JP2008226810A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の温度を短時間に適正範囲内に安定させ、発電効率および排熱回収効率を高める。
【解決手段】 この燃料電池発電システム１は、燃料電池２を冷却する冷却水の循環回路３と、貯湯槽８に接続された排熱回収回路４と、両方の回路３，４を接続する熱交換器５とを備える。冷却水循環回路３上に冷却水槽１１と冷却水ポンプ１２とを設置し、冷却水槽１１に給水バルブ１３と排水バルブ１４とを設ける。熱交換器５の冷却水入口側に燃料電池２の温度を検出する温度センサ２３を設け、温度センサ２３の出力に基づき、制御部２４が給・排水バルブ１３，１４と冷却水ポンプ１２とを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却水循環回路と排熱回収回路とを熱交換器を介して接続した燃料電池発電システムに関する。

この種のシステムでは、燃料電池の温度が上昇すると、セルに設けられた触媒の劣化が進み、冷却用ラジエータが作動して、排熱回収効率が低下する。一方、燃料電池の温度が低下すると、化学反応効率が悪化し、発電効率が低下する。このため、従来、燃料電池を流れる冷却水の量を調節することで、燃料電池の温度を一定範囲内に制御する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、熱交換器と貯湯槽との間の排熱回収回路上に循環ポンプを設け、循環ポンプの出力を制御することで、熱交換器を介して燃料電池側の冷却水温度を調節し、燃料電池の運転温度を安定化させるシステムが記載されている。
特開２００６−２２８６０６号公報

ところが、従来の燃料電池発電システムによると、排熱回収回路側の循環ポンプを制御しているので、熱交換器より燃料電池側の冷却水温度に応答遅れが生じやすい。特に、家庭用発電システムの場合は、排熱回収回路上に設けられた貯湯槽の水量が温水利用機器の需要によって常に変動するので、燃料電池を流れる冷却水の温度を適正範囲内に安定させるのに長時間を要する。この間、冷却水は燃料電池と熱交換器との間の回路を継続的に循環するため、燃料電池が効率の悪い温度条件下で運転され、発電効率と排熱回収効率が共に低下するという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、燃料電池の温度を短時間に適正範囲内に安定させ、発電効率および排熱回収効率を高めることができる燃料電池発電システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に冷却水槽とポンプとを設置し、冷却水槽に給水バルブと排水バルブとを設け、給・排水バルブおよびポンプを燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

ここで、制御手段は、システムの運転開始時に、燃料電池の単位時間当たり温度変化量が予め定めた基準値内に収まるように、給・排水バルブおよびポンプを制御して、冷却水循環回路を流れる冷却水の温度を調整する。また、制御手段は、システムの通常運転時に、燃料電池の温度が予め定めた適正温度範囲内に収まり、かつ単位時間当たりの温度変化量が予め定めた基準値内で推移するように、給・排水バルブおよびポンプを制御して、冷却水循環回路を流れる冷却水の温度を調整する。

また、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路が冷却水を燃料電池から熱交換器を通さずに燃料電池に還流させる第一循環経路と、冷却水を燃料電池から熱交換器を通して燃料電池に還流させる第二循環経路とを備え、第一循環経路上に燃料電池へ向う冷却水の流量を調節可能な第一循環ポンプを設け、第二循環経路上に熱交換器へ向う冷却水の流量を調節可能な第二循環ポンプを設け、第一および第二循環ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

ここで、制御手段は、システムの運転中に、単位時間当たりの温度変化量に基づいて電池温度が上昇傾向にあるか下降傾向にあるかを判断し、判断結果に応じて第一循環ポンプおよび第二循環ポンプの回転数を段階的に制御し、第一循環経路および第二循環経路を流れる冷却水の流量をステップ状に増減させる。

さらに、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路と熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に燃料電池から熱交換器に向う冷却水の流量を調節可能な第一ポンプを設け、冷却水循環回路と排熱回収回路との間に熱交換器を迂回するバイパス管路を接続し、バイパス管路上に冷却水循環回路から排熱回収回路に向う冷却水の流量を調節可能な第二ポンプを設け、第一および第二ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

ここで、制御手段は、システムの運転中に、燃料電池の現在温度と予め定められた最適運転温度との差を求め、該温度差に応じて第一ポンプおよび第二ポンプの回転数をそれぞれ段階的に制御し、熱交換器に流入する冷却水量と排熱回収回路に流入する冷却水量との比率を調整する。

本発明の燃料電池発電システムによれば、冷却水循環回路上に設けたバルブまたはポンプを制御することにより、燃料電池を流れる冷却水の温度を排熱回収回路側の温度変動による影響を受けることなく適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。このため、冷却水を無駄に循環させる必要がなくなり、燃料電池を常に最適な温度条件下で運転できて、発電効率および排熱回収効率を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は実施例１の燃料電池発電システムを示し、図４〜図６は実施例２の燃料電池発電システムを示し、図７、図８は実施例３の燃料電池発電システムを示す。

まず、本発明の実施例１について説明する。図１は実施例１の燃料電池発電システムの全体的な構成を示す。図２は発電システムの運転開始時に燃料電池の温度を制御する方法を示す。図３は発電システムの通常運転時に燃料電池の温度を制御する方法を示す。

図１に示すように、この燃料電池発電システム１は、水素と酸素を用いて発電する燃料電池２と、燃料電池２を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環回路３と、燃料電池２の排熱を回収する排熱回収回路４と、冷却水循環回路３と排熱回収回路４とを接続する第一熱交換器５と、排熱回収回路４と熱負荷回路６との間に介在する第二熱交換器７とを備えている。そして、排熱回収回路４上に貯湯槽８が設けられ、熱負荷回路６上に家庭内で使用する温水利用機器が設けられている。なお、燃料電池発電システム１の用途は、家庭に限定されず、工場や店舗等の事業所に適用することも可能である。

燃料電池２には水素を含む燃料ガスの改質器９と、酸素を含む空気を燃料電池２に供給するブロア１０とが接続されている。冷却水循環回路３は燃料電池２と第一熱交換器５との間に配管され、この循環回路３上に冷却水を貯留する冷却水槽１１と、冷却水槽１１の冷却水を燃料電池２と第一熱交換器５とに循環させる冷却水ポンプ１２とが設置されている。そして、冷却水槽１１に冷却水を外部から循環回路３に取り入れる給水バルブ１３と、冷却水を水槽１１から外部に取り出す排水バルブ１４とが設けられている。

排熱回収回路４は第一熱交換器５と貯湯槽８とを接続する温水配管１６と、貯湯槽８と第二熱交換器７とを接続する給湯配管１７とを備えている。温水配管１６上には貯湯槽８の温水を第一熱交換器５に循環させる循環ポンプ１８が設けられ、給湯配管１７上に貯湯槽８の温水を第二熱交換器７に通して熱負荷回路６に供給する給湯ポンプ１９が設けられている。なお、燃料電池２のオーバーフロー管２０は第二熱交換器７に接続され、水道配管２１が貯湯槽８に接続されている。

第一熱交換器５の冷却水入口には、燃料電池２の運転温度（詳しくは、燃料電池２から流出した冷却水の温度）を検出する温度センサ２３が設置され、温度センサ２３の出力が制御部２４に送信される。制御部２４は発電システム１の全体を電気的に制御する手段であって、温度センサ２３の出力に基づいて冷却水循環回路３上の冷却水ポンプ１２と冷却水槽９の給水バルブ１３と排水バルブ１４とを制御するように構成されている。なお、温度センサ２３の設置位置は、第一熱交換器５に限定されず、燃料電池２内部の電極部や冷却水路上であってもよい。

上記システム１において運転が開始されると、制御部２４は燃料電池２の単位時間当たりの温度変化量が予め定めた基準値内に収まるように、循環回路３の冷却水温度を調整する。具体的には、１分間ごとに温度センサ２３から電池温度を読み込み、図２において、温度変化の傾きＡ（｜Ａ｜＝｜Ｔｘ／Δｔ｜）が基準値（例えば、最大適正温度Ｔ_Ｈ／３０分）以上となった場合に、冷却水槽１１の給水バルブ１３を開き、冷却水ポンプ１２の出力を上げる。また、温度変化の傾きＡが基準値以下になった場合は、排水バルブ１４を開き、冷却水ポンプ１２の出力を下げる。そして、電池温度が適正温度範囲になるまでの期間、温度変化の傾きＡを常に基準値内で推移させる。

一方、システム１の通常運転時には、制御部２４は電池温度が予め定めた適正温度範囲内に収まり、かつ単位時間当たりの温度変化量が予め定めた基準値内で推移するように、循環回路３の冷却水温度を調整する。具体的には、１分間ごとに温度センサ２３から電池温度を読み込み、図３において、最大適正温度Ｔ_Ｈ＞電池温度Ｔ＞最小適正温度Ｔ_Ｌの条件を満たすように、冷却水ポンプ１２と給・排水バルブ１３，１４を制御する。同時に、ｔ_ｎ分目とｔ_ｎ＋１分目の温度差ΔＴが基準値内に収まるように、冷却水ポンプ１２と給・排水バルブ１３，１４を制御する。この場合の基準値には、例えば、熱交換器５の冷却水入口側における単位時間当たりの温度変化が５℃以下となるような範囲を指定できる。

この実施例１の燃料電池発電システム１によれば、冷却水循環回路３上に冷却水槽１１を設置したので、冷却水槽１１の給・排水バルブ１３，１４と冷却水ポンプ１２とを制御することにより、燃料電池２を流れる冷却水の温度を、排熱回収回路４側の温度変動による影響を受けることなく、適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。このため、従来とは異なり、冷却水を循環回路３で無駄に循環させる必要がなくなり、燃料電池２を常に最適な温度条件下で運転でき、もって、システム１の発電効率および排熱回収効率を高めることができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図４は実施例２の燃料電池発電システム３１の全体的な構成を示す。図５は電池温度の変化に応じて二つの循環ポンプ３４，３５を制御する方法を示す。図６は出力負荷電流の変化に応じて二つの循環ポンプ３４，３５を制御する方法を示す。

実施例２の燃料電池発電システム３１は、冷却水循環回路３の構成において実施例１と相違する。図４に示すように、冷却水循環回路３は、冷却水を燃料電池２から第一熱交換器５を通さずに燃料電池２に還流させる第一循環経路３２と、冷却水を燃料電池２から第一熱交換器５を通して燃料電池２に還流させる第二循環経路３３とから構成されている。第一循環経路３２上には、燃料電池２から水槽１１を通って燃料電池２に向う冷却水の流量を調節可能な第一循環ポンプ３４が設けられている。第二循環経路３３上には、燃料電池２から第一熱交換器５に向う冷却水の流量を調節可能な第二循環ポンプ３５が設けられている。なお、この実施例２では、水槽１１が燃料電池２の温度を安定させるための冷却水タンクとして機能する。

燃料電池２の内部には、燃料電池２の運転温度を検出する温度センサ３６が設置され、温度センサ３６の出力が制御部２４に送信される。制御部２４は発電システム３１の全体を電気的に制御する手段であって、温度センサ３６の出力に基づいて冷却水循環回路３上の第一循環ポンプ３４と第二循環ポンプ３５の回転数を制御するように構成されている。

具体的には、図５に示すように、制御部２４は、単位時間当たりの温度変化量に基づき、電池温度が上昇傾向（傾き：正）にあるか下降傾向（傾き：負）にあるかを判断する。そして、判断結果に応じ、第一循環ポンプ３４と第二循環ポンプ３５の回転数を段階的（例えば高低５段階）に切り替え、第一循環経路３２および第二循環経路３３を流れる冷却水の流量をステップ状に増減させる。

例えば、電池温度が上昇傾向にあるときに、第二循環ポンプ３５の回転数を段階的に高くし、第二循環経路３３を通って第一熱交換器５に流入する冷却水の流量をステップ状に増加させる。同時に、第一循環ポンプ３４の回転数を段階的に低くし、第一循環経路３２を通って燃料電池２に戻る冷却水の流量をステップ状に減少させる。そして、各ステップにおいて一定時間同じ流量を保ち、その時間が経過した時点で電池温度がなお上昇傾向にあれば、第二循環ポンプ３５の回転数レベルを前回よりも一段階高くし（＋１）、第一循環ポンプ３４の回転数レベルを前回よりも一段階低くする（−１）。これにより、電池温度の上昇期間中は、比較的多量の冷却水を第一熱交換器５で効率よく冷却して、燃料電池２の急激な温度上昇を防止することができる。

一方、電池温度が下降傾向にあるときは、第二循環ポンプ３５の回転数を段階的に低くし、第二循環経路３３を流れる冷却水の流量をステップ状に減少させる。同時に、第一循環ポンプ３４の回転数を段階的に高くし、第一循環経路３２を通って燃料電池２に戻る冷却水の流量をステップ状に増加させる。そして、各ステップにおいて一定時間同じ流量を保ち、その時間が経過した時点で電池温度がなお下降傾向にあれば、第二循環ポンプ３５の回転数レベルを前回よりも一段階低くし（−１）、第一循環ポンプ３４の回転数レベルを前回よりも一段階高くする（＋１）。これにより、電池温度の下降期間中に、第一熱交換器５に流入する冷却水量を少なくし、燃料電池２の急激な温度低下を防止することができる。

なお、第一循環ポンプ３４と第二循環ポンプ３５の回転数は、常に一定量の冷却水が循環回路３を循環するように、第一循環ポンプ３４が低レベル（０）〜高レベル（５）のとき、第二循環ポンプ３５は高レベル（５）〜低レベル（０）となるように対応している。また、燃料電池２の運転温度は、燃料電池２に要求される出力負荷電流から予測することも可能である。この場合は、出力負荷電流がどのレベルにあるかに応じて第一循環ポンプ３４と第二循環ポンプ３５の回転数を決定する。例えば、図６に示すように、出力負荷電流が定格最大レベル「Ｉ」であるときに、第一循環ポンプ３４の回転数を最低レベル（０）、第二循環ポンプ３５の回転数を最高レベル（５）に設定する。逆に、出力負荷電流が最低レベル「ＶＩ」であるときは、第一循環ポンプ３４の回転数を最高レベル（５）、第二循環ポンプ３５の回転数を最低レベル（０）に設定する。そして、電池温度が安定するのを待って、通常の制御に移行する。

この実施例２の燃料電池発電システム３１によれば、第一熱交換器５を通らない第一循環経路３２上に第一循環ポンプ３４を設け、第一熱交換器５を通る第二循環経路３３上に第二循環ポンプ３５を設置したので、二つのポンプ３４，３５を制御することにより、排熱回収回路４側の温度変動による影響を受けることなく、電池温度を適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。特に、二つの循環ポンプ３４，３５の回転数を段階的に制御し、循環経路３２，３３を流れる冷却水の流量をステップ状に増減させるので、冷却水温度の急激な変動を防止して、燃料電池２を常に安定した温度条件下で運転できるという利点がある。

続いて、本発明の実施例３について説明する。図７は実施例３の燃料電池発電システム５１の全体的な構成を示す。図８は電池温度の変化に応じて二つのポンプ５５，５６を制御する方法を示す。

実施例３の燃料電池発電システム５１は、冷却水循環回路３の構成において実施例１および実施例２と相違する。図７に示すように、冷却水循環回路３は、冷却水を燃料電池２から第一熱交換器５を通さずに燃料電池２に還流させる第一循環管路５２と、冷却水を燃料電池２から第一熱交換器５を通して燃料電池２に還流させる第二循環管路５３と、冷却水を第二循環管路５３から第一熱交換器５を迂回させて排熱回収回路４へ導くバイパス管路５４とから構成されている。

第一循環管路５２上には当該管路５２を開閉する第一電磁バルブ５７が設けられ、第二循環管路５３上に当該管路５３を開閉する第二電磁バルブ５８が設けられている。第二電磁バルブ５８より下流側の第二循環管路５３上には、燃料電池２から第一熱交換器５に向う冷却水の流量を調節可能な第一ポンプ５５が設けられている。バイパス管路５４は第一ポンプ５５の吸入側と第一熱交換器５の２次側出口近傍との間に接続され、このバイパス管路５４上に冷却水循環回路３から排熱回収回路４側に向う冷却水の流量を調節可能な第二ポンプ５６が設けられている。そして、制御部２４が温度センサ３６の出力に基づいて二つの電磁バルブ５７，５８のＯＮ，ＯＦＦと二つのポンプ５５，５６の回転数とを制御するように構成されている。

具体的には、図８に示すように、制御部２４は、温度センサ３６で検出された電池温度Ｔが予め定められた最適運転温度（最も高い発電効率が得られる温度）Ｔaより何℃離れているかを算出し、双方の温度差に応じて第一ポンプ５５および第二ポンプ５６の回転数を高低６段階（０〜５レベル）で制御し、第一熱交換器５に流入する冷却水量と排熱回収回路４に流入する冷却水量の比率を調整する。例えば、燃料電池２の適正な温度範囲をＴ_-Ｘ＜Ｔ_a＜Ｔ_+Ｘとすると、Ｔ_+Ｘを上限値「Ｔ_Ｈ５」と定め、最適運転温度Taから上限値「Ｔ_Ｈ５」までを５等分し、５段階の温度条件Ｔ_a＜Ｔ_Ｈ１＜Ｔ_Ｈ２＜Ｔ_Ｈ３＜Ｔ_Ｈ４＜Ｔ_Ｈ５を設定する。そして、各温度条件に制御モード「Ｉ」〜「Ｖ」を割り当て、それぞれの制御モードにおいて第一ポンプ５５および第二ポンプ５６を異なる回転数レベルで制御する。

また、制御部２４は、Ｔ_a＜Ｔ＜Ｔ_+Ｘのときに、第一電磁バルブ５７をＯＦＦして第一循環管路５２を閉じ、第二電磁バルブ５８をＯＮして第二循環管路５３を開き、冷却水を燃料電池２から第一熱交換器５または排熱回収回路４へ導く。この状態で、例えば、温度センサ３６により検出された電池温度ＴがＴ_a＜Ｔ＜Ｔ_Ｈ１のとき、制御モード「Ｉ」において、第一ポンプ５５の回転数を最小レベル「１」で、第二ポンプ５６の回転数を停止レベル「０」でそれぞれ制御する。これにより、ごく少量の冷却水を第一熱交換器５で冷却し、電池温度Ｔを発電効率の高い最適運転温度Ｔaの近くで安定的に維持することができる。

電池温度Ｔがより高い条件下にあるとき、例えばＴ_Ｈ２＜Ｔ＜Ｔ_Ｈ３にあるときは、制御モード「ＩＩＩ」において、第一ポンプ５５の回転数を比較的高いレベル「３」で、第二ポンプ５６の回転数も比較的高いレベル「２」でそれぞれ制御する。これにより、比較的多量の冷却水を第一熱交換器５と排熱回収回路４の両方に流入させ、冷却水循環回路３側の冷却水温度を効率よく低下させることができる。一方、Ｔ_-Ｘ＜Ｔ＜Ｔ_aのときには、燃料電池２の温度を適正温度範囲内に速やかに上昇させるために、第一電磁バルブ５７をＯＮして第一循環管路５２を開き、第二電磁バルブ５８をＯＦＦして第二循環管路５３を閉じ、冷却水を燃料電池５から第一熱交換器５に導くことなく水槽１１を通して燃料電池２へ還流させる。

この実施例３の燃料電池発電システム５１は、電池温度Ｔに応じて第一ポンプ５５と第二ポンプ５６の回転数を制御することで、第一熱交換器５に流入する冷却水量と排熱回収回路４に流入する冷却水量の比率を調整する。このため、第一熱交換器５を通る冷却水の流量を相対的に少なくし、熱交換に伴う冷却水の急激な温度変動を抑えて、燃料電池２の温度を適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。

なお、上記実施形態では、二つの熱交換器５，７を備えた発電システム１，３１，５１を例示したが、第二熱交換器７を省略して実施することもでき、給湯配管１７と給湯ポンプ１９を排熱回収回路４から切り離して貯湯槽８に接続することも可能である。その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の構成を適宜変更して実施することもできる。

本発明の実施例１を示す燃料電池発電システムの構成図である。 該システムの運転開始時における電池温度の制御方法を示すグラフである。 該システムの通常運転時における電池温度の制御方法を示すグラフである。 本発明の実施例２を示す燃料電池発電システムの構成図である。 該システムにおける循環ポンプの制御方法を示すタイムチャートである。 該循環ポンプの別の制御方法を示す表である。 本発明の実施例３を示す燃料電池発電システムの構成図である。 該システムにおけるポンプの制御方法を示す表である。

符号の説明

１ 燃料電池発電システム（実施例１）
２ 燃料電池
３ 冷却水循環回路
４ 排熱回収回路
５ 第一熱交換器
７ 第二熱交換器
８ 貯湯槽
１１ 冷却水槽
１２ 冷却水ポンプ
１３ 給水バルブ
１４ 排水バルブ
２３ 温度センサ
２４ 制御部
３１ 燃料電池発電システム（実施例２）
３２ 第一循環経路
３３ 第二循環経路
３４ 第一循環ポンプ
３５ 第二循環ポンプ
３６ 温度センサ
５１ 燃料電池発電システム（実施例３）
５２ 第一循環管路
５３ 第二循環管路
５４ バイパス管路
５５ 第一ポンプ
５６ 第二ポンプ
５７ 第一電磁バルブ
５８ 第二電磁バルブ

Claims (3)

1. 燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に冷却水槽とポンプとを設置し、冷却水槽に給水バルブと排水バルブとを設け、給・排水バルブおよびポンプを燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路が冷却水を燃料電池から熱交換器を通さずに燃料電池に還流させる第一循環経路と、冷却水を燃料電池から熱交換器を通して燃料電池に還流させる第二循環経路とを備え、第一循環経路上に燃料電池へ向う冷却水の流量を調節可能な第一循環ポンプを設け、第二循環経路上に熱交換器へ向う冷却水の流量を調節可能な第二循環ポンプを設け、第一および第二循環ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路と熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に燃料電池から熱交換器に向う冷却水の流量を調節可能な第一ポンプを設け、冷却水循環回路と排熱回収回路との間に熱交換器を迂回するバイパス管路を接続し、バイパス管路上に冷却水循環回路から排熱回収回路に向う冷却水の流量を調節可能な第二ポンプを設け、第一および第二ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。

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