JP2005011621A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】タンクから熱交換装置に送給される熱回収水の温度を一定に制御し、システムを安定に運転すること。
【解決手段】タンク１０ａの入口側と出口側とをバイパスするバイパスライン１０ｄと熱回収水循環路との接続点に混合弁１０ｂを設け、カソード排ガス熱交換器１１ａに供給される熱回収水２７の温度を検出する温度センサ１３の検出温度を基にコントローラ１０ｅにより混合弁１０ｂの開度を制御する。温度センサ１３の検出温度が３０℃よりも低いときには混合弁１０ｂのバイパスライン側の開度を大きくし、熱回収タンク１０ａ側の開度を小さくすることにより熱回収水２７の温度を高くし、逆に、温度センサ１３の検出温度が３０℃よりも高いときには混合弁１０ｂのバイパス側の開度を小さくし、熱回収タンク１０ａ側の開度を大きくすることで、熱回収水２７の温度を低くし、カソード排ガス熱交換器１１ａに供給される熱回収水の温度を３０℃に維持する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、改質器や燃料電池から発生する排熱を回収して水を温めるに好適な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスを利用する家庭用の燃料電池システムとして、改質器や燃料電池から発生した排熱を回収して水を温め、温められた水をタンクに貯留し、貯留した水の一部を給湯系に排出するようにしたものが知られている。この種の燃料電池システムは、水を温めることにより熱需要としての給湯を賄い、かつ改質器や燃料電池の温度を最適な温度に保つことにより、システムとして安定した運転を行う必要がある。
【０００３】
この種のシステムとしては、例えば、貯湯槽をバイパスする配管と、熱媒の流路を貯湯槽とバイパス配管に切替る切替弁を備え、熱媒の温度が貯湯槽の温度より高いときには、熱媒を貯湯槽に戻すように流路を切り替え、熱媒の温度が貯湯槽の温度より低いときには、熱媒をバイパス配管を通して熱交換器へ循環させるように流路を切替るようにしたコジェネレーションシステムが知られている（特許文献１参照）。このシステムによれば、熱媒が様々な温度で排熱を回収してきても貯湯が可能になる。
【０００４】
また、コジェネレーションシステムとしては、熱媒を循環させて熱回収させるための第１の熱交換器に対し、その熱媒と水とを熱交換する第２の熱交換器を備え、熱媒と貯湯槽からの湯水とを熱交換することにより、熱媒の温度を一定に保って熱交換を行うようにしたものがある（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２２３３８号公報（第３頁から第６頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−６５９７６号公報（第３頁から第５頁、図１１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術のうち前者のものは、切替弁により全流量の流路を単に切り替えるだけの構成であるため、熱交換器に供給する熱媒の温度が変動し、燃料電池本体や燃料電池に供給するガスおよび空気の温度管理が困難で、燃料電池システムの運転に影響を与える。
【０００７】
一方、後者のものは、第１の熱交換器と第２の熱交換器が必要であり、構成が複雑になる。さらに貯湯槽に戻される熱媒の温度を一定にしたり、貯湯槽から熱交換器に排出される熱媒の温度を一定にすることについては十分配慮されていない。すなわち、前記各従来技術の構成では、燃料電池本体や燃料電池に供給するガスおよび空気の温度管理の要求が厳しくなる。
【０００８】
本発明の課題は、タンクから熱交換装置に送給される熱回収水の温度を一定に制御し、システムを安定に運転することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、熱回収系からの水を導入するタンク入口側と熱回収水を排出するタンク出口側とを結ぶバイパスラインを設けるとともに、バイパスラインからの熱回収水とタンク出口側からの熱回収水とを混合して熱回収系（熱交換装置）側に排出する制御弁（混合弁）を設け、さらにタンクから熱交換装置に供給される熱回収水の温度を検出するタンク出口側温度検出手段を設け、制御弁により、バイパスラインからの熱回収水とタンク出口側からの熱回収水との混合割合をタンク出口側温度検出手段の検出温度にしたがって制御するようにしたものである。例えば、タンク出口側温度検出手段の検出温度が出口側設定温度、例えば、３０℃より低いときにはバイパスラインからの熱回収水をタンク出口側からの熱回収水よりも多くする混合割合とし、タンク出口温度検出手段の検出温度が出口側設定温度より高いときにはバイパスラインからの熱回収水よりもタンク出口側からの熱回収水を多くする混合割合とすることで、熱回収水が熱交換装置の入口側に入る温度を出口側設定温度に調整することができる。
【００１０】
また、熱回収系（熱交換装置）からタンクに戻る熱回収水の温度を検出する入口側温度検出手段を設け、入口側温度検出手段の検出温度にしたがって循環ポンプから吐出される熱回収水の吐出流量を制御することもできる。この場合、入口側温度検出手段の検出温度が入口側設定温度、例えば、６０℃より低いときには、検出温度が入口側設定温度のときよりも吐出流量を少なくし、入口側温度検出手段の検出温度が入口側設定温度より高いときには、検出温度が入口側設定温度のときよりも吐出流量を多くする制御を行う。このような制御を行うことで、熱回収水がタンクに戻る温度を所定の温度６０℃（入口側設定温度）に制御することが可能になる。このような制御を行うことで、タンク内の熱回収水の温度が安定になるとともに、燃料電池本体の運転を安定に行うことが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。図１において、燃料電池システムは、改質器１、固体高分子形燃料電池２、空気ポンプ３、燃料ポンプ４、蒸発器５、水ポンプ６、空気ポンプ７、冷却水タンク８、冷却水循環ポンプ９、熱回収装置１０、熱交換装置１１、温度センサ１２、１３などを備えて構成されている。
【００１２】
改質器１は、燃焼部１ａ、改質反応部１ｂ、一酸化炭素変成器１ｃ、一酸化炭素酸化器１ｄを有し、原燃料２０が原燃料ポンプ４の作動によって改質反応部１ｂに供給され、蒸発器５からの水蒸気２１が改質反応部１ｂに供給され、空気ポンプ３の作動による空気２３が燃焼部１ａに供給されるようになっている。蒸発器５には水ポンプ６の駆動により、冷却水タンク８からの水２９が導入されている。改質器１は、原燃料２０と水蒸気２１とから水素含有ガスである改質ガス２２を生成するようになっている。すなわち、原燃料２０と蒸気２１とが供給される改質反応部１ｂでは、改質反応を起こし、水素リッチなガスである改質ガスが生成される。この改質ガスは、一酸化炭素変成器１ｃにおいて変成反応が生じ、一酸化炭素が減じて水素が増えた改質ガスになる。その後、一酸化炭素酸化器１ｄにおいて酸化反応が生じ、一酸化炭素の少ない改質ガス２２となり、この改質ガス２２は、改質ガス熱交換器１１ｄを介して燃料電池２に送給される。
【００１３】
燃料電池２は、アノード２ａ、カソード２ｂ、冷却部２ｃを備えて構成されており、アノード２ａには改質ガス熱交換器１１ｄで熱交換た改質ガス２２が導入され、カソード２ｂには空気ポンプ７の作動に伴う空気２４が供給されるようになっている。冷却部２ｃには冷却水タンク８からの冷却水２５が冷却水ポンプ９の作動によって循環するようになっている。燃料電池２に空気２４と改質ガス２２が供給されると、改質ガス２２に含まれる水素と、空気２４に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。すなわち、燃料電池２は燃料としての改質ガス２２と空気２４の供給を受けて改質ガス２２の有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するように構成されている。また燃料電池２内で化学反応が起きるに伴って反応熱が発生する。この反応熱を回収し、燃料電池２を冷却するために、冷却部２ｃに冷却水２５が循環するようになっている。また、燃料電池２による発電に伴って、燃料電池２からはカソード排ガス２６、アノード排ガス２８が排出されるようになっており、燃料電池２の排熱を回収するために、熱回収装置１０内に設けられた熱回収タンク１０ａの入口側と出口側とを結ぶ熱回収水循環路の途中に熱交換装置１１が設けられている。
【００１４】
熱交換装置１１は、カソード排ガス熱交換器１１ａ、アノード排ガス熱交換器１１ｂ、スタック冷却水熱交換器１１ｃ、改質ガス熱交換器１ｄを備えて構成されている。各熱交換器１１ａ〜１１ｄは熱回収水２７が循環する熱回収水循環路の途中に配置されており、カソード排ガス熱交換器１１ａはカソード排ガス２６と熱回収水２７との熱交換を行い、アノード排ガス熱交換器１１ｂはアノード排ガス２８と熱回収水２７との熱交換を行い、スタック冷却水熱交換器１１ｃは冷却部２ｃを循環する冷却水２５と熱回収水２７との熱交換を行い、改質ガス熱交換器１１ｄは改質ガス２２と熱回収水２７との熱交換を行うように構成されている。
【００１５】
一方、熱回収装置１０は、熱回収タンク１０ａ、混合弁１０ｂ、熱回収水循環ポンプ１０ｃ、バイパスライン１０ｄ、温度センサ１２、１３を備えて構成されている。熱回収タンク１０ａは給水系からの水と熱回収系（熱交換装置１１）からの水を貯留し、貯留した水の一部を加熱水として給湯系に排出するとともに熱回収水として熱回収系としての熱交換装置１１側に排出するようになっている。バイパスライン１０ｄは熱回収系からの水を導入するタンク入口側と熱回収水を排出するタンク出口側とをバイパスするように構成されている。
【００１６】
混合弁１０ｂは、熱回収水循環路とバイパスライン１０ｄとの接続点に配置されており、バイパスライン１０ｄからの熱回収水とタンク出口側からの熱回収水をその開度に応じて混合して熱回収水循環ポンプ１０ｃ側に排出するようになっている。この場合、混合弁１０ｂは、混合弁制御手段としてのコントローラ１０ｃからの指令にしたがってその開度が調整されるようになっている。すなわち、コントローラ１０ｅは、カソード排ガス熱交換器１１ａに供給される熱回収水の温度を検出する温度センサ（出口側温度検出手段）１３の検出温度にしたがって混合弁１０ｂの開度を制御するようになっている。
【００１７】
熱回収水循環ポンプ１０ｃは混合弁１０ｂからの熱回収水をカソード排ガス熱交換器１１ａ側に吐出するように構成されている。この場合、本実施形態では、熱回収水循環ポンプ１０ｃは熱回収タンク１０ａの入口側に供給される熱回収水の温度を検出する温度センサ（入口側温度検出手段）１２の検出温度にしたがってその吐出流量を制御するように構成されている。
【００１８】
すなわち、熱回収タンク１０ａ内の熱回収水２７の温度は、季節による環境温度の変化により一定ではない。熱回収水２７の温度が一定でないときには、熱回収量が変動し、改質ガス２２や燃料電池２の温度が変動し、安定した運転ができなくなる。
【００１９】
そこで、本実施形態においては、温度センサ１２によりタンク入口側の熱回収水２７の温度を監視し、温度センサ１３によりタンク出口側の熱回収水２７の温度を監視し、温度センサ１２の検出温度がタンク入口側設定温度、例えば、６０℃になるように制御し、温度センサ１３の検出温度が出口側設定温度、例えば、３０℃になるように制御することとしている。
【００２０】
具体的には、温度センサ１３の検出温度が設定温度（３０℃）よりも低いときには混合弁１０ｂのバイパスライン側の開度を大きくし、熱回収タンク１０ａ側の開度を小さくすることにより、バイパスライン１０ｄからの熱回収水をタンク出口側からの熱回収水よりも多くする開度に混合弁１０ｂを制御し、熱回収水２７の温度を上げる。逆に、温度センサ１３の検出温度が設定温度（３０℃）よりも高いときには、混合弁１０ｂのバイパスライン１０ｄ側の開度を小さくし、熱回収タンク１０ａ側の開度を大きくし（バイパスライン１０ｄからの熱回収水よりもタンク出口側からの熱回収水を多くし）、熱回収温度２７の温度を下げる。このような制御を繰返すことで、カソード排ガス熱交換器１１ａに供給される熱回収水２７の温度を設定温度に維持することができ、システムを安定に運転することができる。
【００２１】
また、混合弁１０ｂのバイパスライン側の開度を全開にして、熱回収タンク１０ａ側の開度を全閉にすることにより、熱回収水２７が熱回収タンク１０ａに戻らないようにして、起動時などの排熱の大きくないときに、温度の上がっていない熱回収水２７が熱回収タンク１０ａに戻ることを防止することもできる。
【００２２】
一方、温度センサ１２の検出温度が設定温度、例えば、６０℃よりも低いときには、熱回収水循環ポンプ１０ｃの吐出流量を、温度センサ１２の検出温度が設定温度にあるときよりも小さくすることにより、熱回収水２７の温度を上げ、逆に、温度センサ１２の検出温度が設定温度（６０℃）よりも高いときには、温度センサ１２の検出温度が設定温度にあるときよりも、熱回収水循環ポンプ１０ｃの吐出流量を大きくすることで、熱回収水２７の温度を下げる制御を行う。このような制御を繰返すことで、常に一定温度以上の熱回収水２７を熱回収タンク１０ａに戻すことができる。
【００２３】
このように、本実施形態によれば、熱回収タンク１０ａ内の熱回収水の温度を安定に保つことができるとともに、燃料電池本体の運転を安定に行うことができる。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態を図２にしたがって説明する。本実施形態は、環境温度や排熱の変動が少ない場合に、温度センサ１３の検出温度を基に混合弁１０ｂの開度を制御するようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。
【００２５】
本実施形態によれば、熱回収水循環ポンプ１０ｃの吐出流量を温度によって制御しなくても、環境温度や排熱の変動が少ない場合には、温度センサ１３の検出温度にしたがって混合弁１０ｂの開度を制御することで、熱回収タンク１０ａに戻る熱回収水２７の温度を安定に維持することができる。また、前記実施形態によれば、温度センサ１２を設ける必要がないため、前記実施形態よりもコストの低減を図ることができる。
【００２６】
前記各実施形態においては、混合弁１０ｂを用い、この混合弁１０ｂの開度をコントローラ１０ｅによって制御するものについて述べたが、混合弁１０ｂ、コントローラ１０ｅを用いる代わりに、バイパスライン１０ｄからの熱回収水とタンク出口側からの熱回収水とを混合するときの混合割合を制御することができる制御弁を用いることができる。この場合、制御弁は、温度センサ１３の検出温度が出口側設定温度より低いときにはバイパスライン１０ｄからの熱回収水をタンク出口側からの熱回収水よりも多くする混合割合とし、温度センサ１３の検出温度が出口側設定温度より高いときにはバイパスライン１０ｄからの熱回収水よりもタンク出口側からの熱回収水を多くする混合割合に制御することになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、タンクから熱交換装置に送給される熱回収水の温度を一定に制御することができるので、システムを安定に運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す燃料電池システムのブロック構成図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 燃料電池
３ 改質器空気ポンプ
４ 原燃料ポンプ
５ 蒸気発生器
６ 改質器水ポンプ
７ 燃料電池空気ポンプ
８ 冷却水タンク
９ 冷却水循環ポンプ
１０ 熱回収装置
１１ 熱交換装置
１１ａ カソード排ガス熱交換器
１１ｂ アノード排ガス熱交換器
１１ｃ スタック冷却水熱交換器
１１ｄ 改質ガス熱交換器
１０ａ 熱回収タンク
１０ｂ 混合弁
１０ｃ 熱回収水循環ポンプ
１０ｄ バイパスライン
１２、１３ 温度センサ

Claims (6)

1. 空気と改質ガスの供給を受けて前記改質ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池と、給水系からの水と熱回収系からの水を貯留し、貯留した水の一部を加熱水として給湯系に排出するとともに、熱回収水として前記熱回収系に排出するタンクと、前記熱回収系を構成する要素として前記熱回収系からの水を導入するタンク入口側と前記熱回収水を排出するタンク出口側とを結ぶ熱回収水循環路の途中に配置されて、前記燃料電池の発電に関連する流体と前記熱回収水との熱交換を行なう熱交換装置と、前記タンク入口側と前記タンク出口側とをバイパスするバイパスラインと、前記熱回収水循環路の途中に配置されて、前記バイパスラインからの熱回収水と前記タンク出口側からの熱回収水とを混合して前記熱交換装置側に排出する制御弁と、前記制御弁から排出された熱回収水を前記熱交換装置側に吐出する循環ポンプと、前記循環ポンプから前記熱交換装置に供給される熱回収水の温度を検出するタンク出口側温度検出手段とを備え、前記制御弁は、前記バイパスラインからの熱回収水と前記タンク出口側からの熱回収水との混合割合を前記タンク出口側温度検出手段の検出温度に従って制御してなる燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御弁は、前記タンク出口側温度検出手段の検出温度が出口側設定温度より低いときには前記バイパスラインからの熱回収水を前記タンク出口側からの熱回収水よりも多くする混合割合とし、前記タンク出口側温度検出手段の検出温度が出口側設定温度より高いときには前記バイパスラインからの熱回収水よりも前記タンク出口側からの熱回収水を多くする混合割合としなることを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料ガスと空気の供給を受けて前記燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池と、給水系からの水と熱回収系からの水を貯留し、貯留した水の一部を加熱水として給湯系に排出するとともに、熱回収水として前記熱回収系に排出するタンクと、前記熱回収系を構成する要素として前記熱回収系からの水を導入するタンク入口側と前記熱回収水を排出するタンク出口側とを結ぶ熱回収水循環路の途中に配置されて、前記燃料電池の発電に関連する流体と前記熱回収水との熱交換を行なう熱交換装置と、前記タンク入口側と前記タンク出口側とをバイパスするバイパスラインと、前記熱回収水循環路の途中に配置されて、前記バイパスラインからの熱回収水と前記タンク出口側からの熱回収水をその開度に応じて混合して前記熱交換装置側に排出する混合弁と、前記混合弁から排出された熱回収水を前記熱交換装置側に吐出する循環ポンプと、前記循環ポンプから前記熱交換装置に供給される熱回収水の温度を検出するタンク出口側温度検出手段と、前記タンク出口側温度検出手段の検出温度に従って前記混合弁の開度を制御する混合弁制御手段とを備えてなる燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記混合弁制御弁は、前記タンク出口側温度検出手段の検出温度が出口側設定温度より低いときには前記バイパスラインからの熱回収水を前記タンク出口側からの熱回収水よりも多くする開度に前記混合弁を制御し、前記タンク出口側温度検出手段の検出温度が出口側設定温度より高いときには前記バイパスラインからの熱回収水よりも前記タンク出口側からの熱回収水を多くする開度に前記混合弁を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１、２、３または４のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記熱交換装置から前記タンクに戻る熱回収水の温度を検出する入口側温度検出手段を備え、前記循環ポンプは、前記入口側温度検出手段の検出温度に従って前記熱回収水の吐出流量を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記循環ポンプは、前記入口側温度検出手段の検出温度が入口側設定温度より低いときには、前記検出温度が前記入口側設定温度のときよりも吐出流量を少なくし、前記入口側温度検出手段の検出温度が入口側設定温度より高いときには、前記検出温度が前記入口側設定温度のときよりも吐出流量を多くしてなることを特徴とする燃料電池システム。

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