JP2009301985A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 運転開始初期において十分加温されていない水によるタンク内への影響を低減させ、タンク内の水温を確実に上昇させることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 この燃料電池システムFCSは、排出ガス熱回収用熱交換器72から切替部としての三方弁73に至る間の第1管路である管路54に配置され、第1管路である管路54の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部としてのサーミスタ38と、切替部としての三方弁73を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部WSと、を備えている。
【選択図】 図1
【解決手段】 この燃料電池システムFCSは、排出ガス熱回収用熱交換器72から切替部としての三方弁73に至る間の第1管路である管路54に配置され、第1管路である管路54の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部としてのサーミスタ38と、切替部としての三方弁73を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部WSと、を備えている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池セル(SOFC)を含む燃料電池モジュールで発生する熱を利用する燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池からの排出ガスを利用する燃料電池システムとして、例えば下記特許文献1に記載されているような燃料電池システムが提案されている。下記特許文献1に記載されている燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池を用いるものであって、燃料電池モジュールにおける排出ガスを有効利用するためのものである。具体的には、固体電解質形燃料電池モジュールと、この固体電解質形燃料電池モジュールからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、水を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンクの底部と熱交換器との間、及び貯湯タンクの上部と熱交換器との間をそれぞれ連結し、貯湯タンクと熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、この循環配管に設けられ、水を強制的に循環させる循環ポンプと、熱交換器の入口水温及び出口水温を検出する温度検出器と、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように循環ポンプの出力を制御する制御装置とによって構成されている。
下記特許文献1に記載の燃料電池システムではこのような構成とすることにより、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように循環ポンプの出力を制御することができ、その結果、水と排ガスの熱交換を有効に行って高温の湯水を安定して供給できるものとしている。より具体的には、固体電解質形燃料電池による発電が少ない場合、排ガスも少なくなるが、この場合には、循環ポンプをゆっくり回転させて一定時間あたりの循環量を少なくし、熱交換器での熱交換を充分に行うことにより、貯湯タンク内に供給される水の温度を高くできるように構成している。
また、燃料電池からの排出ガスを利用する燃料電池システムとしては、下記特許文献2に記載されているようなものも提案されている。
特開2006−24430号公報
特開2002−81743号公報
ところで、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では、貯湯タンク内の水を熱交換器との間で循環させることで加温している。しかしながら、固体電解質形の燃料電池は、発電効率が良く燃料消費が少ないため、排出ガス温度は高いがその排出量が少なく、排出ガスが含有する熱量は少ないものである。従って、上述した特許文献1に記載されているような循環経路を備える燃料電池システムでは、水を何度も循環させることによって長時間で高温の大量の湯を作るか、熱交換器に対してかなりの低速で水を供給させることで短時間で少量の高温の湯を作る必要がある。このように短時間で少量の高温の湯を作る際に熱交換器の制御の兼ね合いで不具合を発生することがある。
そこで本発明では、熱交換器に対して低速で水を供給する際に発生する不具合を低減させ、タンク内の水温を確実に上昇させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、前記タンクから送り出された水を前記第1管路へと供給する供給管路部及び前記第1管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第2管路と、前記第1管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、前記熱交換器から前記切替部に至る間の前記第1管路に配置され、前記第1管路の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部と、前記切替部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度測定部が測定する水温が基準温度以上となった場合に、前記切替部に対して前記第1管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする。
本発明によれば、熱交換器に対して低速で水を供給する際に発生する不具合を低減させ、タンク内の水温を確実に上昇させることができる燃料電池システムを提供することができる。
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、前記タンクから送り出された水を前記第1管路へと供給する供給管路部及び前記第1管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第2管路と、前記第1管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、前記熱交換器から前記切替部に至る間の前記第1管路に配置され、前記第1管路の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部と、前記切替部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度測定部が測定する水温が基準温度以上となった場合に、前記切替部に対して前記第1管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムによれば、熱交換器へと送り込まれた水が再びその熱交換器へと至るように構成されてなる第1管路と、その第1管路を流れる湯をタンクへと還流させる還流管路部を含む第2管路とを備えているので、第1管路を循環させることで熱交換器から十分な熱量を得ることができ、水を所望の温度の湯とすることができる。第1管路と還流管路部との管路切り替えを行うために切替部を備えているので、水を循環させて第1管路内を循環させるか、タンクへと還流させるかを適切に切り替えることができる。この切り替えは、温度測定部が測定した水温に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなくタンクに還流させることを防止することができ、タンクへ冷たい水を送り込むことがなくなる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部が、外気温に対応させて前記基準温度を変更し、この変更した基準温度によって前記切替部の制御を行うことも好ましい。燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも低くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が大きくなる。特に熱交換器での水流が遅いと熱交換器内での滞留時間が長くなるため、放熱時間も長くなり、さらに温度低下してしまう。一方で、燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも高くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が小さくなる。そこでこの好ましい態様では、外気温に対応させて基準温度を変更することで、第1管路から還流管路部への管路切り替えをする際の水温をより適切なものとすることができる。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、前記タンクから送り出された水を前記第1管路へと供給する供給管路部及び前記第1管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第2管路と、前記第1管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、前記切替部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ポンプの駆動開始後、基準時間経過した後に、前記切替部に対して前記第1管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムによれば、熱交換器へと送り込まれた水が再びその熱交換器へと至るように構成されてなる第1管路と、その第1管路を流れる湯をタンクへと還流させる還流管路部を含む第2管路とを備えているので、第1管路を循環させることで熱交換器から十分な熱量を得ることができ、水を所望の温度の湯とすることができる。第1管路と還流管路部との管路切り替えを行うために切替部を備えているので、水を第1管路内を循環させるか、タンクへと還流させるかを適切に切り替えることができる。この切り替えは、ポンプの駆動開始後の基準時間経過に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなくタンクに還流させることを防止することができ、タンクへ冷たい水を送り込むことがなくなる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部が、外気温に対応させて前記基準時間を変更し、この変更した基準時間によって前記切替部の制御を行うことも好ましい。燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも低くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が大きくなる。一方で、燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも高くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が小さくなる。そこでこの好ましい態様では、外気温に対応させて基準時間を変更することで、第1管路から還流管路部への管路切り替えをする際の水温をより適切なものとすることができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図1を参照しながら本実施形態に係る燃料電池システムFCSについて説明する。図1は、燃料電池システムFCSの構成を概略的に示すブロック構成図である。図1に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池ユニットFCUと、貯湯ユニットWPUとによって構成されている。
続いて、燃料電池ユニットFCUについて説明する。燃料電池ユニットFCUは、燃料電池モジュールFCMと、空気供給部APと、燃料供給部FPと、水供給部WPと、電力取出部EPと、燃料電池ユニット制御部FSと、を備えている。
燃料電池モジュールFCMは、燃料電池セルスタック10と、予熱・蒸発器11と、改質器12と、空気用熱交換器13と、を備えている。燃料電池モジュールFCMは、燃料電池セルスタック10を構成する複数の電気的に繋がれた燃料電池セル(図示しない)に、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することで発電反応を起こして発電するものである。燃料電池モジュールFCMの各構成要素について更に説明する。
空気供給部APは、フィルタ、流量センサ、バッファータンク、空気ブロアといった要素によって構成されている。空気供給部APから供給された酸化剤ガスとしての空気は、予熱・蒸発器11を通って空気用熱交換器13に導入される。空気用熱交換器13は、燃料電池セルスタック10において発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガス及び空気が燃焼したガスを含む排出ガスと、予熱・蒸発器11を通って導入される空気との間で熱交換されるように構成されている。空気用熱交換器13において予熱された空気は、燃料電池セルスタック10に供給される。また、空気用熱交換器13を通過した排出ガスの温度を測定するためのサーミスタ14が、空気用熱交換器13から排出経路の出口までの間であって、空気用熱交換器13の近傍に配置されている。
燃料供給部FPは、炭化水素燃料である都市ガスが流入する経路と、大気が流入する経路とからなる。都市ガスが流入する経路は、電磁弁、ガバナ、燃料ポンプ、バッファータンク、流量センサ、脱硫器、逆止弁といた要素によって構成されている。大気が流入する経路は、フィルタ、空気ブロア、バッファータンク、流量センサ、逆止弁、電磁弁といった要素によって構成されている。これら2つの経路から流入する都市ガスと大気とが混合されて予熱・蒸発器11に導入される。予熱・蒸発器11に導入された混合気は、改質器12に導入され、改質器12内において炭化水素系のガスが水蒸気改質されて水素リッチな燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池セルスタック10に供給される。
水供給部WPは、都市ガスを水蒸気改質する際に用いられる水蒸気となる水を供給する部分であって、浄化器、水ポンプ、逆止弁、流量センサ、電磁弁といった要素によって構成されている。水供給部WPによって供給される水は、予熱・蒸発器11に導入されて水蒸気とされた後に改質器12に導入される。
燃料電池セルスタック10に供給された燃料ガスと空気とによって、燃料電池セルスタック10を構成する各燃料電池セルにおいて発電反応が起こり、発電することができる。燃料電池セルの形態は特に限定されないけれども、例えば、円筒状の燃料電池セルが好適に用いられる。円筒状の燃料電池セルは、電解質層と、その電解質層を挟む内側の電極層及び外側の電極層とによって構成される。内側の電極層は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
燃料電池セルスタック10において発電された電気は、電力取出部EPから外部へと取り出される。電力取出部EPは、インバータ等の電力変換装置を有しており、燃料電池セルスタック10において発電された電気を、交流出力として外部に出力する。
ここで、燃料電池ユニット制御部FSと、燃料電池モジュールFCM、空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPとの関係について図2を参照しながら説明する。図2は、燃料電池ユニット制御部FSと、燃料電池モジュールFCM、空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPとの関係を説明するためのブロック構成図である。
図2に示すように、燃料供給部FP、空気供給部AP、水供給部WP、及び電力取出部EPは、燃料電池ユニットFCUの補器ADを構成している。燃料電池ユニット制御部FSは、燃料供給部FP、空気供給部AP、補器AD、及び電力取出部EPのそれぞれを制御するための部分であって、CPUやROMを有している。燃料電池モジュールFCMの動作は、燃料電池ユニット制御部FSからの指示信号に基づいて実行される。
図1に戻り、燃料電池セルスタック10に供給された燃料ガス及び空気のうち発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガス及び残余の空気は燃焼され、排出ガスが発生する。この燃焼や排出ガスによって改質器12及び空気用熱交換器13に熱が与えられる。排出ガスは、改質器12及び空気用熱交換器13に熱を与えた後、排出ガス熱回収用熱交換器72を通って十分に安全な温度まで温度が下げられた後に外部に排出される。排出ガス熱回収用熱交換器72は、貯湯ユニットWPUにおいて溜められる湯を沸かすための熱交換器である。従って、この排出ガス熱回収用熱交換器72が、本願発明の熱交換器に相当する。
続いて、貯湯ユニットWPUについて説明する。貯湯ユニットWPUは、貯湯タンクWTと、補助熱源としての給湯器HUと、貯湯ユニット制御部WSと、を備えている。貯湯ユニットWPUは、貯湯タンクWTに溜めた水を沸かして貯湯し、その貯湯した湯を給湯器HUを通して給湯栓CLや浴槽BTに供給するものである。より具体的には、貯湯タンクWTに湯が十分に溜められている場合は、給湯器HUによっては加温せずに、給湯器HU内をそのまま通過させて給湯栓CLや浴槽BTに供給する。貯湯タンクWTに湯が十分に溜められていない場合等には、給湯器HUによって加温して給湯栓CLや浴槽BTに供給する。
続いて、貯湯ユニットWPUの配管構成について説明する。貯湯タンクWTには、管路61と、管路51と、管路52と、管路56と、管路57とが繋がれている。貯湯タンクWTに対して、管路61、管路51及び管路52は下側に、管路56及び管路57は上側に、それぞれ繋がれている。
管路61は、貯湯タンクWTに対して外部から給水するための管路である。貯湯タンクWTからみて管路61の上流側には、逆止弁80と、減圧弁81と、逆止弁82と、バキュームブレーカー83と、止水栓84とが設けられている。このような構成により、貯湯タンクWT内の湯が使われると、貯湯タンクWTの下側から水が供給される。
管路51は、貯湯タンクWT内の水を排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り出すための管路である。管路52は、貯湯タンクWT内の水を排水するための管路である。管路52には排水弁70が設けられている。管路51は、後述する管路55と合流して管路53に繋がれている。管路53は、貯湯ユニットWPU内の管路53aと、燃料電池ユニットFCU内の管路53bとによって構成されている。管路53aには、貯湯タンクWT内の水を排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込むポンプ71が設けられている。管路53bは、排出ガス熱回収用熱交換器72へと繋げられている。
排出ガス熱回収用熱交換器72からは、出口側の管路として管路54bが繋げられている。管路54bは、燃料電池ユニットFCU内の管路であって、その先には貯湯ユニットWPU内の管路54aが繋げられている。この管路54aと管路54bとによって管路54が構成されている。管路54(管路54a)は、三方弁73に繋げられている。
三方弁73には、管路54(管路54a)の他に、管路55と管路56とが繋げられている。管路55は上述したように管路51と合流して管路53に繋げられている。従って、管路53、管路54、及び管路55によって排出ガス熱回収用熱交換器72を通る循環管路が形成されている。管路55にはラジエータ74が設けられていて、管路55を通る湯を放熱させることが可能なように構成されている。
管路56は、貯湯タンクWTに湯を供給するための管路であり、貯湯タンクWTの上方に繋げられている。管路57は、貯湯タンクWTから湯を供給するための管路であり、貯湯タンクWTの上方に繋げられている。管路57は、ミキシングバルブ76に繋げられていると共に、逆止弁79、貯湯水量センサ75が設けられている。ミキシングバルブ76には、管路61から分岐した管路59が繋げられている。ミキシングバルブ76は、管路57から供給される湯と、管路59から供給される水とを混合して管路58に送り出している。管路58は、給湯器HUに繋げられている。管路59には、給水水量センサ77が設けられている。
続いて、各管路や貯湯タンクWTに設けられている温度測定部としてのサーミスタの配置について説明する。貯湯タンクWTには、上方から順に、サーミスタ31、サーミスタ32、サーミスタ33が設けられている。また、管路57にはサーミスタ40が設けられている。これらの、サーミスタ31,32,33,40は、貯湯タンクWT内の貯湯量を測定するためのサーミスタである。本実施形態の場合、貯湯タンクWTには上方に湯が下方に水が溜まる構成となっている。従って、サーミスタの温度によって貯湯量を把握することができる。また、サーミスタ33により貯湯量が貯湯タンクWTの貯湯量を満たしている満タン状態であることが確認された場合に、後述する貯湯ユニット制御部WSの制御を止めるための伝達部(図示しない)を備えることも好ましい。そのような伝達部を備えることで、貯湯タンクWTにお湯がない状態のときのみに、述する貯湯ユニット制御部WSによる制御内容を実施することができ効率的である。
管路53の管路53aには、サーミスタ36が設けられている。このサーミスタ36によって、管路53を流れているのが、十分に加温された湯なのか、貯湯タンクWTから出た水なのかを判断することができるし、排出ガス熱回収用熱交換器72に送られる水の温度を測定することもできる。管路54の燃料電池ユニットFCU内の管路54bにはサーミスタ37が、管路54aにはサーミスタ34及びサーミスタ38が、それぞれ設けられている。すわなち、管路54の排出ガス熱回収用熱交換器72側にはサーミスタ37が、管路54の三方弁73側にはサーミスタ34及びサーミスタ38が、それぞれ設けられている。サーミスタ37によって、排出ガス熱回収用熱交換器72によって加温された直後の湯の温度が測定でき、サーミスタ34及びサーミスタ38によって、三方弁73に入る直前の湯の温度が測定できる。
管路56にはサーミスタ39が設けられている。サーミスタ39は、貯湯タンクWTに繋がる部分の近傍に設けられており、貯湯タンクWTに導入される湯の温度を測定することができる。
続いて、貯湯ユニット制御部WSについて図3を参照しながら説明する。図3は、貯湯ユニット制御部WSの機能を説明するためのブロック構成図である。図3に示すように、貯湯ユニット制御部WSには、サーミスタ31,32,33,34,36,37,38,39,40から出力される温度測定値を示す信号が入力され、貯湯水量センサ75及び給水水量センサ77からはそれぞれの部分を通過した水量を示す信号が入力される。貯湯ユニット制御部WSは、それらの入力信号に基づいた情報処理や、予め定められたルーチンに基づく情報処理に基づいて、ポンプ71、三方弁73、ミキシングバルブ76を駆動するための制御信号を出力する。このように、貯湯ユニット制御部WSは、ポンプ71、三方弁73、及びミキシングバルブ76のそれぞれを制御するための部分であって、CPUやROMを有している。貯湯ユニットWPUの動作は、貯湯ユニット制御部WSからの指示信号に基づいて実行される。
この燃料電池システムFCSは構成要素として、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールFCMと、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで燃料電池モジュールFCMから排出される排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器である排出ガス熱回収用熱交換器72と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクである貯湯タンクWTと、貯湯タンクWT内の水を排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込むポンプ71と、を備えている。
更にこの燃料電池システムFCSは、水及び湯が通る管路として次のような管路を備えている。まず、排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込まれた水が再び排出ガス熱回収用熱交換器72へと至るように構成された第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を備えている。更に、貯湯タンクWTから送り出された水を第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55へと供給する供給管路部としての管路51を備えている。更に、第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55から貯湯タンクWTへと湯を還流させる還流管路部としての管路56を備えている。管路51及び管路56によって第2管路が形成されている。
更にこの燃料電池システムFCSは、第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55と還流管路部である管路56との管路切り替えを行う切替部としての三方弁73を備えている。更にこの燃料電池システムFCSは、排出ガス熱回収用熱交換器72から切替部としての三方弁73に至る間の第1管路である管路54に配置され、第1管路である管路54の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部としてのサーミスタ38と、切替部としての三方弁73を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部WSと、を備えている。
このような構成とすれば、燃料電池ユニットFCUの運転開始時等には、排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込まれた水が再びその排出ガス熱回収用熱交換器72へと至るように構成されてなる第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55と、その第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を流れる湯を貯湯タンクWTへと還流させる還流管路部である管路56を含む第2管路とを備えるように構成できる。従って、第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を循環させることで排出ガス熱回収用熱交換器72から十分な熱量を得ることができ、水を所望の温度の湯とすることができる。
特に本実施形態のように固体酸化物形燃料電池を用いている場合は、このような構成とすることがより有効である。固体酸化物形燃料電池は発電効率が良いため、燃料消費が少なく、排出ガス温度は200〜400℃と高いものの、排出ガスの量が少ないため、排出ガスの熱量自体は少ない。従って、排出ガスとの熱交換によって即座に大量に湯を沸かして溜めることができず、少量沸かした湯を少しずつ溜めていくことが必要となる。そこで本実施形態のように、湯を沸かしている間は第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を流し、湧き上がったら管路を還流管路部である管路56へと切り替えて、湯を貯湯タンクWTへと送り込むことができる。
上述したような燃料電池システムFCSによれば、次のような好適な運転制御を行うことが可能となる。一つの好適な運転制御例は、管路の水温に基づく制御である。この制御ルーチンを説明するためのフローチャートを図4に示す。図4に示す例では、貯湯ユニット制御部WSに、サーミスタ34及びサーミスタ38から水温が入力される(ステップS01)。
続いて貯湯ユニット制御部WSは、基準温度を設定する(ステップS02)。より具体的には、貯湯ユニット制御部WSは、外気温に対応させて基準温度を変更する。例えば、外気温が初期値よりも低ければ、排出ガス熱回収用熱交換器72から貯湯タンクWTに至るまでの間に水温がより下がると想定されるので、基準温度を高めに設定する。一方、外気温が初期値よりも高ければ、排出ガス熱回収用熱交換器72から貯湯タンクWTに至るまでの間に水温はあまり下がらないと想定されるので、基準温度を低めに設定する。
続いて貯湯ユニット制御部WSは、サーミスタ34及びサーミスタ38から入力される水温が基準温度を上回っているか判断する(ステップS03)。サーミスタ34及びサーミスタ38から入力される水温が基準温度を上回っていなければ、ステップS01の処理に戻る。一方、サーミスタ34及びサーミスタ38から入力される水温が基準温度以上であれば、ステップS04の処理に進む。
貯湯ユニットWPU内に配置される管路54aに位置するサーミスタ38から入力される水温が基準温度以上であれば、貯湯ユニット制御部WSは、切替部である三方弁73に対して第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55から還流管路部である管路56へと管路切り替えを行うように指示信号を出力する(ステップS04)。
このような制御を行えば、水を循環させて第1管路内である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を循環させるか、還流管路部である管路56へと切り替えて貯湯タンクWTへと還流させるかを適切に切り替えることができる。この切り替えは、温度測定部であるサーミスタ38が測定した水温に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなく貯湯タンクWTに還流させることを防止することができ、貯湯タンクWTへ冷たい水を送り込むことがなくなる。特に本実施形態のように貯湯タンクWTへ上方から湯を溜め、同じく上方から湯を取り出す態様の場合に、湯を取り出す部分の近傍に冷たい水が存在しなくなるので有効である。
また、上述した燃料電池システムFCSでの好適な運転制御例の別例は、制御時間に基づく制御である。この制御ルーチンを説明するためのフローチャートを図5に示す。図5に示す例では、貯湯ユニット制御部WSは、基準時間を設定する(ステップS11)。より具体的には、貯湯ユニット制御部WSは、外気温に対応させて基準時間を変更する。例えば、外気温が初期値よりも低ければ、排出ガス熱回収用熱交換器72から貯湯タンクWTに至るまでの間に水温がより下がると想定されるので、基準時間を長めに設定する。一方、外気温が初期値よりも高ければ、排出ガス熱回収用熱交換器72から貯湯タンクWTに至るまでの間に水温はあまり下がらないと想定されるので、基準時間を短めに設定する。
続いて貯湯ユニット制御部WSは、ポンプ71が駆動を開始してからの時間が基準時間を上回っているか判断する(ステップS12)。ポンプ71が駆動を開始してからの時間が基準時間を上回っていなければ、ステップS11の処理に戻る。一方、ポンプ71が駆動を開始してからの時間が基準時間以上であれば、ステップS13の処理に進む。
ポンプ71が駆動を開始してからの時間が基準時間以上であれば、貯湯ユニット制御部WSは、切替部である三方弁73に対して第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55から還流管路部である管路56へと管路切り替えを行うように指示信号を出力する(ステップS13)。
このような制御を行えば、水を循環させて第1管路内である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を循環させるか、還流管路部である管路56へと切り替えて貯湯タンクWTへと還流させるかを適切に切り替えることができる。この切り替えは、ポンプ71が駆動を開始してからの時間に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなく貯湯タンクWTに還流させることを防止することができ、貯湯タンクWTへ冷たい水を送り込むことがなくなる。特に本実施形態のように貯湯タンクWTへ上方から湯を溜め、同じく上方から湯を取り出す態様の場合に、湯を取り出す部分の近傍に冷たい水が存在しなくなるので有効である。
このような制御を行えば、特に、運転初期、再起動時、電気需要が低下し発電量低下した場合に非常に有効である。具体的には、運転初期においては、排出ガスの温度立ち上がり遅れによる冷たい水の存在を防ぐことができる。また再起動時においては、ポンプ71の停止時に排出ガス熱回収用熱交換器72で特に加温されたお湯が、そのお湯よりも冷たいお湯に挟まれて貯湯タンクWTに向かって送られる。その際に加温されたお湯よりも上流側に存在するお湯を元に制御がなされると、排出ガス熱回収用熱交換器72に位置する熱いお湯に対してさらに熱くさせる制御をさせることを防ぐことができる。また電気需要が低下し、発電量低下した際には、排出ガス量が減り、熱交換量が減っているため、さらにその際に水を排出ガス熱回収用熱交換器72へ送り込む流速が低速であると対応するのに時間がかかるという不具合を防ぐことができる。
10:燃料電池セルスタック
11:予熱・蒸発器
12:改質器
13:空気用熱交換器
14,31,32,33,34,36,37,38,39,40:サーミスタ
51,52,53,53a,53b,54,54a,54b,55,56,57,58,59,61:管路
70:排水弁
71:ポンプ
72:排出ガス熱回収用熱交換器
73:三方弁
74:ラジエータ
75:貯湯水量センサ
76:ミキシングバルブ
77:給水水量センサ
79:逆止弁
80:逆止弁
81:減圧弁
82:逆止弁
83:バキュームブレーカー
84:止水栓
AD:補器
AP:空気供給部
BT:浴槽
CL:給湯栓
EP:電力取出部
FCM:燃料電池モジュール
FCS:燃料電池システム
FCU:燃料電池ユニット
FP:燃料供給部
FS:燃料電池ユニット制御部
HU:給湯器
WP:水供給部
WPU:貯湯ユニット
WS:貯湯ユニット制御部
WT:貯湯タンク
11:予熱・蒸発器
12:改質器
13:空気用熱交換器
14,31,32,33,34,36,37,38,39,40:サーミスタ
51,52,53,53a,53b,54,54a,54b,55,56,57,58,59,61:管路
70:排水弁
71:ポンプ
72:排出ガス熱回収用熱交換器
73:三方弁
74:ラジエータ
75:貯湯水量センサ
76:ミキシングバルブ
77:給水水量センサ
79:逆止弁
80:逆止弁
81:減圧弁
82:逆止弁
83:バキュームブレーカー
84:止水栓
AD:補器
AP:空気供給部
BT:浴槽
CL:給湯栓
EP:電力取出部
FCM:燃料電池モジュール
FCS:燃料電池システム
FCU:燃料電池ユニット
FP:燃料供給部
FS:燃料電池ユニット制御部
HU:給湯器
WP:水供給部
WPU:貯湯ユニット
WS:貯湯ユニット制御部
WT:貯湯タンク
Claims (4)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、
水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、
前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、
前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、
前記タンクから送り出された水を前記第1管路へと供給する供給管路部及び前記第1管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第2管路と、
前記第1管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、
前記熱交換器から前記切替部に至る間の前記第1管路に配置され、前記第1管路の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部と、
前記切替部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度測定部が測定する水温が基準温度以上となった場合に、前記切替部に対して前記第1管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、外気温に対応させて前記基準温度を変更し、この変更した基準温度によって前記切替部の制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、
水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、
前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、
前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、
前記タンクから送り出された水を前記第1管路へと供給する供給管路部及び前記第1管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第2管路と、
前記第1管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、
前記切替部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ポンプの駆動開始後、基準時間経過した後に、前記切替部に対して前記第1管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、外気温に対応させて前記基準時間を変更し、この変更した基準時間によって前記切替部の制御を行うことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008157660A JP2009301985A (ja) | 2008-06-17 | 2008-06-17 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008157660A JP2009301985A (ja) | 2008-06-17 | 2008-06-17 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009301985A true JP2009301985A (ja) | 2009-12-24 |
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ID=41548665
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008157660A Pending JP2009301985A (ja) | 2008-06-17 | 2008-06-17 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2009301985A (ja) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002147846A (ja) * | 2000-11-07 | 2002-05-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 貯湯式ヒートポンプ給湯機 |
JP2004199920A (ja) * | 2002-12-17 | 2004-07-15 | Noritz Corp | 燃料電池コージェネレーションシステム |
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JP2007046824A (ja) * | 2005-08-09 | 2007-02-22 | Osaka Gas Co Ltd | 排熱回収装置 |
-
2008
- 2008-06-17 JP JP2008157660A patent/JP2009301985A/ja active Pending
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