JP2013235735A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2013235735A
JP2013235735A JP2012107865A JP2012107865A JP2013235735A JP 2013235735 A JP2013235735 A JP 2013235735A JP 2012107865 A JP2012107865 A JP 2012107865A JP 2012107865 A JP2012107865 A JP 2012107865A JP 2013235735 A JP2013235735 A JP 2013235735A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
fuel cell
water
flow path
amount
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012107865A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5874523B2 (en
Inventor
Yasutoshi Doi
康俊 土肥
Yasuhiro Osada
康弘 長田
Masanori Uehara
昌徳 上原
Shinya Sakaguchi
信也 坂口
Atsushi Hayasaka
厚 早坂
Shinichi Sugihara
真一 杉原
Haruhiko Kato
晴彦 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to JP2012107865A priority Critical patent/JP5874523B2/en
Publication of JP2013235735A publication Critical patent/JP2013235735A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5874523B2 publication Critical patent/JP5874523B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can be operated with high efficiency.SOLUTION: In a fuel cell system 1, steam contained in an unused fuel circulating through a recycle fuel path 30 is condensed and the condensed water is stored in a condensed water tank 101. The recycle fuel from which the condensed water is recovered is supplied to the suction port side of an ejector. An electronic controller controls a pump 120 and adjusts the quantity of water being supplied from a water path 50 to the confluence 21 side of a fuel gas path 10, so as to bring a circulation rate Rclose to a target circulation rate R. Consequently, even if the production of electricity of a fuel cell module 90 is controlled by controlling the circulation amount of the fuel gas path by means of a blower 60, a high circulation rate can be maintained over the entire load range.

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、燃料電池の高効率化の手法として燃料リサイクルが提案されている。一般的に、燃料電池に供給される燃料は、その供給量の全量を発電反応に利用することができず、一部は未利用燃料として燃料電池から放出される。   Conventionally, fuel recycling has been proposed as a technique for improving the efficiency of fuel cells. Generally, the amount of fuel supplied to the fuel cell cannot be used for the power generation reaction, and a part of the fuel is released from the fuel cell as unused fuel.

そこで、未利用燃料をエジェクタを用いて再循環させることで、燃料を搾り取ることができ、発電効率を向上するものがある。エジェクタは、ノズル部から噴射される原燃料ガス流によって吸引口から吸引される未利用燃料とノズル部から噴射される原燃料とを混合して燃料電池側に吐出するものである。また、未利用燃料には発電反応で生成される水蒸気が多く含まれ、混合燃料流路に改質器を設置することにより、水蒸気改質に必要な水蒸気の供給をリサイクルにより補うことができる。   Therefore, there is a fuel that can squeeze out the fuel by recirculating unused fuel using an ejector, thereby improving power generation efficiency. The ejector mixes the unused fuel sucked from the suction port by the raw fuel gas flow injected from the nozzle portion and the raw fuel injected from the nozzle portion and discharges them to the fuel cell side. In addition, the unused fuel contains a large amount of water vapor generated by the power generation reaction, and by installing a reformer in the mixed fuel flow path, the supply of water vapor necessary for steam reforming can be supplemented by recycling.

しかし、未利用燃料は燃料電池の発熱により温度が上昇しており、リサイクル燃料の温度も高く体積が膨張しているため、エジェクタの吸引性能が低下し、燃料リサイクル量を多くすることができず、発電効率の向上に限界があった。また、燃料の水蒸気改質を行う場合、燃料リサイクル量に限界があるため、リサイクル燃料に含まれる水蒸気だけでは改質に必要な水蒸気の全量を供給できず、水蒸気供給システムが必要となり、システムのサイズアップおよびコストアップという問題があった。   However, the temperature of the unused fuel is increased due to the heat generated by the fuel cell, and the temperature of the recycled fuel is high and the volume is expanded. Therefore, the suction performance of the ejector is reduced and the amount of fuel recycled cannot be increased. There was a limit to the improvement of power generation efficiency. In addition, when performing steam reforming of fuel, there is a limit to the amount of fuel that can be recycled. There was a problem of size increase and cost increase.

そこで、例えば、特許文献1に記載では、冷却器によりリサイクル燃料の温度を低くすることにより、リサイクル燃料量を増加させて発電効率の向上を可能にする燃料電池システムが提案されている。このシステムでは、リサイクル量を増加させることで外部からの水供給量を減少あるいは無くすことができる。   In view of this, for example, Patent Document 1 proposes a fuel cell system in which the temperature of recycled fuel is lowered by a cooler to increase the amount of recycled fuel and improve power generation efficiency. In this system, the amount of water supplied from the outside can be reduced or eliminated by increasing the amount of recycling.

特開2003−109628号公報JP 2003-109628 A

しかし、上記特許文献1では、冷却器によりリサイクル燃料の温度を低くすることにより、リサイクル燃料量を増加させることができるものの、原燃料に対するリサイクル燃料の質量流量比が大きい。このため、特に、原燃料供給圧が低い数kW程度の低出力のシステムでは、エジェクタのノズル口径を小さくしても必要なリサイクル燃料流量を得ることができない。そこで、エジェクタのノズル口径を非常に小さくし(例えば、0.3mm以下)かつ補機によって原燃料供給圧を大幅に高めればリサイクル燃料流量が得られるが、補機の動力が大きくなり、システムの総合効率低下に繋がる。   However, in Patent Document 1, although the amount of recycled fuel can be increased by lowering the temperature of the recycled fuel with a cooler, the mass flow ratio of the recycled fuel to the raw fuel is large. For this reason, in particular, in a low-power system of about several kW with a low raw fuel supply pressure, the required recycle fuel flow rate cannot be obtained even if the nozzle diameter of the ejector is reduced. Therefore, if the nozzle diameter of the ejector is made very small (for example, 0.3 mm or less) and the raw fuel supply pressure is greatly increased by the auxiliary machine, the recycled fuel flow rate can be obtained. This leads to a decrease in overall efficiency.

本発明は上記点に鑑みて、全負荷範囲に亘って高い効率で運転できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above points, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be operated with high efficiency over the entire load range.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、燃料ガスから改質ガスを生成する改質器(80)と、
前記改質器により生成される改質ガスと酸化剤との電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池素子を少なくとも1つ以上備える燃料電池モジュール(90)と、
前記燃料ガスを前記燃料電池モジュール側に供給するための燃料ガス流路(10)と、
前記電気化学反応に利用されなく、かつ前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を回収する凝縮器(100)と、
前記凝縮器により前記水蒸気が回収された未利用燃料を前記燃料ガス流路側に戻すためのリサイクル燃料流路(30)と、
前記燃料ガス流路中に設けられ、前記燃料ガスを噴射するノズル部(71)と、前記ノズル部から噴射される燃料ガス流によって前記リサイクル燃料流路側から前記未利用燃料を吸引する吸引口(72)とを備え、前記ノズル部から噴射される燃料ガスと前記吸引口から吸引される未利用燃料とを混合して前記燃料電池モジュールの入口側に吐出するエジェクタ(70)と、
前記燃料ガス流路のうち前記ノズル部に対して前記燃料ガスの流れ上流側に前記凝縮器で回収された凝縮水を供給する水経路(50)と、
前記水経路から前記燃料ガス流路に供給される水量を調整するポンプ(120)と、
前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料の質量流量を検出する第1検出手段(151)と、
前記リサイクル燃料流路を通過する未利用燃料の質量流量を検出する第2検出手段(152)と、
前記ポンプを制御して、前記第1の検出手段の検出値に対する前記第2の検出手段の検出値の比率である循環率を目標値に近づけるように前記水経路から前記燃料ガス流路側に供給される水量を調整する制御手段(S120〜S160)と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a reformer (80) for generating a reformed gas from a fuel gas;
A fuel cell module (90) comprising at least one fuel cell element that generates electrical energy by an electrochemical reaction between a reformed gas generated by the reformer and an oxidant;
A fuel gas flow path (10) for supplying the fuel gas to the fuel cell module side;
A condenser (100) that condenses water vapor that is not used in the electrochemical reaction and that is contained in unused fuel discharged from the fuel cell module to recover condensed water;
A recycled fuel channel (30) for returning the unused fuel from which the water vapor has been recovered by the condenser to the fuel gas channel side;
A nozzle part (71) provided in the fuel gas flow path and injecting the fuel gas, and a suction port for sucking the unused fuel from the recycled fuel flow path side by a fuel gas flow injected from the nozzle part ( 72), and an ejector (70) for mixing the fuel gas injected from the nozzle part and the unused fuel sucked from the suction port and discharging the mixed fuel to the inlet side of the fuel cell module;
A water path (50) for supplying condensed water recovered by the condenser to the upstream side of the fuel gas flow with respect to the nozzle portion of the fuel gas flow path;
A pump (120) for adjusting the amount of water supplied from the water path to the fuel gas flow path;
First detection means (151) for detecting a mass flow rate of unused fuel discharged from the fuel cell module;
Second detection means (152) for detecting a mass flow rate of unused fuel passing through the recycled fuel flow path;
The pump is controlled to supply the circulation rate, which is the ratio of the detection value of the second detection means to the detection value of the first detection means, from the water path to the fuel gas flow path side so as to approach the target value. And a control means (S120 to S160) for adjusting the amount of water to be produced.

請求項1に記載の発明によれば、リサイクル燃料に含まれる水蒸気を凝縮・回収し、この水蒸気を回収したリサイクル燃料をエジェクタの吸引口側に供給する。これに加えて、燃料ガス流路のうちノズル部に対して燃料ガスの流れ上流側にて、リサイクル燃料から回収した凝縮水の流れが燃料ガス流に合流される。このため、凝縮水の供給量を調整することにより、全負荷範囲に亘って高い循環率を維持することができる。したがって、全負荷範囲に亘って高い効率で運転できるようにした燃料電池システムを提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, the water vapor contained in the recycled fuel is condensed and recovered, and the recycled fuel recovered from the water vapor is supplied to the suction port side of the ejector. In addition, the flow of the condensed water recovered from the recycled fuel is merged with the fuel gas flow on the upstream side of the fuel gas flow with respect to the nozzle portion in the fuel gas flow path. For this reason, a high circulation rate can be maintained over the entire load range by adjusting the supply amount of the condensed water. Accordingly, it is possible to provide a fuel cell system that can be operated with high efficiency over the entire load range.

ここで、負荷範囲とは、燃料電池モジュールの発電量の可変範囲である。燃料電池モジュールの発電量は、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの供給量によって変化するものである。   Here, the load range is a variable range of the power generation amount of the fuel cell module. The amount of power generated by the fuel cell module varies depending on the amount of fuel gas supplied to the fuel gas flow path.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in one Embodiment of this invention. 図1のエジェクタ単体を示す図である。It is a figure which shows the ejector single-piece | unit of FIG. 上記実施形態における燃料電池システムの電気的構成を示す図である。It is a figure which shows the electrical constitution of the fuel cell system in the said embodiment. 図3の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing of the electronic control apparatus of FIG. 図3の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing of the electronic control apparatus of FIG.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図1は本発明の設置型の燃料電池システム1の一実施形態の構成を示す図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an installation type fuel cell system 1 according to the present invention.

本実施形態の燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料ガス流路10、排出流路20、リサイクル燃料流路30、酸化剤流路40、水経路50、ブロア60、エジェクタ70、改質器80、燃料電池モジュール90、凝縮器100、ポンプ110、120、および燃焼室140から構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a fuel gas passage 10, a discharge passage 20, a recycled fuel passage 30, an oxidant passage 40, a water passage 50, a blower 60, an ejector 70, The reformer 80, the fuel cell module 90, the condenser 100, the pumps 110 and 120, and the combustion chamber 140 are configured.

燃料ガス流路10は、主燃料としての燃料ガス(例えばメタン)の供給源から燃料ガスを改質器80を介して燃料電池モジュール90側に供給するための流路である。排出流路20は、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料を排出口41側に流すための流路である。リサイクル燃料流路30は、燃料電池モジュール90と排出口との間の分流部21から未利用燃料をエジェクタ70の吸入口72(図2参照)に戻すための流路である。未利用燃料は、改質器80から出力される改質ガスのうち電気化学反応に利用されなかった燃料である。   The fuel gas channel 10 is a channel for supplying fuel gas from a supply source of fuel gas (for example, methane) as main fuel to the fuel cell module 90 side via the reformer 80. The discharge flow path 20 is a flow path for flowing unused fuel discharged from the fuel cell module 90 to the discharge port 41 side. The recycle fuel flow path 30 is a flow path for returning unused fuel from the diversion portion 21 between the fuel cell module 90 and the discharge port to the suction port 72 (see FIG. 2) of the ejector 70. Unused fuel is fuel that has not been used for electrochemical reaction among the reformed gas output from the reformer 80.

酸化剤流路40は、酸化剤を燃料電池モジュール90に供給するための流路である。本実施形態の酸化剤としては例えば空気が用いられている。水経路50は、凝縮器100から凝縮水を燃料ガス流路10のうち合流部22に供給するための流路である。合流部22は、燃料ガス流路10のうちブロア60とエジェクタ70との間に位置する。   The oxidant channel 40 is a channel for supplying the oxidant to the fuel cell module 90. For example, air is used as the oxidizing agent in the present embodiment. The water path 50 is a flow path for supplying condensed water from the condenser 100 to the merging portion 22 in the fuel gas flow path 10. The junction 22 is located between the blower 60 and the ejector 70 in the fuel gas flow path 10.

ブロア60は、燃料ガス流路10中に配置されて、燃料電池モジュール90側に流れる燃料ガス流を発生させる。本実施形態のブロア60として、電動ファンが用いられる。   The blower 60 is disposed in the fuel gas flow path 10 and generates a fuel gas flow that flows toward the fuel cell module 90. An electric fan is used as the blower 60 of this embodiment.

エジェクタ70は、図1に示すように、燃料ガス流路10のうちブロア60および改質器80の間に設けられ、リサイクル燃料流路30からの未利用燃料を燃料ガス流路10に戻すために用いられている。図2はエジェクタ70の単体を示す図である。エジェクタ70は、図2に示すように、ノズル部71、吸引口72、混合部73、およびディフューザ74から構成されている。ノズル部21は燃料ガスを噴射する。吸引口72はノズル部21から噴射される燃料ガス流によってリサイクル燃料流路30側から未利用燃料を吸引する。混合部73は、ノズル部71から噴射される燃料ガスと吸引口72から吸引される未利用燃料とを混合してガスの圧力を上昇させるものである。ディフューザ74は、通路断面積の拡大によってさらにガス流速を減速して圧力を回復させるものである。   As shown in FIG. 1, the ejector 70 is provided between the blower 60 and the reformer 80 in the fuel gas passage 10, and returns unused fuel from the recycled fuel passage 30 to the fuel gas passage 10. It is used for. FIG. 2 is a view showing a single ejector 70. As shown in FIG. 2, the ejector 70 includes a nozzle portion 71, a suction port 72, a mixing portion 73, and a diffuser 74. The nozzle part 21 injects fuel gas. The suction port 72 sucks unused fuel from the recycled fuel channel 30 side by the fuel gas flow injected from the nozzle portion 21. The mixing unit 73 mixes the fuel gas injected from the nozzle unit 71 and the unused fuel sucked from the suction port 72 to increase the gas pressure. The diffuser 74 recovers the pressure by further reducing the gas flow rate by enlarging the passage cross-sectional area.

図1の改質器80は、触媒の水蒸気改質反応により燃料ガスから水素を含有する改質ガスを生成する。本実施形態の触媒としては、例えば、ルテニウム、ニッケル等が用いられている。   The reformer 80 in FIG. 1 generates a reformed gas containing hydrogen from a fuel gas by a steam reforming reaction of a catalyst. For example, ruthenium, nickel or the like is used as the catalyst of the present embodiment.

燃料電池モジュール90は、複数の燃料電池素子が積層されて構成されている。本実施形態の複数の燃料電池素子は、それぞれ固体酸化物型燃料電池(SOFC)からなるものである。複数の燃料電池素子はそれぞれアノードとカソードとの間に配置されている電解質から構成されて、後述する電気化学反応によって電気エネルギを発生する。   The fuel cell module 90 is configured by stacking a plurality of fuel cell elements. The plurality of fuel cell elements of the present embodiment are each composed of a solid oxide fuel cell (SOFC). Each of the plurality of fuel cell elements is composed of an electrolyte disposed between the anode and the cathode, and generates electric energy by an electrochemical reaction described later.

凝縮器100は、リサイクル燃料流路30内を流通する未利用燃料に含まれる水蒸気を酸化剤流路40内の酸化剤により冷却して凝縮水を回収する。具体的には、凝縮器100は、凝縮水タンク101および熱交換器102とから構成されている。凝縮水タンク101は、リサイクル燃料流路30を流通する未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を蓄える原料水タンクである。熱交換器102は、酸化剤流路40中に設けられて、酸化剤により凝縮水タンク101内の未利用燃料を冷却凝縮する。   The condenser 100 collects condensed water by cooling the water vapor contained in the unused fuel flowing in the recycled fuel flow path 30 with the oxidant in the oxidant flow path 40. Specifically, the condenser 100 includes a condensed water tank 101 and a heat exchanger 102. The condensed water tank 101 is a raw water tank that condenses water vapor contained in unused fuel flowing through the recycled fuel flow path 30 and stores condensed water. The heat exchanger 102 is provided in the oxidant channel 40 and cools and condenses unused fuel in the condensed water tank 101 with the oxidant.

ポンプ110は、酸化剤流路40中に設けられ、燃料電池モジュール90側に流れる酸化剤の流れ発生させる。ポンプ120は、水経路50中に設けられ、凝縮水タンク101から燃料ガス流路10の合流部22側に流れる水流を発生させる。本実施形態のポンプ110、120としては、それぞれ電動ポンプが用いられる。   The pump 110 is provided in the oxidant flow path 40 and generates a flow of oxidant flowing toward the fuel cell module 90 side. The pump 120 is provided in the water path 50 and generates a water flow that flows from the condensed water tank 101 to the merging portion 22 side of the fuel gas passage 10. Electric pumps are used as the pumps 110 and 120 of the present embodiment, respectively.

燃焼室140は、排出流路20の下流側に設けられ、排出流路20内の未利用燃料と、未利用酸化剤通路45からの未利用酸化剤とを燃焼させて排ガスを排出口41から排出する。未利用酸化剤通路45は、酸化剤流路40から供給される酸化剤のうち燃料電池モジュール90で電気化学反応に利用されなかった未利用酸化剤を燃焼室140に供給する。   The combustion chamber 140 is provided on the downstream side of the discharge passage 20, and burns unused fuel in the discharge passage 20 and unused oxidant from the unused oxidant passage 45 to discharge exhaust gas from the discharge port 41. Discharge. The unused oxidant passage 45 supplies the combustion chamber 140 with an unused oxidant that has not been used in the electrochemical reaction in the fuel cell module 90 among the oxidants supplied from the oxidant flow path 40.

次に、本実施形態の燃料電池システム1の電気的構成について図3を用いて説明する。図3に本実施形態の燃料電池システム1の電気的構成を示す。   Next, the electrical configuration of the fuel cell system 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows an electrical configuration of the fuel cell system 1 of the present embodiment.

本実施形態の燃料電池システム1は、電子制御装置150を備える。電子制御装置150は、マイクロコンピュータ、メモリおよび周辺回路等から構成され、発電制御処理を実行する。電子制御装置150は、発電制御処理の実行に伴って、流量センサ151、152の検出値および残水量センサ153の検出値に基づいてブロア60、ポンプ110、120、およびインバータ回路160をそれぞれ制御する。   The fuel cell system 1 of this embodiment includes an electronic control device 150. The electronic control device 150 includes a microcomputer, a memory, a peripheral circuit, and the like, and executes power generation control processing. The electronic control device 150 controls the blower 60, the pumps 110 and 120, and the inverter circuit 160 based on the detection values of the flow rate sensors 151 and 152 and the detection value of the residual water amount sensor 153 as the power generation control process is executed. .

流量センサ151は、排出流路20のうち燃料電池モジュール90と分流部21との間に配置されて、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料の質量流量を検出する。   The flow sensor 151 is disposed between the fuel cell module 90 and the diversion unit 21 in the discharge channel 20 and detects the mass flow rate of unused fuel discharged from the fuel cell module 90.

流量センサ152は、リサイクル燃料流路30のうち分流部21と凝縮器100との間に配置されて、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路30に流通する未利用燃料の質量流量を検出する。   The flow rate sensor 152 is disposed between the diverter 21 and the condenser 100 in the recycled fuel flow path 30, and unused fuel flowing into the recycled fuel flow path 30 among unused fuel discharged from the fuel cell module 90. Detect the mass flow rate of the fuel.

残水量センサ153は、凝縮水タンク101内に蓄えられる凝縮水の残量を検出する。インバータ回路160は、燃料電池モジュール90に発生する直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷170に出力する。電気負荷170としては、例えば、家庭用電気機器などがある。   The remaining water amount sensor 153 detects the remaining amount of condensed water stored in the condensed water tank 101. The inverter circuit 160 converts a DC voltage generated in the fuel cell module 90 into an AC voltage and outputs the AC voltage to the electric load 170. Examples of the electric load 170 include household electric appliances.

次に、本実施形態の燃料電池システム1の作動について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 1 of the present embodiment will be described.

まず、電子制御装置150は、ブロア60、およびポンプ110、120をそれぞれ稼働させる。   First, the electronic control unit 150 operates the blower 60 and the pumps 110 and 120, respectively.

ブロア60は、燃料ガス流路10内にエジェクタ70側に向けて流れる燃料ガスの流れを発生させる。この燃料ガス流路10内を流れる燃料ガスは、合流部22にて水経路50から流れ込んだ水と混合されてエジェクタ70の入口71a側に流れる。これに伴い、ノズル部21は燃料ガス流を噴射する。そして、このノズル部21から噴射される燃料ガス流によって吸引口72はリサイクル燃料流路30側から未利用燃料を吸引する。混合部73では、ノズル部71から噴射される燃料ガスと吸引口72から吸引される未利用燃料とが混合され、この混合されたガスがディフューザ74から吹き出される。   The blower 60 generates a flow of fuel gas that flows toward the ejector 70 in the fuel gas flow path 10. The fuel gas flowing in the fuel gas flow path 10 is mixed with water flowing from the water path 50 at the junction 22 and flows toward the inlet 71a of the ejector 70. In connection with this, the nozzle part 21 injects a fuel gas flow. The suction port 72 sucks unused fuel from the recycled fuel flow path 30 side by the fuel gas flow injected from the nozzle portion 21. In the mixing unit 73, the fuel gas injected from the nozzle unit 71 and the unused fuel sucked from the suction port 72 are mixed, and the mixed gas is blown out from the diffuser 74.

その後、改質器80で触媒の水蒸気改質反応によりディフューザ74から吹き出される混合ガスから水素を含む改質ガスを生成する。この生成される改質ガスは、燃料電池モジュール90の複数の燃料電池素子のアノードに供給される一方、複数の燃料電池素子のカソードには、ポンプ110により送り込まれる酸化剤(空気)が酸化剤流路40から供給される。このことにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
(カソード)1/2O2+2e−→O2-
(アノード)H2+O2-→H2O++2e−
このような電気化学反応によりアノード側では、水蒸気が生成する。この水蒸気を含む未利用燃料が複数の燃料電池素子のアノードから排出流路20に流れ込む。この流れ込んだ未利用燃料のうち一部の未利用燃料は、リサイクル燃料流路30に流れ込む。
Thereafter, the reformer 80 generates a reformed gas containing hydrogen from the mixed gas blown out of the diffuser 74 by a steam reforming reaction of the catalyst. The generated reformed gas is supplied to the anodes of the plurality of fuel cell elements of the fuel cell module 90, while the oxidant (air) fed by the pump 110 is supplied to the cathodes of the plurality of fuel cell elements. Supplied from the channel 40. This causes the following electrochemical reaction to generate electrical energy.
(Cathode) 1 / 2O2 + 2e- → O 2-
(Anode) H2 + O 2- → H2O ++ 2e-
Water vapor is generated on the anode side by such an electrochemical reaction. The unused fuel containing water vapor flows into the discharge flow path 20 from the anodes of the plurality of fuel cell elements. A part of the unused fuel that has flowed in flows into the recycled fuel flow path 30.

また、複数の燃料電池素子のアノードから排出流路20に流れ込んだ未利用燃料のうち、リサイクル燃料流路30に流れ込んだ未利用燃料以外の残りの未利用燃料と未利用酸化剤通路45を通過した未利用酸化剤とが燃焼室140で燃焼して排ガスが排出口41から排出される。   In addition, among the unused fuel that has flowed into the discharge flow path 20 from the anodes of the plurality of fuel cell elements, the remaining unused fuel other than the unused fuel that has flowed into the recycled fuel flow path 30 passes through the unused oxidant passage 45. The unused oxidant burns in the combustion chamber 140 and exhaust gas is discharged from the discharge port 41.

一方、排出流路20からリサイクル燃料流路30に流れ込んだ未利用燃料が凝縮水タンク101を通過する際に、熱交換器101を通過する酸化剤により、冷却される。このため、未利用燃料に含まれる水蒸気が凝縮されて凝縮水として凝縮水タンク101内に蓄えられる。すなわち、凝縮器100により未利用燃料から水蒸気が回収される。その後、この水蒸気が回収された未利用燃料がリサイクル燃料流路30からエジェクタ70の吸引口72に流れる。また、凝縮水タンク101内に蓄えられる凝縮水は、ポンプ120により水経路50を通して燃料ガス流路10の合流部22に送られる。   On the other hand, when the unused fuel that has flowed into the recycled fuel flow path 30 from the discharge flow path 20 passes through the condensed water tank 101, it is cooled by the oxidant that passes through the heat exchanger 101. For this reason, the water vapor contained in the unused fuel is condensed and stored in the condensed water tank 101 as condensed water. That is, water vapor is recovered from unused fuel by the condenser 100. Thereafter, the unused fuel from which the water vapor has been collected flows from the recycled fuel flow path 30 to the suction port 72 of the ejector 70. Further, the condensed water stored in the condensed water tank 101 is sent to the merging portion 22 of the fuel gas flow path 10 through the water path 50 by the pump 120.

このとき、後述するように、凝縮水タンク101から水経路50を通して燃料ガス流路10の合流部22に流れる水量をポンプ120により制御することにより、循環率が目標値に近づくことになる。燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料の質量流量をFaとし、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路30に流れる未利用燃料の質量流量をFbとしたとき、(Fb/Fa)×100を循環率「%」とする。   At this time, as will be described later, the circulation rate approaches the target value by controlling the amount of water flowing from the condensed water tank 101 through the water path 50 to the merging portion 22 of the fuel gas passage 10 by the pump 120. When the mass flow rate of the unused fuel discharged from the fuel cell module 90 is Fa and the mass flow rate of the unused fuel flowing through the recycled fuel flow path 30 among the unused fuel discharged from the fuel cell module 90 is Fb, Let (Fb / Fa) × 100 be the circulation rate “%”.

また、凝縮水タンク101内に蓄えられる凝縮水の水量が所定量未満になると、後述するように、インバータ回路160を制御して、燃料電池モジュール90の燃料利用率を高めて複数の燃料電池素子における水の生成量を増加させる。   Further, when the amount of condensed water stored in the condensed water tank 101 becomes less than a predetermined amount, as will be described later, the inverter circuit 160 is controlled to increase the fuel utilization rate of the fuel cell module 90 to thereby increase the number of fuel cell elements. Increase water production in

このように作動する燃料電池システム1では、電子制御装置150がブロア60により燃料ガス流路10内に流れる燃料ガスの流量を制御することにより、燃料電池モジュール90内に流れ込む改質ガスの流量を制御することができる。このため、電子制御装置150がブロア60を制御して燃料ガス流路の流通量を制御することにより、発電停止状態から定格発電まで全負荷範囲に亘って燃料電池モジュール90の発電量を制御することができる。   In the fuel cell system 1 operating in this way, the electronic control unit 150 controls the flow rate of the fuel gas flowing into the fuel gas flow path 10 by the blower 60, thereby reducing the flow rate of the reformed gas flowing into the fuel cell module 90. Can be controlled. Therefore, the electronic control unit 150 controls the blower 60 to control the flow rate of the fuel gas flow path, thereby controlling the power generation amount of the fuel cell module 90 over the entire load range from the power generation stop state to the rated power generation. be able to.

ここで、電子制御装置150がブロア60を制御して燃料電池モジュール90が定格発電運転を行っているとき、循環率が60%以上になるように、燃料ガス流路10、排出流路20、リサイクル燃料流路30、およびエジェクタ70が設定されている。   Here, when the electronic control unit 150 controls the blower 60 and the fuel cell module 90 is performing the rated power generation operation, the fuel gas passage 10, the discharge passage 20, A recycle fuel flow path 30 and an ejector 70 are set.

次に、電子制御装置160において、燃料ガス流路10に供給する水量を制御するための水供給量制御処理、および燃料電池モジュール90で水生成量を増加させるためのインバータ制御処理について別々に説明する。電子制御装置160は、水供給量制御処理、およびインバータ制御処理を時分割で実行する。
(水供給量制御処理)
電子制御装置160は、図4のフローチャートにしたがって、水供給量制御処理を実行する。
Next, in the electronic control unit 160, a water supply amount control process for controlling the amount of water supplied to the fuel gas passage 10 and an inverter control process for increasing the water generation amount in the fuel cell module 90 will be described separately. To do. The electronic control device 160 executes water supply amount control processing and inverter control processing in a time-sharing manner.
(Water supply control process)
The electronic control device 160 executes water supply amount control processing according to the flowchart of FIG.

まず、ステップS100において、流量センサ151によって、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料の質量流量(以下、排出量Faという)を検出する。これに加えて、流量センサ152によってリサイクル燃料流路30から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路30に流通する未利用燃料の質量流量(以下、循環量Fbという)を検出する。   First, in step S100, the flow rate sensor 151 detects the mass flow rate of unused fuel discharged from the fuel cell module 90 (hereinafter referred to as the discharge amount Fa). In addition, the mass flow rate (hereinafter referred to as circulation amount Fb) of the unused fuel flowing through the recycled fuel channel 30 among the unused fuel discharged from the recycled fuel channel 30 is detected by the flow sensor 152.

次に、ステップS110において、排出量Faと循環量Fbとから循環率Rpv(=(Fb/Fa)×100%)を求める。 Next, in step S110, a circulation rate R pv (= (Fb / Fa) × 100%) is obtained from the discharge amount Fa and the circulation amount Fb.

次に、ステップS120において、循環率RPVが目標循環率RSET未満であるか否かを判定する。このとき、循環率RPVが目標循環率RSET未満であるときには、YESと判定して、ステップS130において、ポンプ120を制御して、水経路50から燃料ガス流路10の合流部22に流れ込む単位時間あたりの水供給量を所定量SW分増量させる。このことにより、循環率RPVを上げることができる。 Next, in step S120, it is determined whether the circulation rate R PV is less than the target circulation rate R SET . At this time, when the circulation rate R PV is less than the target circulation rate R SET, it is determined as YES, and in step S130, the pump 120 is controlled to flow into the junction 22 of the fuel gas passage 10 from the water passage 50. The amount of water supplied per unit time is increased by a predetermined amount SW. As a result, the circulation rate R PV can be increased.

その後、ステップS100に戻り、流量センサ151によって排出量Faを検出し、流量センサ152によって循環量Fbを検出する。次のステップS110において、排出量Faと循環量Fbとから循環率Rpvを求める。 Thereafter, the process returns to step S100, the discharge amount Fa is detected by the flow rate sensor 151, and the circulation amount Fb is detected by the flow rate sensor 152. In the next step S110, the circulation rate R pv is obtained from the discharge amount Fa and the circulation amount Fb.

次のステップS120において、循環率RPVが目標循環率RSETよりも大きいときにはNOと判定して、次のステップS140でYESと判定する。 In the next step S120, when the circulation rate R PV is larger than the target circulation rate R SET , NO is determined, and YES is determined in the next step S140.

ここで、循環率RPVを下げるために改質器80および複数の燃料電池素子に供給される水量を減らし過ぎると、改質器80の触媒の水蒸気反応によってカーボン析出が生じたり、複数の燃料電池素子の反応によって複数の燃料電池素子のアノードにカーボン析出が生じたりする恐れがある。 Here, too reduces the amount of water supplied to the reformer 80 and a plurality of fuel cell elements in order to reduce the circulation rate R PV, or cause carbon precipitation by steam reaction catalyst in the reformer 80, a plurality of fuel There is a possibility that carbon deposition may occur at the anodes of the plurality of fuel cell elements due to the reaction of the battery elements.

そこで、次のステップS150において、現在の単位時間あたりの水供給量WPVから所定量SV分引いた、単位時間あたりの水量(WPV−SV)が閾値ST(=FPV×S/C)よりも大きいか否かを判定する。所定量SVは、後述するステップS160で用いる単位時間あたりの減水量である。閾値STは、改質器80および複数の燃料電池素子に供給される水量が不足して改質器80および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じる単位時間あたりの水供給量である。 Therefore, in the next step S150, the amount of water per unit time (W PV −SV) obtained by subtracting the predetermined amount SV from the current water supply amount W PV per unit time is the threshold value ST (= F PV × S / C). It is judged whether it is larger than. The predetermined amount SV is a water reduction amount per unit time used in step S160 described later. The threshold value ST is a water supply amount per unit time at which the amount of water supplied to the reformer 80 and the plurality of fuel cell elements is insufficient and carbon deposition occurs in the reformer 80 and the plurality of fuel cell elements.

ここで、ブロア60によって燃料ガスの供給源からエジェクタ70側に流す燃料ガスの時間あたりの質量流量をFPVとし、スチームカーボン比として設定された値をS/Cとしたときに、閾値STは、FPV×S/Cである。スチームカーボン比とは、改質器80および燃料電池モジュール90に供給される水蒸気と燃料ガス(或いは、改質ガス)に基づくカーボンとのモル流量比である。S/Cは、スチームカーボン比として改質器80の触媒および複数の燃料電池素子のアノードにカーボン析出が生じることを避けるように設定された値である。 Here, the mass flow rate per time of the fuel gas to flow from the source of fuel gas by the blower 60 to the ejector 70 side and F PV, the value set as the steam carbon ratio when the S / C, the threshold ST is F PV × S / C. The steam carbon ratio is a molar flow rate ratio between water vapor supplied to the reformer 80 and the fuel cell module 90 and carbon based on the fuel gas (or reformed gas). S / C is a value set so as to avoid carbon deposition on the catalyst of the reformer 80 and the anodes of the plurality of fuel cell elements as the steam carbon ratio.

このようなS/CおよびFPVから定める閾値STよりも単位時間あたりの水量(WPV−SV)が大きいときには、上記ステップS150においてYESと判定する。このことにより仮に、現在の水供給量WPVから所定量SV分減量した場合でも、改質器80および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じることはないと判定することになる。これに伴い、ステップS160において、ポンプ120を制御して、水経路50から燃料ガス流路10の合流部22に流れ込む単位時間あたりの水供給量を所定量SV分減量させる。このことにより、循環率RPVを下げることができる。 When the amount of water per unit time (W PV -SV) is larger than the threshold value ST determined from such S / C and F PV , YES is determined in step S150. If This makes it possible to determine from the current water supply quantity W PV even if the reduced predetermined amount SV component, the carbon deposition occurs in the reformer 80 and a plurality of fuel cell elements is not a. Accordingly, in step S160, the pump 120 is controlled to reduce the amount of water supplied per unit time flowing from the water path 50 to the merging portion 22 of the fuel gas flow path 10 by a predetermined amount SV. As a result, the circulation rate R PV can be lowered.

その後、ステップS100に戻り、流量センサ151によって排出量Faを検出する。流量センサ152によって循環量Fbを検出する。その後、ステップS110において、排出量Faと循環量Fbとから循環率Rpvを求める。循環率RPVが目標循環率RSETと同一であるときには、次のステップS120、S140において、それぞれNO判定する。この場合、水経路50から燃料ガス流路10の合流部22に流れ込む単位時間あたりの水供給量を現在の水供給量のまま維持する。このことにより、循環率RPVが目標循環率RSETと同一値を維持することになる。 Thereafter, the process returns to step S100, and the discharge amount Fa is detected by the flow sensor 151. The circulation amount Fb is detected by the flow sensor 152. Thereafter, in step S110, the circulation rate R pv is obtained from the discharge amount Fa and the circulation amount Fb. When the circulation rate R PV is the same as the target circulation rate R SET , NO is determined in the following steps S120 and S140, respectively. In this case, the water supply amount per unit time flowing from the water path 50 to the junction 22 of the fuel gas flow channel 10 is maintained as the current water supply amount. As a result, the circulation rate R PV maintains the same value as the target circulation rate R SET .

なお、上記ステップS150において、閾値STよりも水量(WPV−SV)が小さいときには、NOと判定する。このことにより、改質器80や複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じると判定することになる。 In step S150, when the amount of water (W PV -SV) is smaller than the threshold value ST, it is determined as NO. Thus, it is determined that carbon deposition occurs in the reformer 80 and the plurality of fuel cell elements.

(インバータ制御処理)
電子制御装置160は、図5のフローチャートにしたがって、インバータ制御処理を実行する。
(Inverter control processing)
The electronic control device 160 executes inverter control processing according to the flowchart of FIG.

まず、ステップS200において、残水量センサ153によって、凝縮水タンク101内に蓄えられる凝縮水の残量を検出する。次のステップS210において、この検出される凝縮水残量が一定量以下であるか否かを判定する。上記検出される凝縮水残量が一定量以下であるときには、上記ステップS210において、YESと判定する。これに伴い、ステップS220において、インバータ回路160を制御して燃料電池モジュール90に発生する直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷170に出力する。このことにより、燃料電池モジュール90にて改質ガスを用いた発電が促進されて燃料ガス(すなわち、改質ガス)の利用率を向上することができる。   First, in step S200, the remaining water amount sensor 153 detects the remaining amount of condensed water stored in the condensed water tank 101. In the next step S210, it is determined whether or not the detected remaining amount of condensed water is below a certain amount. When the detected remaining amount of condensed water is equal to or less than a predetermined amount, YES is determined in step S210. Accordingly, in step S220, the inverter circuit 160 is controlled to convert the DC voltage generated in the fuel cell module 90 into an AC voltage and output it to the electric load 170. Thus, power generation using the reformed gas is promoted in the fuel cell module 90, and the utilization rate of the fuel gas (that is, the reformed gas) can be improved.

これに伴い、燃料電池モジュール90の複数の燃料電池素子のアノードにおいて水の発生を増加させることができる。このため、燃料電池モジュール90から排出流路20に排出される未利用燃料に含まれる水蒸気の量を増やすことができる。   Accordingly, the generation of water can be increased at the anodes of the plurality of fuel cell elements of the fuel cell module 90. For this reason, the quantity of the water vapor | steam contained in the unused fuel discharged | emitted from the fuel cell module 90 to the discharge flow path 20 can be increased.

その後、ステップS200において、残水量センサ153によって、凝縮水タンク101内に蓄えられる凝縮水の残量を検出する。次のステップS220において、この検出される凝縮水残量が一定量よりも大きいときには、NOと判定する。これに伴い、ステップS230において、インバータ回路160を停止させる。このため、燃料電池モジュール90に発生する直流電圧を交流電圧に変換することを停止する。   Thereafter, in step S200, the remaining water amount sensor 153 detects the remaining amount of condensed water stored in the condensed water tank 101. In the next step S220, when the detected remaining amount of condensed water is larger than a certain amount, it is determined as NO. Accordingly, in step S230, the inverter circuit 160 is stopped. For this reason, the conversion of the DC voltage generated in the fuel cell module 90 into an AC voltage is stopped.

以上説明した本実施形態によれば、リサイクル燃料流路30に流通する未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を凝縮水タンク101に蓄える。そして、凝縮水が回収されたリサイクル燃料をエジェクタの吸引口側に供給する。これに加えて、燃料ガス流路10のうちエジェクタ70に対して燃料ガスの流れ上流側の合流部22にて凝縮水タンク101からの凝縮水の流れが燃料ガス流に合流される。   According to the present embodiment described above, the water vapor contained in the unused fuel flowing through the recycled fuel flow path 30 is condensed and the condensed water is stored in the condensed water tank 101. Then, the recycled fuel from which the condensed water has been collected is supplied to the suction port side of the ejector. In addition to this, the flow of the condensed water from the condensed water tank 101 is merged with the fuel gas flow at the merge portion 22 on the upstream side of the flow of the fuel gas with respect to the ejector 70 in the fuel gas flow path 10.

ここで、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料の質量流量を検出する流量センサ151と、燃料電池モジュール90から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路30に流れる未利用燃料の質量流量を検出する流量センサ152とを備え、電子制御装置150は、ポンプ120を制御して、循環率Rpvを目標循環率RSETに近づけるように水経路50から燃料ガス流路10の合流部21側に供給される水量を調整することを特徴としている。 Here, the flow rate sensor 151 for detecting the mass flow rate of the unused fuel discharged from the fuel cell module 90, and the mass of the unused fuel flowing in the recycle fuel flow path 30 among the unused fuel discharged from the fuel cell module 90. A flow rate sensor 152 for detecting the flow rate, and the electronic control unit 150 controls the pump 120 so that the circulation rate R pv approaches the target circulation rate R SET from the water path 50 to the merging portion of the fuel gas flow path 10. It is characterized by adjusting the amount of water supplied to the 21 side.

したがって、ブロア60によって燃料ガス流路の流通量を制御して燃料電池モジュール90の発電量を制御する際に、起動時および部分負荷運転時(低負荷運転時)でも、高い循環率を維持することができる。したがって、燃料電池モジュール90の全負荷範囲に亘って高い効率で運転できるようにした燃料電池システムを提供することができる。   Therefore, when the flow rate of the fuel gas flow path is controlled by the blower 60 to control the power generation amount of the fuel cell module 90, a high circulation rate is maintained even during startup and partial load operation (low load operation). be able to. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system that can be operated with high efficiency over the entire load range of the fuel cell module 90.

本実施形態では、水蒸気を回収した未利用燃料をエジェクタ70の吸引口側に供給し、かつ未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を燃料ガス流路10のうち合流部22に供給する。このため、エジェクタ70の吸引口72に供給される未利用燃料の質量流量(すなわち、循環流質量流量)を減少させる一方、エジェクタ70の入口71aに流入する燃料ガス流(すなわち、主流質量流量)の質量流量を増加させることができる。したがって、質量流量比(=(循環流質量流量/主流質量流量)×100%)を下げることができる。例えば、従来の質量流量比が6%〜8%であったものが、本実施形態の質量流量比が0.8%〜1.2%になる。これに伴い、エジェクタ70の吸引口に供給される未利用燃料(リサイクル燃料)の吸引性能に余裕ができ、特に、低負荷時(すなわち、ブロア60の燃料ガス送風量が少ないとき)でも、高い循環率を得ることができる。これに伴い、ブロア60の動力増加も最低限に抑えることができる。ポンプ110、120の動力はそもそも小さいので、補機効率も向上することができる。   In the present embodiment, the unused fuel from which the water vapor has been recovered is supplied to the suction port side of the ejector 70, and the condensed water obtained by condensing the water vapor contained in the unused fuel is supplied to the junction 22 in the fuel gas flow path 10. . For this reason, while reducing the mass flow rate of the unused fuel supplied to the suction port 72 of the ejector 70 (ie, the circulating flow mass flow rate), the fuel gas flow flowing into the inlet 71a of the ejector 70 (ie, the main flow mass flow rate). The mass flow rate of can be increased. Therefore, the mass flow rate ratio (= (circulation flow mass flow / main flow mass flow) × 100%) can be lowered. For example, the conventional mass flow rate ratio of 6% to 8% becomes 0.8% to 1.2% in the present embodiment. Along with this, the suction performance of unused fuel (recycled fuel) supplied to the suction port of the ejector 70 can be afforded, and is particularly high even at low loads (ie, when the blower 60 has a small amount of blown fuel gas). A circulation rate can be obtained. Accordingly, an increase in power of the blower 60 can be suppressed to a minimum. Since the power of the pumps 110 and 120 is small in the first place, the auxiliary machine efficiency can be improved.

本実施形態では、ステップS210において、凝縮水タンク101の凝縮水残量が一定量以下であるときには、YESとして、インバータ回路160を制御して燃料電池モジュール90に発生する直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷170に出力する。このことにより、燃料電池モジュール90にて改質ガスを用いた発電が促進されて複数の燃料電池素子のアノードにおいて水の発生を増加させることができる。このため、燃料電池モジュール90から排出流路20に排出される未利用燃料に含まれる水蒸気の量を増やすことができる。このため、リサイクル燃料流路30に流通する未利用燃料に含まれる水蒸気の量を増やすことができる。これに伴い、凝縮器100で凝縮されて凝縮水タンク101に蓄えられる凝縮水の量を増量させることができる。   In the present embodiment, when the remaining amount of condensed water in the condensed water tank 101 is equal to or less than a certain amount in step S210, the inverter circuit 160 is controlled to convert the DC voltage generated in the fuel cell module 90 into an AC voltage. And output to the electric load 170. As a result, power generation using the reformed gas is promoted in the fuel cell module 90, and water generation can be increased at the anodes of the plurality of fuel cell elements. For this reason, the quantity of the water vapor | steam contained in the unused fuel discharged | emitted from the fuel cell module 90 to the discharge flow path 20 can be increased. For this reason, the amount of water vapor contained in the unused fuel flowing through the recycled fuel flow path 30 can be increased. Along with this, the amount of condensed water condensed in the condenser 100 and stored in the condensed water tank 101 can be increased.

本実施形態では、循環率RPVが目標循環率RSETよりも大きいと判定したときに、仮に、現在の水供給量WPVから所定量SV分減量した場合でも、改質器80および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じることはないと判定したときに、水経路50から燃料ガス流路10の合流部22に流れ込む単位時間あたりの水供給量を所定量SV分減量させる。このことにより、改質器80および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じることを避けるように、水経路50から燃料ガス流路10の合流部22に流れ込む水供給量を制御することができる。このため、改質器80および複数の燃料電池素子が劣化することを避けることができる。 In this embodiment, when it is determined that the circulation rate R PV is larger than the target circulation rate R SET , even if the current water supply amount W PV is reduced by a predetermined amount SV, the reformer 80 and the plurality of reformers 80 When it is determined that no carbon deposition occurs in the fuel cell element, the amount of water supplied per unit time flowing from the water path 50 to the merging portion 22 of the fuel gas channel 10 is reduced by a predetermined amount SV. This makes it possible to control the amount of water supplied from the water path 50 to the joining portion 22 of the fuel gas flow path 10 so as to avoid carbon deposition in the reformer 80 and the plurality of fuel cell elements. For this reason, deterioration of the reformer 80 and the plurality of fuel cell elements can be avoided.

(他の実施形態)
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムとして設置型の燃料電池システム1について説明したが、これに代えて、本発明の燃料電池システムを車両搭載型の燃料電池システム1としてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the installation type fuel cell system 1 has been described as the fuel cell system of the present invention, but the fuel cell system of the present invention may be replaced with the vehicle-mounted fuel cell system 1 instead.

上記実施形態では、凝縮器100において未利用燃料を酸化剤により冷却して水蒸気を凝縮する例について説明したが、これに代えて、凝縮器100において未利用燃料に含まれる水蒸気を水(例えば水道水)により冷却して未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮してもよい。この場合、凝縮器100において未利用燃料により水が熱されてお湯が生成されることになる。   In the above-described embodiment, an example in which the unused fuel is cooled by the oxidizing agent in the condenser 100 to condense the water vapor has been described, but instead, the water vapor contained in the unused fuel in the condenser 100 is converted to water (for example, tap water). Water) may be cooled to condense the water vapor contained in the unused fuel. In this case, the water is heated by the unused fuel in the condenser 100 to generate hot water.

上記実施形態では、燃料ガス流路10のうちブロア60および改質器80の間にエジェクタ70を配置した例について説明したが、これに代えて、燃料ガス流路10のうち改質器80および燃料電池モジュール90の間にエジェクタ70を配置してもよい。   In the above-described embodiment, the example in which the ejector 70 is disposed between the blower 60 and the reformer 80 in the fuel gas channel 10 has been described, but instead, the reformer 80 and the fuel gas channel 10 in the fuel gas channel 10 are described. The ejector 70 may be disposed between the fuel cell modules 90.

上記実施形態では、凝縮器100をリサイクル燃料流路30に設けた例について説明したが、これに代えて、排出流路20に凝縮器100を設けてもよい。例えば、排出流路20のうち燃料電池モジュール90と分流部21との間に凝縮器100を設けてもよい。   In the above embodiment, the example in which the condenser 100 is provided in the recycle fuel flow path 30 has been described, but instead, the condenser 100 may be provided in the discharge flow path 20. For example, the condenser 100 may be provided between the fuel cell module 90 and the diverter 21 in the discharge channel 20.

上記実施形態では、燃料電池素子として固体酸化物型燃料電池を用いた例について説明したが、これに代えて、固体酸化物型燃料電池以外のタイプの燃料電池を燃料電池素子として用いてもよい。   In the above embodiment, an example in which a solid oxide fuel cell is used as a fuel cell element has been described. However, instead of this, a fuel cell other than a solid oxide fuel cell may be used as a fuel cell element. .

1 燃料電池システム
10 燃料ガス流路
20 排出流路
30 リサイクル燃料流路
40 酸化剤流路
50 水経路
60 ブロア
70 エジェクタ
80 改質器
90 燃料電池モジュール
100 凝縮器
110 ポンプ
120 ポンプ
140 燃焼室
150 電子制御装置
151 流量センサ
152 流量センサ
153 残水量センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel gas flow path 20 Discharge flow path 30 Recycle fuel flow path 40 Oxidant flow path 50 Water flow path 60 Blower 70 Ejector 80 Reformer 90 Fuel cell module 100 Condenser 110 Pump 120 Pump 140 Combustion chamber 150 Electron Control device 151 Flow rate sensor 152 Flow rate sensor 153 Residual water amount sensor

Claims (11)

燃料ガスから改質ガスを生成する改質器(80)と、
前記改質器により生成される改質ガスと酸化剤との電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池素子を少なくとも1つ以上備える燃料電池モジュール(90)と、
前記燃料ガスを前記燃料電池モジュール側に供給するための燃料ガス流路(10)と、
前記電気化学反応に利用されなく、かつ前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を回収する凝縮器(100)と、
前記凝縮器により前記水蒸気が回収された未利用燃料を前記燃料ガス流路側に戻すためのリサイクル燃料流路(30)と、
前記燃料ガス流路中に設けられ、前記燃料ガスを噴射するノズル部(71)と、前記ノズル部から噴射される燃料ガス流によって前記リサイクル燃料流路側から前記未利用燃料を吸引する吸引口(72)とを備え、前記ノズル部から噴射される燃料ガスと前記吸引口から吸引される未利用燃料とを混合して前記燃料電池モジュールの入口側に吐出するエジェクタ(70)と、
前記燃料ガス流路のうち前記ノズル部に対して前記燃料ガスの流れ上流側に前記凝縮器で回収された凝縮水を供給する水経路(50)と、
前記水経路から前記燃料ガス流路に供給される水量を調整するポンプ(120)と、
前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料の質量流量を検出する第1検出手段(151)と、
前記リサイクル燃料流路を通過する未利用燃料の質量流量を検出する第2検出手段(152)と、
前記ポンプを制御して、前記第1の検出手段の検出値に対する前記第2の検出手段の検出値の比率である循環率を目標値に近づけるように前記水経路から前記燃料ガス流路側に供給される水量を調整する制御手段(S120〜S160)と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A reformer (80) for generating reformed gas from fuel gas;
A fuel cell module (90) comprising at least one fuel cell element that generates electrical energy by an electrochemical reaction between a reformed gas generated by the reformer and an oxidant;
A fuel gas flow path (10) for supplying the fuel gas to the fuel cell module side;
A condenser (100) that condenses water vapor that is not used in the electrochemical reaction and that is contained in unused fuel discharged from the fuel cell module to recover condensed water;
A recycled fuel channel (30) for returning the unused fuel from which the water vapor has been recovered by the condenser to the fuel gas channel side;
A nozzle part (71) provided in the fuel gas flow path and injecting the fuel gas, and a suction port for sucking the unused fuel from the recycled fuel flow path side by a fuel gas flow injected from the nozzle part ( 72), and an ejector (70) for mixing the fuel gas injected from the nozzle part and the unused fuel sucked from the suction port and discharging the mixed fuel to the inlet side of the fuel cell module;
A water path (50) for supplying condensed water recovered by the condenser to the upstream side of the fuel gas flow with respect to the nozzle portion of the fuel gas flow path;
A pump (120) for adjusting the amount of water supplied from the water path to the fuel gas flow path;
First detection means (151) for detecting a mass flow rate of unused fuel discharged from the fuel cell module;
Second detection means (152) for detecting a mass flow rate of unused fuel passing through the recycled fuel flow path;
The pump is controlled to supply the circulation rate, which is the ratio of the detection value of the second detection means to the detection value of the first detection means, from the water path to the fuel gas flow path side so as to approach the target value. And a control means (S120 to S160) for adjusting the amount of water to be produced.
前記制御手段は、前記調整器を制御して、前記改質器に供給される水蒸気と前記燃料ガスに基づくカーボンのモル流量比であるスチームカーボン比が予め設定された値以上になるように前記燃料ガス流路側に供給される水量を調整するものであり、
前記予め設定された値は、前記改質器および前記燃料電池素子にてカーボン析出が生じることを避けるように設定された値であ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。
The control means controls the regulator so that a steam carbon ratio, which is a molar flow rate ratio of carbon based on water vapor and fuel gas supplied to the reformer, is equal to or higher than a preset value. The amount of water supplied to the fuel gas flow path is adjusted,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the preset value is a value set so as to avoid carbon deposition in the reformer and the fuel cell element. 3.
前記燃料電池モジュールの排出口から排出される未利用燃料を排出口(41)側に流す排出流路(20)を備え、
前記排出流路に流れる未利用燃料の一部が前記燃料ガス流路側に流れるように前記リサイクル燃料流路が前記排出流路に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
A discharge passage (20) for flowing unused fuel discharged from the discharge port of the fuel cell module to the discharge port (41) side;
The recycle fuel flow path is connected to the discharge flow path so that a part of unused fuel flowing in the discharge flow path flows to the fuel gas flow path side. Fuel cell system.
前記凝縮器は、前記リサイクル燃料流路に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein the condenser is disposed in the recycled fuel flow path. 前記凝縮器は、前記排出流路のうち前記リサイクル燃料流路が接続される分岐箇所(21)と前記燃料電池モジュールとの間に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。   4. The fuel according to claim 3, wherein the condenser is connected between the fuel cell module and a branch point (21) to which the recycled fuel channel is connected in the discharge channel. Battery system. 前記エジェクタのノズル部の入口側に流れる前記燃料ガスの流れを発生させるブロア(60)と、
前記燃料電池モジュールで定格発電を実施するように前記ブロアによって前記エジェクタのノズル部の入口側に供給される前記燃料ガスの質量流量を制御する定格発電制御手段(150)と、を備え、
前記定格発電制御手段が前記燃料電池モジュールで定格発電を実施するように前記ブロアを制御する際に、前記リサイクル燃料流路に流れるリサイクル燃料に含まれる水蒸気量が前記改質器の触媒の改質反応に必要な水蒸気量を越えるように前記循環率が設定されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
A blower (60) for generating a flow of the fuel gas flowing toward the inlet side of the nozzle portion of the ejector;
A rated power generation control means (150) for controlling the mass flow rate of the fuel gas supplied to the inlet side of the nozzle portion of the ejector by the blower so as to perform the rated power generation in the fuel cell module;
When the rated power generation control unit controls the blower so that rated power generation is performed by the fuel cell module, the amount of water vapor contained in the recycled fuel flowing in the recycled fuel flow path is the reforming of the catalyst of the reformer. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the circulation rate is set so as to exceed an amount of water vapor necessary for the reaction.
前記循環率は、60%以上に設定されていることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the circulation rate is set to 60% or more. 前記凝縮器は、前記凝縮水を一時的に蓄えるとともに、この蓄えた凝縮水を前記燃料供給経路に供給するための原料水タンク(101)を備え、
前記原料水タンク内の水量を検出する残水量検出手段(S153)と、
前記残水量検出手段により検出される水量が設定量以下であるか否かを判定する判定手段(S210)と、
前記燃料電池素子に発生した電気エネルギを電気負荷に供給する供給手段(160)と、
前記残水量検出手段により検出される水量が設定量以下であると前記判定手段が判定したとき、前記燃料電池素子に発生した電気エネルギを負荷に供給させるように前記供給手段を制御する制御手段(S220)と、を備えることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
The condenser includes a raw water tank (101) for temporarily storing the condensed water and supplying the stored condensed water to the fuel supply path.
A residual water amount detecting means (S153) for detecting the amount of water in the raw water tank;
Determination means (S210) for determining whether or not the amount of water detected by the residual water amount detection means is less than or equal to a set amount;
Supply means (160) for supplying electric energy generated in the fuel cell element to an electric load;
Control means for controlling the supply means so that the electric energy generated in the fuel cell element is supplied to a load when the determination means determines that the amount of water detected by the residual water amount detection means is equal to or less than a set amount. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, further comprising S220).
前記凝縮器は、前記未利用燃料に含まれる水蒸気を前記酸化剤によって冷却して凝縮することを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the condenser cools and condenses water vapor contained in the unused fuel by the oxidant. 前記凝縮器は、前記未利用燃料に含まれる水蒸気を水によって冷却して凝縮することを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the condenser cools and condenses water vapor contained in the unused fuel with water. 前記エジェクタは、前記燃料ガス流路のうち前記改質器に対して前記燃料ガスの流れの上流側に配置されていることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   11. The fuel according to claim 1, wherein the ejector is disposed on the upstream side of the flow of the fuel gas with respect to the reformer in the fuel gas flow path. Battery system.
JP2012107865A 2012-05-09 2012-05-09 Fuel cell system Active JP5874523B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012107865A JP5874523B2 (en) 2012-05-09 2012-05-09 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012107865A JP5874523B2 (en) 2012-05-09 2012-05-09 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013235735A true JP2013235735A (en) 2013-11-21
JP5874523B2 JP5874523B2 (en) 2016-03-02

Family

ID=49761704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012107865A Active JP5874523B2 (en) 2012-05-09 2012-05-09 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5874523B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018212214A1 (en) 2017-05-18 2018-11-22 株式会社デンソー Fuel cell system
WO2019176638A1 (en) * 2018-03-13 2019-09-19 株式会社デンソー Fuel cell system
JP2020061268A (en) * 2018-10-10 2020-04-16 大阪瓦斯株式会社 Solid oxide type fuel cell system
CN117740391A (en) * 2024-02-21 2024-03-22 中国航发四川燃气涡轮研究院 Tail nozzle thrust test platform based on electric pump type gas generator

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0337965A (en) * 1989-07-05 1991-02-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Recycling gas flow rate measuring method for fuel cell
JPH07230816A (en) * 1994-02-16 1995-08-29 Tokyo Gas Co Ltd Internally modified solid electrolyte fuel cell system
JP2002075416A (en) * 2000-08-24 2002-03-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell device and operation method of fuel cell device
JP2003100326A (en) * 2001-09-20 2003-04-04 Sekisui Chem Co Ltd Fuel cell power generation system
JP2007048493A (en) * 2005-08-08 2007-02-22 Hitachi Ltd Fuel cell power generating system
JP2009099264A (en) * 2007-10-12 2009-05-07 Hitachi Ltd Solid oxide fuel cell power generation system and its starting method
JP2009230926A (en) * 2008-03-19 2009-10-08 Toto Ltd Fuel cell system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0337965A (en) * 1989-07-05 1991-02-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Recycling gas flow rate measuring method for fuel cell
JPH07230816A (en) * 1994-02-16 1995-08-29 Tokyo Gas Co Ltd Internally modified solid electrolyte fuel cell system
JP2002075416A (en) * 2000-08-24 2002-03-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell device and operation method of fuel cell device
JP2003100326A (en) * 2001-09-20 2003-04-04 Sekisui Chem Co Ltd Fuel cell power generation system
JP2007048493A (en) * 2005-08-08 2007-02-22 Hitachi Ltd Fuel cell power generating system
JP2009099264A (en) * 2007-10-12 2009-05-07 Hitachi Ltd Solid oxide fuel cell power generation system and its starting method
JP2009230926A (en) * 2008-03-19 2009-10-08 Toto Ltd Fuel cell system

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018212214A1 (en) 2017-05-18 2018-11-22 株式会社デンソー Fuel cell system
US11211624B2 (en) 2017-05-18 2021-12-28 Denso Corporation Fuel cell system
WO2019176638A1 (en) * 2018-03-13 2019-09-19 株式会社デンソー Fuel cell system
JP2020061268A (en) * 2018-10-10 2020-04-16 大阪瓦斯株式会社 Solid oxide type fuel cell system
JP7221641B2 (en) 2018-10-10 2023-02-14 大阪瓦斯株式会社 Solid oxide fuel cell system
CN117740391A (en) * 2024-02-21 2024-03-22 中国航发四川燃气涡轮研究院 Tail nozzle thrust test platform based on electric pump type gas generator

Also Published As

Publication number Publication date
JP5874523B2 (en) 2016-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2403125C (en) Solid polymer fuel cell
EP2816647A1 (en) Fuel cell system
JP5874523B2 (en) Fuel cell system
KR101163464B1 (en) Thermal management system for fuel cell vehicle maintaining electrical conductivity and heating capacity
JP2007179786A (en) Fuel cell system
JP5804181B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
EP1860716A1 (en) Fuel cell system
JP5502553B2 (en) Fuel cell system
JPWO2009113305A1 (en) Fuel cell system and operation method thereof
JP2012004085A (en) Fuel cell system and control method thereof
JP5434283B2 (en) Fuel cell system
US10665878B2 (en) Fuel cell system
JP2020087623A (en) Fuel cell system
JP6413398B2 (en) Fuel cell system
JP2003197233A (en) Fuel cell power generation system and its control method
JP2006164541A (en) Fuel cell system
JP5707861B2 (en) Power generation system
US20180069250A1 (en) Fuel cell system and its operation method
JP6160757B1 (en) Fuel cell system and operation method thereof
US20150050528A1 (en) Fuel cell system
JP2015170447A (en) fuel cell system
JP2019160570A (en) Fuel cell system
KR101558355B1 (en) Method of purging flooding and impurities in hydrogen electrode of fuel cell system
JP2006012656A (en) Fuel cell system
KR20130116645A (en) Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20141024

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150817

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150825

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20151023

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151222

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160104

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5874523

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250