JP2011210671A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来の燃料電池システムとして、燃料電池又は改質器の排熱を有効利用するものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1記載のシステムでは、燃料電池本体、燃料の改質を行う燃料処理系、排熱を回収する貯湯槽、及び回収しきれない排熱を室内へ放出する放熱器が、凍結防止のために屋内に配置される。そして、特許文献1記載のシステムは、貯湯槽の蓄熱量を超える排熱が生じ、かつ、気温が低い場合には、放熱器によって屋内に温風を供給する運転を行う。一方、貯湯槽の蓄熱量を超える排熱が生じ、かつ、気温が高い場合には、放熱器を作動させずに燃料電池システムの運転を停止する。 As a conventional fuel cell system, one that effectively uses the exhaust heat of a fuel cell or a reformer is known (see, for example, Patent Document 1). In the system described in Patent Document 1, a fuel cell main body, a fuel processing system for reforming fuel, a hot water storage tank for recovering exhaust heat, and a radiator for releasing exhaust heat that cannot be recovered indoors are used to prevent freezing. Placed indoors. And the system of patent document 1 performs the operation | movement which supplies warm air indoors with a heat radiator, when the exhaust heat exceeding the heat storage amount of a hot water storage tank arises, and temperature is low. On the other hand, when exhaust heat exceeding the heat storage amount of the hot water tank is generated and the temperature is high, the operation of the fuel cell system is stopped without operating the radiator.
ところで、燃料電池の種類によっては燃料電池システムの再起動に伴う損失や運転負荷が大きいため、このような燃料電池を有する燃料電池システムにあっては、エネルギー効率の観点から連続運転することが好ましい。しかしながら、特許文献1記載の燃料電池システムにあっては、利用できない廃熱の発生を防止すべく燃料電池システムの運転を停止するため、燃料電池の種類によってはシステム全体のエネルギー効率が低下するおそれがある。 By the way, depending on the type of fuel cell, the loss and operating load accompanying the restart of the fuel cell system are large. Therefore, in a fuel cell system having such a fuel cell, it is preferable to operate continuously from the viewpoint of energy efficiency. . However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, since the operation of the fuel cell system is stopped in order to prevent generation of unusable waste heat, the energy efficiency of the entire system may be lowered depending on the type of fuel cell. There is.
そこで、本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をす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。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a technical problem, and provides a fuel cell system capable of effectively using exhaust heat according to the temperature in a state where the fuel cell is continuously operated. The purpose is to do.
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、電力を出力する燃料電池本体と、前記燃料電池本体より発生した排熱を熱回収系に伝達させる熱交換器と、屋内に配置され前記熱回収系により回収された熱を蓄熱する蓄熱器と、屋内に配置され前記熱回収系により回収された熱を送風により放熱する放熱器と、前記放熱器の送風先を室内又は室外に切り替え可能な切替手段と、を備えて構成される。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is disposed indoors, a fuel cell main body that outputs electric power, a heat exchanger that transmits exhaust heat generated from the fuel cell main body to a heat recovery system, and the like. A heat accumulator that stores the heat recovered by the heat recovery system, a radiator that is disposed indoors and that dissipates the heat recovered by the heat recovery system by blowing air, and switches an air blowing destination of the radiator to indoors or outdoors Possible switching means.
本発明に係る燃料電池システムによれば、蓄熱器及び放熱器が屋内に配置されるため、凍結を抑制することができる。また、放熱器の送風先を室内又は室外に切り替えることが可能であるため、例えば気温が低い時には送風先を室内にすることで凍結を一層抑制することができるとともに、例えば気温が高い時には送風先を室外にすることで室内の温度を上昇させることなく燃料電池システムの連続運転を行うことが可能となる。よって、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる。 According to the fuel cell system according to the present invention, since the heat accumulator and the radiator are arranged indoors, freezing can be suppressed. In addition, since it is possible to switch the air blowing destination of the radiator to indoors or outdoors, freezing can be further suppressed by setting the air blowing destination indoors when the temperature is low, for example, and when the air temperature is high, for example, By making the outdoor, the fuel cell system can be continuously operated without increasing the indoor temperature. Therefore, the exhaust heat according to the temperature can be effectively used in a state where the fuel cell is continuously operated.
ここで、前記蓄熱器の蓄熱量を計測する蓄熱量計測器と、気温を計測する気温計測器と、前記蓄熱量及び前記気温に基づいて前記切替手段を動作させる制御部と、を備えることが好適である。このように構成することで、制御部が蓄熱量及び気温に基づいて切替手段を動作させるため、例えば気温に応じた排熱の有効利用を機器により行うことができる。 Here, a heat storage amount measuring device that measures a heat storage amount of the heat storage device, an air temperature measurement device that measures an air temperature, and a control unit that operates the switching unit based on the heat storage amount and the air temperature. Is preferred. By comprising in this way, since a control part operates a switching means based on heat storage amount and air temperature, the effective utilization of the waste heat according to air temperature can be performed with an apparatus, for example.
また、前記制御部は、前記蓄熱器が蓄熱可能な蓄熱量を超えた場合、かつ、前記気温が所定の温度以下の場合には、前記放熱器の送風先を室内に向けるように前記切替手段を動作させることが好適である。このように構成することで、温度が低いときには、蓄熱器が蓄熱できない余剰熱を用いて室内に温風を供給することができるので、余剰熱を用いて凍結の防止を図ることが可能となる。 In addition, when the heat storage unit exceeds a heat storage amount that can store heat and the air temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, the control unit is configured to switch the air blowing destination of the radiator to the room. It is preferable to operate. By configuring in this way, when the temperature is low, it is possible to supply warm air into the room using surplus heat that cannot be stored by the heat accumulator, so it is possible to prevent freezing using surplus heat. .
また、前記制御部は、前記気温が低いほど前記放熱器の室内への送風量が多くなるように前記切替手段を動作させてもよい。このように構成することで、凍結抑制効果を一層高めることができる。 Moreover, the said control part may operate the said switching means so that the ventilation volume to the room | chamber interior of the said heat radiator increases, so that the said temperature is low. By comprising in this way, the freezing suppression effect can be heightened further.
また、前記燃料電池本体は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。 The fuel cell body may be a solid oxide fuel cell.
本発明によれば、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる。 According to the present invention, it is possible to effectively use exhaust heat according to the temperature in a state where the fuel cell is continuously operated.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、家庭用の燃料電池システムとして好適に採用されるものである。図1は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概略図である。図1に示されるように、燃料電池システム1は、燃料電池本体2及び貯湯ユニット3を備えている。
The fuel cell system according to the present embodiment is suitably employed as a household fuel cell system, for example. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell main body 2 and a hot
燃料電池本体2は、単位セルを直列に接続したスタック20を有する直流電源であって、例えば家庭内負荷へ電力を供給するものである。燃料電池本体2は、例えば屋外に配置される。燃料電池本体2として、例えば固体酸化物形燃料電池が用いられる。また、燃料電池本体2は、熱交換器21を備えている。熱交換器21は、燃料電池本体2で発生する熱を回収し、熱交換器21と貯湯ユニット3との間で水を循環させる熱回収系4内の水に熱を伝達する。熱回収系4は、配管H1〜H3及び水ポンプ(不図示)を備え、循環路を有している。
The fuel cell body 2 is a DC power source having a
貯湯ユニット3は、気温低下による凍結を防止するために気密性の高い箱型の小屋9内に配置されている。貯湯ユニット3は、貯湯槽(蓄熱器)31、三方弁10、ラジエータ6及び送風ファン5を備えている。なお、ラジエータ6及び送風ファン5により放熱器が構成される。
The hot
貯湯槽31は、熱交換器21において熱伝達された水を貯えるタンクである。三方弁10は、熱交換器21に接続される熱回収系4の配管H3と、貯湯槽31に接続される配管H1とを接続する。貯湯槽31は、上部において配管H1と接続しており、熱交換器21で熱伝達された水が配管H1を介して流入可能な構成とされている。また、貯湯槽31は、下部において配管H2と接続しており、貯湯槽31の下部に貯えられた水を流出し、ラジエータ6を介して熱交換器21に流入可能な構成となっている。また、三方弁10は、熱交換器21に接続される熱回収系4の配管H3と、配管H2とを接続しており、熱伝達された水が貯湯槽31に流入せずにラジエータ6へ直接流入し、熱交換器21へ再流入する循環路を構成している。
The hot
ラジエータ6は、空冷式であり放熱フィンを備えている。送風ファン5は、ラジエータ6に風を送り込み、空気に循環水の熱を伝達させて温風とし、排気ダクトD0へ出力する。排気ダクトD0は、室外へ排気する排気ダクトD1と、室内へ排気する排気ダクトD2に分岐している。貯湯ユニット3は、排気ダクトD1を介して室外と接続され、排気ダクトD2を介して室内と接続されている。
The
排気ダクトD0の分岐点には、切替弁(切替手段)7が配置されている。切替弁7は、排気ダクトD0と排気ダクトD1との接続、及び、排気ダクトD1と排気ダクトD2との接続を切り替える機能を有している。すなわち、切替弁7は、送風ファン5の送風先を室内又は屋外に切り替える機能を有している。切替弁7としては、三方弁、プラグ弁、切替バルブ、電磁弁及び継手、又は、シャッターもしくは板部材により通路を仕切るもの等が用いられる。
A switching valve (switching means) 7 is disposed at the branch point of the exhaust duct D0. The
また、貯湯ユニット3は、貯湯槽31に貯えられた水の温度を計測可能な水温計(蓄熱量計測器)30を備えている。また、小屋9内には、室内の気温を計測可能な気温計(気温計測器)32を備えている。水温計30、気温計32として、熱電対やサーミスタ等が用いられる。
Further, the hot
以上の燃料電池システム1の構成機器類は、電装機器類であるシステム制御装置(制御部)8により動作が制御される。システム制御装置8は、電子制御するデバイスであり、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、および入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。システム制御装置8は、例えば小屋9内に配置されており、水温計30、気温計32、送風ファン5及び切替弁7に接続されている。システム制御装置8は、水温計30及び気温計32が出力した情報に基づいて、送風ファン5及び切替弁7を動作可能に構成されている。
The operation of the components of the fuel cell system 1 described above is controlled by a system control device (control unit) 8 that is an electrical component. The
燃料電池システム1は、燃料電池本体2で発電した電力を家庭に供給するとともに、発電に伴って発生した熱で加熱した水を貯湯槽31に貯め、家庭で利用可能とする。また、貯湯槽31に蓄熱しきれない熱が燃料電池本体2から発生した場合には、送風ファン5を動作させて室内又は室外へ熱を放出する。以下では、燃料電池システム1の動作を図2を用いて詳細に説明する。図2は、燃料電池システム1の動作を示すフローチャートである。図2に示す制御処理は、例えば燃料電池システム1の電源がONされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。
The fuel cell system 1 supplies the electric power generated by the fuel cell main body 2 to the home, and stores water heated by the heat generated by the power generation in the hot
図2に示すように、燃料電池システム1は、蓄熱量を取得する(ステップS10)。ステップS10では、システム制御装置8が、水温計30の温度に基づいて蓄熱量を取得する。あるいは、システム制御装置8が、図示しないセンサにより貯湯槽31の貯湯量を取得し、水温計30の温度に基づいて蓄熱量を取得してもよい。ステップS10の処理が終了すると、蓄熱判定処理へ移行する(ステップS12)。
As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 acquires the amount of heat storage (step S10). In step S <b> 10, the
ステップS12の処理では、システム制御装置8が、貯湯槽31が蓄熱可能か否かを判定する。システム制御装置8は、ステップS10の処理で取得した蓄熱量に基づいて、貯湯槽31が蓄熱可能か否かを判定する。例えば、システム制御装置8は、ステップS10の処理で得られた水温が所定値(例えば70℃)以下である場合には、蓄熱可能であると判定する。一方、システム制御装置8は、ステップS10の処理で得られた水温が所定値(例えば70℃)を越えており、かつ、貯湯槽31の貯湯量が限界値である場合には、蓄熱不可と判定する。ステップS12の処理において、蓄熱が可能であると判定した場合には、排熱を放出するよりも蓄熱する方が効率的であるので、図2に示す制御処理を終了する。一方、ステップS12の処理において、蓄熱が不可であると判定した場合には、気温判定処理へ移行する(ステップS14)。
In the process of step S12, the
ステップS14の処理では、システム制御装置8が、気温が所定値以下であるか否かを判定する。システム制御装置8は、気温計32により取得された気温と、所定値(例えば10℃)とを比較して、気温が所定値以下であるか否かを判定する。ステップS14の処理において、気温が所定値以下であると判定した場合には、切替処理へ移行する(ステップS16)。
In the process of step S14, the
ステップS16の処理では、システム制御装置8が、切替弁7を動作させて送風ファン5による温風の送風先を室内へ切り替える。すなわち、切替弁7を作動させて、ダクトD0,D1の流路を閉とし、ダクトD0,D2の流路を開とする。ステップS16の処理が終了すると、送風処理へ移行する(ステップS20)。
In the process of step S <b> 16, the
ステップS20の処理では、システム制御装置8が、送風ファン5を作動させる。これにより、温風はダクトD0,D2を介して室内へ送風される。ステップS20の処理が終了すると、図2に示す制御処理を終了する。
In the process of step S20, the
一方、ステップS14の処理において、気温が所定値以下でないと判定した場合には、切替処理へ移行する(ステップS18)。ステップS18の処理では、システム制御装置8が、切替弁7を動作させて送風ファン5による温風の送風先を屋外へ切り替える。すなわち、切替弁7を作動させて、ダクトD0,D1の流路を開とし、ダクトD0,D2の流路を閉とする。ステップS18の処理が終了すると、送風処理へ移行する(ステップS20)。ステップS20の処理では、システム制御装置8が、送風ファン5を作動させる。これにより、温風はダクトD0,D1を介して室外へ送風される。ステップS20の処理が終了すると、図2に示す制御処理を終了する。
On the other hand, if it is determined in step S14 that the temperature is not lower than the predetermined value, the process proceeds to switching processing (step S18). In the process of step S <b> 18, the
以上で図2に示す制御処理を終了する。図2に示す制御処理を実行することにより、貯湯槽31に蓄熱しきれない熱が燃料電池本体2から発生した場合において、気温が所定値以下の場合には、屋内に温風が供給され、気温が所定値以下でない場合には、屋外に温風が供給される。このため、例えば冬場や寒冷地において気温が低下して凍結するおそれがある場合には、蓄熱できずに廃棄する熱を小屋9内へ送り込むことにより凍結の防止を図ることができるとともに、例えば夏場において気温が上昇した場合であっても蓄熱できずに廃棄する熱を小屋9の外へ放出することが可能となる。このように、気温低下時において適切に排熱を利用することができるとともに、気温上昇時に燃料電池システム1を連続運転させた状態であっても小屋9内の温度を必要以上に上昇させることを回避することが可能となる。特に、運転の起動停止の繰り返しが困難な固体酸化物形の燃料電池を燃料電池本体2に採用する場合に有効である。また、固体酸化物形の燃料電池を燃料電池本体2に採用することにより、凍結対策として燃料電池システム1の全てを小屋9内に配置する必要がなくなり、燃料電池本体2を屋外へ配置することができる。これにより、小屋9の建物スペースを小さくすることが可能となるので、敷地が狭い場所でも凍結対策された燃料電池システム(寒冷地仕様の燃料電池システム)を配置することができる。また、小屋9内に燃料電池本体2を配置しないことで、発電に伴うガス等を小屋9内に排出することを回避することが可能となるので、凍結防止と安全性の両立を図ることができる。
The control process shown in FIG. By executing the control process shown in FIG. 2, when heat that cannot be stored in the hot
以上、本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、貯湯槽31、ラジエータ6及び送風ファン5が小屋9内に配置されるため、凍結を抑制することができる。また、送風ファン5の送風先を室内又は室外に切り替えることが可能であるため、気温が低い時には送風先を室内にすることで凍結を一層抑制することができるとともに、気温が高い時には送風先を室外にすることで室内の温度を上昇させることなく燃料電池システム1の連続運転を行うことが可能となる。よって、燃料電池を連続動作させた状態で気温に応じた排熱の有効利用をすることができる。
As mentioned above, according to the fuel cell system 1 which concerns on this embodiment, since the hot
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、システム制御装置8が、蓄熱量及び気温に基づいて切替弁7を動作させるため、温度が低いときには、蓄熱器が蓄熱できない余剰熱を用いて室内に温風を供給することができるので、余剰熱を用いて凍結の防止を図ることが可能となる。
Furthermore, according to the fuel cell system 1 according to the present embodiment, since the
以上、本発明の好適な実施形態について具体的に説明したが、上記実施形態は本発明に係る燃料電池システムの一例を示すものであり、本発明に係る燃料電池システムは、上記実施形態に係る燃料電池システム1に限られるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been specifically described above. However, the above embodiment shows an example of the fuel cell system according to the present invention, and the fuel cell system according to the present invention relates to the above embodiment. It is not limited to the fuel cell system 1.
例えば、上記実施形態では、熱交換器21は燃料電池本体2より発生した排熱を熱回収系4の循環水に伝達する例を説明したが、例えば、燃料電池本体2の余剰電力を余剰ヒータ等で消費する場合には、熱交換器21は当該余剰ヒータにより生じた熱を燃料電池本体2より発生した排熱として回収し、熱回収系4の循環水に伝達してもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、システム制御装置8は、切替弁7を動作させて送風ファン5の送風先を屋内又は屋外に切り替える例を説明したが、例えば、気温が低いほど送風ファン5の室内への送風量が多くなるように切替弁7を動作させてもよい。すなわち、システム制御装置8は、例えば弁の開度と気温との依存性を示すテーブルをROM等の記憶領域に格納しており、気温が低くなるほど、室内への流路の弁の開度を大きくするとともに、室外への流路の弁の開度を小さくするように動作してもよい。このように動作することにより、凍結抑制効果を一層高めることができる。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、システム制御装置8は、切替弁7を動作させて送風ファン5の送風先を屋内又は屋外に切り替える例を説明したが、切替弁7を手動により動作させてもよい。例えば、季節ごとに人が流路を手動で変更することにより、冬場では凍結防止、夏場では燃料電池システム1の連続運転を実現することができる。この時、切替弁7は、開度を手動で調整できるようにされていてもよい。また、手動で調整する場合、システム制御装置8、水温計30及び気温計32は備えなくてもよい。
Moreover, although the
さらに、上記実施形態では、燃料電池本体2として、固体酸化物形燃料電池の場合を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、固体高分子形燃料電池であってもよい。 Furthermore, although the case where the fuel cell main body 2 is a solid oxide fuel cell has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and may be, for example, a solid polymer fuel cell.
1…燃料電池システム、2…燃料電池本体、3…貯湯ユニット、4…熱回収系、5…送風ファン(放熱器)、6…ラジエータ(放熱器)、7…切替弁(切替手段)、8…システム制御装置(制御部)、9…小屋、10…三方弁、20…スタック、21…熱交換器、30…水温計(蓄熱量計測器)、31…貯湯槽(蓄熱器)、32…気温計(気温計測器)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell main body, 3 ... Hot water storage unit, 4 ... Heat recovery system, 5 ... Blower fan (radiator), 6 ... Radiator (radiator), 7 ... Switching valve (switching means), 8 ... System controller (control unit), 9 ... Hut, 10 ... Three-way valve, 20 ... Stack, 21 ... Heat exchanger, 30 ... Water thermometer (heat storage amount measuring device), 31 ... Hot water storage tank (heat storage device), 32 ... Thermometer (temperature measuring instrument).
Claims (5)
前記燃料電池本体より発生した排熱を熱回収系に伝達させる熱交換器と、
屋内に配置され前記熱回収系により回収された熱を蓄熱する蓄熱器と、
屋内に配置され前記熱回収系により回収された熱を送風により放熱する放熱器と、
前記放熱器の送風先を室内又は室外に切り替え可能な切替手段と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell body that outputs power;
A heat exchanger for transferring waste heat generated from the fuel cell body to a heat recovery system;
A heat accumulator for storing heat that is placed indoors and recovered by the heat recovery system;
A radiator that is arranged indoors and dissipates the heat recovered by the heat recovery system by blowing air;
Switching means capable of switching the air blowing destination of the radiator to the indoor or outdoor; and
A fuel cell system comprising:
気温を計測する気温計測器と、
前記蓄熱量及び前記気温に基づいて前記切替手段を動作させる制御部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A heat storage amount measuring device for measuring the heat storage amount of the heat storage device; and
A temperature measuring instrument for measuring the temperature;
A control unit for operating the switching means based on the heat storage amount and the air temperature;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
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