JP2006294535A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas supplied to a fuel electrode and an oxidant electrode and supplies the power to a power consuming device, a hot water storage tank for storing hot water, and hot water circulates. The present invention relates to a fuel cell system including a hot water circulating circuit, recovering at least exhaust heat generated in a fuel cell on the hot water circulating circuit, heating the hot water, and supplying the hot water to a hot water consuming device.
この燃料電池システムとして、燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給するものはよく知られている。 As this fuel cell system, there are a fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas supplied to a fuel electrode and an oxidant electrode and supplies the power to a power consuming device, a hot water storage tank for storing hot water, and hot water storage. It is well known to provide a hot water circulation circuit that circulates, recovers at least exhaust heat generated in the fuel cell on the hot water circulation circuit, heats the hot water, and supplies the hot water to a hot water consuming device. .
このような燃料電池システムの一形式として、特許文献1「燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池発電システム20は、貯湯タンク52の底部に接続された冷水管54からの水をラジエータ42,凝縮器38,熱交換器36,温水管56を経由して貯湯タンク52の頂部に戻す系統が配置されている。熱交換器36は、燃料電池スタック34の冷却媒体(冷却水など)の循環流路(図中、破線で示す循環流路)に組み込まれて冷却媒体を冷却する。ラジエータ42は、貯湯タンク52の底部からの水をその温度により応じて冷却する冷却ファン42aが取り付けられている。これにより、凝縮器38や熱交換器36に供給する貯湯タンク52の底部からの水はその温度により必要に応じてラジエータ42で冷却されるから、凝縮器38における燃料電池スタック34からの排ガス中の水蒸気の凝縮や燃料電池スタック34の冷却を適正に行なうことができる。
As one type of such a fuel cell system, one disclosed in Patent Document 1 “Fuel Cell Power Generation System” is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the fuel cell
また、他の形式として、特許文献2「燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。特許文献2の図1に示されているように、燃料電池発電システム20は、特許文献1に示されている「燃料電池発電システム」にインバータ48aを冷却する冷却器48bが追加されたものである。インバータ48aは、貯湯タンク52の底部からの水により冷却されるから、燃料電池スタック34の動作温度に拘わらず、効率よく冷却することができる。しかも、冷却器48bに供給される水は冷却ファン42a付きのラジエータ42で冷却されるから、貯湯タンク52の底部の水の温度が高いときでもインバータ48aを十分に冷却することができる。これによっても、凝縮器38や熱交換器36に供給する貯湯タンク52の底部からの水はその温度により必要に応じてラジエータ42で冷却されるから、凝縮器38における燃料電池スタック34からの排ガス中の水蒸気の凝縮や燃料電池スタック34の冷却を適正に行なうことができる。
上述した特許文献1および特許文献2に記載の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池34の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池34の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯タンク52が高温の湯で満水となった場合、燃料電池34の冷却が不十分となり発電効率が悪化するのを防ぐため、貯湯水循環回路に設けたラジエータ42および電動冷却ファン42aによって排熱を捨てていた。これにより、燃料電池発電システムは発電出力範囲の全範囲において発電可能となるが、燃料電池34の排熱が捨てられ、すなわち燃料電池発電システムで生成された熱エネルギーが利用されることなく捨てられるとともに、燃料電池発電システムで生成された電気エネルギーがユーザ負荷電力として使用されるのではなく冷却ファン42aを作動させて排熱を捨てるために無駄に使用されることとなる。このため、発電出力、排熱利用のバランスが崩れて、燃料電池システムの運転が効率的に実施されない場合があった。
In the fuel cell power generation systems described in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, during the power generation of the
また、燃料電池システムの使用季節、使用方法などの違いによって電力需要が大であり温水需要が小である場合、または電力需要が小であり温水需要が大である場合がある。前者の場合には、貯湯水の利用量が少ないため貯湯槽が温度的に満水になりやすく、また満水になると特許文献1および特許文献2に記載のように発電効率、熱回収効率が低下するという問題があった。また、後者の場合には、できるだけ多量の貯湯水を熱回収効率よく供給するという要請があった。そして、温水消費が電力消費より多い場合でも少ない場合でも、各問題点に対処して効率のよい運転を実施する燃料電池システムが望まれている。 In addition, there is a case where the power demand is large and the hot water demand is small due to differences in the use season and usage of the fuel cell system, or the power demand is small and the hot water demand is large. In the case of the former, since the amount of hot water used is small, the hot water tank tends to become full in temperature, and when it becomes full, power generation efficiency and heat recovery efficiency decrease as described in Patent Document 1 and Patent Document 2. There was a problem. In the latter case, there has been a demand to supply as much hot water as possible with high heat recovery efficiency. There is a demand for a fuel cell system that can cope with each problem and perform efficient operation regardless of whether hot water consumption is higher or lower than power consumption.
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、温水消費が電力消費より多い場合および少ない場合の何れの場合においても、その状況に応じた効率のよい運転を実施する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in any case where the consumption of hot water is greater or less than the consumption of power, the fuel cell performs efficient operation according to the situation. The purpose is to provide a system.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給する燃料電池システムにおいて、温水消費装置での温水および電力消費装置での電力の使用状況に応じて設定される目標貯温水温度となるように貯湯水の温度を調整することである。 In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is that the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode generate power and supply the power to the power consuming device. A battery, a hot water storage tank for storing hot water, and a hot water circulation circuit for circulating the hot water, and recovering at least exhaust heat generated in the fuel cell on the hot water circulation circuit to heat the hot water to heat the hot water In the fuel cell system that supplies water to the hot water consuming device, the temperature of the hot water storage is adjusted to a target hot water temperature that is set according to the usage status of the hot water in the hot water consuming device and the power in the power consuming device. That is.
また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して少なくなるほど、目標貯湯水温度は高い温度に設定されることである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the target hot water storage temperature becomes higher as the amount of hot water used in the hot water consuming device is smaller than the amount of electric power used in the power consuming device. Is to be set.
また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、目標貯湯水温度は、所定の上限温度と所定の下限温度との範囲内に設定されていることである。 A structural feature of the invention according to claim 3 is that, in claim 2, the target hot-water storage water temperature is set within a range between a predetermined upper limit temperature and a predetermined lower limit temperature.
また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項3の何れか一項において、目標貯湯水温度は、温水消費装置で使用された温水使用量と、電力消費装置で消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定されることである。
Further, the structural feature of the invention according to
また請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項4の何れか一項において、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器と、貯湯水循環回路上に設けられ貯湯水を循環する循環手段と、をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池冷却媒体の温度を目標温度に調整することにより貯湯水を目標貯湯水温度に調整することである。 A structural feature of the invention according to claim 5 is that, according to any one of claims 1 to 4, the waste heat generated by the power generation of the fuel cell is recovered independently of the hot water circulation circuit. A fuel cell coolant circulating circuit through which the fuel cell coolant is circulated, a first heat exchanger for exchanging heat between the hot water and the fuel cell coolant, and circulating the hot water provided on the hot water circulating circuit And circulating means for adjusting the temperature of the fuel cell cooling medium to the target temperature by adjusting the amount of the circulating means to be fed, thereby adjusting the hot water storage temperature to the target hot water temperature.
また請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項5の何れか一項において、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器をさらに備え、加湿器は、燃料電池の温度に応じて酸化剤ガスの加湿量を調整可能であることである。 A structural feature of the invention according to claim 6 is that the humidifier according to any one of claims 1 to 5 further includes a humidifier that humidifies the oxidant gas and supplies the humidified gas to the oxidant electrode. The humidification amount of the oxidant gas can be adjusted according to the temperature of the fuel cell.
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、温水消費装置での温水および電力消費装置での電力の使用状況に応じて設定される目標貯湯水温度となるように貯湯水の温度を調整するので、温水消費と電力消費の状況に応じた適切な貯湯水温度に調整することができる。したがって、燃料電池システムの使用季節、使用方法などの違いによって同燃料電池システムが電力供給を主とし温水供給を従とする場合、または電力供給を従とし温水供給を主とする場合のいずれにおいても、燃料電池システムの運転をその状況に応じて効率よく実施することができる。 In the invention according to claim 1 configured as described above, the temperature of the hot water is set so as to be a target hot water temperature that is set according to the usage state of the hot water in the hot water consuming device and the power in the power consuming device. Since it adjusts, it can adjust to the appropriate hot water temperature according to the situation of hot water consumption and electric power consumption. Therefore, whether the fuel cell system is mainly powered by hot water supply or depending on the season of use or usage of the fuel cell system, or the hot water supply is mainly followed by the hot water supply. The operation of the fuel cell system can be carried out efficiently according to the situation.
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して少なくなるほど、目標貯湯水温度は高い温度に設定される。したがって、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して少ない場合(例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合)、貯湯水が比較的高い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が低く設定された場合と比較して長くなる。すなわち、燃料電池システムは貯湯槽が温度的に満水となるとそれ以降発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率が悪化するかあるいは停止するが、満水となるまでの時間を稼ぐことができ、すなわち効率のよい発電可能時間を長くすることができる。したがって、高温の貯湯水を利用できるとともに、燃料電池にて発生する排熱を無駄に捨てることなく効率よく発電できる時間を長くすることができる。 In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the target hot-water storage water temperature decreases as the amount of hot water used in the hot water consuming device decreases with respect to the amount of power used in the power consuming device. Is set to a high temperature. Therefore, when the amount of hot water used by the hot water consuming device is smaller than the amount of power consumed by the power consuming device (for example, when the fuel cell system is operated in summer), the hot water storage water is adjusted to a relatively high temperature. The As a result, the time taken from the start of the fuel cell system to the hot water storage tank being filled with hot water of a predetermined temperature or higher is longer than when the target hot water temperature is set low. In other words, when the hot water storage tank is full of water, the fuel cell system deteriorates or stops the total efficiency including the power generation efficiency and the heat recovery efficiency, but it can earn time until the water tank is full. Efficient power generation time can be extended. Therefore, high-temperature hot water can be used, and the time during which power can be generated efficiently can be extended without wasting waste heat generated in the fuel cell.
一方、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して多い場合(例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合)、貯湯水が比較的低い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が高く設定された場合と比較して短くなる。したがって、貯湯水の温度は比較的低温であるが、比較的短い時間で貯湯槽を温度的に満水にすることができ、貯湯水を多量に供給することができる。また、貯湯水温度を比較的低温とすることにより、貯湯水からの放熱を低減することができ、熱回収効率を向上することができる。したがって、燃料電池システムを一年を通じて運転するにあたって、発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率を向上することができる。 On the other hand, when the amount of hot water used by the hot water consuming device is larger than the amount of power used by the power consuming device (for example, when operating the fuel cell system in winter), the hot water storage water is adjusted to a relatively low temperature. The As a result, the time taken from the start of the fuel cell system to the hot water storage tank being filled with hot water at a predetermined temperature or higher is shorter than when the target hot water temperature is set high. Therefore, although the temperature of the hot water is relatively low, the hot water tank can be filled with temperature in a relatively short time, and a large amount of hot water can be supplied. In addition, by setting the hot water temperature relatively low, heat radiation from the hot water can be reduced, and heat recovery efficiency can be improved. Therefore, when the fuel cell system is operated throughout the year, it is possible to improve the overall efficiency combining the power generation efficiency and the heat recovery efficiency.
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項2に係る発明において、目標貯湯水温度は、所定の上限温度と所定の下限温度との範囲内に設定されているので、燃料電池の劣化を抑制して長期間に渡って安定した発電を提供することができ、また、発電に適した温度に調整して効率よい発電を行うことができる。 In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to claim 2, the target hot-water storage water temperature is set within a range between a predetermined upper limit temperature and a predetermined lower limit temperature. Stable power generation can be provided over a long period of time by suppressing deterioration of the battery, and efficient power generation can be performed by adjusting to a temperature suitable for power generation.
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項1乃至請求項3の何れか一項に係る発明において、目標貯湯水温度は、温水消費装置で使用された温水使用量と、電力消費装置で消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定されるので、容易かつ確実に温水消費と電力消費の状況を検出することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項1乃至請求項4の何れか一項に係る発明において、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器と、貯湯水循環回路上に設けられ貯湯水を循環する循環手段と、をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池冷却媒体の温度を目標温度に調整することにより貯湯水を目標貯湯水温度に調整するので、貯湯水と温度的に相関性の高い燃料電池冷却媒体の温度を調整することにより容易かつ確実に貯湯水を目標温度に調整することができる。 In the invention according to claim 5 configured as described above, the invention according to any one of claims 1 to 4 is provided independently of the hot water circulation circuit and is generated by power generation of the fuel cell. A fuel cell cooling medium circulation circuit in which the fuel cell cooling medium that has recovered the exhaust heat circulates, a first heat exchanger that performs heat exchange between the hot water and the fuel cell cooling medium, and a hot water circulation circuit. A circulating means for circulating the hot water, and adjusting the temperature of the fuel cell cooling medium to the target temperature by controlling the delivery amount of the circulating means, so that the hot water is adjusted to the target hot water temperature. By adjusting the temperature of the fuel cell coolant that is highly correlated with water, the stored hot water can be easily and reliably adjusted to the target temperature.
上記のように構成した請求項6に係る発明においては、請求項1乃至請求項5の何れか一項に係る発明において、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器をさらに備え、加湿器は、燃料電池の温度に応じて酸化剤ガスの加湿量を調整可能であるので、貯湯水温度を変動させて燃料電池冷却媒体温度ひいては燃料電池温度が変動しても酸化剤ガスをその変動温度に応じた最適な加湿量にて加湿することができる。 In the invention concerning Claim 6 comprised as mentioned above, in the invention concerning any one of Claim 1 thru | or 5, It further has the humidifier which humidifies oxidant gas and supplies it to an oxidant electrode. Since the humidifier can adjust the humidification amount of the oxidant gas according to the temperature of the fuel cell, the oxidant gas can be adjusted even if the fuel cell cooling medium temperature and the fuel cell temperature fluctuate by changing the hot water temperature. Humidification can be performed with an optimum humidification amount according to the fluctuation temperature.
1)第1実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第1実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質器20を備えている。
1) First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13(本実施形態では高分子電解質膜)を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
The
改質器20は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、燃焼器であるバーナ(燃焼部)21、改質部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
The
バーナ21は、改質部22を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ21は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、CO選択酸化部24から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池10の燃料極11から供給されるアノードオフガス(燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス)を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部22に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。この燃焼ガスは改質部22を(同改質部22の触媒の活性温度域となるように)加熱し、その後排気管63を通って外部に排出されるようになっている。
The
改質部22は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器25からの水蒸気(改質水)を混合した混合ガスを改質部22に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している(いわゆる一酸化炭素シフト反応)。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)はCOシフト部23に導出される。
The reforming
COシフト部23は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてCO選択酸化部24に導出される。
The
CO選択酸化部24は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたCO酸化用の空気(エア)とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)燃料電池10の燃料極11に導出される。
The CO
蒸発器25は、一端が貯水器50内に配置され他端が改質部22に接続された改質水供給管68の途中に配設されている。改質水供給管68には改質水ポンプ53が設けられている。このポンプ53は制御装置90によって制御されており、貯水器50内の改質水として使用する回収水を蒸発器25に圧送している。蒸発器25は例えばバーナ21から排出される燃焼ガス(または改質部22、COシフト部23などの排熱)によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。
The
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管64を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管65を介してバーナ21が接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガスをバーナ21に供給するようになっている。改質ガス供給管64とオフガス供給管65の間には燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管64およびオフガス供給管65を直結するバイパス管(図示省略)が設けられている。起動運転時には、改質器20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスが、燃料電池10に供給されるのを回避するため、バイパス管を流通し、定常運転時には、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10に直接供給されるようになっている。
A CO
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気供給管61が接続されており、空気極12内に空気が供給されるようになっている。空気供給管61の途中には、空気を加湿するための加湿器14(後述する)が設けられている。さらに、燃料電池10の空気極12の導出口には、排気管62が接続されており、空気極12からの空気(カソードオフガス)が外部に排出されるようになっている。
An
また、これら空気供給管61および排気管62の途中には、空気を加湿するための加湿器14が設けられている。加湿器14は、空気極12から排出されるカソードオフガスとカソードエアとの間で水蒸気交換することによりカソードエアを加湿する水蒸気交換型であり、排気管62中すなわち空気極12から排出される気体中の水蒸気を空気供給管61中すなわち空気極12へ供給される空気中に供給して加湿するものである。すなわち、加湿器14は、水蒸気のみを透過する膜(例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜)を挟んで加湿元の気体(カソードオフガス)と加湿したい気体(カソードエア)を流通させ、加湿元の気体中の水蒸気が膜を透過して加湿したい気体を加湿する膜透過型加湿器である。
Further, a
さらに、空気供給管61には空気極12の入口と加湿器14の間にカソードエアの温度T5を検出する温度センサ61aが設けられており、その検出結果が制御装置90に送信されるようになっている。空気供給管61には加湿器14の上流に流量計61bおよびカソードエアポンプ61cが設けられている。流量計61bは加湿器14に導入されるカソードエア(酸化剤ガス)の流量を検出する加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段であり、その検出信号を制御装置90に出力するようになっている。カソードエアポンプ61cはカソードエアを燃料電池10の空気極12に供給するカソードエア(酸化剤ガス)供給手段であり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。
Further, the
また、排気管62には加湿器14をバイパスするバイパス路62aが設けられるとともに、バイパス路62aには加湿器14を流れるカソードオフガスの流量と加湿器14をバイパスしてバイパス路62aを流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調整器62b(流量調整手段;例えば電磁バルブ)が設けられている。排気管62には空気極12の出口と加湿器14との間にカソードオフガスの温度T6を検出する温度センサ62cが設けられており、その検出結果が制御装置90に送信されるようになっている。そして、制御装置90は、温度センサ61aにより検出した空気極12のカソードエア入口温度T5、温度センサ62cにより検出した空気極12のカソードオフガス出口温度T6、および流量計61bにより検出したカソードエア流量に基づいて、流量調整器62bおよび/またはカソードエアポンプ61cを制御して、加湿器14を流れるカソードオフガスの流量を調整することにより、燃料電池10の温度に応じて空気極12内の水分状態を良好な状態(適切な加湿状態)としている。
The
また、改質ガス供給管64、オフガス供給管65、排気管62および排気管63の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器31、アノードオフガス用凝縮器32、カソードオフガス用凝縮器33および燃焼ガス用凝縮器34が設けられている。これら各凝縮器31〜34は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である凝縮器30を構成している。改質ガス用凝縮器31は改質ガス供給管64中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器32は、燃料電池10の燃料極11と改質器20のバーナ21とを連通するオフガス供給管65の途中に設けられており、そのオフガス供給管65中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器33は、排気管62に設けられており、その排気管62中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器34は排気管63に設けられており、その排気管63中を流れる改質部22から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。
Further, in the middle of the reformed
これら凝縮器31〜34は配管66を介して純水器40に連通しており、各凝縮器31〜34にて凝縮された凝縮水は、純水器40に導出され回収されるようになっている。純水器40は、凝縮器30から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器50に導出するものである。なお、貯水器50は純水器40から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器40には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器40内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
These
さらに、燃料電池システムは、インバータ(電力変換器)45を備えている。インバータ45は、燃料電池10の発電出力を交流電力に変換して送電線46を介して電力使用先である電力使用場所47に供給するものである。電力使用場所47には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である電力消費装置47aが設置されており、インバータ45から供給される交流電力が送電線46を介して必要に応じて電力消費装置47aに供給されている。なお、インバータ45と電力使用場所47とを接続する送電線46には電力会社の系統電源48も接続されており(系統連系)、燃料電池10の発電出力より電力消費装置47aの総消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源48から受電して補うようになっている。電力計47bは、ユーザ負荷電力(ユーザ消費電力)を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所47で使用される全ての電力消費装置47aの合計消費電力を検出して、制御装置90に送信するようになっている。
Further, the fuel cell system includes an inverter (power converter) 45. The
また、インバータ45は、発電出力を降圧または昇圧して、その直流電力を燃料電池システムの構成部材である各ポンプ53,61c,72a,73a,75a、各バルブ(図示省略)、バーナ21の着火装置などの電気部品いわゆる補機に供給するようになっている。
Further, the
さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽71と、凝縮冷媒循環回路75とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路72と、燃料電池10と熱交換する燃料電池冷却媒体であるFC冷却水が循環する燃料電池冷却媒体循環回路であるFC冷却水循環回路73と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器74と、燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体(凝縮冷媒)が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路75と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第2熱交換器76と、が備えられている。これにより、燃料電池10の発電にて発生した排熱(熱エネルギー)は、FC冷却水に回収され、第1熱交換器74を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。また、燃料電池10から排出されるオフガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)の排熱(熱エネルギー)および改質器20にて発生した排熱(熱エネルギー)は、凝縮器30を介して凝縮冷媒に回収され、第2熱交換器76を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。改質器20にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ21からの燃焼排ガスの排熱、および改質器20と熱交換する排熱(改質器自身の排熱)が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「FC」は「燃料電池」の省略形として記載している。
Further, the fuel cell system includes a
貯湯槽71は、1つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽71の柱状容器の下部には水道水などの水(低温の水)が補給され、貯湯槽71に貯留された高温の温水が貯湯槽71の柱状容器の上部から給湯管67を介して温水使用先である温水使用場所80に導出されるようになっている。温水使用場所80には、給湯装置、暖房装置などの温水消費装置80aが設置されており、貯湯槽71からの温水が給湯管67を介して必要に応じて温水消費装置80aに供給されている。貯湯槽71と温水消費装置80aとの間の給湯管67には給湯器81が設けられており、貯湯槽71からの温水を必要に応じて追い炊きするようになっている。給湯管67には、供給された温水量を検出する流量計67aが設けられており、その検出結果を制御装置90に出力するようになっている。また、貯湯槽71は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路72にかかる形式のものである。なお、貯湯槽71からの温水が給湯器81を通らないで給湯管67を介して温水消費装置80aに供給される場合もある。
The hot
貯湯水循環回路72の一端および他端は貯湯槽71の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路72上には、一端から他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ72a、第2熱交換器76、および第1熱交換器74が配設されている。貯湯水循環ポンプ72aは、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路72を通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。
One end and the other end of the hot
FC冷却水循環回路73上には、FC冷却水循環手段であるFC冷却水循環ポンプ73aが配設されており、このFC冷却水循環ポンプ73aは、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、FC冷却水循環回路73上には、温度センサ73b,73cが配設されており、温度センサ73b,73cは、それぞれFC冷却水の燃料電池10の入口温度T1および出口温度T2を検出し、それら検出結果を制御装置90に出力するものである。さらに、FC冷却水循環回路73上には第1熱交換器74が配設されている。
An FC cooling
凝縮冷媒循環回路75上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ75aが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ75aは、矢印方向へ凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路75上には、第2熱交換器76が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路75上には、第2熱交換器76から下流に順番にラジエータ77、凝縮冷媒循環ポンプ75a、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、改質ガス用凝縮器31、および温度センサ75bが配設されている。
On the condensing
なお、各凝縮器31〜34の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器31〜34は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路75を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、凝縮冷媒循環回路75上には少なくとも改質ガス用凝縮器31が配置されるようになっている。
In addition, arrangement | positioning of each condenser 31-34 is not restricted to the order mentioned above, Moreover, each condenser 31-34 is not restricted to the case where it arrange | positions in series with one piping, and branches the condensed refrigerant |
ラジエータ77は、凝縮冷媒を冷却する冷却手段であり、制御装置90の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。温度センサ75bは、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。
The
また、改質ガス供給管64には改質ガス用凝縮器31と燃料電池10の燃料極11との間に温度センサ64aが配設されている。温度センサ64aは、改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度T4を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。
The reformed
また、上述した各温度センサ61a,62c,64a,73b,73c,75b、各流量計61b,67a、電力計47b、各ポンプ53,61c,72a,73a,75a、および流量調整器62bは制御装置90に接続されている(図2参照)。制御装置90はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、図4のフローチャートに対応したプログラムを実行して、各温度センサ61a,62c,64a,73b,73c,75bが検出した各温度、各流量計61b,67aが検出した各流量、電力計47bが検出した電力に基づいて各ポンプ61c,72a,73a,75a、および流量調整器62bを制御して燃料電池10の温度・湿度を適切に制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
The
また、制御装置90の記憶部には、図3に示すマップまたは演算式が記憶されている。このマップまたは演算式は、目標FC冷却水温度(目標貯湯水温度)と電力使用量に対する温水使用量の比率との相関関係を示すものである。目標FC冷却水温度は、燃料電池10のFC冷却水入口温度またはFC冷却水出口温度などのFC冷却水温度の制御目標値のことである。FC冷却水温度の代わりに燃料電池10自身の温度でもよいし、これらの温度と相関性の高い他の温度でも代用可能である。目標貯湯水温度は、貯湯水温度の制御目標値のことである。貯湯水温度はFC冷却水温度とよい相関関係にあり、目標FC冷却水温度は目標貯湯水温度に対応して設定されている。温水使用量は、貯湯槽71から温水消費装置80aに供給される単位時間あたりの温水量である。例えば1日あたりの使用量で計算するものである。この温水使用量は、流量計67aからの検出結果に基づいて算出されるものである。なお、貯湯槽71以外から温水が温水消費装置80aに供給される場合には、その使用量も考慮して温水使用量を算出する必要がある。また、電力使用量は、すべての電力消費装置47aで単位時間当たりに使用される合計消費電力量である。単位時間は温水使用量と同じ時間を使用する。この電力使用量は、電力計47bからの検出結果に基づいて算出されるものである。
The storage unit of the
また、図3に示すマップまたは演算式から明らかなように、目標FC冷却水温度(ひいては目標貯湯水温度)と電力使用量に対する温水使用量の比率は、その比率が小さくなるにつれてFC冷却水温度が高くなる関係にある。なお、この関係は比率が所定の範囲(所定の上限温度Tbと所定の下限温度Taとの範囲)内にあるときに成立し、比率がこの範囲より小さい場合には目標FC冷却水温度は上限温度Tbで一定となり、比率がこの範囲より大きい場合には目標FC冷却水温度は下限温度Taで一定となる関係が成立する。なお、目標貯湯水温度も同様に上限温度Tbに対応した上限温度Tb−wおよび下限温度Taに対応した下限温度Ta−wを有する。 Further, as is clear from the map or calculation formula shown in FIG. 3, the ratio of the target FC cooling water temperature (and thus the target hot water temperature) and the amount of hot water used with respect to the amount of electric power used decreases as the ratio decreases. There is a relationship that increases. This relationship is established when the ratio is within a predetermined range (a range between the predetermined upper limit temperature Tb and the predetermined lower limit temperature Ta). When the ratio is smaller than this range, the target FC coolant temperature is the upper limit. When the temperature is constant at the temperature Tb and the ratio is larger than this range, a relationship is established in which the target FC cooling water temperature is constant at the lower limit temperature Ta. Similarly, the target hot water temperature has an upper limit temperature Tb-w corresponding to the upper limit temperature Tb and a lower limit temperature Ta-w corresponding to the lower limit temperature Ta.
また、上限温度Tb−wおよび下限温度Ta−wは、それぞれ上限温度Tbおよび下限温度Taにほぼ等しいかやや低い値であり、その対応関係は燃料電池システムによって適宜決められるものである。例えば、下限温度Taとしては50℃、60℃があり、上限温度Tbとしては90℃、80℃がある。所定の範囲は、これらを任意に組み合わせて決定することができる。例えば50℃〜90℃、60℃〜80℃などである。 Further, the upper limit temperature Tb-w and the lower limit temperature Ta-w are values that are substantially equal to or slightly lower than the upper limit temperature Tb and the lower limit temperature Ta, respectively, and the corresponding relationship is appropriately determined by the fuel cell system. For example, the lower limit temperature Ta is 50 ° C. and 60 ° C., and the upper limit temperature Tb is 90 ° C. and 80 ° C. The predetermined range can be determined by arbitrarily combining them. For example, they are 50 degreeC-90 degreeC, 60 degreeC-80 degreeC, etc.
さらに、上限温度Tb(上限温度Tb−w)は、燃料電池10の電極11,12、電解質13、樹脂配管などへの劣化、燃料電池10の発電効率を考慮して決定されるものである。下限温度Ta(下限温度Ta−w)は、貯湯水71内での細菌の繁殖の抑制、燃料電池10の発電効率を考慮して決定されるものである。なお、燃料電池10に水素ガスを供給する場合でなく本実施形態のように改質ガスを供給する場合には、下限温度Ta(下限温度Ta−w)は、燃料電池10の電極11の一酸化炭素による被毒も考慮して決定されるのが好ましい。
Furthermore, the upper limit temperature Tb (upper limit temperature Tb-w) is determined in consideration of deterioration of the
上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置90は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。制御装置90は、CO選択酸化部24をバーナ21に接続し、燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ21に供給してバーナ21を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部22内の改質触媒および蒸発器25が加熱される。
The operation of the fuel cell system described above will be described. When a start switch (not shown) is turned on at time t0,
制御装置90は、温度センサにより蒸発器25の温度を検出し、この検出した温度が第1の所定温度Th1以上となれば(時刻t1)、水バルブを開き、改質水ポンプ53を駆動させ改質水を所定流量(所定供給量)だけ蒸発器25を介して改質部22に供給する。
The
制御装置90は、蒸発器25の温度が所定温度Th1以上となった時点(時刻t1)から第1所定時間T1(例えば1分)以上経過すれば、改質用燃料を所定流量(所定供給量)だけ改質部22に供給するとともに、酸化用空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部22に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部22では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部22から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、バーナ21に供給され燃焼される。
When the temperature of the
このように改質ガスの生成中において、制御装置90は、温度センサによりCO選択酸化部24の触媒の温度を検出し、この検出した温度が第2の所定温度Th2以上となれば(時刻t4)、CO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口をバーナ21に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。
As described above, during the generation of the reformed gas, the
制御装置90は、定常運転(燃料電池10を発電させる運転モード)を開始する。このとき、所望の出力電流(電力消費装置47aで消費される電流・電力)となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給するようになっている。制御装置90は、所望の出力電流となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように改質用燃料を供給し、演算した改質用燃料供給量およびS/C(スチームカーボン比)に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水を供給し、アノードオフガスの燃焼熱だけではバーナ21にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、バーナ21に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料を供給し、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気を供給し、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように酸化用空気を供給し、そして、改質装置20から燃料電池10に供給される改質ガスの供給量に対応する適切なカソードエアの供給量を演算しその供給量となるようにカソードエアを供給している。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。
The
さらに上述した燃料電池システムにおいて排熱の熱回収効率を最適化とする制御が行われている。その排熱回収について図4に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置90は、図示しないスタートスイッチがオンされると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置90は、図4のステップ100にてプログラムの実行を開始する毎に、ステップ102において、電力計47bから電力使用場所47で使用される全ての電力消費装置47aの合計消費電力を入力し電力使用量を算出する。流量計67aから貯湯槽71からの温水量を入力して温水消費装置80aで使用される温水の総使用量(温水使用量)を算出する。そして、算出結果を記憶する。なお、これら温水使用量および電力使用量は一日、一週間、一月単位の積算量であることが望ましい。例えば数時間単位である場合、温水主電力従であるか温水従電力主であるかの判別がつきにくいからである。
Further, in the fuel cell system described above, control is performed to optimize the heat recovery efficiency of exhaust heat. The exhaust heat recovery will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When a start switch (not shown) is turned on, the
制御装置90は、ステップ102にて算出した温水使用量および電力使用量に基づいて、電力使用量に対する温水使用量の比率(=温水使用量÷電力使用量)を導出し(ステップ104)、図3に示すマップまたは演算式からその導出した比率に応じた目標FC冷却水温度を導出する(ステップ106)。すなわち、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して少ない場合(例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合)、目標FC冷却水温度が比較的高く設定される。また、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して多い場合(例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合)、目標FC冷却水温度が比較的低く設定される。
The
制御装置90は、ステップ108にて導出した目標FC冷却水温度となるようにFC冷却水温度を調整し、これにより貯湯水温度が目標貯湯水温度に調整される。具体的には、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T1およびFC冷却水出口温度T2をそれぞれ温度センサ73b,73cによって検出し(ステップ108)、検出した燃料電池10のFC冷却水出口温度T2(または燃料電池10のFC冷却水入口温度T1)が目標FC冷却水温度となるように貯湯水循環ポンプ72aを流量制御している(ステップ110)。なお、本実施の形態における目標FC冷却水温度は、FC冷却水出口温度T2で制御する場合に設定された目標値であり、FC冷却水入口温度T1で制御する場合には目標FC冷却水温度を低めに補正する必要がある。これにより、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して少ない場合(例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合)、比較的高く設定された目標FC冷却水温度となるようにFC冷却水温度が調整され、結果として貯湯水が比較的高い温度に調整される。また、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して多い場合(例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合)、比較的低く設定された目標FC冷却水温度となるようにFC冷却水温度が調整され、結果として貯湯水が比較的低い温度に調整される。
The
さらに、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T1およびFC冷却水出口温度T2の差ΔTを算出し(ステップ112)、その差ΔTが所定温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるようにFC冷却水循環ポンプ73aを流量制御している(ステップ114)。所定温度差ΔT*は、燃料電池10の改質ガス流路または空気流路内の水蒸気を最適加湿条件に維持することができるように設定されている。
Further, the
そして、制御装置90は、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度T4を温度センサ75bまたは64aにより検出し(ステップ116)、検出した改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度T4が目標温度T3*またはT4*(例えば50〜60℃)となるように凝縮冷媒循環ポンプ75aを流量制御している(ステップ118)。改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3が高いほど第1熱交換74における貯湯水の凝縮回収熱量の回収効率がよいので、目標温度T3*(またはT4*)は高く設定するのが望ましい。一方、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3が高くなると、改質ガス用凝縮器31にて凝縮冷媒と熱交換する改質ガスの温度すなわち改質ガスのFC入口温度が高くなり、燃料電池10の燃料極11がフラッディングを発生する。したがって、目標温度T3*(またはT4*)はフラッディングが発生しない範囲内で、凝縮回収熱量の回収効率ができるだけよい温度に設定されている。その後、制御装置90はプログラムをステップ120に進めて一旦終了する。
The
上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、温水消費装置80aでの温水および電力消費装置47aでの電力の使用状況に応じて設定される目標貯湯水温度となるように貯湯水の温度を調整するので、温水消費と電力消費の状況に応じた適切な貯湯水温度に調整することができる。したがって、燃料電池システムの使用季節、使用方法などの違いによって同燃料電池システムが電力供給を主とし温水供給を従とする場合、または電力供給を従とし温水供給を主とする場合のいずれにおいても、燃料電池システムの運転をその状況に応じて効率よく実施することができる。
As is clear from the above description, in the present embodiment, the hot-water storage water is set to a target hot-water storage temperature that is set according to the state of use of the hot water in the hot-
また、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して少なくなるほど、目標貯湯水温度は高い温度に設定される。したがって、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して少ない場合(例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合)、貯湯水が比較的高い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽71が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が低く設定された場合と比較して長くなる。すなわち、燃料電池システムは貯湯槽71が温度的に満水となるとそれ以降発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率が悪化するかあるいは停止するが、満水となるまでの時間を稼ぐことができ、すなわち効率のよい発電可能時間を長くすることができる。したがって、高温の貯湯水を利用できるとともに、燃料電池10にて発生する排熱を無駄に捨てることなく効率よく発電できる時間を長くすることができる。
Further, the target hot water storage water temperature is set to a higher temperature as the amount of hot water used in the hot
一方、温水消費装置80aでの温水使用量が電力消費装置47aでの電力使用量に対して多い場合(例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合)、貯湯水が比較的低い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽71が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が高く設定された場合と比較して短くなる。したがって、貯湯水の温度は比較的低温であるが、比較的短い時間で貯湯槽71を温度的に満水にすることができ、貯湯水を多量に供給することができる。また、貯湯水温度を比較的低温とすることにより、貯湯水からの放熱を低減することができ、熱回収効率を向上することができる。したがって、燃料電池システムを一年を通じて運転するにあたって、発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率を向上することができる。
On the other hand, when the amount of hot water used by the hot
また、目標貯湯水温度は、所定の上限温度Tb−wと所定の下限温度Ta−wとの範囲内に設定されているので、燃料電池10の電極11,12、電解質13、樹脂配管など燃料電池10の劣化を抑制して長期間に渡って安定した発電を提供することができ、また、発電に適した温度に調整して効率よい発電を行うことができる。また、上限温度Tb−wおよび下限温度Ta−wは、燃料電池10の発電効率を考慮して決定されているので、効率よい発電を行うことができる。また、下限温度Ta−wは、貯湯水71内での細菌の繁殖の抑制を考慮して決定されているので、衛生的な貯湯水を提供することができる。さらに、下限温度Ta−wは、燃料電池10の電極11の一酸化炭素による被毒も考慮して決定されているので、燃料電池10の劣化を抑制して長期間に渡って安定した発電を提供することができる。
Further, since the target hot water temperature is set within a range between a predetermined upper limit temperature Tb-w and a predetermined lower limit temperature Ta-w, fuel such as
また、目標貯湯水温度は、温水消費装置80aで使用された温水使用量と、電力消費装置47aで消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定されるので、容易かつ確実に温水消費と電力消費の状況を検出することができる。
In addition, the target hot water storage water temperature is set based on the comparison result of comparing the amount of hot water used by the hot
また、貯湯水循環回路72とは独立して設けられ、燃料電池10の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路73と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器74と、貯湯水循環回路72上に設けられ貯湯水を循環する循環手段である貯湯水循環ポンプ72aと、をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池冷却媒体の温度を目標温度(目標冷却水温度)に調整することにより貯湯水を目標貯湯水温度に調整するので、貯湯水と温度的に相関性の高い燃料電池冷却媒体の温度を調整することにより容易かつ確実に貯湯水を目標温度に調整することができる。
Also, a fuel cell cooling
また、酸化剤ガスであるカソードエアを加湿して酸化剤極である空気極12に供給する加湿器14をさらに備え、加湿器14は、燃料電池10の温度に応じて酸化剤ガスの加湿量を調整可能であるので、貯湯水温度を変動させて燃料電池冷却媒体温度ひいては燃料電池温度が変動しても酸化剤ガスをその温度に応じた最適な加湿量にて加湿することができる。
Further, the
2)第2実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第2実施形態について図5を参照して説明する。図5は第2実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第1実施形態においては、貯湯水循環回路72と凝縮冷媒循環回路75とを独立して設けたが、図5に示すように本第2実施形態においては、これら循環回路72,75を一つの循環回路(貯湯水循環回路72)としている。この場合、第2熱交換器76、凝縮冷媒循環ポンプ75aは削除され、貯湯水循環回路72上には、貯湯槽71の出口から下流に順番に、貯湯水循環ポンプ72a、ラジエータ77、各凝縮器32,34,33,31、第3温度センサ75b、および第1熱交換器74が配設されている。また、この場合、貯湯水循環回路72に凝縮器31をバイパスするバイパス路72bを設けるとともに、凝縮器31を流れる熱媒体の流量と凝縮器31をバイパスしてバイパス路72bを流れる熱媒体の流量を調整する流量調整器72cを設けている。流量調整器72cとして、電磁開閉弁が採用されている。なお、第1実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
2) Second Embodiment Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of the fuel cell system according to the second embodiment. In the first embodiment described above, the hot
この場合、制御装置90は、温度センサ73c(または温度センサ73b)によって検出した燃料電池10のFC冷却水出口温度T2(または燃料電池10のFC冷却水入口温度T1)が目標FC冷却水温度となるように貯湯水循環ポンプ72aを流量制御する。また、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T1およびFC冷却水出口温度T2の差ΔTを算出し、その差ΔTが所定温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるようにFC冷却水循環ポンプ73aを流量制御する。さらに、制御装置90は、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度T4が目標温度T3*またはT4*(例えば50〜60℃)となるように流量調整器72cを制御している。これによっても、上述した実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。
In this case, the
3)第3実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第3実施形態について図6を参照して説明する。図6は第3実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第1実施形態においては、燃料電池10からの発電にて発生する熱の貯湯水への回収と、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れか一方の貯湯水への回収とが一本の貯湯水循環回路で順番に行われる構成であったが、図6に示すように本第3実施形態においては、両回収が2本の並列な流路で別々に行われる構成である。なお、第1実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
3) Third Embodiment Next, a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram showing an outline of a fuel cell system according to the third embodiment. In the first embodiment described above, the heat generated by the power generation from the
具体的には、貯湯水循環回路72は、排熱回収手段(凝縮器30)を設けた流路72bと、第1熱交換器74を設けた流路であるバイパス路72cが並列に設けられている。流路72bの一端および他端は貯湯槽71の下部および上部に接続されている。流路72b上には、一端から他端に順番に、温度センサ72b1、貯湯水循環手段である貯湯水循環第1ポンプ72b2、ラジエータ77、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、改質ガス用凝縮器31、温度センサ75b、および第1バルブ72b3が配設されている。
Specifically, in the hot
温度センサ72b1は、貯湯槽71の貯湯水出口温度T7を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。貯湯水循環第1ポンプ72b2は、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んで流路72bを通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。第1バルブ72b3は、バイパス路72cと貯湯槽71の入口の間の流路72bに設けられ同流路72bを開閉する開閉弁であり、制御装置90の指令によって開閉制御されるものである。この第1バルブ72b3は、起動運転時で燃料電池10が所定温度となるまでは閉状態とされ、それ以降は基本的には開状態とされる。
The
また、バイパス路72cには、貯湯槽71の出口側に近い分岐点から貯湯槽71の入口側に近い合流点に向けて順番に、貯湯水循環手段である貯湯水循環第2ポンプ72c1および第1熱交換器74が配設されている。貯湯水循環第2ポンプ72c1は、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んでバイパス路72cを通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。上述した貯湯水循環第1ポンプ72b2および貯湯水循環第2ポンプ72c1の流量制御によって、流路72bおよびバイパス路72cの各流量をそれぞれ調整することができる。
Further, in the
この場合、制御装置90は、温度センサ73c(または温度センサ73b)によって検出した燃料電池10のFC冷却水出口温度T2(または燃料電池10のFC冷却水入口温度T1)が目標FC冷却水温度となるように貯湯水循環第2ポンプ72c1を流量制御する。また、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T1およびFC冷却水出口温度T2の差ΔTを算出し、その差ΔTが所定温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるようにFC冷却水循環ポンプ73aを流量制御する。さらに、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度T4が目標温度T3*またはT4*(例えば50〜60℃)となるように貯湯水循環第1ポンプ72b2を流量制御している。これによっても、上述した実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。
In this case, the
4)第4実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第4実施形態について図7を参照して説明する。図7は第4実施形態にかかる燃料電池システムのうち貯湯水循環回路72、FC冷却水循環回路73および凝縮冷媒循環回路75の周辺の概要を示す概要図である。上述した第3実施形態においては、流路72b上に各凝縮器31〜34を設け、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱および改質器20にて発生する排熱は、凝縮器32,33および凝縮器31,34を介して直接貯湯水に回収するようにしたが、図7に示すように、間接的に貯湯水に回収するようにしてもよい。なお、第1または第3実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
4) Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing an outline of the periphery of the hot
本第4実施形態においては、排熱回収手段は、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収した排熱回収熱媒体である凝縮冷媒(凝縮器熱媒体)が循環する排熱回収熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路75と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第2熱交換器76とから構成されている。これにより、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱および改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れかは、凝縮器30を介して凝縮冷媒に回収され、第2熱交換器76を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。
In the fourth embodiment, the exhaust heat recovery means is an exhaust heat recovery heat medium that recovers at least one of exhaust heat of off-gas exhausted from the
この場合、制御装置90は、温度センサ73c(または温度センサ73b)によって検出した燃料電池10のFC冷却水出口温度T2(または燃料電池10のFC冷却水入口温度T1)が目標FC冷却水温度となるように貯湯水循環第2ポンプ72c1を流量制御する。また、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T1およびFC冷却水出口温度T2の差ΔTを算出し、その差ΔTが所定温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるようにFC冷却水循環ポンプ73aを流量制御する。さらに、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T3または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度T4が目標温度T3*またはT4*(例えば50〜60℃)となるように凝縮冷媒循環ポンプ75aを流量制御している。これによっても、上述した実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。
In this case, the
なお、上述した各実施形態において、本発明を、改質器20にて燃料を改質ガス(燃料ガス)に改質して燃料電池10に供給する構成の燃料電池システムに適用したが、水素ガスを燃料電池システムに直接供給する改質器20のない燃料電池システムにも適用可能である。
In each of the embodiments described above, the present invention is applied to a fuel cell system configured to reform the fuel into a reformed gas (fuel gas) by the
また、上述した各実施形態において、制御装置90は、温水使用量を流量計67aによる検出結果に基づいて算出するようにしたが、貯湯槽71の残湯量を検出しその検出結果に基づいて算出するようにしてもよい。残湯量は、貯湯槽71内に残っている所定温度(例えば60℃)以上である温水の残量を表している。この場合、貯湯槽71の内部には残湯量検出センサである温度センサ群が設けられている。温度センサ群は複数の温度センサから構成されており、上下方向(鉛直方向)に沿って等間隔にて配設され、その位置の湯温を検出している。この温度センサ群による各位置での湯温の検出結果に基づいて貯湯槽71内の残湯量が検出されるようになっている。これによれば、温水の使用状況を把握することができ、高価な流量計を設ける必要がなく、既設の温度センサで対応することができる。
Moreover, in each embodiment mentioned above, although the
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、14…加湿器、20…改質器、21…バーナ、22…改質部、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…蒸発器、30…凝縮器、31…改質ガス用凝縮器、32…アノードオフガス用凝縮器、33…カソードオフガス用凝縮器、34…燃焼ガス用凝縮器、40…純水器、45…インバータ、46…送電線,47…電力使用場所、47a…電力消費装置、47b…電力計、48…系統電源、50…貯水器、53…改質水ポンプ、61…カソードエア供給管、62,63…排気管、64…改質ガス供給管、65…オフガス供給管、66…配管、67…給湯管、67a…流量計、68…改質水供給管、71…貯湯槽、72…貯湯水循環回路、73…FC冷却水循環回路、74…第1熱交換器、75…凝縮冷媒循環回路、76…第2熱交換器、77…ラジエータ、80…温水使用場所、80a…温水消費装置、81…給湯器、72a,73a,75a…ポンプ、61a,62c,72a,73b,73c,75b…温度センサ、90…制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
貯湯水を貯湯する貯湯槽と、前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、
前記貯湯水循環回路上において前記燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して前記貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給する燃料電池システムにおいて、
前記温水消費装置での温水および前記電力消費装置での電力の使用状況に応じて設定される目標貯湯水温度となるように前記貯湯水の温度を調整することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power with the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, and supplies the power to the power consuming device; and
A hot water storage tank for storing hot water, and a hot water circulation circuit for circulating the hot water,
In the fuel cell system for recovering at least exhaust heat generated in the fuel cell on the hot water circulation circuit and heating the hot water and supplying the hot water to a hot water consuming device,
A fuel cell system, wherein the temperature of the hot water storage is adjusted so as to be a target hot water temperature set in accordance with usage of hot water in the hot water consumption device and electric power in the power consumption device.
前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、前記燃料電池の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路と、前記貯湯水と前記燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器と、前記貯湯水循環回路上に設けられ前記貯湯水を循環する循環手段と、をさらに備え、
前記循環手段の送出量を制御して、前記燃料電池冷却媒体の温度を目標温度に調整することにより前記貯湯水を前記目標貯湯水温度に調整することを特徴とする燃料電池システム。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A fuel cell cooling medium circulation circuit that is provided independently of the hot water circulation circuit and circulates a fuel cell cooling medium that collects exhaust heat generated by power generation of the fuel cell; and the hot water and the fuel cell cooling medium; A first heat exchanger in which heat is exchanged between, and a circulation means provided on the hot water circulation circuit for circulating the hot water,
The fuel cell system is characterized in that the stored hot water is adjusted to the target stored hot water temperature by controlling the delivery amount of the circulation means and adjusting the temperature of the fuel cell cooling medium to the target temperature.
前記酸化剤ガスを加湿して前記酸化剤極に供給する加湿器をさらに備え、
前記加湿器は、前記燃料電池の温度に応じて前記酸化剤ガスの加湿量を調整可能であることを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 to 5,
A humidifier that humidifies the oxidant gas and supplies the oxidant gas to the oxidant electrode;
The fuel cell system, wherein the humidifier is capable of adjusting a humidification amount of the oxidant gas according to a temperature of the fuel cell.
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