JP2010257645A - Control program of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンピュータによって、燃料電池モジュール、制御装置、水供給装置、水容器及び凝縮器を備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御プログラムに関する。 The present invention relates to a control program for a fuel cell system for controlling a fuel cell system including a fuel cell module, a control device, a water supply device, a water container and a condenser by a computer.
通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte. An electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやLNG等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス(燃料ガス)が生成されている。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, after obtaining a reforming raw material gas from a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuel such as methane or LNG, the reforming raw material gas is subjected to, for example, steam reforming. The reformed gas (fuel gas) is generated.
上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。このため、外部から必要な水量の水を供給する方式に代えて、燃料電池の発電により発生した排ガスを凝縮させることにより、改質に必要な水を完全循環(水自立)させる水回収方式が注目されている。 In the steam reforming described above, it is necessary to replenish water corresponding to the amount of steam used for the reforming reaction. For this reason, instead of a system that supplies the required amount of water from the outside, a water recovery system that completely circulates the water necessary for reforming (water self-sustained) by condensing exhaust gas generated by power generation of the fuel cell Attention has been paid.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システム及び燃料ガス供給方法が知られている。この特許文献1では、図7に示すように、固体酸化物形燃料電池1aの空気極2aには、熱交換器4aを通って加熱された空気が供給されるとともに、燃料極3aには、熱交換器5a及び改質器6aを通って改質された燃料が供給されている。
For example, a fuel cell system and a fuel gas supply method disclosed in Patent Document 1 are known. In Patent Document 1, as shown in FIG. 7, air heated through a
燃料極3aからの燃料排ガスは、排ガス流路7aに排出されるとともに、前記排ガス流路7aには、分配弁8aを設けて分配管路9aが分配されている。この分配管路9aは、分配された燃料排ガスを改質器6a、熱交換器4a及び熱交換器5aに供給している。
Fuel exhaust gas from the fuel electrode 3a is discharged to the
また、特許文献2に開示されている固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムは、図8に示すように、固体酸化物形燃料電池セル1b及び改質器2bが発電室3bに配置された発電モジュール4bと、前記発電室3bから排出された排ガスを、内部空間5bに流通させるとともに、前記内部空間5bに循環水配管6bを挿通させた排熱回収用熱交換器7bとを有している。
In addition, in the exhaust heat recovery system for a solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 2, as shown in FIG. 8, a solid
排熱回収用熱交換器7bの下面には、凝縮水の出口が設けられ、この出口に水貯留タンク8bが配置されている。水貯留タンク8bに貯留されている水は、水ポンプ9bを介して発電モジュール4bの改質器2bに供給されている。
An outlet of condensed water is provided on the lower surface of the heat exchanger for
しかしながら、上記の特許文献1では、排ガス流路7aから分配管路9aが分岐されるため、システム全体が大型化するとともに、放熱量が増加するという問題がある。しかも、部品点数が増加し、製造コストが高騰するおそれがある。しかも、分配弁8aは、発電直後の高温の燃料排ガスに曝されるため、前記分配弁8aの耐熱性及び耐久性が求められている。これにより、分配弁8aのコストが高騰するという問題がある。
However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the distribution pipe 9a is branched from the exhaust
また、上記の特許文献2では、排熱回収用熱交換器7bにより排ガス中の水分を凝縮水として水貯留タンク8bに取り出しているが、この凝縮水の回収量を調整することができない。従って、水貯留タンク8bに貯留される水が大幅に減少したり、この水貯留タンク8bから水が溢れ出すおそれがある。
Moreover, in said patent document 2, although the water | moisture content in waste gas is taken out to the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、採水効率を向上させることができ、運転に必要な水の全量を賄うことが可能な燃料電池システムの制御プログラムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and has a simple and compact configuration, can improve water collection efficiency, and can control the total amount of water required for operation. The purpose is to provide.
本発明は、コンピュータによって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記水供給装置に水を供給する水容器と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと外部から供給される冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器とを備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御プログラムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas by a computer, a water supply device that supplies water to the fuel cell module, and a water supply device that supplies water to the water supply device. A condenser for condensing water vapor in the exhaust gas and supplying condensed water to the water container by heat exchange between the container and the exhaust gas discharged from the fuel cell module and an externally supplied refrigerant body; The present invention relates to a fuel cell system control program for controlling a fuel cell system.
この制御プログラムは、水容器内の貯水量を検出する第1のステップと、燃料電池モジュールに供給される水の量、及び少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は前記燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの流量のいずれかを検出する第2のステップと、前記第2のステップの検出結果に基づき、前記燃料電池モジュールに供給される全水量を算出する第3のステップと、前記第1のステップの検出結果に基づき、前記第3のステップで算出された前記全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第4のステップと、前記第4のステップの算出結果に基づき、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第5のステップと、前記第5のステップの算出結果に基づき、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を調整する第6のステップとを実行させている。 The control program includes a first step of detecting the amount of water stored in the water container, the amount of water supplied to the fuel cell module, and at least the flow rate, temperature, and humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell module. Alternatively, a second step of detecting either the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell module and a first step of calculating the total amount of water supplied to the fuel cell module based on the detection result of the second step. 3 and the water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module with the total water amount calculated in the third step as the upper limit based on the detection result of the first step. A fourth step of calculating the amount, and a temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser based on the calculation result of the fourth step Or the fifth step of calculating either the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser, and the refrigerant body supplied to the condenser based on the calculation result of the fifth step And a sixth step of adjusting the flow rate of.
また、この制御プログラムでは、第4のステップは、水容器内の貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して実行させることが好ましい。このため、水容器内に最適な水量を確保することができ、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことが可能になる。 In the control program, the fourth step is preferably executed by comparing the amount of water stored in the water container with a preset range of the amount of stored water. For this reason, an optimal amount of water can be secured in the water container, and the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system.
従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システムの水自立運転が遂行される。ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。 Accordingly, it is not necessary to supply water from the outside, and water self-sustained operation of the fuel cell system is performed. Here, water self-supporting means that the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is supplied from within the fuel cell system without being supplied from the outside.
さらに、この制御プログラムでは、第4のステップは、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲未満であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第2のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量を超過する量に設定されることが好ましい。 Further, in this control program, the fourth step is to condense from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when it is determined that the amount of water stored in the water container is less than the range of the amount of stored water. The amount of water is preferably set to an amount that exceeds the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step.
これにより、水容器内の貯水量が少ない場合に、採水効率(燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量/燃料電池モジュールに供給される水量)>100%となり、凝縮水量が燃料電池モジュールへの供給水量を上回るため、前記水容器内には、最適な水量が確保される。このため、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。 As a result, when the amount of water stored in the water container is small, the water collection efficiency (the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module / the amount of water supplied to the fuel cell module)> 100%. Since the amount of water exceeds the amount of water supplied to the fuel cell module, an optimal amount of water is secured in the water container. For this reason, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system, and water supply operation of the fuel cell system is performed without the need for external water supply.
さらにまた、この制御プログラムでは、第4のステップは、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲超過であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第2のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量未満の量に設定されることが好ましい。従って、水容器内の貯水量が多い場合に、採水効率<100%にすることにより、凝縮水量が燃料電池モジュールへの供給水量を下回るため、前記水容器内には、最適な水量が確保される。これにより、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。 Furthermore, in this control program, the fourth step is to condense from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when it is determined that the amount of water stored in the water container exceeds the range of the amount of stored water. It is preferable to set the amount of water to be less than the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. Therefore, when the amount of water stored in the water container is large, the amount of condensed water is less than the amount of water supplied to the fuel cell module by setting the water collection efficiency <100%, so that an optimal amount of water is secured in the water container. Is done. As a result, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system, and the water cell autonomous operation of the fuel cell system is performed without the need for external water supply.
また、この制御プログラムでは、第4のステップは、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲内であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第2のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量と同量に設定されることが好ましい。このため、採水効率=100%にすることにより、水容器内には、最適な水量が確保され、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システムの水自立運転が遂行される。 Further, in this control program, the fourth step is to condense from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when it is determined that the water storage amount in the water container is within the range of the water storage amount. The amount of water is preferably set to the same amount as the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. For this reason, by setting the water collection efficiency to 100%, an optimal amount of water is secured in the water container, and the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system. Accordingly, it is not necessary to supply water from the outside, and water self-sustained operation of the fuel cell system is performed.
さらに、この制御プログラムでは、第6のステップは、少なくとも凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度と、第5のステップで算出された前記排ガスの温度、又は凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度と、第5のステップで算出された前記冷媒体の温度とのいずれかを比較して実行させることが好ましい。これにより、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。 Further, in this control program, the sixth step includes at least the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser, the temperature of the exhaust gas calculated in the fifth step, or the heat discharged from the condenser. It is preferable that the temperature of the refrigerant body after replacement is compared with the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. Thus, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. The For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.
さらにまた、この制御プログラムでは、第6のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度が、第5のステップで算出された前記排ガスの温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される冷媒体の流量を増加させることが好ましい。従って、排ガスの温度が高い場合に、凝縮器に供給される冷媒体の流量が増加されて前記排ガスの温度を低下させる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。 Furthermore, in this control program, in the sixth step, the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser exceeds the set range of the exhaust gas temperature calculated in the fifth step. When determined, it is preferable to increase the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is high, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser is increased, and the temperature of the exhaust gas is lowered. Thereby, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and water shortage is reliably suppressed.
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。 In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.
また、この制御プログラムでは、第6のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度が、前記第5のステップで算出された前記排ガスの温度の設定範囲以下であると判断された際、凝縮器に供給される冷媒体の流量を減少又は維持させることが好ましい。従って、排ガスの温度が低い場合に、凝縮器に供給される冷媒体の流量が減少又は維持されて前記排ガスの温度を高く又は維持させる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。 Further, in this control program, in the sixth step, it is determined that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser is equal to or less than the set range of the temperature of the exhaust gas calculated in the fifth step. In this case, it is preferable to reduce or maintain the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is low, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser is reduced or maintained to increase or maintain the temperature of the exhaust gas. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and the surplus water is reliably suppressed.
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。 In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.
さらに、この制御プログラムでは、第6のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第5のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が高い場合に、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が増加されて排ガスの温度を低くさせる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。 Further, in this control program, in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser exceeds the setting range of the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. When it is determined, it is preferable to increase the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the refrigerant body is high, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is increased to lower the temperature of the exhaust gas. Thereby, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and water shortage is reliably suppressed.
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。 In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.
さらにまた、この制御プログラムでは、第6のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第5のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲未満であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が低い場合に、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が減少されて排ガスの温度を高くさせる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。 Furthermore, in this control program, in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser is less than the setting range of the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. When the determination is made, it is preferable to reduce the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the refrigerant body is low, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is reduced to increase the temperature of the exhaust gas. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and the surplus water is reliably suppressed.
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。 In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.
また、この制御プログラムでは、第6のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第5のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲内であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を維持させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が最適であるため、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が維持され、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量を、常に、最適に確保することができる。 In this control program, the sixth step determines that the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser is within the setting range of the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. When this is done, it is preferable to maintain the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Accordingly, since the temperature of the refrigerant body is optimum, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is maintained, and the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas can always be ensured optimally.
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。これにより、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。 In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . Thereby, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.
さらに、この制御プログラムでは、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。 Further, in this control program, the fuel cell module is provided with a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are provided. In order to produce a fuel cell stack to be stacked, a heat exchanger for heating before supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and a mixed fuel of raw fuel and steam mainly composed of hydrocarbons, water is used. It is preferable to include an evaporator for evaporating and a reformer for reforming the mixed fuel to generate fuel gas.
このため、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に適用することができ、良好な効果が得られる。 Therefore, it can be optimally applied to a fuel cell module that performs steam reforming in particular, and a good effect can be obtained.
さらにまた、この制御プログラムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。 Furthermore, in this control program, the fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. Therefore, it can be optimally used for a high temperature fuel cell system, and a good effect can be obtained.
本発明によれば、水容器内の貯水量の検出結果に基づき、燃料電池モジュールに供給される全水量を算出し、この全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量が算出されている。これにより、水容器内は、常に、最適な水量を確保することができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システムの採水効率(燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量/燃料電池モジュールに供給される水量)を向上させることが可能になる。 According to the present invention, the total amount of water supplied to the fuel cell module is calculated based on the detection result of the amount of water stored in the water container, and the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module with the total water amount as the upper limit. The amount of water to be condensed is calculated. As a result, the inside of the water container can always ensure an optimal amount of water, and with a simple and compact configuration, the water sampling efficiency of the fuel cell system (condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module) It is possible to improve the amount of water / the amount of water supplied to the fuel cell module.
このため、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。 For this reason, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system, and water supply operation of the fuel cell system is performed without the need for external water supply. Here, water self-supporting means that the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is supplied from within the fuel cell system without being supplied from the outside.
本発明の第1の実施形態に係る制御プログラムを実施するための燃料電池システム10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
The
燃料電池システム10は、図1に概略的に示すように、発電ユニット12と貯湯ユニット14とを備える。発電ユニット12は、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール16と、前記燃料電池システム10を制御する制御プログラムが記録された制御装置(コンピュータ)18と、前記燃料電池モジュール16に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)20と、前記水供給装置20に水を供給する水容器22と、前記燃料電池モジュール16から排出される排ガスと外部から供給される冷媒体(例えば、水)との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器22に供給する凝縮器24とを備える。
The
貯湯ユニット14は、貯湯タンク26を備える。この貯湯タンク26内には、冷媒体が貯湯されており、ポンプ28を介して凝縮器24に前記冷媒体を循環させる。貯湯タンク26には、市水が供給される一方、前記貯湯タンク26から家庭内等に温水が給湯される。
The hot
発電ユニット12は、より具体的には、図1及び図2に示すように、燃料電池モジュール16と、前記燃料電池モジュール16に原燃料(例えば、都市ガス)を供給する燃料ガス供給装置(燃料ガスポンプを含む)32と、前記燃料電池モジュール16に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(エアポンプを含む)34と、水供給装置20と、水容器22と、凝縮器24と、前記燃料電池モジュール16で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置36とを備える。電力変換装置36には、例えば、商用電源38(又は、負荷や2次電池等)が接続される(図2参照)。
More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池モジュール16は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質(固体酸化物)をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体42とセパレータ44とが積層される固体酸化物形の燃料電池46を設けるとともに、複数の前記燃料電池46が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック48を備える(図2参照)。
Although not shown, the
燃料電池スタック48の積層方向上端側(又は下端側)には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック48に供給する前に加熱する熱交換器50と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器52と、前記混合燃料を改質して燃料ガス(改質ガス)を生成する改質器54とが配設される。
On the upper end side (or lower end side) of the
燃料電池スタック48の積層方向下端側(又は上端側)には、前記燃料電池スタック48を構成する燃料電池46に積層方向(矢印A方向)に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構56が配設される。
On the lower end side (or upper end side) of the
改質器54は、都市ガス(燃料ガス)中に含まれるエタン(C2H6)、プロパン(C3H8)及びブタン(C4H10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH4)を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The reformer 54 removes higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) contained in the city gas (fuel gas). , A pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH 4 ), and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.
燃料電池46は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体42では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
The operating temperature of the
熱交換器50は、燃料電池スタック48から排出される使用済み反応ガス(以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう)と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管60に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック48に供給される。
The
蒸発器52には、2重管が接続されるとともに、この2重管には、原燃料通路62と水通路(水配管)64とが形成される。蒸発器52の出口は、改質器54の入口に連結されるとともに、前記改質器54の出口は、燃料電池スタック48の燃料ガス供給連通孔(図示せず)に連通する。蒸発器52に供給された排ガスを排出するために、主排気管65が設けられる。
A double pipe is connected to the
燃料ガス供給装置32には、原燃料通路62が接続される。酸化剤ガス供給装置34には、空気供給管66が接続されるとともに、前記空気供給管66は、熱交換器50に接続される。
A
図1及び図2に示すように、凝縮器24には、排気管60及び主排気管65が接続されるとともに、前記排気管60及び前記主排気管65の前記凝縮器24からの出口側には、排気管68が接続される。
As shown in FIGS. 1 and 2, an
貯湯タンク26には、ポンプ28に接続される循環配管70が設けられる。この循環配管70は、凝縮器24内に冷媒体を通して排ガスと熱交換させ、昇温された冷媒体(温水)を貯湯タンク26の上部側に戻す。
The hot
図1に示すように、水通路64には、水供給装置20の下流に位置して流量計74aが配設される。原燃料通路62には、燃料ガス供給装置32の下流に位置して流量計74bが配設され、空気供給管66には、酸化剤ガス供給装置34の下流に位置して流量計74cが配設される。
As shown in FIG. 1, the
酸化剤ガス供給装置34の入口側には、温湿度計76が配設される。水容器22には、この水容器22内の貯留水の水位を検出するための水位計78が所定の高さ位置に配置される。
A temperature /
凝縮器24では、排気管68に排気温度を検出するための熱電対80aが配設されるとともに、循環配管70の前記凝縮器24からの出口側には、昇温された冷媒体の温度を検出するための熱電対80bが配設される。
In the
制御装置18は、水供給装置20、燃料ガス供給装置32、酸化剤ガス供給装置34及びポンプ28を制御するとともに、前記制御装置18には、流量計74a〜74c、温湿度計76、水位計78及び熱電対80a、80bからそれぞれの検出信号が入力される。
The
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
燃料ガス供給装置32の駆動作用下に、原燃料通路62には、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)等の原燃料が供給される。一方、水供給装置20の駆動作用下に、水通路64には、水が供給されるとともに、空気供給管66には、酸化剤ガス供給装置34を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
Under the driving action of the fuel
蒸発器52では、原燃料通路62を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器54の入口に供給される。混合燃料は、改質器54内で水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質器54の出口から燃料電池スタック48に導入される。このため、燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極(図示せず)に供給される。
In the
一方、空気供給管66から熱交換器50に供給される空気は、この熱交換器50に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器50で加温された空気は、燃料電池スタック48に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
On the other hand, when the air supplied from the
従って、電解質・電極接合体42では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体42の外周部に排出される高温(数百℃)の排ガスは、熱交換器50を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
Therefore, in the electrolyte /
この排ガスは、水通路64を通過する水を蒸発させる。蒸発器52を通過した排ガスは、主排気管65を介して凝縮器24に送られて水蒸気が凝縮される一方、排ガス成分が排気管68を介して外部に排出される。この凝縮器24には、貯湯タンク26から冷媒体が供給されており、この冷媒体と排ガスとが熱交換を行い、前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて水が得られる。
This exhaust gas evaporates the water passing through the
この水は、凝縮器24の下流に配置される水容器22に導入される。そして、水容器22の下流に配置されている水供給装置20が駆動されることにより、水容器22内に貯留されている水は、水通路64を介して燃料電池モジュール16に供給される。
This water is introduced into a
次いで、制御装置18によって、燃料電池システム10を制御するための第1の実施形態に係る制御プログラムについて、図3に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
Next, a control program according to the first embodiment for controlling the
この制御プログラムは、先ず、水位計78により、水容器22内に貯留されている貯留水量を検出するステップ(第1のステップ)を有する(ステップS1)。
The control program first includes a step (first step) of detecting the amount of stored water stored in the
制御装置18では、検出された水容器22内の貯留水量、すなわち、水位に基づいて、係数αを設定する。この係数αは、後述するように、目標凝縮水量を演算するための係数であり、前記水容器22の水位によって、図4に示す値に設定される。
The
例えば、検出水位が設定範囲内であれば、係数αは、0.95≦α≦1.05に設定される一方、設定範囲未満であると、前記係数αは、α>1.05に設定され、さらに、設定範囲超過であると、前記係数αは、α<0.95に設定される。なお、水容器22内の貯留水を多めに維持する際には、係数αを大きな数値に選択すればよい。
For example, if the detected water level is within the set range, the coefficient α is set to 0.95 ≦ α ≦ 1.05, whereas if the detected water level is less than the set range, the coefficient α is set to α> 1.05. Further, if the set range is exceeded, the coefficient α is set to α <0.95. Note that when maintaining a large amount of stored water in the
ステップS2(第2のステップ)では、燃料電池モジュール16に供給される各水分量の算出が実行される。
In step S <b> 2 (second step), calculation of each moisture amount supplied to the
具体的には、水供給装置20を介して燃料電池モジュール16に供給される水の量は、流量計74aにより検出される。酸化剤ガス供給装置34を介して燃料電池モジュール16に供給される酸化剤ガスの流量は、流量計74cにより検出されるとともに、前記酸化剤ガスの温度や湿度が温湿度計76により検出される。燃料ガス供給装置32を介して燃料電池モジュール16に供給される燃料ガスの流量は、流量計74bを介して検出される。なお、ステップS1(第1のステップ)とステップS2(第2のステップ)とは、逆の順序で行ってもよい。
Specifically, the amount of water supplied to the
そして、ステップS3(第3のステップ)では、上記の第2のステップにより検出された燃料電池モジュール16に供給される水量、及び、少なくとも前記燃料電池モジュール16に供給される酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は燃料ガスの流量のいずれかに基づいて、前記燃料電池モジュール16に供給される全水量が算出される。
In step S3 (third step), the amount of water supplied to the
制御装置18では、ステップS1で決定された係数αに基づき、ステップS3のステップで算出された全水量を上限として、燃料電池モジュール16から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量を算出するステップ(第4のステップ)が実行される(ステップS4)。
The
このステップS4では、排ガス中の水蒸気から凝縮される水量を目標凝縮水量とし、目標凝縮水量=投入水量×αにより算出される。なお、投入水量とは、水供給装置20を介して水容器22から燃料電池モジュール16に供給される水量をいう。
In this step S4, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is set as the target condensed water amount, and the target condensed water amount = the input water amount × α is calculated. The amount of input water refers to the amount of water supplied from the
次に、ステップS5(第5のステップ)に進んで、ステップS4の算出結果に基づき、凝縮器24から排出される熱交換後の排ガス温度、すなわち、目標排ガス温度Tが設定される。そして、この目標排ガス温度Tに基づいて、凝縮器24に供給される冷媒体の流量を調整する第6のステップが実行される。
Next, it progresses to step S5 (5th step), and the exhaust gas temperature after the heat exchange discharged | emitted from the
この第6のステップでは、凝縮器24から排気管68に排気される排ガスの温度が、熱電対80aを介して検出される(ステップS6)。ここで、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度T以下であると判断されると(ステップS6中、YES)、ステップS7に進んで、凝縮器24による凝縮水量の減少・維持制御が実行される。一方、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Tを超過していると判断されると(ステップS6中、NO)、ステップS8に進んで、凝縮器24による凝縮水量の増加制御が実行される。
In this sixth step, the temperature of the exhaust gas exhausted from the
この場合、第1の実施形態では、水容器22内の貯水量の検出結果に基づき、燃料電池モジュール16に供給される全水量を算出し、この全水量を上限として、前記燃料電池モジュール16から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量、すなわち、目標凝縮水量が算出されている。これにより、水容器22内は、常に、最適な水量を確保することができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システム10の採水効率を向上させることが可能になる。
In this case, in the first embodiment, the total amount of water supplied to the
このため、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム10内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム10の水自立運転が遂行されるという効果が得られる。
Therefore, the entire amount of water necessary for the operation of the
また、ステップS4(第4のステップ)は、水容器22内の貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して目標凝縮水量の算出が実行されている。このため、水容器22内に最適な水量を確保することができ、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム10内で賄うことが可能になる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システム10の水自立運転が遂行される。
In step S4 (fourth step), the target condensate amount is calculated by comparing the amount of water stored in the
その際、水容器22内の貯水量が、設定範囲未満であると判断された際、係数αが、例えば、1.05超過に決定されている(図4参照)。すなわち、燃料電池モジュール16から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量(目標凝縮水量)は、水供給装置20を介して水容器22から燃料電池モジュール16に供給される水の量を超過する量に設定されている。
At that time, when it is determined that the amount of water stored in the
これにより、水容器22内の貯水量が少ない場合に、採水効率>100%となって目標凝縮水量が燃料電池モジュール16への供給水量を上回るため、前記水容器22内には、最適な水量が確保される。このため、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム10内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム10の水自立運転が遂行される。
As a result, when the amount of water stored in the
一方、ステップS4で、水容器22内の貯水量が、設定範囲超過であると判断された際、目標凝縮水量は、水供給装置20を介して燃料電池モジュール16に供給される水の量未満の量に設定されている。従って、水容器22内の貯留水が多い場合に、採水効率<100%とすることにより、目標凝縮水量が燃料電池モジュール16への供給水量を下回るため、前記水容器22内には最適な水量が確保される。これにより、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム10内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム10の水自立運転が遂行される。
On the other hand, when it is determined in step S4 that the amount of water stored in the
また、ステップS4において、水容器22内の貯水量が設定範囲内であると判断された際、目標凝縮水量は、燃料電池モジュール16に供給される水の量と同量に設定される。このため、採水効率=100%にすることにより、水容器22内には、最適な水量が確保され、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム10内で賄うことができる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システム10の水自立運転が遂行される。
In step S4, when it is determined that the amount of water stored in the
さらに、第6のステップでは、凝縮器24から排出される熱交換後の排ガスの温度と目標排ガス温度Tとが比較され、凝縮水量の増減が実行されている。これにより、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール16から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム10の外部に排出される。このため、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られる。
Furthermore, in the sixth step, the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the
その際、凝縮器24から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度T以下であると判断された際(ステップS6中、YES)、凝縮器24に供給される冷媒体の流量を減少又は維持させている。従って、排ガスの温度が低い場合に、凝縮器24に供給される冷媒体の流量が減少又は維持されて、前記排ガスの温度を高く又は維持させている。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて、水余りが確実に抑制される。
At that time, when it is determined that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the
しかも、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール16から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム10の外部に排出される。このため、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られる。
In addition, the total amount of water necessary for the operation of the
一方、凝縮器24から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Tを超過していると判断された際(ステップS6中、NO)、前記凝縮器24に供給される冷媒体の流量が増加されている。従って、排ガスの温度が高い場合に、凝縮器24に供給される冷媒体の流量が増加されて、前記排ガスの温度を低下させることができる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。
On the other hand, when it is determined that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the
しかも、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール16から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム10の外部に排出される。このため、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られる。
In addition, the total amount of water necessary for the operation of the
さらに、燃料電池モジュール16は、燃料電池スタック48と、熱交換器50と、蒸発器52と、改質器54とを備えている。このため、特に、水蒸気改質を行う燃料電池モジュール16に最適に用いることができ、良好な効果が得られる。
Further, the
さらにまた、燃料電池モジュール16では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られている。その上、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも、好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)及び水素分離膜形燃料電池(HMFC)等が良好に採用可能である。
Furthermore, the
図5は、本発明の第2の実施形態に係る制御プログラムを実施するためのフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart for executing the control program according to the second embodiment of the present invention.
なお、図3に示す第1の実施形態に係る制御プログラムと同一のステップについては、その詳細な説明は省略する。 Detailed descriptions of the same steps as those in the control program according to the first embodiment shown in FIG. 3 are omitted.
この第2の実施形態では、先ず、ステップS11〜ステップS14(第1のステップ〜第4のステップ)が、第1の実施形態のステップS1〜ステップS4と同様に実行される。 In the second embodiment, first, steps S11 to S14 (first step to fourth step) are executed similarly to steps S1 to S4 of the first embodiment.
次に、ステップS15(第5のステップ)に進んで、目標凝縮水量に基づき、凝縮器24から排出される熱交換後の冷媒体の温度、すなわち、目標冷媒体上限温度(MAX)及び下限温度(MIN)が設定される。そして、この目標冷媒体上限温度(MAX)及び下限温度(MIN)に基づき、凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が調整される(第6のステップ)。
Next, the process proceeds to step S15 (fifth step), and based on the target condensed water amount, the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the
具体的には、ステップS16において、凝縮器24から排出される熱交換後の冷媒体の温度が熱電対80bにより検出され、この熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体上限温度(MAX)とが比較される。熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体上限温度(MAX)以下であると判断されると(ステップS16中、YES)、ステップS17に進んで、前記熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体下限温度(MIN)とが比較される。
Specifically, in step S16, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the
熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体下限温度(MIN)以上であると判断されると(ステップS17中、YES)、すなわち、前記熱交換後の冷媒体温度が設定範囲内であると判断されると、ステップS18に進み、凝縮器24に供給される冷媒体の流量が維持される。
When it is determined that the refrigerant body temperature after heat exchange is equal to or higher than the target refrigerant body lower limit temperature (MIN) (YES in step S17), that is, the refrigerant body temperature after heat exchange is within a set range. If judged, the process proceeds to step S18, and the flow rate of the refrigerant supplied to the
一方、熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体下限温度(MIN)未満であると判断されると(ステップS17中、NO)、ステップS19に進み、凝縮器24に供給される冷媒体の流量が減少される。また、ステップS16において、熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体上限温度(MAX)を超過していると判断されると(ステップS16中、NO)、ステップS20に進み、凝縮器24に供給される冷媒体の流量が増加される。
On the other hand, if it is determined that the temperature of the refrigerant body after the heat exchange is lower than the target refrigerant body lower limit temperature (MIN) (NO in step S17), the process proceeds to step S19, and the refrigerant body temperature supplied to the
この場合、第2の実施形態では、凝縮器24から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、冷媒体の目標温度範囲内(下限温度(MIN)以上で、且つ上限温度(MAX)以下)であると判断されると、凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が維持されている。従って、冷媒体の温度が最適であるため、凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が維持され、排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を、常に、最適に確保することができる。
In this case, in the second embodiment, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the
しかも、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール16から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム10の外部に排出される。これにより、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られる。
In addition, the total amount of water necessary for the operation of the
また、熱交換後の冷媒体温度が目標冷媒体下限温度(MIN)、例えば、60℃未満であると判断された際、凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が減少される。従って、冷媒体の温度が低い場合に、凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が減少されて、排ガスの温度が高く設定される。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。
Further, when it is determined that the temperature of the refrigerant body after the heat exchange is less than the target refrigerant body lower limit temperature (MIN), for example, less than 60 ° C., the flow rate of the refrigerant body supplied to the
しかも、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール16から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム10の外部に排出される。このため、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られる。
In addition, the total amount of water necessary for the operation of the
さらにまた、凝縮器24から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、目標冷媒体上限温度(MAX)、例えば、80℃を超過していると判断された際、前記凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が増加される。従って、冷媒体の温度が高い場合に、凝縮器24に供給される前記冷媒体の流量が増加されて、排ガスの温度が低く設定される。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、常に、最適な水の量に維持されて水不足が確実に抑制される。
Furthermore, when it is determined that the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the
しかも、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール16から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム10の外部に排出される。このため、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られる。
In addition, the total amount of water necessary for the operation of the
図6は、本発明の第3の実施形態に係る制御プログラムを実施するためのフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart for executing the control program according to the third embodiment of the present invention.
なお、上記の第1及び第2の実施形態に係る制御プログラムと同一のステップについては、その詳細な説明は省略する。 The detailed description of the same steps as those in the control programs according to the first and second embodiments is omitted.
この第3の実施形態では、先ず、ステップS31〜ステップS35(第1のステップ〜第5のステップ)が、第1の実施形態のステップS1〜ステップS5と同様に実行される。次いで、ステップS36において、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度T以下であると判断されると(ステップS36中、YES)、ステップS37に進んで、凝縮器24から排出される熱交換後の冷媒体の温度が熱電対80bにより検出され、この熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体上限温度(MAX)とが比較される。そして、第2の実施形態のステップS16〜ステップS20と同様に、ステップS37〜ステップS41が実行される。
In the third embodiment, first, steps S31 to S35 (first step to fifth step) are executed in the same manner as steps S1 to S5 of the first embodiment. Next, when it is determined in step S36 that the detected exhaust gas temperature is equal to or lower than the target exhaust gas temperature T (YES in step S36), the process proceeds to step S37, and after the heat exchange exhausted from the
一方、ステップS36において、凝縮器24から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Tを超過していると判断された際(ステップS36中、NO)、ステップS41に進んで、前記凝縮器24に供給される冷媒体の流量が増加されている。
On the other hand, when it is determined in step S36 that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the
これにより、第3の実施形態では、水容器22内は、常に、最適な水量を確保することができ、燃料電池システム10の採水効率を向上させて前記燃料電池システム10の水自立運転が遂行されるという効果が得られる。しかも、熱回収が良好に遂行され、燃料電池システム10の熱効率の向上が容易に図られるという利点がある。
Thereby, in the third embodiment, the
10…燃料電池システム 12…発電ユニット
14…貯湯ユニット 16…燃料電池モジュール
18…制御装置 20…水供給装置
22…水容器 24…凝縮器
26…貯湯タンク 32…燃料ガス供給装置
34…酸化剤ガス供給装置 36…電力変換装置
46…燃料電池 48…燃料電池スタック
50…熱交換器 52…蒸発器
54…改質器 68…排気管
70…循環配管 74a〜74c…流量計
76…温湿度計 78…水位計
80a、80b…熱電対
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記水供給装置に水を供給する水容器と、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと外部から供給される冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器と、
を備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御プログラムであって、
前記水容器内の貯水量を検出する第1のステップと、
前記燃料電池モジュールに供給される水の量、及び少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は前記燃料電池モジュールに供給される前記燃料ガスの流量のいずれかを検出する第2のステップと、
前記第2のステップの検出結果に基づき、前記燃料電池モジュールに供給される全水量を算出する第3のステップと、
前記第1のステップの検出結果に基づき、前記第3のステップで算出された前記全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第4のステップと、
前記第4のステップの算出結果に基づき、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第5のステップと、
前記第5のステップの算出結果に基づき、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を調整する第6のステップと、
を実行させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。 A fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas by a computer;
A water supply device for supplying water to the fuel cell module;
A water container for supplying water to the water supply device;
A condenser for condensing water vapor in the exhaust gas by heat exchange between the exhaust gas discharged from the fuel cell module and an externally supplied refrigerant, and supplying condensed water to the water container;
A fuel cell system control program for controlling a fuel cell system comprising:
A first step of detecting the amount of water stored in the water container;
The amount of water supplied to the fuel cell module, and at least one of the flow rate, temperature, and humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell module or the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell module. A second step of detecting;
A third step of calculating the total amount of water supplied to the fuel cell module based on the detection result of the second step;
Based on the detection result of the first step, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is calculated with the total water amount calculated in the third step as an upper limit. 4 steps,
Based on the calculation result of the fourth step, calculate at least either the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser or the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser And a fifth step
A sixth step of adjusting the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser based on the calculation result of the fifth step;
A control program for a fuel cell system, characterized in that
前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。 The control program according to any one of claims 1 to 11, wherein the fuel cell module includes an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator. A fuel cell stack provided with a fuel cell, and a plurality of the fuel cells stacked;
A heat exchanger that heats the oxidant gas before supplying it to the fuel cell stack;
An evaporator for evaporating the water in order to produce a mixed fuel of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and water vapor;
A reformer for reforming the mixed fuel to produce the fuel gas;
A control program for a fuel cell system, comprising:
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