JP2008098036A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、貯水器への水の供給量を小さく設定可能とし、供給制御の精度を向上する。
【解決手段】 燃料電池システムは、水を貯める貯水器と、高圧給水源に接続され貯水器に給水する給水管と、給水管に設けられ該給水管を開閉する給水用電磁弁と、給水管から貯水器に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、ステップ１０４〜１０８の処理を繰り返し実行し給水用電磁弁を間欠的に開閉制御する制御装置と、を備えたことである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの貯水器に水を補給する補給制御に関する。

燃料電池システムの給水の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の従来の技術に示されているように、従来の燃料電池発電システムでは、水蒸気分離器内の水位を水位検出器が検出し、その検出信号により設定水位より所定レベル液面が低下したことを感知したレベル調節器１７が、弁１４を開閉して、水蒸気分離器内の液面をその設定レベルに保持するフィ−ドバック制御方法が知られている。この純水の補給を制御する方式は、水蒸気分離器内の水位が低くなったときに給水を開始し、水位が設定レベルに復帰したときに給水を停止するものである。
特開平０６−２７５２９４号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、純水の補給を間欠的に制御する方式と記載されているが、設定水位より所定レベル液面が低下した時点から水位が設定レベルに復帰する直前まで弁１４を開き、水位が設定レベルに復帰した時点から設定水位より所定レベル液面が低下するまで弁１４を閉じている。すなわち、液面が低下した時点から設定レベルに水位が復帰するまで連続的に給水している。この場合、弁１４を開いている間、比較的大きい流量で純水が供給されているので、水面が不安定となり、また水位検出器の応答性を考慮すると、必要以上に給水されたり、給水量が不足したりするおそれがあった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、貯水器への水の供給量を小さく設定可能とし、供給制御の精度を向上することを目的とする。

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、水を貯める貯水器と、高圧給水源に接続され貯水器に給水する給水管と、給水管に設けられ該給水管を開閉する給水用弁と、給水管から貯水器に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、給水用弁を間欠的に開閉制御する制御装置と、を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、それぞれ供給される燃料と改質水から改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質器と、改質水を貯水する貯水器と、改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮してその凝縮水を貯水器に供給する凝縮器と、高圧給水源に接続され貯水器に水を補給する給水管と、給水管に設けられ該給水管を開閉する給水用弁と、給水管から貯水器に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、給水用弁を間欠的に開閉制御する制御装置と、を備えたことである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、貯水器内の水量を検出する水量センサをさらに備え、制御装置は、水量センサによって検出された水量が下限値以下となった場合、給水を開始し、水量センサによって検出された水量が上限値以上となった場合、給水を停止することである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、給水用弁の開時間および閉時間は水量センサの検出応答性を考慮して設定されていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置が、給水管から貯水器に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、給水用弁を間欠的に開閉制御する。したがって、貯水器への水の供給量を従来と比較して小さく設定可能となり、給水の供給制御の精度を向上することができる。

燃料電池システムにおいては、改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体を凝縮器で凝縮してその凝縮水を主として改質水に利用している。そして、凝縮水の回収率が低い場合には、不足分を水道水などで補給するようにしている。また、燃料電池システムの発電に際して改質水の供給量も比較的少量（例えば１０ｍｌ／ｍｉｎ）である。すなわち、貯水器から供給される改質水の量に応じた補給量で補給することが節水の観点から好ましい。そこで、上記のように構成した請求項２に係る発明においては、制御装置が、給水管から貯水器に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、給水用弁を間欠的に開閉制御する。したがって、貯水器への水の供給量を従来と比較して小さく設定可能となり、給水の供給制御の精度を向上することができるので、貯水器から供給される改質水の量に応じた補給量で補給することにより節水することができる。

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１または請求項２に係る発明において、貯水器内の水量を検出する水量センサをさらに備え、制御装置は、水量センサによって検出された水量が下限値以下となった場合、給水を開始し、水量センサによって検出された水量が上限値以上となった場合、給水を停止する。これにより、給水の開始および停止を確実に制御することができる。

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３に係る発明において、給水用弁の開時間および閉時間は水量センサの検出応答性を考慮して設定されているので、より正確に給水を開始および停止することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一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を生成する改質器２０を備えている。

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。

改質器２０は、燃料（改質用燃料）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、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。

バーナ２１は、起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。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、その後燃焼ガス用凝縮器３４を通って外部に排出される。燃焼ガス用凝縮器３４は燃焼ガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器３４は配管６３を介して後述する貯水器４０に連通しており、燃焼ガス用凝縮器３４にて凝縮された凝縮水は、貯水器４０に導出され回収されるようになっている。

改質部２２は、外部から供給された燃料に蒸発器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。

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。

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浄化用の空気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）改質ガス供給管６４を介して燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

蒸発器２５は、一端が貯水器４０の下部に接続され他端が改質部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には送出手段である改質水用ポンプ５３が設けられている。このポンプ５３は制御装置７０によって制御されており、貯水器４０内の改質水を純水器５０を介して蒸発器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、改質部２２、ＣＯシフト部２３などの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。

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。

燃料電池１０の空気極１２には、空気を供給する空気供給管６１およびカソードオフガスを排出するカソードオフガス排気管６２が接続されており、これら空気供給管６１およびカソードオフガス排気管６２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が両管６１，６２を跨いで設けられている。この加湿器１４は水蒸気交換型であり、カソードオフガス排気管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除湿してそ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。

また、改質ガス供給管６４、オフガス供給管６５、およびカソードオフガス排気管６２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、およびカソードオフガス用凝縮器３３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排熱回収手段である凝縮器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、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、カソードオフガス排気管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。なお、凝縮器３０には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給されるようになっており、この液体と各凝縮器３１〜３４を流通する各ガスとの熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。

凝縮器３１，３２，３３は配管６６を介して貯水器４０に連通しており、各凝縮器３１，３２，３３にて凝縮された凝縮水は、貯水器４０に導出され回収されるようになっている。貯水器４０は、改質水を貯めておくものである。貯水器４０には高圧給水源である水道水供給源Ｓｗ（例えば水道管）に接続され補給水（水道水）を供給する給水管６７が接続されている。給水管６７には、該給水管６７を制御装置７０の指令によって開閉する給水用弁である給水用電磁弁６７ａが設けられている。給水用電磁弁６７ａは例えば直動式電磁弁である。また、給水用弁としては、電磁弁以外に、空気等のガス圧で制御するガス圧式（例えば、ダイヤフラム弁）、負圧を利用して制御する負圧式（ガス圧式の一種ともいえる）、モータで駆動するモータ駆動式、圧電素子を利用して駆動するピエゾ式などがある。

貯水器４０には、貯水器４０内の改質水量を検出する水量センサ４１が設けられている。水量センサ４１は例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサ４１は制御装置７０に検出信号を送信するようになっている。

貯水器４０の下流の改質水供給管６８には、順番にポンプ５３、純水器５０が設けられている。純水器５０は、貯水器４０からの改質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、純水化した改質水を改質部２２に導出するものである。

なお、貯水器４０と純水器５０を入れ替えて配置するようにしてもよい。この場合、凝縮器３０からの凝縮水および補給用の水道水は純水器５０を通って純水化された後、貯水器４０に供給される。

また、上述した水量センサ４１、給水用電磁弁６７ａおよび改質水ポンプ５３は制御装置７０に接続されている（図２参照）。制御装置７０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３のフローチャートに対応したプログラムを実行して、改質水の補給制御を行っている。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。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図３のフローチャートおよび図４のタイムチャートを参照して説明する。制御装置７０は図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを所定の単位時間毎に実行する。制御装置７０は、このプログラムが開始される毎に、水量センサ４１によって貯水器４０内の水量を検出（測定）し、その検出された水量が下限値以下であるか否かを判定する（ステップ１０２）。

制御装置７０は、貯水器４０内の水量が下限値より多い場合には、ステップ１０２の処理を繰り返し実行する。貯水器４０内の水量が下限値以下となった場合には、貯水器４０に水道水を補給する処理を開始する。すなわち、給水の開始（図４にて時刻ｔ１）から停止まで（図４にて時刻ｔ２）の間、給水用電磁弁６７ａを間欠的に開閉制御することにより水道水を間欠的に補給する。具体的には、制御装置７０は、給水の開始から停止までの間において、給水用電磁弁６７ａを所定時間Ｔ１（例えば０．４ｓｅｃ）だけ開き（ステップ１０４）、続けて給水用電磁弁６７ａを所定時間Ｔ２（例えば１１．６ｓｅｃ）だけ閉じる（ステップ１０６）。そして、制御装置７０は、水量センサ４１によって貯水器４０内の水量を検出（測定）し、その検出された水量が上限値以上であるか否かを判定する（ステップ１０８）。

本実施形態では、給水用電磁弁６７ａを１回開くことにより約６ｍｌの水が供給される。そして、１分間に給水用電磁弁６７ａを５回開くことになるので、１分間で約３０ｍｌの水を補給することになる。

制御装置７０は、貯水器４０内の水量が上限値より少ない場合には、ステップ１０４〜１０６の処理を繰り返し実行する。貯水器４０内の水量が上限値以上となった場合には、制御装置７０は、給水用電磁弁６７ａを閉じて上記水道水の補給処理を停止する。そして、制御装置７０は、プログラムをステップ１０２に戻す。

なお、給水用電磁弁６７ａの開時間（所定時間Ｔ１）および閉時間（所定時間Ｔ２）は水量センサ４１の検出応答性を考慮して設定されるのが望ましい。水量センサ４１の検出応答性は、給水時の水面の揺らぎなどに起因するものであり、本実施形態では１〜２分である。すなわち、給水時の水面の揺らぎが収まったころに給水することになるので、水量を正確に測定しながら給水することができる。したがって、より正確に給水を開始および停止することができる。

上述した説明から理解できるように、制御装置７０が、給水管６７から貯水器４０に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、給水用電磁弁６７ａを間欠的に開閉制御する（ステップ１０４，１０６）。したがって、貯水器４０への水の供給量を従来と比較して小さく設定可能となり、給水の供給制御の精度を向上することができる。

燃料電池システムにおいては、改質器２０および燃料電池１０を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体を凝縮器３０で凝縮してその凝縮水を主として改質水に利用している。そして、凝縮水の回収率が低い場合には、不足分を水道水などで補給するようにしている。また、燃料電池システムの発電に際して改質水の供給量も比較的少量（例えば１０ｍｌ／ｍｉｎ）である。すなわち、貯水器４０から供給される改質水の量に応じた補給量で補給することが節水の観点から好ましい。そこで、制御装置７０が、給水管６７から貯水器４０に給水を開始するにあたって、給水の開始から停止までの間、給水用電磁弁６７ａを間欠的に開閉制御する。したがって、貯水器４０への水の供給量を従来と比較して小さく設定可能となり、給水の供給制御の精度を向上することができるので、貯水器４０から供給される改質水の量に応じた補給量で補給することにより節水することができる。

また、貯水器４０内の水量を検出する水量センサ４１をさらに備え、制御装置７０は、水量センサ４１によって検出された水量が下限値以下となった場合、給水を開始し、水量センサ４１によって検出された水量が上限値以上となった場合、給水を停止する。これにより、給水の開始および停止を確実に制御することができる。

なお、上述した実施形態においては、本発明を改質器２０に供給する改質水を貯める貯水器４０に適用した場合を説明したが、本発明は燃料電池に供給するガスを加湿する加湿水を貯める貯水器にも適用できる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの給水用電磁バルブの作動を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、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…貯水器、４１…水量センサ、５０…純水器、５３…改質水ポンプ、６１…空気供給管、６２…カソードオフガス排気管、６３…配管、６４…改質ガス供給管、６５…オフガス供給管、６６…配管、６７…給水管、６７ａ…給水用電磁弁（給水用弁）、６８…改質水供給管、Ｓｗ…水道水供給源（高圧給水源）。

Claims (4)

1. 水を貯める貯水器と、
   高圧給水源に接続され前記貯水器に給水する給水管と、
   前記給水管に設けられ該給水管を開閉する給水用弁と、
   前記給水管から前記貯水器に給水を開始するにあたって、前記給水の開始から停止までの間、前記給水用弁を間欠的に開閉制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. それぞれ供給される燃料と改質水から改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質器と、
   前記改質水を貯水する貯水器と、
   前記改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮してその凝縮水を前記貯水器に供給する凝縮器と、
   高圧給水源に接続され前記貯水器に水を補給する給水管と、
   前記給水管に設けられ該給水管を開閉する給水用弁と、
   前記給水管から前記貯水器に給水を開始するにあたって、前記給水の開始から停止までの間、前記給水用弁を間欠的に開閉制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記貯水器内の水量を検出する水量センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記水量センサによって検出された水量が下限値以下となった場合、前記給水を開始し、前記水量センサによって検出された水量が上限値以上となった場合、前記給水を停止することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３において、前記給水用弁の開時間および閉時間は前記水量センサの検出応答性を考慮して設定されていることを特徴とする燃料電池システム。

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