JP2015185472A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池34aと、燃料電池34aから導出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部35と、燃焼部35によって加熱され、改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、改質水が溜まっている水溜り部32dと、改質水が水溜り部32dから高温部32eに流動する流路32fと、を備えた蒸発部32と、流路32f上に高温部32eから所定距離Lを隔てて配置され、その配置された部位の温度を検出する温度センサ37と、制御装置15と、を備え、制御装置15は、温度センサ37によって検出される温度Thが改質水の沸点より高い第一温度Th1から、第一温度Th1より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度Th2まで低下したときに、改質水の突沸を、事前に検知する。
【選択図】 図2
Description
これによれば、蒸発部においては、通常時において、供給された改質水が蒸発することにより温度センサが水蒸気の温度を検出するため、温度センサによって検出される温度が改質水の沸点よりも高い第一温度に達する。その後、例えば、燃焼部の燃焼状態が変化して蒸発部への供給熱量が減少する等の要因により蒸発部における改質水の蒸発量が減少する場合には、蒸発部内の改質水の量が増加することにより、改質水が水溜り部から高温部に流動する。このとき、改質水が高温部に接触した場合には、改質水が急激に加熱されるため、改質水が突然沸騰する突沸が発生する。
ここで、温度センサは、改質水が水溜り部から高温部に流動する流路上に高温部から所定距離を隔てて配置されている。よって、流路を流れる改質水は、高温部に接触する前に温度センサに接触する。すなわち、温度センサが改質水の温度を検出するため、温度センサによって検出される温度は、改質水の沸点以下に低下する。よって、制御装置は、温度センサによって検出される温度が第一温度に達した後、第一温度より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度まで低下したときに、改質水が高温部に向かって流動中であることを、改質水が高温部に到達する前に判定することができる。したがって、改質水が高温部に接触して急激に加熱されることにより突然沸騰する突沸を、事前に確実に検知することができる。
これによれば、蒸発部における改質部に隣接する部位は、燃焼部からの供給熱量に加え、改質部にて発生する熱量により、蒸発部の他の部位に比べて高温になっている。よって、蒸発部における改質部に隣接する部位は、蒸発部の他の部位に比べて、改質水の突沸が発生し易い。ここで、温度センサは、改質水が流動する流路上に、蒸発部における改質部に隣接する部位から所定距離を隔てて配置されている。よって、制御装置は、温度センサによって検出される温度が第一温度までに達した後、第二温度まで低下したときに、改質水が蒸発部における改質部に隣接する部位に流動中であると判定することができる。したがって、蒸発部における改質水の突沸が発生し易い改質部に隣接する部位にて発生する突沸を、事前に確実に検知することができる。
これによれば、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池の燃料利用率(すなわち改質ガスの利用率)を低下させるため、発電に利用されなかった燃料(アノードオフガス)すなわち燃焼部にて燃焼される可燃ガスを増加させることができる。これにより、燃焼部の蒸発部への供給熱量を増加させることができるため、蒸発部における改質水の蒸発量が増加する。よって、蒸発部内の改質水の量が減少するため、改質水の高温部への流動が止まる。これにより、改質水と高温部との接触が避けられるため、改質水の突沸を回避することができる。したがって、改質水の突沸が抑制されることにより、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。
これによれば、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池の発電する電力の減少または改質ガスの燃料電池への供給量の増加を行うため、燃料電池の燃料利用率をより確実に低下させることができる。よって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。
これによれば、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、温度センサによって検出される温度が第二温度まで低下したときから突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、燃料電池の発電する電力の減少を行うため、より短時間にて燃料電池の燃料利用率を低下させることができる。これにより、蒸発部の改質水の量がより短時間にて減少するため、改質水の高温部への流動がより短時間にて停止する。よって、改質水と高温部との接触がより確実に回避される。したがって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をさらに向上することができる。
発電ユニット10は、燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14および制御装置15を備えている。
上述した熱交換器12、貯湯槽21および貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
蒸発部ハウジング32aは、ハウジング31における第一仕切部材31aより左側の部位および第一仕切部材31aによって形成されている。蒸発部ハウジング32aの底面32a1は、水平な平面状に形成されている。第二仕切部材32bは、蒸発部ハウジング32aを上下に仕切る金属製の板である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。第二仕切部材32bには、上下方向に貫通する複数の貫通孔32b1が全体に形成されている。第二仕切部材32bは、例えばパンチングメタルである。球体32cは、セラミック製の球体である。球体32cを形成するセラミックは、例えばアルミナである。球体32cは、蒸発部ハウジング32aにおける第二仕切部材32bより下側の空間に充填されている。また、蒸発部ハウジング32aにおける第二仕切部材32bより上側の空間には、改質用原料供給管11aの他端および水供給管11bの他端が接続されている。水供給管11bの他端は、蒸発部ハウジング32a内の左右方向における略中央に位置するように配設されている。
水溜り部32dは、底面32a1に改質水が溜まっている部位である。具体的には、水溜り部32dは、底面32a1において水供給管11bの他端の下方における所定範囲内に位置する。所定範囲は、ハウジング31の側壁および第一仕切部材31aから空間をおいて形成された範囲である。ここで、水溜り部32dが形成される過程について説明する。蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されることにより、蒸発部ハウジング32aおよび球体32cの温度が高くなっている。また、水供給管11bを介して供給される改質水が、水供給管11bの他端から垂れて、第二仕切部材32bの貫通孔32b1を通過し、球体32cの表面に接触する。そして、改質水が球体32cの表面にて加熱されることにより、改質水の一部が蒸発するため、水蒸気が生成される。さらに、蒸発していない一部の改質水が、蒸発部ハウジング32aの底面32a1に到達し、底面32a1にて加熱される。これにより、底面32a1に到達した改質水の一部が蒸発するため、水蒸気がさらに生成される。そして、底面32a1にて蒸発していない改質水によって、水溜り部32dが形成される。
(化1)
H2+O2−→H2O+2e−
(化2)
CO+O2−→CO2+2e−
(化3)
1/2O2+2e−→O2−
一方、燃料電池システムが発電運転中である場合には、蒸発部32が少なくとも100℃以上に加熱されているため、水蒸気が蒸発部32内を満たしている。よって、温度センサ37が水蒸気の温度を検出した場合、検出温度Thが第一温度Th1(140℃)よりも高くなる。この場合、制御装置15は、ステップS102にて「YES」と判定し、プログラムをステップS104に進める。
制御装置15は、検出温度Thが第二温度Th2まで低下していない場合、ステップS104にて「NO」の判定を繰り返し実行する。一方、制御装置15は、検出温度Thが第二温度Th2まで低下した場合、突沸を事前に検知したと判定する。
これによれば、蒸発部32においては、通常時において、供給された改質水が蒸発することにより温度センサ37が水蒸気の温度を検出するため、検出温度Thが改質水の沸点よりも高い第一温度Th1に達する。その後、例えば、燃焼部35の燃焼状態が変化して蒸発部32への供給熱量が減少する等の要因により蒸発部32における改質水の蒸発量が減少する場合には、蒸発部32内の改質水の量が増加することにより、改質水が水溜り部32dから高温部32eに流動する。このとき、改質水が高温部32eに接触した場合には、改質水が急激に加熱されるため、改質水が突然沸騰する突沸が発生する。
ここで、温度センサ37は、改質水が水溜り部32dから高温部32eに流動する流路32f上に高温部32eから所定距離Lを隔てて配置されている。よって、流路32fを流れる改質水は、高温部32eに接触する前に温度センサ37に接触する。すなわち、温度センサ37が改質水の温度を検出するため、検出温度Thは、改質水の沸点に低下する。よって、制御装置15は、検出温度Thが第一温度Th1に達した後、第一温度Th1より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度Th2まで低下したときに、改質水が高温部32eに向かって流動中であることを、改質水が高温部32eに到達する前に判定することができる。したがって、改質水が高温部32eに接触して急激に加熱されることにより突然沸騰する突沸を、事前に確実に検知することができる。
これによれば、蒸発部32における改質部33に隣接する部位は、燃焼部35からの供給熱量に加え、改質部33にて発生する熱量により、蒸発部32の他の部位に比べて高温になっている。よって、蒸発部32における改質部33に隣接する部位は、蒸発部32の他の部位に比べて、改質水の突沸が発生し易い。ここで、温度センサ37は、改質水が流動する流路32f上に、蒸発部32における改質部33に隣接する部位から所定距離Lを隔てて配置されている。よって、制御装置15は、検出温度Thが第一温度Th1までに達した後、第二温度Th2まで低下したときに、改質水が蒸発部32における改質部33に隣接する部位に流動中であると判定することができる。したがって、蒸発部32における改質水の突沸が発生し易い改質部33に隣接する部位にて発生する突沸を、事前に確実に検知することができる。
これによれば、制御装置15は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池34aの燃料利用率Ufを低下させるため、発電に利用されなかった燃料(アノードオフガス)すなわち燃焼部35にて燃焼される可燃ガスを増加させることができる。これにより、燃焼部35の蒸発部32への供給熱量を増加させることができるため、蒸発部32における改質水の蒸発量が増加する。よって、蒸発部32内の改質水の量が減少するため、改質水の高温部32eへの流動が止まる。これにより、改質水と高温部32eとの接触が避けられるため、改質水の突沸を回避することができる。したがって、改質水の突沸が抑制されることにより、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。
これによれば、制御装置15は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池34aの発電電力Wの減少を行うため、燃料電池34aの燃料利用率Ufをより確実に低下させることができる。よって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。
これによれば、制御装置15は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池34aの発電電力Wの減少または改質ガスの燃料電池34aへの供給量の増加を行うため、燃料電池34aの燃料利用率Ufをより確実に低下させることができる。よって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。
これによれば、制御装置15は、突沸を事前に検知した場合に、検出温度Thが第二温度Th2まで低下したときから突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、燃料電池34aの発電電力Wの減少を行うため、より短時間にて燃料電池34aの燃料利用率Ufを低下させることができる。これにより、蒸発部32内の改質水の量がより短時間にて減少するため、改質水の高温部32eへの流動がより短時間にて停止する。よって、改質水と高温部32eとの接触がより確実に回避される。したがって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をさらに向上することができる。
これによれば、上述した実施形態と比較して、温度センサ37と球体32cとの距離を長くすることができるため、温度センサ37と水蒸気とをより多く接触させることができる。よって、温度センサ37が水蒸気の温度をより精度よく検出することができる。
また、上述した実施形態において、燃料電池34aは、固体酸化物形燃料電池であるが、これに代えて、本発明を固体高分子形燃料電池に適用するようにしてもよい。
Claims (5)
- 改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池から導出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部によって加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、
前記水蒸気と改質用原料とから前記改質ガスを生成する改質部と、
前記燃料電池の発電する電力を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記蒸発部は、底面に前記改質水が溜まっている水溜り部と、温度が高い高温部と、前記改質水が前記水溜り部から前記高温部に流動する流路と、を備え、
前記燃料電池システムは、前記流路上に前記高温部から所定距離を隔てて配置され、その配置された部位の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記温度センサによって検出される温度が、前記改質水の沸点より高い第一温度から、前記第一温度より低く且つ前記改質水の沸点以上である第二温度まで低下したときに、前記改質水の突沸を、事前に検知する燃料電池システム。 - 前記蒸発部と前記改質部とは隣接して配設され、
前記高温部は、前記改質部に隣接する部位である請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記突沸を事前に検知した場合に、前記燃料電池の燃料利用率を低下させる請求項1または請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記突沸を事前に検知した場合に、前記燃料電池の発電する電力の減少または前記改質ガスの前記燃料電池への供給量の増加を行う請求項3記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記燃料電池の発電する電力の減少を行う場合に、前記温度センサによって検出される温度が前記第二温度まで低下したときから前記突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、前記燃料電池の発電する電力の減少を行う請求項4記載の燃料電池システム。
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JP2018077990A (ja) * | 2016-11-08 | 2018-05-17 | 大阪瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
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JP2008230888A (ja) * | 2007-03-20 | 2008-10-02 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 燃料改質装置及びその運転方法 |
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