JP2007200679A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの水凍結の防止に関する。 The present invention relates to prevention of water freezing in a fuel cell system.
燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池28と、燃料電池28の冷却を行う水循環部29とを備える。このような燃料電池システムを屋外で一定時間以上運転せずに放置すると、外気温度の低下とともに、水循環部29が凍結し、燃料電池28が運転不能になる、水循環部29の構成部品が破損するといった恐れがある。したがって、低温環境下においても内部の水が凍結しない燃料電池システムが求められる。
The fuel cell system includes a
上記凍結を防止するための燃料電池システムの一例として、外部の温度を検出する温度検出部30を備え、閾値以下の温度を検出した際に凍結防止運転を行っていた(例えば特許文献1参照)。
As an example of the fuel cell system for preventing the freezing, a
以下に、その詳細について説明する。図4は、上記特許文献1に記載された従来の燃料電池システム構成の概要を示す。 The details will be described below. FIG. 4 shows an outline of a conventional fuel cell system configuration described in Patent Document 1.
上記特許文献1記載の燃料電池システムは、水素供給部31から供給される水素と空気供給部32から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池28と、燃料電池28に水を循環させる水循環部29と、外部の温度を検出する温度検出部30および制御装置33とを備えていた。水循環部29は、メインタンク34と、メインタンク34内の水をポンプ35によって燃料電池28に供給する給水路36と、燃料電池28からの排水をメインタンク34に回収する排水路37とから構成されている。
The fuel cell system described in Patent Document 1 includes a
次に、この燃料電池システムの凍結防止運転の動作について説明する。 Next, the operation of the freeze prevention operation of this fuel cell system will be described.
温度検出部30が閾値以下の温度を検出した際に、制御装置33によって燃料電池28へ水素供給部31と空気供給部32からそれぞれ水素と空気が供給され、燃料電池28は発電を行う。同時に、水循環部29を作動させる。このとき、燃料電池28は発電反応で熱を発するため、水循環部29であるメインタンク34、給水路36、排水路37中の水は、その熱を利用することで凍結を防止することができる。
しかしながら、前記従来の構成では、温度検出部または制御装置に異常が生じた場合、低温環境下においても凍結防止運転を作動させることができず、水循環部内部の水は凍結してしまう。 However, in the conventional configuration, when an abnormality occurs in the temperature detection unit or the control device, the freeze prevention operation cannot be operated even in a low temperature environment, and the water inside the water circulation unit is frozen.
その結果、次回起動時に燃料電池の温度制御ができずに発電できない、もしくは効率が著しく低下する可能性がある。また、燃料電池が、凍結による機械的ダメージを受け変形することも想定され、それにより、発電効率低下、運転不能になる可能性もある。同様の機械的ダメージは、水を循環させるポンプ、タンク、及び配管等にも生じる可能性がありそれにより、燃料電池の冷却を行うのに充分な水量を循環させることが出来ず、消費電力の増加、発電効率低下あるいは運転不能になることが想定される。更には、破損箇所から漏れた水が漏電を引き起こし、安全上危険な状態になることも危惧される。また、仮に、解凍後、全構成部品が再使用可能であったとしても、耐久性が劣化することが予想される。 As a result, there is a possibility that the temperature of the fuel cell cannot be controlled at the next startup and power generation cannot be performed, or the efficiency may be significantly reduced. In addition, it is assumed that the fuel cell is deformed due to mechanical damage due to freezing, which may reduce power generation efficiency and make it impossible to operate. Similar mechanical damage may occur in pumps, tanks, and pipes that circulate water, so that a sufficient amount of water cannot be circulated to cool the fuel cell, reducing power consumption. It is assumed that it will increase, power generation efficiency will decrease, or it will become impossible to operate. Furthermore, there is a concern that the water leaked from the damaged part may cause electric leakage, resulting in a dangerous state for safety. Moreover, even if all components can be reused after thawing, it is expected that the durability will deteriorate.
このように、燃料電池システムの水が凍結した場合、商品性、安全性に著しく悪影響を及ばすことが想定される。 As described above, when water in the fuel cell system is frozen, it is assumed that the merchantability and safety are significantly affected.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度検出部または制御装置に異常が生じた場合でも、凍結防止運転が作動不可となる前記異常が生じた場合においても、水凍結防止が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and even when an abnormality occurs in the temperature detection unit or the control device, water freezing prevention is possible even when the abnormality that the freeze prevention operation is disabled occurs. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell system.
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、水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路と、前記燃料電池の排気ガス中の水分を回収する水回収経路と、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つを加熱する加熱部と、温度検知部と、制御部と、前記制御部の異常を検知する異常検知部と、前記加熱部を作動させる凍結防止回路とを備え、前記凍結防止回路は、前記温度検出部で検出された温度が第1の設定温度以下である場合には前記制御部により接続される、ならびに前記温度検出部が故障した場合には前記制御部により接続される、及び/または前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には該異常検知部により接続される、第1のスイッチと、第2の設定温度以下で機械的に接続される、第2のスイッチとを備え、前記第1のスイッチと第2のスイッチとが直列であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas and an oxidant, a cooling water path through which cooling water for cooling the fuel cell flows, A hot water storage path for recovering heat from the cooling water flowing through the cooling water path and storing it as hot water, a water recovery path for recovering moisture in the exhaust gas of the fuel cell, the cooling water path, the hot water storage path, and the water recovery A heating unit that heats at least one of the paths; a temperature detection unit; a control unit; an abnormality detection unit that detects an abnormality of the control unit; and an anti-freezing circuit that operates the heating unit. The circuit is connected by the control unit when the temperature detected by the temperature detection unit is equal to or lower than a first set temperature, and is connected by the control unit when the temperature detection unit fails. And / or Is connected to the first switch when the abnormality of the control unit is detected by the abnormality detection unit, and mechanically connected at a temperature equal to or lower than the second set temperature. A switch, wherein the first switch and the second switch are in series.
上記構成により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じ、温度検知部に温度に基づいた凍結防止制御が不可となった場合は、通常時第1の設定温度以下で接続状態となる第1のスイッチは常時接続状態となり、第2のスイッチが第2の設定温度以下で機械的に接続されることで、凍結防止運転が作動し、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能となる。 With the above configuration, when an abnormality occurs in the temperature detection unit or the control unit and the anti-freezing control based on the temperature is disabled in the temperature detection unit, the connection state is set to a connection state below the first set temperature during normal operation. The switch 1 is always connected, and the second switch is mechanically connected at a temperature equal to or lower than the second set temperature, so that the freeze prevention operation is activated and the water path in the fuel cell system can be prevented from freezing. Become.
また、本発明の燃料電池システムは、前記凍結防止回路は、前記第1のスイッチに代えて前記温度検知部で検出された温度が第1の設定温度以下である場合には前記制御部により接続される、ならびに前記温度検知部が故障した場合には前記制御部により開放される、及び/または前記異常検知部により前記制御部の異常が検知された場合には該異常検知部により開放される、第3のスイッチと、前記第1の設定温度以下である第2の設定温度以下で機械的に接続される第2のスイッチとを備え、前記第3のスイッチと前記第2のスイッチとが並列であることを特徴とする。上記構成により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じた場合は、通常時第1の設定温度以下で接続状態となる第1のスイッチは開放状態となり、第2のスイッチが第2の設定温度以下で機械的に接続されることによって凍結防止運転が作動し、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能になる。 In the fuel cell system of the present invention, the freeze prevention circuit is connected by the control unit when the temperature detected by the temperature detection unit is equal to or lower than the first set temperature instead of the first switch. And when the temperature detection unit fails, it is opened by the control unit, and / or when the abnormality detection unit detects an abnormality of the control unit, it is opened by the abnormality detection unit. A third switch and a second switch mechanically connected at a second set temperature that is lower than the first set temperature, wherein the third switch and the second switch are It is characterized by being parallel. With the above configuration, when an abnormality occurs in the temperature detection unit or the control unit, the first switch that is in a connected state at a normal temperature below the first set temperature is normally open, and the second switch is in the second state. By being mechanically connected below the set temperature, the freeze prevention operation is activated, and the water path in the fuel cell system can be prevented from freezing.
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池に供給される水素含有ガスを改質反応により生成する改質部と、前記改質部に水を供給するための改質水経路を備え、前記加熱部は、前記改質水経路、前記冷却水経路、前記貯湯経路、及び前記水回収経路の少なくとも一つに設けられていることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes a reforming unit that generates a hydrogen-containing gas to be supplied to the fuel cell by a reforming reaction, and a reforming water path for supplying water to the reforming unit, The heating unit is provided in at least one of the reforming water path, the cooling water path, the hot water storage path, and the water recovery path.
本発明により、前記温度検知部または前記制御部に異常が生じ、温度検知部による凍結防止制御が不可となった場合においても、凍結防止制御のための凍結防止回路に第2の設定温度以下で機械的に接続される第2のスイッチを用いることで、燃料電池システム内の水経路の凍結防止が可能になる。 According to the present invention, even when an abnormality occurs in the temperature detection unit or the control unit and the anti-freezing control by the temperature detection unit becomes impossible, the anti-freezing circuit for the anti-freezing control has a temperature lower than the second set temperature. By using the mechanically connected second switch, it is possible to prevent the water path in the fuel cell system from freezing.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成図である。本実施の形態における燃料電池システムは、原料供給経路1から供給される原料ガスおよび水蒸気から水蒸気改質反応によって水素リッチガスを生成する改質器2と、改質器2に熱を供給するバーナー3と、水素リッチガスと空気中の酸素との化学反応により発電する燃料電池4と、燃料電池4の冷却を行う冷却水経路5と、冷却水経路5を流れる冷却水から熱を回収し、温水として蓄える貯湯経路6と、燃料電池4の反応で生じる生成水、バーナー3からの排気ガス7中に含まれる水分、および燃料電池4の反応に使われなかった排水素をバーナーに供給する排水素経路中8に含まれる水分を回収する水回収経路9と、水回収経路9と冷却水経路5との間を相互循環ポンプ10によって循環させる相互循環経路11と、改質器2での反応に使用される水を供給する改質水経路12と、冷却水経路5、貯湯経路6、水回収経路9、相互循環経路11、改質水経路12に含まれる水をシステム外部へ排水する排水経路13と、冷却水経路5、貯湯経路6、水回収経路9、相互循環経路11、改質水経路12、排水経路13にそれぞれ設けられた加熱部14と、外気温度を検出する位置に取付けられた温度検知部15と、制御部16と、制御部16の異常を検知する異常検知部17と、前記制御部16により前記温度検知部15の検知信号に基づき第1の設定温度以下であると判断された場合に、前記加熱部14を作動させる凍結防止回路とを備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment includes a
加熱部14は、例えば、ヒーターとし、低温時に凍結する可能性がある箇所を加熱により凍結防止できる箇所であれば良いが、本実施の形態では、冷却水経路5、貯湯経路6、水回収経路9、相互循環経路11、改質水経路12、排水経路13にそれぞれ取り付けられている。
The
温度検知部15の場所は、燃料電池システム内の水凍結防止のために温度を検知できる場所であれば、燃料電池システム内外を問わず、いずれの箇所でもかまわないが、外気温度の低下を最も敏感に検知できる箇所が望ましい。本実施の形態では、燃料電池システムの底板部に取り付けられている。 The location of the temperature detector 15 may be any location, whether inside or outside the fuel cell system, as long as the temperature can be detected to prevent water freezing in the fuel cell system. A location where sensitive detection is possible is desirable. In the present embodiment, it is attached to the bottom plate portion of the fuel cell system.
次に、本実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する。原料供給経路1から供給された原料ガスはバーナー3により加熱され、改質水経路12から供給される改質水との水蒸気改質反応により、水素リッチガスとなる。水素リッチガスは水素供給経路18を通して、燃料電池4に供給され、空気供給部19によって送り込まれた空気中の酸素と反応し、発電を行う。発電反応に消費されなかった排水素は排水素経路8を通して、バーナー3に供給され、改質器2の加熱に利用される。
Next, the operation of the fuel cell system in the present embodiment will be described. The raw material gas supplied from the raw material supply path 1 is heated by the burner 3 and becomes a hydrogen-rich gas by a steam reforming reaction with the reformed water supplied from the reformed water path 12. The hydrogen rich gas is supplied to the fuel cell 4 through the
燃料電池4での反応で生じる生成水は、水回収経路9に回収される。また、バーナー3からの排気ガス7中に含まれる水分、およびバーナー3での燃焼を安定させるために除去された排水素経路中8の水分も水回収経路9に回収される。水回収経路9で回収された水分は、凝縮水タンク20に貯められ、相互循環ポンプ10により相互循環経路11を通して燃料電池4を冷却するための冷却水、そして改質水ポンプ21により改質器2に供給される改質水として利用される。また、燃料電池4の発電反応で生じる熱は冷却水ポンプ22により冷却水を循環させることにより冷却水経路5中の熱交換器23を介して、貯湯経路6を流れる貯湯水に伝えられ、家庭の給湯、暖房等に使用される。
The generated water generated by the reaction in the fuel cell 4 is recovered in the water recovery path 9. Further, the water contained in the exhaust gas 7 from the burner 3 and the water in the exhaust hydrogen path removed to stabilize the combustion in the burner 3 are also recovered in the water recovery path 9. The water recovered in the water recovery path 9 is stored in the condensed
また、停電時など凍結防止運転を作動できない場合は、燃料電池システム内の水は各水経路と接続された排水経路13を通して、外部へと排水される。 In addition, when the freeze prevention operation cannot be activated, such as during a power failure, the water in the fuel cell system is drained to the outside through the drainage path 13 connected to each water path.
次に、本実施の形態における凍結防止回路、および凍結防止運転の動作について説明する。 Next, the operation of the freeze prevention circuit and the freeze prevention operation in the present embodiment will be described.
図2は本発明の実施の形態1における凍結防止部を作動させる凍結防止回路図である。図2において、図1と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。 FIG. 2 is a freeze prevention circuit diagram for operating the freeze prevention unit according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, the same components as those in FIG.
凍結防止回路は、電源24と、前記加熱部14と、第1のスイッチ25と、第2の設定温度以下で機械的に接続される第2のスイッチ26とを備え、両スイッチは直列に接続されている。ここで、上記第1のスイッチは、通常時には、温度検出部15で検出された温度が、第1の設定温度以下になった場合に、接続状態となるが、制御部16に温度検出部15が故障したと判定された場合には制御部16により接続され、異常検知部17により制御部16が故障したと判定された場合にも接続される。なお、本実施の形態においては、上記温度検出部15の故障の際の第1のスイッチの接続及び上記制御部16の異常の際の第1のスイッチの接続のうち両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えていても構わない。
The anti-freezing circuit includes a
次に、本実施の形態における凍結防止運転の動作について説明する。 Next, the operation of the freeze prevention operation in the present embodiment will be described.
第1のスイッチ25は温度検知部15で検知された温度が、燃料電池システム内の水温が凍結領域またはその近傍と推定される温度である第1の設定温度以下になった場合、制御部16により凍結防止回路に接続され、本実施の形態では、第1の設定温度を0℃とする。また、第2のスイッチ26は、温度検知部15または制御部16が故障した場合に、加熱部14を制御し燃料電池システムの凍結防止を行うための安全装置であり、第2の設定温度以下になった場合に、機械的に凍結防止回路に接続されるよう構成されている。この第2のスイッチ26としては、例えば、第2の設定温度以下で接続状態となるバイメタルを用いたスイッチが挙げられる。なお、燃料電池システム内の水が凍結しないためには、第2の設定温度は第1の設定温度以上であることが望ましく、例えば本実施の形態では、第2の設定温度を4℃とする。
When the temperature detected by the temperature detection unit 15 is equal to or lower than a first set temperature, which is a temperature at which the water temperature in the fuel cell system is estimated to be the frozen region or the vicinity thereof, the first switch 25 is controlled by the control unit 16. In this embodiment, the first set temperature is set to 0 ° C. The second switch 26 is a safety device for controlling the
これにより、外気温度の低下と共に温度検知部15が0℃以下であると制御部16により判定された場合には、第1のスイッチ25、第2のスイッチ26共に回路接続状態となり、燃料電池システムの水経路に取り付けられた加熱部14が作動し、凍結が防止される。さらに、制御部16により温度検知部15が故障したと判定された場合、または異常検知部17により制御部16がノイズ等の影響により異常が起きたと判定された場合においても第1のスイッチ25は回路接続状態となり、4℃以下で機械的に接続される第2のスイッチ26によって加熱部14が制御され、凍結が防止される。
As a result, when the controller 16 determines that the temperature detector 15 is 0 ° C. or less as the outside air temperature decreases, both the first switch 25 and the second switch 26 are in a circuit connection state, and the fuel cell system The
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における凍結防止部を作動させる凍結防止回路図である。実施の形態1と同様のものについては、同一符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a freeze prevention circuit diagram for operating the freeze prevention unit according to
本実施の形態において、凍結防止回路は、電源24と、前記加熱部14と、第3のスイッチ27と、第2の設定温度以下で機械的に接続される第2のスイッチ26とを備え、第3のスイッチ27と第2のスイッチ26は並列に接続されている。ここで、第3のスイッチは、通常時には、温度検出部15で検出された温度が、第1の設定温度以下になった場合に、接続状態となるが、制御部16により温度検出部15が故障したと判定された場合には制御部16により開放状態が維持され、異常検知部17により前記制御部16が故障したと判定された場合にはこの異常検知部17により開放状態が維持される。
In the present embodiment, the freeze prevention circuit includes a
なお、本実施の形態においては、通常時に温度検知部で検知された温度が第1の設定温度以下になることで凍結防止運転が作動するよう、第2の設定温度は、第1の設定温度以下となっており、さらに、燃料電池システムの水経路の凍結防止を確実にするために、具体的には、第1の設定温度は4℃で、第2の設定温度が0℃となる。また、本実施の形態においては、上記温度検出部15の故障の際の第3のスイッチの開放状態の維持及び上記制御部16の異常の際の第3のスイッチの開放状態の維持のうち両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えていても構わない。 In the present embodiment, the second set temperature is the first set temperature so that the freeze-preventing operation is activated when the temperature detected by the temperature detection unit at the normal time is equal to or lower than the first set temperature. Further, in order to ensure prevention of freezing of the water path of the fuel cell system, specifically, the first set temperature is 4 ° C. and the second set temperature is 0 ° C. Further, in the present embodiment, both of maintaining the open state of the third switch when the temperature detecting unit 15 fails and maintaining the open state of the third switch when the control unit 16 is abnormal. However, you may provide only one of the functions.
以上の構成により、本実施の形態の燃料電池システムは、通常時には温度検知部15で検知された温度が第1の設定温度以下になった場合に、加熱部16が動作し、燃料電池システムの水経路の凍結防止が可能となるが、制御部16により温度検知部15が故障したと判定された場合、または異常検知部17により制御部16が故障したと判定された場合においても、第2の設定温度以下で機械的に接続される第2のスイッチ26によって加熱部14が動作し、燃料電池システムの水経路内の水の凍結が防止される。
With the above configuration, in the fuel cell system of the present embodiment, the heating unit 16 operates when the temperature detected by the temperature detection unit 15 is normally equal to or lower than the first set temperature, and the fuel cell system The water path can be prevented from freezing. However, even if the controller 16 determines that the temperature detector 15 has failed or the abnormality detector 17 determines that the controller 16 has failed, the second is also possible. The
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システム内の凍結防止運転を制御する温度検知部、制御部の少なくともひとつに異常が生じた際においても、凍結防止運転を作動させることが可能であり、水凍結による発電効率低下や運転不能になるといった商品性の低下を防止でき、かつ安全性も確保できるため、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。 The fuel cell system according to the present invention can operate the freeze prevention operation even when an abnormality occurs in at least one of the temperature detection unit and the control unit for controlling the freeze prevention operation in the fuel cell system, It is useful for fuel cell systems used in homes and the like because it can prevent a decrease in merchantability such as a decrease in power generation efficiency due to water freezing and an inability to operate, and can ensure safety.
4 燃料電池
5 冷却水経路
6 貯湯経路
9 水回収経路
11 相互循環経路
12 改質水経路
13 排水経路
14 加熱部
15 温度検知部
16 制御部
17 異常検知部
25 第1のスイッチ
26 第2のスイッチ
27 第3のスイッチ
4 Fuel Cell 5 Cooling Water Path 6 Hot Water Storage Path 9 Water Recovery Path 11 Mutual Circulation Path 12 Reformed Water Path 13
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