生を抑制できる。さらに、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスを再加熱することにより、白煙の発生をより抑制できる。
【0053】
なお、熱媒体ＲＦｂが第１熱媒体の一例、熱媒体ＲＦｃが第２熱媒体の一例、である。
【0054】
≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、更に白煙の発生を抑制するように制御を行う。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態に係る燃料電池システムに、第１熱媒体の流量を調節する第１調節弁と、第２熱媒体の流量を調節する第２調節弁と、を更に備える。また、第３実施形態に係る燃料電池システムは、外気温度と、第１排気の第１排気温度と、第２排気の第２排気温度と、第３排気の第３排気温度と、第１排気の排気湿度と、に基づいて、第１調節弁及び第２調節弁のそれぞれの開度を調節する調節部を備える。
第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、更に白煙の発生を抑制するように制御を行う。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態に係る燃料電池システムに、第１熱媒体の流量を調節する第１調節弁と、第２熱媒体の流量を調節する第２調節弁と、を更に備える。また、第３実施形態に係る燃料電池システムは、外気温度と、第１排気の第１排気温度と、第２排気の第２排気温度と、第３排気の第３排気温度と、第１排気の排気湿度と、に基づいて、第１調節弁及び第２調節弁のそれぞれの開度を調節する調節部を備える。
【0055】
第３実施形態に係る燃料電池システムについて、具体的な例を用いて説明する。図３は、第３実施形態に係る発電装置の一例である燃料電池システム３の概略図である。燃料電池システム３は、燃料電池セルを用いた燃料電池システムである。
【0056】
＜燃料電池システム３＞
燃料電池システム３は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、熱交換ユニット５０と、調節器６０と、調節弁６１と、調節弁７１と、調節弁８１と、調節部９０と、を備える。また、燃料電池システム３は、湿度計９１、温度計９２、温度計９３、温度計９４、湿度計９５及び温度計９６を備える。なお、燃料電池システム２と共通する構成は、燃料電池システム２の説明を参照することとして、ここでは説明を省略する。
燃料電池システム３は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、熱交換ユニット５０と、調節器６０と、調節弁６１と、調節弁７１と、調節弁８１と、調節部９０と、を備える。また、燃料電池システム３は、湿度計９１、温度計９２、温度計９３、温度計９４、湿度計９５及び温度計９６を備える。なお、燃料電池システム２と共通する構成は、燃料電池システム２の説明を参照することとして、ここでは説明を省略する。
【0057】
［調節弁７１］
調節弁７１は、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂの流量を調節する。調節弁７１は、調節部９０により制御される。調節部９０は、熱媒体ＲＦｂと熱交換した排気ガスＥＧが目標温度になるように、調節弁７１における開度を制御する。調節部９０は調節弁７１における開度を制御することにより、熱媒体ＲＦｂの流量を調節する。
調節弁７１は、熱交換ユニット４０に供給される熱媒体ＲＦｂの流量を調節する。調節弁７１は、調節部９０により制御される。調節部９０は、熱媒体ＲＦｂと熱交換した排気ガスＥＧが目標温度になるように、調節弁７１における開度を制御する。調節部９０は調節弁７１における開度を制御することにより、熱媒体ＲＦｂの流量を調節する。
【0058】
［調節弁８１］
調節弁８１は、熱交換ユニット５０に供給される熱媒体ＲＦｃの流量を調節する。調節弁８１は、調節部９０により制御される。調節部９０は、熱媒体ＲＦｃと熱交換した排気ガスＥＧが目標温度になるように、調節弁８１における開度を制御する。調節部９０は調節弁８１における開度を制御することにより、熱媒体ＲＦｃの流量を調節する。
調節弁８１は、熱交換ユニット５０に供給される熱媒体ＲＦｃの流量を調節する。調節弁８１は、調節部９０により制御される。調節部９０は、熱媒体ＲＦｃと熱交換した排気ガスＥＧが目標温度になるように、調節弁８１における開度を制御する。調節部９０は調節弁８１における開度を制御することにより、熱媒体ＲＦｃの流量を調節する。
【0059】
［調節部９０］
調節部９０は、排気ガスＥＧを外部空間ＯＤに排気したときに、白煙の発生を抑制するように、調節弁７１及び調節弁８１を制御する。
調節部９０は、排気ガスＥＧを外部空間ＯＤに排気したときに、白煙の発生を抑制するように、調節弁７１及び調節弁８１を制御する。
【0060】
燃料電池システム３は、燃料電池ユニット１０から排出される排気ガスＥＧの湿度を計測する湿度計９１と、排気ガスＥＧの温度を計測する温度計９２と、を備える。また、燃料電池システム３は、熱交換ユニット４０において熱交換した排気ガスＥＧの温度を測定する温度計９３を備える。さらに、燃料電池システム３は、熱交換ユニット５０において熱交換した排気ガスＥＧの温度を測定する温度計９４を備える。また、燃料電池システム３は、外部空間ＯＤにおける湿度である外気湿度を測定する湿度計９５と、外部空間ＯＤにおける温度である外気温度を測定する温度計９６と、を備える。
【0061】
湿度計９１、温度計９２、温度計９３、温度計９４、湿度計９５及び温度計９６のそれぞれは、調節部９０に接続される。調節部９０は、湿度計９１、温度計９２、温度計９３、温度計９４、湿度計９５及び温度計９６のそれぞれにおける測定結果に基づいて、調節弁７１及び調節弁８１のそれぞれの開度を制御する。
【0062】
＜燃料電池システム３における処理＞
燃料電池システム３における処理について説明する。図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの一例である燃料電池システム３の処理を説明するフロー図である。
燃料電池システム３における処理について説明する。図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの一例である燃料電池システム３の処理を説明するフロー図である。
【0063】
（ステップＳ１０）
調節部９０は、外部空間ＯＤにおける温度（外気温度）及び湿度（外気湿度）を取得する（外気の温度及び湿度を取得する工程）。調節部９０は、湿度計９５から外気湿度ＨＵａを取得する。また、調節部９０は、温度計９６から外気温度Ｔａを取得する。
調節部９０は、外部空間ＯＤにおける温度（外気温度）及び湿度（外気湿度）を取得する（外気の温度及び湿度を取得する工程）。調節部９０は、湿度計９５から外気湿度ＨＵａを取得する。また、調節部９０は、温度計９６から外気温度Ｔａを取得する。
【0064】
（ステップＳ２０）
調節部９０は、排気ガスＥＧにおける温度及び湿度を取得する（排気ガスの温度及び湿度を取得する工程）。調節部９０は、湿度計９１から湿度ＨＵｅを取得する。また、調節部９０は、温度計９２から温度Ｔｅを取得する。
調節部９０は、排気ガスＥＧにおける温度及び湿度を取得する（排気ガスの温度及び湿度を取得する工程）。調節部９０は、湿度計９１から湿度ＨＵｅを取得する。また、調節部９０は、温度計９２から温度Ｔｅを取得する。
【0065】
なお、燃料電池システム３において、排気ガスＥＧにおける湿度は、湿度計９１により測定する場合に限らない。燃料電池システム３は、例えば、燃料電池ユニット１０の運転状態（例えば、出力）における湿度を事前に測定し、事前に測定した結果を用いて、燃料電池ユニット１０の運転状態から湿度を推定してもよい。
【0066】
（ステップＳ３０）
調節部９０は、ステップＳ１０及びステップＳ２０のそれぞれにおいて取得した温度及び湿度に基づいて、排気ガスと外気との混合ガスの温度と水蒸気量との関係を推定する（排気ガスと外気との混合ガスの温度と水蒸気量との関係を推定する工程）。
調節部９０は、ステップＳ１０及びステップＳ２０のそれぞれにおいて取得した温度及び湿度に基づいて、排気ガスと外気との混合ガスの温度と水蒸気量との関係を推定する（排気ガスと外気との混合ガスの温度と水蒸気量との関係を推定する工程）。
【0067】
排気ガスと外気との混合ガスの温度と水蒸気量との関係を推定する手法について詳細を説明する。
【0068】
飽和水蒸気圧は、温度に依存して変化する。温度Ｔ（単位：セルシウス度（℃））における飽和水蒸気圧ｅ（Ｔ）（単位：ヘクトパスカル（ｈＰａ））は、式１により表される。
【0069】
【数1】
【0070】
また、温度Ｔ（単位：セルシウス度（℃））における飽和水蒸気量ａ（ｔ）（単位：グラム毎立方メートル（ｇ／ｍ３））は、飽和水蒸気圧ｅ（Ｔ）（単位：ヘクトパスカル（ｈＰａ））を用いて式２により表される。
【0071】
【数2】
【0072】
式１及び式２より、飽和水蒸気量ａ（Ｔ）（単位：グラム毎立方メートル（ｇ／ｍ３））は、式３で表される。
【0073】
【数3】
【0074】
次に、外気に含まれる水蒸気量を算出する。外気における温度（外気温度）をＴａ（単位：セルシウス度（℃））、外気における湿度（外気湿度）をＨＵａ（単位：％）とすると、外気における水蒸気量Ａａ（単位：グラム毎立方メートル（ｇ／ｍ３））は、式４で表される。
【0075】
【数4】
【0076】
また、排気ガスに含まれる水蒸気量を算出する。排気ガスにおける温度をＴｅ（単位：セルシウス度（℃））、排気ガスにおける湿度をＨＵｅ（単位：％）とすると、排気ガスにおける水蒸気量Ａｅ（単位：グラム毎立方メートル（ｇ／ｍ３））は、式５で表される。
【0077】
【数5】
【0078】
ここで、排気ガスが外気に排出されて、排気ガスと外気とが混合したガスについて検討する。排気ガスが外気と混合すると、例えば、外気に対する排気ガスの比率に比例して、混合ガスの温度及び水蒸気量が変化すると考えられる。
【0079】
具体的に例を用いて説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料電池システムの一例である燃料電池システム３の動作を説明する図である。図５において、排気ガスＥＧにおける温度Ｔｅを６０℃、湿度ＨＵｅを８０％、外気温度Ｔａを１０℃、外気湿度ＨＵａを５０％とした例を用いて説明する。
【0080】
図５において、線Ｌｓａは、飽和水蒸気量を示す。すなわち、線Ｌｓａは、式３において示される飽和水蒸気量ａ（Ｔ）により求められる飽和水蒸気量曲線を示す。
【0081】
点Ｐｅは、排気ガスＥＧの温度と水蒸気量を示す。点Ｐａは、外部空間ＯＤにおける温度と水蒸気量を示す。
【0082】
排気ガスＥＧが外部空間ＯＤに排出されて、排気ガスＥＧと外気とが混合すると、排気ガスＥＧと外気との混合ガスの温度及び水蒸気量は、点Ｐｅと点Ｐａとの間を直線で結んだ線分Ｌｓｂ上を変化すると考えられる。
【0083】
点Ｐｅと点Ｐａとを直線で結んだ線分を示す温度Ｔ（単位：セルシウス度（℃））に対する水蒸気量ｂ（Ｔ）（単位：グラム毎立方メートル（ｇ／ｍ３））の式は、式６で表される。
【0084】
【数6】
【0085】
式６により、調節部９０は、排気ガスと外気との混合ガスの温度と水蒸気量との関係を推定する。
【0086】
（ステップＳ４０）
調節部９０は、排気ガスと外気との混合ガスの水蒸気量が飽和水蒸気量より多くなる場合があるかを判定する（排気ガスと外気との混合ガスの水蒸気量が飽和水蒸気量より多くなる場合があるかを判定する工程）。調節部９０は、排気ガスの温度Ｔｅ（第１温度）と外気温度Ｔａとの間の温度範囲における温度Ｔについて、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合があるかどうかを判定する。
調節部９０は、排気ガスと外気との混合ガスの水蒸気量が飽和水蒸気量より多くなる場合があるかを判定する（排気ガスと外気との混合ガスの水蒸気量が飽和水蒸気量より多くなる場合があるかを判定する工程）。調節部９０は、排気ガスの温度Ｔｅ（第１温度）と外気温度Ｔａとの間の温度範囲における温度Ｔについて、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合があるかどうかを判定する。
【0087】
図５に示す具体的な例を用いて説明する。図５において、クロスハッチングで示す範囲Ｓｃは、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなっている範囲を示す。範囲Ｓｃは、飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が多い部分を示している。水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多いと、水蒸気量ｂ（Ｔ）における飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多い分の水蒸気が白煙として析出する。言い換えると、範囲Ｓｃは、白煙が発生する温度範囲と量を示している。
【0088】
すなわち、排気ガスの温度Ｔｅと外気温度Ｔａとの間の温度範囲における温度Ｔについて、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなると、排気ガスＥＧが外気と混合したときに白煙が発生する。
【0089】
排気ガスの温度Ｔｅと外気温度Ｔａとの間の温度範囲における温度Ｔについて、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合がある場合（ステップＳ４０のＹＥＳ）、調節部９０はステップＳ５０に処理を進める。そして、調節部９０は、ステップＳ５０及びステップＳ６０において、白煙の発生を抑制するように、調節弁７１及び調節弁８１を制御する。
【0090】
排気ガスの温度Ｔｅと外気温度Ｔａとの間の温度範囲における温度Ｔについて、ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合がない場合（ステップＳ４０のＮＯ）、調節部９０は白煙の発生はないと判断する。ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合がない場合（ステップＳ４０のＮＯ）、調節部９０はステップＳ７０に処理を進める。
【0091】
調節部９０は、水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合があるかどうかを、例えば、実用的な温度範囲（例えば、－１０℃から８０℃）において、０．１℃刻みで飽和水蒸気量ａ（Ｔ）と水蒸気量ｂ（Ｔ）との大小を比較して判定してもよい。また、調節部９０は、水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合があるかどうかを、例えば、飽和水蒸気量ａ（Ｔ）及び水蒸気量ｂ（Ｔ）について、方程式ｂ（Ｔ）－ａ（Ｔ）＝０を解いて、実数解が得られるかどうかによって判定してもよい。
【0092】
ステップＳ３０で求めた水蒸気量ｂ（Ｔ）が飽和水蒸気量ａ（Ｔ）より多くなる場合がない場合（ステップＳ４０のＮＯ）、白煙が生じないことから、排気ガスＥＧの温度調整をする必要がないので、調節弁７１及び調節弁８１のそれぞれを全閉としてもよい。
【0093】
（ステップＳ５０）
調節部９０は、調節弁７１及び調節弁８１のそれぞれを制御するための温度目標値を算出する（調節弁を制御するための温度目標値を算出する工程）。
調節部９０は、調節弁７１及び調節弁８１のそれぞれを制御するための温度目標値を算出する（調節弁を制御するための温度目標値を算出する工程）。
【0094】
具体的に例を用いて説明する。図６は、第３実施形態に係る燃料電池システムの一例である燃料電池システム３の動作を説明する図である。図６において、図５と同様に、排気ガスＥＧにおける温度Ｔｅを６０℃、湿度ＨＵｅを８０％、外気温度Ｔａを１０℃、外気湿度ＨＵａを５０％とした例を用いて説明する。
【0095】
最初に、熱交換ユニット４０における目標温度Ｔ１について説明する。調節部９０は、目標温度Ｔ１を、例えば、熱媒体ＲＦｂの温度Ｔ１Ｌより高く、飽和水蒸気量ａ（Ｔ）が排気ガスＥＧの水蒸気量となる温度Ｔ１Ｈより低くするように設定する。飽和水蒸気量ａ（Ｔ）が排気ガスＥＧの水蒸気量となる温度Ｔ１Ｈは、排気ガスＥＧにおける相対湿度が１００％となる温度である。
【0096】
目標温度Ｔ１を熱媒体ＲＦｂの温度Ｔ１Ｌより高くするのは、原理上、熱媒体ＲＦｂの温度Ｔ１Ｌが熱交換ユニット４０から排出された排気ガスＥＧの下限の温度であるからである。温度Ｔ１Ｌは、例えば、３５℃である。目標温度Ｔ１を水蒸気量ｂ（Ｔ）と飽和水蒸気量ａ（Ｔ）とが交わる温度Ｔ１Ｈより低くするのは、熱交換ユニット４０において、排気ガスＥＧに含まれる水分を凝縮させるためである。
【0097】
なお、目標温度Ｔ１は、熱交換ユニット４０の能力も加味して設定するが、なるべく低いほうが好ましい。
【0098】
次に、熱交換ユニット５０における目標温度Ｔ２について説明する。熱交換ユニット４０から排出される排気ガスＥＧは、水分が除去されたものの、水蒸気が飽和状態にあるため、外気と混ぜたときに白煙が生じる可能性がある。白煙が生じることを抑制するために、熱交換ユニット４０から排出される排気ガスＥＧを熱交換ユニット５０で再加熱して、排気ガスＥＧにおける相対湿度を下げる。
【0099】
調節部９０は、目標温度Ｔ２を、例えば、目標温度Ｔ１における飽和水蒸気量を通る直線Ｌ１と、点Ｐａを通り線Ｌｓａに接する線との交点における温度Ｔ２Ｌより高く、熱媒体ＲＦｃの温度Ｔ２Ｈより低くするように設定する。点Ｐａは、外気温度Ｔａと、外気における水蒸気量Ａａに関連する。したがって、温度Ｔ２Ｌ（最低温度）は、外気温度Ｔａと、外気における水蒸気量Ａａと、目標温度Ｔ１における飽和水蒸気量と、に基づいて定められる。温度Ｔ２Ｌ（最低温度）は、外気と排気ガスＥＧとの混合ガスにおいて、白煙が発生しない最低温度である。
【0100】
目標温度Ｔ２を温度Ｔ２Ｌより高くするのは、線Ｌｓａは下に凸の曲線であることから、温度Ｔ２Ｌより高くすることにより、白煙の発生を抑制できるからである。目標温度Ｔ２を熱媒体ＲＦｃの温度Ｔ２Ｈより低くするのは、原理上、熱媒体ＲＦｃの温度Ｔ２Ｈが熱交換ユニット５０から排出される排気ガスＥＧの上限の温度であるからである。温度ＴＬ１は、例えば、４８℃である。
【0101】
なお、目標温度Ｔ２は、熱交換ユニット５０の能力も加味して設定するが、なるべく高いほうが好ましい。
【0102】
（ステップＳ６０）
調節部９０は、調節弁７１及び調節弁８１のそれぞれを温度が温度目標値になるように制御する（温度が温度目標値になるように調節弁を制御する工程）。
調節部９０は、調節弁７１及び調節弁８１のそれぞれを温度が温度目標値になるように制御する（温度が温度目標値になるように調節弁を制御する工程）。
【0103】
調節部９０は、熱交換ユニット４０において熱交換して排出された排気ガスＥＧの温度（第２温度）が目標温度Ｔ１になるように、調節弁７１の開度を調節する。調節部９０は、温度計９３により検出される温度が目標温度Ｔ１となるように、例えば、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御により、調節弁７１の開度を制御する。
【0104】
また、調節部９０は、熱交換ユニット５０において熱交換して排出された排気ガスＥＧの温度（第３温度）が目標温度Ｔ２になるように、調節弁８１の開度を調節する。調節部９０は、温度計９４により検出される温度が目標温度Ｔ２となるように、例えば、ＰＩＤ制御により、調節弁８１の開度を制御する。
【0105】
燃料電池システム３における動作について、具体的に例を用いて説明する。図７は、第３実施形態に係る燃料電池システムの一例である燃料電池システム３の動作を模式的に説明する図である。図７において、図５及び図６と同様に、排気ガスＥＧにおける温度Ｔｅを６０℃、湿度ＨＵｅを８０％、外気温度Ｔａを１０℃、外気湿度ＨＵａを５０％とした例を用いて説明する。
【0106】
燃料電池システム３は、熱交換ユニット４０において排気ガスＥＧを冷却する。調節部９０は、熱交換ユニット４０において熱交換された排気ガスＥＧの温度が温度Ｔｅから目標温度Ｔ１になるように排気ガスＥＧを冷却する。熱交換ユニット４０において、排気ガスＥＧを温度Ｔｅから目標温度Ｔ１になるように冷却することを、図７において模式的に矢印Ａｒ１により示す。排気ガスＥＧの温度が、温度Ｔｅから目標温度Ｔ１になると、水蒸気量Ａｅから目標温度Ｔ１における飽和水蒸気量である水蒸気量Ａ１まで水蒸気量が減少する。排気ガスＥＧにおいて水蒸気量Ａｅが水蒸気量Ａ１まで減少することを、図７において模式的に矢印Ａｒ２により示す。
【0107】
上述のように、排気ガスＥＧの温度が目標温度Ｔ１になると、排気ガスＥＧにおける水蒸気量は飽和水蒸気量となる。したがって、排気ガスＥＧの温度が下がると、白煙が発生する。そこで、熱交換ユニット５０により排気ガスＥＧを温度が目標温度Ｔ２になるように再加熱する。排気ガスＥＧを目標温度Ｔ１から目標温度Ｔ２まで再加熱することを、図７において模式的に矢印Ａｒ３で示す。
【0108】
熱交換ユニット５０において、再加熱された状態を点Ｐ２に示す。点Ｐａと点Ｐ２を結ぶ線分を線Ｌｓｃで示す。線Ｌｓｃは、線Ｌｓａと交わらない。したがって、燃料電池システム３の制御により、白煙の発生を抑制できる。
【0109】
（ステップＳ７０）
調節部９０は、処理を継続するかどうか判定する（処理を継続するか判定する工程）。処理を継続する場合（ステップＳ７０のＹＥＳ）、調節部９０は、ステップＳ１０に戻って処理を繰り返す。処理を終了する場合（ステップＳ７０のＮＯ）、調節部９０は処理を終了する。
調節部９０は、処理を継続するかどうか判定する（処理を継続するか判定する工程）。処理を継続する場合（ステップＳ７０のＹＥＳ）、調節部９０は、ステップＳ１０に戻って処理を繰り返す。処理を終了する場合（ステップＳ７０のＮＯ）、調節部９０は処理を終了する。
【0110】
＜まとめ＞
第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できるように制御できる。また、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、白煙が発生しないように、第１熱交換ユニット及び第２熱交換ユニットのそれぞれに供給する熱媒体の流量を制御できることから、過剰な流量を流すことを抑制してエネルギー消費を抑制できる。さらに、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、白煙が発生しない場合に、排気ガスの冷却と再加熱を行わないようにして、エネルギーの消費をより抑制できる。
第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できるように制御できる。また、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、白煙が発生しないように、第１熱交換ユニット及び第２熱交換ユニットのそれぞれに供給する熱媒体の流量を制御できることから、過剰な流量を流すことを抑制してエネルギー消費を抑制できる。さらに、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、白煙が発生しない場合に、排気ガスの冷却と再加熱を行わないようにして、エネルギーの消費をより抑制できる。
【0111】
なお、調節弁７１が第１調節弁の一例、調節弁８１が第２調節弁の一例、である。
【0112】
≪第４実施形態≫
第４実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、を備える。また、第４実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルから排出される排気ガスと熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、第１熱交換ユニットにより熱交換された排気ガスと熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、を備える。そして、第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第１熱交換ユニットは、冷却ユニットから熱媒体を供給され、第１熱交換ユニットは、供給された熱媒体を、熱交換後に燃料電池ユニットに排出する。また、第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第２熱交換ユニットは、燃料電池ユニットから熱媒体を供給され、第２熱交換ユニットは、供給された熱媒体を、熱交換後に冷却ユニットに排出する。
第４実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、を備える。また、第４実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルから排出される排気ガスと熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、第１熱交換ユニットにより熱交換された排気ガスと熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、を備える。そして、第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第１熱交換ユニットは、冷却ユニットから熱媒体を供給され、第１熱交換ユニットは、供給された熱媒体を、熱交換後に燃料電池ユニットに排出する。また、第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第２熱交換ユニットは、燃料電池ユニットから熱媒体を供給され、第２熱交換ユニットは、供給された熱媒体を、熱交換後に冷却ユニットに排出する。
【0113】
第４実施形態に係る燃料電池システムについて、具体的な例を用いて説明する。図８は、第４実施形態に係る発電装置の一例である燃料電池システム４の概略図である。燃料電池システム４は、燃料電池セルを用いた燃料電池システムである。
【0114】
＜燃料電池システム４＞
燃料電池システム４は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、熱交換ユニット５０と、調節器６０と、調節弁６１と、を備える。なお、燃料電池システム２と共通する構成は、燃料電池システム２の説明を参照することとして、ここでは説明を省略する。
燃料電池システム４は、燃料電池ユニット１０と、冷却ユニット２０と、ポンプ３０と、熱交換ユニット４０と、熱交換ユニット５０と、調節器６０と、調節弁６１と、を備える。なお、燃料電池システム２と共通する構成は、燃料電池システム２の説明を参照することとして、ここでは説明を省略する。
【0115】
燃料電池システム４における熱媒体ＲＦの流れについて説明する。熱媒体ＲＦは、冷却ユニット２０から熱交換ユニット４０に供給される。そして、熱交換ユニット４０において排気ガスＥＧと熱交換した熱媒体ＲＦは、熱交換ユニット４０から調節弁６１を通って、燃料電池ユニット１０に供給される。燃料電池ユニット１０を冷却した熱媒体ＲＦは、熱交換ユニット５０に供給される。そして、熱交換ユニット５０において排気ガスＥＧと熱交換した熱媒体ＲＦは、冷却ユニット２０に戻る。
【0116】
＜まとめ＞
第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、熱媒体が流れる経路を簡略化できる。
第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気ガスにおける白煙の発生を抑制できる。第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、熱媒体が流れる経路を簡略化できる。
【0117】
なお、上記の動作例は、本実施形態に係る燃料電池システムにおける動作の一例であって、本実施形態に係る燃料電池システムは、上記の動作に限定されない。また、上記の動作例で示した数値についても、本実施形態に係る燃料電池システムにおける動作を説明するために例として用いる数値であって、本実施形態に係る燃料電池システムにおける動作は、当該数値に限定されない。
【0118】
以上、燃料電池システムを実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本開示の範囲内で可能である。
【符号の説明】
【0119】
１、２、３、４ 燃料電池システム
１０ 燃料電池ユニット
１１ 燃料電池セル
１２ 温度検出器
２０ 冷却ユニット
３０ ポンプ
４０ 熱交換ユニット
５０ 熱交換ユニット
６０ 調節器
６１ 調節弁
７０ 手動弁
７１ 調節弁
８０ 手動弁
８１ 調節弁
９０ 調節部
９１、９５ 湿度計
９２、９３、９４、９６ 温度計
ＥＧ 排気ガス
ＲＦ、ＲＦ１、ＲＦ２ 熱媒体
ＲＦｂ、ＲＦｂ１、ＲＦｂ２ 熱媒体
ＲＦｃ、ＲＦｃ１、ＲＦｃ２ 熱媒体
１０ 燃料電池ユニット
１１ 燃料電池セル
１２ 温度検出器
２０ 冷却ユニット
３０ ポンプ
４０ 熱交換ユニット
５０ 熱交換ユニット
６０ 調節器
６１ 調節弁
７０ 手動弁
７１ 調節弁
８０ 手動弁
８１ 調節弁
９０ 調節部
９１、９５ 湿度計
９２、９３、９４、９６ 温度計
ＥＧ 排気ガス
ＲＦ、ＲＦ１、ＲＦ２ 熱媒体
ＲＦｂ、ＲＦｂ１、ＲＦｂ２ 熱媒体
ＲＦｃ、ＲＦｃ１、ＲＦｃ２ 熱媒体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【手続補正書】
【提出日】2024-03-14
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
定置用の燃料電池システムであって、
燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、
前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される、
燃料電池システム。
燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと第１熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと第２熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱媒体は、前記冷却ユニットから前記燃料電池ユニットに供給される熱媒体から分岐され、
前記第２熱媒体は、前記燃料電池ユニットから前記冷却ユニットに戻る熱媒体から分岐される、
燃料電池システム。
【請求項2】
前記第１熱媒体の流量を調節する第１調節弁と、
前記第２熱媒体の流量を調節する第２調節弁と、
を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記第２熱媒体の流量を調節する第２調節弁と、
を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
外気温度及び外気湿度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける第１温度と、前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスにおける第２温度と、前記第２熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスにおける第３温度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける湿度と、に基づいて、前記第１調節弁及び前記第２調節弁のそれぞれの開度を調節する調節部を更に備える、
請求項２に記載の燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記調節部は、前記第２温度が第１目標温度になるように、前記第１調節弁の開度を調節し、
前記調節部は、前記第３温度が第２目標温度になるように、前記第２調節弁の開度を調節する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
前記調節部は、前記第３温度が第２目標温度になるように、前記第２調節弁の開度を調節する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記第１目標温度は、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスに含まれる水蒸気量が飽和水蒸気量と等しくなる温度より低い、
請求項４に記載の燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記第２目標温度は、前記外気温度と、外気における水蒸気量と、前記第１目標温度における飽和水蒸気量と、に基づいて定められる前記外気と前記排気ガスとの混合ガスにおいて白煙が発生しない前記第２熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスにおける最低温度より高い、
請求項５に記載の燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
外気温度及び外気湿度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける第１温度と、前記燃料電池セルから排出される前記排気ガスにおける湿度と、に基づいて、白煙の発生の有無を判定する判定部を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
定置用の燃料電池システムであって、
燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱交換ユニットは、前記冷却ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第１熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記燃料電池ユニットに排出し、
前記第２熱交換ユニットは、前記燃料電池ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第２熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記冷却ユニットに排出する、
燃料電池システム。
燃料電池セルを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池セルを冷却する熱媒体を供給する冷却ユニットと、
前記燃料電池セルから排出される排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットにより熱交換された前記排気ガスと前記熱媒体との間で熱交換する第２熱交換ユニットと、
を備え、
前記第１熱交換ユニットは、前記冷却ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第１熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記燃料電池ユニットに排出し、
前記第２熱交換ユニットは、前記燃料電池ユニットから前記熱媒体を供給され、
前記第２熱交換ユニットは、供給された前記熱媒体を、熱交換後に前記冷却ユニットに排出する、
燃料電池システム。