JP2016110967A - 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、アノード及びカソードを有する燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに供給されるアノードガスと燃料電池のカソードに供給されるカソードガスとを電気化学的に反応させることによって発電を行う。 Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell (a solid oxide fuel cell: SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) or the like) having an anode and a cathode is known. The fuel cell system generates power by electrochemically reacting an anode gas supplied to the anode of the fuel cell and a cathode gas supplied to the cathode of the fuel cell.
燃料電池システムの発電量が増加すると、燃料電池の温度が上昇することがある。燃料電池の温度、特に燃料電池スタックの温度が高くなると、燃料電池システムの発電効率は著しく低下する。 When the amount of power generated by the fuel cell system increases, the temperature of the fuel cell may increase. When the temperature of the fuel cell, in particular, the temperature of the fuel cell stack increases, the power generation efficiency of the fuel cell system significantly decreases.
そこで、冷却した空気を燃料電池に供給することによって、燃料電池の温度が上昇することを抑制する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。 Therefore, a fuel cell system has been proposed in which the temperature of the fuel cell is prevented from rising by supplying cooled air to the fuel cell (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
しかし、特許文献１及び特許文献２で提案されている燃料電池システムでは、冷却した空気による冷却が燃料電池スタックの温度上昇に追いつかず、燃料電池スタックの温度上昇が抑制されないことがある。そのため、燃料電池スタックを効果的に冷却することができる燃料電池システムが望まれている。 However, in the fuel cell systems proposed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, the cooling by the cooled air cannot catch up with the temperature rise of the fuel cell stack, and the temperature rise of the fuel cell stack may not be suppressed. Therefore, a fuel cell system that can effectively cool the fuel cell stack is desired.
本発明は、燃料電池を効果的に冷却することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell system which can cool a fuel cell effectively.
本発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部であって、カソードガスの温度を調整するカソードガス温度調整部を有し、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記燃料電池を強制的に冷却する強制冷却部と、前記カソードガス温度調整部及び前記強制冷却部を制御する制御部と、を備え、通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、前記制御部は、前記強制冷却部を作動させないように制御するとともに、前記温度センサにより測定される前記燃料電池の温度に基づいてカソードガスの温度を調整するように前記カソードガス温度調整部を制御し、前記カソードガス供給部は、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスによって前記燃料電池を通常冷却し、前記通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、前記制御部は、前記強制冷却部を作動させるように制御し、前記強制冷却部は、前記燃料電池を強制的に冷却する燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel cell having an anode and a cathode, an anode gas supply unit that supplies an anode gas to the fuel cell, and a cathode gas supply unit that supplies a cathode gas to the fuel cell, the temperature of the cathode gas being set A cathode gas temperature adjusting unit for adjusting, a cathode gas supply unit for supplying the fuel cell with the cathode gas whose temperature is adjusted by the cathode gas temperature adjusting unit, a temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell, A forced cooling unit that forcibly cools the fuel cell; and a control unit that controls the cathode gas temperature adjustment unit and the forced cooling unit, and when the normal cooling controllable condition is satisfied, And controlling the forced cooling unit not to operate, and the cathode based on the temperature of the fuel cell measured by the temperature sensor The cathode gas temperature adjusting unit is controlled to adjust the temperature of the gas, and the cathode gas supply unit normally cools the fuel cell with the cathode gas whose temperature is adjusted by the cathode gas temperature adjusting unit, When the cooling controllable condition is not satisfied, the control unit controls the forced cooling unit to operate, and the forced cooling unit relates to a fuel cell system that forcibly cools the fuel cell.
また、前記カソードガス供給部は、第１温度を有する第１カソードガスを前記燃料電池に供給する第１カソードガス供給部と、前記第１温度よりも低い温度である第２温度を有する第２カソードガスを前記燃料電池に供給する第２カソードガス供給部と、を有し、第１カソードガス及び第２カソードガスの一方又は両方をカソードガスとして供給し、前記カソードガス温度調整部は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合を調整することによって、カソードガスの温度を調整することが好ましい。 Further, the cathode gas supply unit supplies a first cathode gas having a first temperature to the fuel cell, and a second temperature having a second temperature lower than the first temperature. A second cathode gas supply unit configured to supply a cathode gas to the fuel cell, and supply one or both of the first cathode gas and the second cathode gas as a cathode gas. It is preferable to adjust the temperature of the cathode gas by adjusting the ratio of the amount of the second cathode gas to the amount of gas.
また、前記通常冷却制御可能条件は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合が基準割合以下の割合であるという条件であることが好ましい。 The normal cooling controllable condition is preferably a condition that the ratio of the amount of the second cathode gas in the amount of the cathode gas is a ratio equal to or less than the reference ratio.
また、前記強制冷却部は、冷却液を供給する冷却液供給部と、前記燃料電池の近傍に設けられ、前記冷却液供給部から供給される冷却液が流通する冷却液ラインと、を有し、前記冷却液ラインを流通する冷却液との熱交換によって前記燃料電池を冷却することが好ましい。 The forced cooling unit includes a coolant supply unit that supplies a coolant, and a coolant line that is provided near the fuel cell and through which the coolant supplied from the coolant supply unit flows. Preferably, the fuel cell is cooled by heat exchange with the coolant flowing through the coolant line.
本発明によれば、燃料電池を効果的に冷却することが可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can cool a fuel cell effectively can be provided.
以下、本発明の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。図１において、実線はラインを示し、点線は電気的な接続（有線又は無線）を示している。また、以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a solid line indicates a line, and a dotted line indicates an electrical connection (wired or wireless). In the following description, “line” is a general term for a flow path, a path, a pipeline, and the like.
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、燃料ガス供給部１４と、改質水供給部１５と、第１カソードガス供給部１６と、第２カソードガス供給部１７と、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａと、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａと、温度センサ１８と、冷却液供給部としての冷却水調整弁３１と、制御部５０と、を備える。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、改質水供給ラインＬ２と、アノードガス供給ラインＬ３と、カソードガス供給ラインＬ４と、アノードオフガスラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、排ガスラインＬ７と、冷却液ラインとしての冷却水ラインＬ８と、を備える。 Further, the fuel cell system 1 includes a fuel gas supply line L1, a reformed water supply line L2, an anode gas supply line L3, a cathode gas supply line L4, an anode offgas line L5, a cathode offgas line L6, and an exhaust gas. A line L7 and a cooling water line L8 as a coolant line are provided.
燃料ガス供給ラインＬ１の上流側端部は、燃料ガス供給部１４に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の下流側端部は、改質器１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１には、燃料ガス供給部１４から改質器１２に供給される燃料ガスＧ１が流通する。
The upstream end of the fuel gas supply line L1 is connected to the fuel
改質水供給ラインＬ２の上流側端部は、改質水供給部１５に接続されている。改質水供給ラインＬ２の下流側端部は、改質器１２に接続されている。改質水供給ラインＬ２の途中には、後述する水分岐部Ｊ１が設けられている。改質水供給ラインＬ２には、改質水供給部１５から改質器１２に供給される改質水Ｗ１が流通する。
The upstream end of the reforming water supply line L2 is connected to the reforming
アノードガス供給ラインＬ３の上流側端部は、改質器１２に接続されている。アノードガス供給ラインＬ３の下流側端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードガス供給ラインＬ３には、改質器１２において生成されたアノードガス（改質ガス）Ｇ２が、燃料電池１１に向けて流通する。アノードガス（改質ガス）Ｇ２には、水素や一酸化炭素、未反応のメタン、未利用の水蒸気等が含まれる。
なお、改質器１２、燃料ガス供給部１４、改質水供給部１５、燃料ガス供給ラインＬ１及び改質水供給ラインＬ２は、燃料電池１１にアノードガスＧ２を供給するアノードガス供給部２０を構成する。
The upstream end of the anode gas supply line L3 is connected to the
The
カソードガス供給ラインＬ４は、第１カソードガス供給ラインＬ４１と、第２カソードガス供給ラインＬ４２と、第３カソードガス供給ラインＬ４３と、カソードガス合流部Ｊ２を備える。 The cathode gas supply line L4 includes a first cathode gas supply line L41, a second cathode gas supply line L42, a third cathode gas supply line L43, and a cathode gas junction J2.
第１カソードガス供給ラインＬ４１の上流側端部は、第１カソードガス供給部１６に接続されている。第１カソードガス供給ラインＬ４１の下流側端部は、カソードガス合流部Ｊ２に接続されている。第１カソードガス供給ラインＬ４１の途中には、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａが設けられている。第１カソードガス供給ラインＬ４１には、第１カソードガス供給部１６から燃料電池１１のカソードに供給される第１カソードガスとしての第１空気Ａ１１が、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する。第１空気Ａ１１は、第１温度Ｔ１の空気である。また、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａは、入力される制御信号に応じて、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する第１空気Ａ１１の量を調整する。
An upstream end portion of the first cathode gas supply line L41 is connected to the first cathode
第２カソードガス供給ラインＬ４２の上流側端部は、第２カソードガス供給部１７に接続されている。第２カソードガス供給ラインＬ４２の下流側端部は、カソードガス合流部Ｊ２に接続されている。第２カソードガス供給ラインＬ４２の途中には、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａが設けられている。第２カソードガス供給ラインＬ４２には、第２カソードガス供給部１７から燃料電池１１のカソードに供給される第２カソードガスとしての第２空気Ａ１２が、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する。第２空気Ａ１２は、第１温度Ｔ１よりも低い温度である第２温度Ｔ２の空気である。第２カソードガス供給部１７は、冷却器（不図示）を備えており、冷却器（不図示）によって第２温度Ｔ２に冷却した空気を第２空気Ａ１２として供給する。また、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、入力される制御信号に応じて、カソードガス合流部Ｊ２に向けて流通する第２空気Ａ１２の量を調整する。
The upstream end of the second cathode gas supply line L42 is connected to the second cathode
第３カソードガス供給ラインＬ４３の上流側端部は、カソードガス合流部Ｊ２に接続されている。第３カソードガス供給ラインＬ４３の下流側端部は、燃料電池１１に接続されている。第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１と、第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２とは、カソードガス合流部Ｊ２で合流して混合され、カソードガスＡ１となる。第３カソードガス供給ラインＬ４３には、カソードガスＡ１が、燃料電池１１に向けて流通する。
The upstream end portion of the third cathode gas supply line L43 is connected to the cathode gas junction portion J2. The downstream end of the third cathode gas supply line L43 is connected to the
なお、第１カソードガス供給部１６、第２カソードガス供給部１７、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａ及びカソードガス供給ラインＬ４（第１カソードガス供給ラインＬ４１、第２カソードガス供給ラインＬ４２及び第３カソードガス供給ラインＬ４３）は、カソードガス供給部２１を構成する。
The first cathode
カソードガスＡ１の温度は、第３カソードガス供給ラインＬ４３を流通するカソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（又は、第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１の量と第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２の量との比）によって、調整される。そして、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、第３カソードガス供給ラインＬ４３を流通するカソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（又は、第１カソードガス供給ラインＬ４１を流通する第１空気Ａ１１の量と第２カソードガス供給ラインＬ４２を流通する第２空気Ａ１２の量との比）を調整することが可能である。よって、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、カソードガス温度調整部２２を構成する。
The temperature of the cathode gas A1 is the ratio R of the amount of the second air A12 to the amount of the cathode gas A1 flowing through the third cathode gas supply line L43 (or the first air A11 flowing through the first cathode gas supply line L41). And the ratio of the second air A12 flowing through the second cathode gas supply line L42). Then, the first cathode gas supply
なお、Ｒの上限は、１００％であり、下限は０％である。Ｒ＝１００％の場合、カソードガスＡ１はすべて第２空気Ａ１２となるため、カソードガスＡ１の温度は、Ｔ２となる。また、Ｒ＝０％の場合、カソードガスＡ１はすべて第１空気Ａ１１となるため、カソードガスＡ１の温度は、Ｔ１となる。すなわち、Ｒの値が変化すると、カソードガスＡ１の温度が変化する。 The upper limit of R is 100%, and the lower limit is 0%. When R = 100%, the cathode gas A1 is all the second air A12, and therefore the temperature of the cathode gas A1 is T2. When R = 0%, the cathode gas A1 is all the first air A11, and the temperature of the cathode gas A1 is T1. That is, when the value of R changes, the temperature of the cathode gas A1 changes.
アノードオフガスラインＬ５の上流側端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ５の下流側端部は、燃焼器１３に接続されている。アノードオフガスラインＬ５には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が、燃焼器１３に向けて流通する。
The upstream end portion of the anode off gas line L5 is connected to the
カソードオフガスラインＬ６の上流側端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードオフガスラインＬ６の下流側端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスラインＬ６には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が、燃焼器１３に向けて流通する。
The upstream end of the cathode offgas line L6 is connected to the
排ガスラインＬ７の上流側端部は、燃焼器１３に接続されている。排ガスラインＬ７の下流側端部は、熱交換器等（不図示）に接続されている。排ガスラインＬ７には、燃焼器１３から排出される排ガスＧ５が流通する。
The upstream end of the exhaust gas line L7 is connected to the
冷却水ラインＬ８は、燃料電池１１の上流側に位置する第１冷却水ラインＬ８１と、燃料電池１１の内部に配置される第２冷却水ラインＬ８２と、燃料電池１１の下流側に配置される第３冷却水ラインＬ８３と、で構成される。
The cooling water line L8 is disposed on the downstream side of the first cooling water line L81 located on the upstream side of the
第１冷却水ラインＬ８１の上流側端部は、改質水供給ラインＬ２の途中に設けられた水分岐部Ｊ１に接続されている。第１冷却水ラインＬ８１の下流側端部は、第２冷却水ラインＬ８２の上流側端部に接続されている。
第２冷却水ラインＬ８２の下流側は、第３冷却水ラインＬ８３の上流側端部に接続されている。第２冷却水ラインＬ８２は、燃料電池１１の内部において、燃料電池１１の燃料電池スタック（不図示）の近傍を通るように配置されている。
第３冷却水ラインＬ８３の下流側端部は、熱交換器等（不図示）に接続されている。
The upstream end portion of the first cooling water line L81 is connected to a water branch portion J1 provided in the middle of the reforming water supply line L2. The downstream end of the first cooling water line L81 is connected to the upstream end of the second cooling water line L82.
The downstream side of the second cooling water line L82 is connected to the upstream end of the third cooling water line L83. The second cooling water line L <b> 82 is arranged inside the
The downstream end of the third cooling water line L83 is connected to a heat exchanger or the like (not shown).
第１冷却水ラインＬ８１の途中には、冷却水調整弁３１が設けられている。冷却水調整弁３１が開放されている場合、改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１の一部は、水分岐部Ｊ１で分岐し、冷却液としての冷却水Ｗ２として、冷却水ラインＬ８（第１冷却水ラインＬ８１、第２冷却水ラインＬ８２及び第３冷却水ラインＬ８３）を流通する。冷却水調整弁３１が閉鎖されている場合、改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１は、冷却水調整弁３１で止められるため、冷却水Ｗ２は冷却水ラインＬ８（第１冷却水ラインＬ８１、第２冷却水ラインＬ８２及び第３冷却水ラインＬ８３）を流通しない。
A cooling
上述したように、第２冷却水ラインＬ８２は、燃料電池１１の内部において、燃料電池１１の燃料電池スタック（不図示）の近傍を通るように配置されている。そのため、第２冷却水ラインＬ８２を流通する冷却水Ｗ２と燃料電池１１の燃料電池スタックとの間で、熱交換が行われる。すなわち、燃料電池１１の燃料電池スタックの熱は、第２冷却水ラインＬ８２を流通する冷却水Ｗ２に移動するため、燃料電池１１の燃料電池スタックは冷却水Ｗ２によって冷却されることになる。
As described above, the second cooling water line L82 is arranged inside the
なお、冷却水ラインＬ８が「燃料電池１１の近傍を通るように配置されている」とは、冷却水ラインＬ８を流通する冷却水Ｗ２と燃料電池１１の燃料電池スタックとの間での熱交換が可能な程度に、冷却水ラインＬ８が燃料電池スタックに近い位置（接する位置を含む）に配置されていることを意味する。
Note that “the cooling water line L8 is disposed so as to pass through the vicinity of the
冷却水ラインＬ８に冷却水Ｗ２が流通すれば、燃料電池１１は、冷却水Ｗ２により強制的に冷却されることになる。また、冷却水調整弁３１の開閉によって、冷却水ラインＬ８において冷却水Ｗ２が流通するか否かが決定される。よって、冷却水調整弁３１及び冷却水ラインＬ８は、燃料電池１１を強制的に冷却する強制冷却部３０を構成する。
If the cooling water W2 flows through the cooling water line L8, the
燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）である。燃料電池１１は、複数の燃料電池セルが積層配置されて、燃料電池スタック（不図示）とされたものである。燃料電池１１は、改質器１２から供給されたアノードガスＧ２及びカソードガス供給部２１から供給されたカソードガスＡ１を使用して発電する。より具体的には、燃料電池１１は、アノードガスＧ２に含まれる水素及びカソードガスＡ１に含まれる酸素を使用して発電する。
The
改質器１２は、燃料ガス供給部１４から供給される燃料ガスＧ１及び改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１を触媒上で反応させて、水（水蒸気）を含むアノードガスＧ２を生成する。このアノードガスＧ２は、燃料電池１１に供給される。
The
燃焼器１３は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼させて、排ガスＧ５として排ガスラインＬ７に排出する。
The
温度センサ１８は、燃料電池１１の燃料電池スタック（不図示）近傍に設けられている。温度センサ１８は、燃料電池スタック近傍の雰囲気温度を測定する。温度センサ１８は、制御部５０に電気的に接続されている。温度センサ１８は、測定した温度を燃料電池１１の温度Ｔｃとして制御部５０に出力する。なお、「温度センサ１８」が「燃料電池スタックの近傍に設けられている」とは、温度センサ１８が測定する温度が、燃料電池スタックの温度と同視し得るか、又は燃料電池スタックの温度と相関を持つ温度である程度に、「燃料電池スタック」に近い位置（接する位置も含む）に設けられていることを意味する。
The
制御部５０は、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ、第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａ、冷却水調整弁３１及び温度センサ１８に電気的に接続されている。制御部５０は、温度センサ１８から出力された燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａを制御することにより、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（又は、第３カソードガス供給ラインＬ４３に供給する第１空気Ａ１１の量と第２空気Ａ１２の量との比）を調整する。また、制御部５０は、第１カソードガス供給ラインＬ４１に流通する第１空気Ａ１１の量、及び第２カソードガス供給ラインＬ４２に流通する第２空気Ａ１２の量も調整することで、カソードガスＡ１の量も調整し得る。
The
上述したように、第１カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ及び第２カソードガス供給量調整ポンプ１７Ａは、カソードガス温度調整部２２を構成する。制御部５０は、温度センサ１８から出力された燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて、カソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御する。よって、燃料電池１１には、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１が供給される。そのため、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１は、燃料電池１１（燃料電池スタック）を冷却することになる。カソードガスＡ１による燃料電池１１（燃料電池スタック）の冷却は、燃料電池システム１が動作している限り、行われる冷却である。そのため、以下の説明において、カソードガスＡ１による燃料電池１１（燃料電池スタック）の冷却のことを通常冷却ということがある。
As described above, the first cathode gas supply
上述したように、冷却水調整弁３１及び冷却水ラインＬ８は、強制冷却部３０を構成する。制御部５０は、通常冷却では燃料電池１１を十分に冷却できないと判断した場合、強制冷却部３０を動作させる。より具体的には、制御部５０は、通常冷却では燃料電池１１を十分に冷却できないと判断した場合、冷却水調整弁３１を開放することによって、冷却水ラインＬ８に冷却水Ｗ２を流通させる。強制冷却部３０による冷却は、燃料電池システム１の動作とは無関係に行われる冷却である。そのため、以下の説明において、強制冷却部３０による燃料電池１１の冷却のことを強制冷却ということがある。
As described above, the cooling
また、以下の説明において、制御部５０が、通常冷却で燃料電池１１を十分に冷却できるか否かを判断する際に使用する条件のことを「通常冷却制御可能条件」ということがある。通常冷却制御可能条件が満たされる場合、制御部５０は、通常冷却で燃料電池１１を十分に冷却できると判断し、通常冷却制御可能条件が満たされない場合、制御部５０は、通常冷却では燃料電池１１を十分に冷却できないと判断する。
In the following description, the condition used when the
よって、通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、制御部５０は、強制冷却部３０を作動させないように制御するとともに、温度センサ１８により測定される燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいてカソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御し、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を通常冷却する。また、通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、制御部５０は、強制冷却部３０を作動させるように制御し、強制冷却部３０は、燃料電池１１を強制的に冷却する。
Therefore, when the normal cooling controllable condition is satisfied, the
次に、本実施形態の燃料電池システム１において、制御部５０が行う制御（強制冷却の制御）について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。図２は、本発明の実施形態の燃料電池システム１における制御部５０の制御を示すフローチャートである。
Next, the control (forced cooling control) performed by the
図２に示すように、ステップＳＴ１０１において、制御部５０は、温度センサ１８から出力される燃料電池１１の温度Ｔｃを取得する。
As shown in FIG. 2, in step ST <b> 101, the
ステップＳＴ１０２において、制御部５０は、取得した燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒ（以下、第２空気割合Ｒという。）をＲ１に決定する。そして、制御部５０は、第２空気割合ＲをＲ１に設定する制御信号をカソードガス温度調整部２２に出力する。
In step ST102, based on the acquired temperature Tc of the
なお、Ｒ１は、以下のような考え方に基づいて決定される。燃料電池１１の温度Ｔｃが相対的に高いほど、燃料電池１１の冷却の必要性は相対的に高くなる。一方、第２空気割合Ｒが相対的に大きいほど、カソードガスＡ１の温度は相対的に低くなるため、通常冷却の能力は高くなる。また、第２空気割合Ｒが相対的に小さければ、カソードガスＡ１の温度は相対的に高くなるため、通常冷却の能力は低くなる。よって、制御部５０は、燃料電池１１の温度Ｔｃが大きくなるにしたがって第２空気割合Ｒを大きくし、カソードガスＡ１の温度を低くする制御を行う。よって、Ｒ１は、例えば、燃料電池１１の温度Ｔｃと第２空気割合Ｒとを対応させた表や関数等（燃料電池１１の温度Ｔｃが高くなるに従って、第２空気割合Ｒが大きくなる表や関数等）を用いて決定される。
R1 is determined based on the following concept. The higher the temperature Tc of the
ステップＳＴ１０３において、制御部５０は、通常冷却制御可能条件が満たされているか否かを判断する。ここでは、通常冷却制御可能条件として、Ｒ１が基準割合Ｒ０以下の割合であるという条件が使用される。
In step ST103, the
よって、ステップＳＴ１０３において、制御部５０は、Ｒ１と予め設定・保持しておいた基準割合Ｒ０とを比較する。制御部５０により、Ｒ１≦Ｒ０であると判定された場合（ＹＥＳ）に、処理はステップＳＴ１０４へ移行する。また、制御部５０により、Ｒ１≦Ｒ０でないと判定された場合（ＮＯ）に、処理はステップＳＴ１０５へ移行する。なお、基準割合Ｒ０は、許容される燃料電池１１の温度Ｔｃ、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２等に応じて、適宜決定される。
Therefore, in step ST103, the
ステップＳＴ１０４において、制御部５０は、強制冷却部３０を動作させない制御信号を強制冷却部３０に出力する。より具体的には、制御部５０は、冷却水調整弁３１を閉鎖させる制御信号を冷却水調整弁３１に出力する。そのため、冷却水ラインＬ８には、冷却水Ｗ２は流通しない。
In step ST <b> 104, the
ステップＳＴ１０２及びＳＴ１０４では、制御部５０は、強制冷却部３０を作動させないように制御するとともに、温度センサ１８により測定される燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいてカソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御していることになる。よって、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を通常冷却する。一方、強制冷却部３０は、燃料電池１１を冷却しない。
In steps ST102 and ST104, the
ステップＳＴ１０５において、制御部５０は、強制冷却部３０を作動させる制御信号を強制冷却部３０に出力する。より具体的には、制御部５０は、冷却水調整弁３１を開放させる制御信号を冷却水調整弁３１に出力する。この制御により、冷却水Ｗ２が冷却水ラインＬ８を流通する。冷却水ラインＬ８を流通する冷却水Ｗ２は、燃料電池１１の内部において、燃料電池スタックの熱を吸熱することによって、燃料電池１１を冷却する。よって、強制冷却部３０は、燃料電池１１を強制冷却する。また、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を通常冷却する。
In step ST <b> 105, the
制御部５０が、ＳＴ１０４又はＳＴ１０５におけるいずれかの制御を行った後、本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ１０１へリターンする。）。
After the
ステップＳＴ１０３において、制御部５０が、Ｒ１と基準割合Ｒ０とを比較する理由は、次の通りである。
Ｒ１≦Ｒ０である場合、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合は、相対的に小さい。よって、Ｒ１が大きくなれば、カソードガスＡ１の温度は下がる状態である。すなわち、通常冷却の能力に余力がある。よって、Ｒ１≦Ｒ０である場合、燃料電池１１の冷却は通常冷却で足り、強制冷却を行う必要はない。
The reason why the
When R1 ≦ R0, the ratio of the amount of the second air A12 to the amount of the cathode gas A1 is relatively small. Therefore, when R1 increases, the temperature of the cathode gas A1 is in a state of decreasing. That is, there is a surplus in the normal cooling capacity. Therefore, when R1 ≦ R0, the cooling of the
一方、Ｒ１≦Ｒ０でない場合、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合は、十分に大きく、Ｒ１を大きくしても、カソードガスＡ１の温度は下がらない状態（又は下がりにくい状態）である。すなわち、通常冷却の能力に余力がない。ここで、Ｒ１は、燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいて決められるものであるから、Ｒ１≦Ｒ０でない場合、カソードガスＡ１の温度は下がらない状態（又は下がりにくい状態）となっているにも関わらず、燃料電池１１の温度Ｔｃは高い状態になっていることが分かる。すなわち、Ｒ１≦Ｒ０でない状態は、通常冷却だけでは、燃料電池１１の温度が十分に下がらない状態である。この場合、強制冷却を行う必要がある。
よって、ステップＳＴ１０３の処理は、強制冷却を行う必要があるか否かを判断するために行われる。
On the other hand, when R1 ≦ R0 is not satisfied, the ratio of the amount of the second air A12 to the amount of the cathode gas A1 is sufficiently large, and even when R1 is increased, the temperature of the cathode gas A1 does not decrease (or is difficult to decrease). ). That is, there is no surplus in the normal cooling capacity. Here, since R1 is determined based on the temperature Tc of the
Therefore, the process of step ST103 is performed to determine whether or not forced cooling is necessary.
本実施形態の燃料電池システム１は、アノード及びカソードを有する燃料電池１１と、燃料電池１１のアノードにアノードガスＧ２を供給するアノードガス供給部２０と、燃料電池１１のカソードにカソードガスＡ１を供給するカソードガス供給部２１であって、カソードガスＡ１の温度を調整するカソードガス温度調整部２２を有し、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１をカソードに供給するカソードガス供給部２１と、燃料電池１１の温度Ｔｃを測定する温度センサ１８と、燃料電池１１を強制的に冷却する強制冷却部３０と、カソードガス温度調整部２２及び強制冷却部３０を制御する制御部５０と、を備えている。そして、通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、制御部５０は、強制冷却部３０を作動させないように制御するとともに、温度センサ１８により測定される燃料電池１１の温度Ｔｃに基づいてカソードガスＡ１の温度を調整するようにカソードガス温度調整部２２を制御し、カソードガス供給部２１は、カソードガス温度調整部２２により温度が調整されたカソードガスＡ１によって燃料電池１１を冷却し、通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、制御部５０は、強制冷却部３０を作動させるように制御し、強制冷却部３０は、燃料電池１１を強制的に冷却する。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１１を効果的に冷却することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
The fuel cell system 1 of this embodiment includes a
Therefore, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, a fuel cell system capable of effectively cooling the
また、本実施形態の燃料電池システム１において、カソードガス供給部２１は、第１温度Ｔ１を有する第１カソードガスとしての第１空気Ａ１１をカソードに供給する第１カソードガス供給部１６と、第１温度Ｔ１よりも低い温度である第２温度Ｔ２を有する第２カソードガスとしての第２空気Ａ１２をカソードに供給する第２カソードガス供給部１７と、を有している。そして、カソードガス供給部２１は、第１空気Ａ１１及び第２空気Ａ１２の一方又は両方をカソードガスＡ１として供給する。更に、カソードガス温度調整部２２は、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒを調整することによって、カソードガスＡ１の温度を調整する。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、カソードガスＡ１の温度を適切に調整することが可能である。
In the fuel cell system 1 of the present embodiment, the cathode
Therefore, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, it is possible to appropriately adjust the temperature of the cathode gas A1.
また、本実施形態の燃料電池システム１において、通常冷却制御可能条件は、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒが基準割合Ｒ０以下の割合であるという条件である。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、強制冷却部３０を作動させるか否かを適切に判断することが可能である。
Further, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the normal cooling controllable condition is a condition that the ratio R of the amount of the second air A12 in the amount of the cathode gas A1 is a ratio equal to or less than the reference ratio R0.
Therefore, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, it is possible to appropriately determine whether or not the forced cooling
また、本実施形態の燃料電池システム１において、強制冷却部３０は、冷却液としての冷却水Ｗ２を供給する冷却液供給部としての冷却水調整弁３１と、燃料電池スタック近傍に設けられ、冷却水調整弁３１から供給される冷却水Ｗ２が流通する冷却水ラインＬ８（第２冷却水ラインＬ８２）と、を有し、冷却水ラインＬ８（第２冷却水ラインＬ８２）を流通する冷却水Ｗ２との熱交換によって燃料電池１１を冷却する。
そのため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、効果的に燃料電池１１を強制冷却することが可能である。
In the fuel cell system 1 of the present embodiment, the forced cooling
Therefore, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, the
以上、本発明の本実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において種々に変形可能である。 The present embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified within the technical scope described in the claims.
上記実施形態では、強制冷却が行われる際、通常冷却も行われていたが、これに限定されない。強制冷却が行われる際、通常冷却は行われないようにしてもよい。 In the above embodiment, when forced cooling is performed, normal cooling is also performed, but the present invention is not limited to this. When forced cooling is performed, normal cooling may not be performed.
上記実施形態では、カソードガス供給部２１は、２つのカソードガス供給部（すなわち、第１カソードガス供給部１６及び第２カソードガス供給部１７）を有していたが、これに限定されない。カソードガス供給部２１は、３つ以上のカソードガス供給部を有していてもよい。この場合、３つ以上のカソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度は、互いに異なる温度であることが好ましい。
In the above-described embodiment, the cathode
上記実施形態では、カソードガス供給部２１は、２つのカソードガス供給源（すなわち、第１カソードガス供給部１６及び第２カソードガス供給部１７）を有しており、カソードガス温度調整部２２は、カソードガスＡ１の量に占める第２空気Ａ１２の量の割合Ｒを調整することによって、カソードガスＡ１の温度を調整していたが、これに限定されない。カソードガス供給部２１は、１つのカソードガス供給源であり、カソードガス温度調整部２２が、１つのカソードガス供給源から供給されるカソードガスの温度を調整する冷却器であってもよい。
In the above embodiment, the cathode
上記実施形態では、通常冷却制御可能条件は、第２空気割合Ｒが基準割合Ｒ０以下の割合であるという条件であったが、これに限定されない。例えば、通常冷却制御可能条件は、燃料電池１１に供給されるカソードガスＡ１の温度が所定温度以下という条件、燃料電池１１の温度Ｔｃが所定時間以内に所定温度以下になるという条件等であってもよい。
In the above embodiment, the normal cooling controllable condition is a condition that the second air ratio R is a ratio equal to or less than the reference ratio R0, but is not limited thereto. For example, the normal cooling controllable conditions are a condition that the temperature of the cathode gas A1 supplied to the
上記実施形態では、強制冷却部３０は、冷却水ラインＬ８は、改質水供給ラインＬ２の途中に設けられた水分岐部Ｊ１に接続されたものであり、冷却水Ｗ２は、改質水供給部１５から供給されたものであったが、これに限定されない。冷却水ラインＬ８が水分岐部Ｊ１に接続されておらず、冷却水Ｗ２は改質水供給部１５とは別の冷却水供給部から供給されたものであってもよい。
In the above embodiment, the forced cooling
上記実施形態では、強制冷却部３０で使用される流体は水であったが、水に限定されない。強制冷却部３０で使用される流体は、燃料電池１１を冷却できる流体であればよい。
In the said embodiment, although the fluid used with the forced cooling
上記実施形態では、強制冷却部３０は、冷却水調整弁３１と冷却水ラインＬ８で構成されていたが、これに限定されない。例えば、強制冷却部３０は、循環式の冷媒を用いた冷却器であってもよい。
In the said embodiment, although the forced cooling
１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１６ 第１カソードガス供給部
１７ 第２カソードガス供給部
１８ 温度センサ
２０ アノードガス供給部
２１ カソードガス供給部
２２ カソードガス温度調整部
３０ 強制冷却部
３１ 冷却液供給部（冷却水調整弁）
５０ 制御部
Ｇ２ アノードガス（改質ガス）
Ａ１ カソードガス
Ａ１１ 第１空気（第１カソードガス）
Ａ１２ 第２空気（第２カソードガス）
Ｗ２ 冷却水（冷却液）
Ｌ８ 冷却水ライン（冷却液ライン）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
50 Control unit G2 Anode gas (reformed gas)
A1 Cathode gas A11 First air (first cathode gas)
A12 Second air (second cathode gas)
W2 Cooling water (coolant)
L8 Cooling water line (cooling liquid line)
Claims (4)
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部であって、カソードガスの温度を調整するカソードガス温度調整部を有し、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、
前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
前記燃料電池を強制的に冷却する強制冷却部と、
前記カソードガス温度調整部及び前記強制冷却部を制御する制御部と、
を備え、
通常冷却制御可能条件が満たされる場合に、前記制御部は、前記強制冷却部を作動させないように制御するとともに、前記温度センサにより測定される前記燃料電池の温度に基づいてカソードガスの温度を調整するように前記カソードガス温度調整部を制御し、前記カソードガス供給部は、前記カソードガス温度調整部により温度が調整されたカソードガスによって前記燃料電池を通常冷却し、
前記通常冷却制御可能条件が満たされない場合に、前記制御部は、前記強制冷却部を作動させるように制御し、前記強制冷却部は、前記燃料電池を強制的に冷却する
燃料電池システム。 A fuel cell having an anode and a cathode;
An anode gas supply unit for supplying an anode gas to the fuel cell;
A cathode gas supply unit for supplying a cathode gas to the fuel cell, the cathode gas temperature adjusting unit for adjusting the temperature of the cathode gas, and the cathode gas whose temperature is adjusted by the cathode gas temperature adjusting unit as the fuel A cathode gas supply unit for supplying the battery;
A temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell;
A forced cooling section for forcibly cooling the fuel cell;
A control unit for controlling the cathode gas temperature adjusting unit and the forced cooling unit;
With
When the normal cooling controllable condition is satisfied, the control unit controls the forced cooling unit not to operate and adjusts the temperature of the cathode gas based on the temperature of the fuel cell measured by the temperature sensor. Controlling the cathode gas temperature adjusting unit, the cathode gas supply unit normally cooling the fuel cell with the cathode gas whose temperature is adjusted by the cathode gas temperature adjusting unit,
The control unit controls the forced cooling unit to operate when the normal cooling controllable condition is not satisfied, and the forced cooling unit forcibly cools the fuel cell.
前記カソードガス温度調整部は、カソードガスの量に占める第２カソードガスの量の割合を調整することによって、カソードガスの温度を調整する
請求項１に記載の燃料電池システム。 The cathode gas supply unit includes a first cathode gas supply unit that supplies a first cathode gas having a first temperature to the fuel cell, and a second cathode gas that has a second temperature that is lower than the first temperature. A second cathode gas supply unit for supplying the fuel cell with one or both of the first cathode gas and the second cathode gas,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cathode gas temperature adjusting unit adjusts a temperature of the cathode gas by adjusting a ratio of an amount of the second cathode gas to an amount of the cathode gas.
請求項２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the normal cooling controllable condition is a condition that a ratio of the amount of the second cathode gas in the amount of the cathode gas is a ratio equal to or less than a reference ratio.
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。 The forced cooling section includes a cooling liquid supply section that supplies a cooling liquid, and a cooling liquid line that is provided in the vicinity of the fuel cell and through which the cooling liquid supplied from the cooling liquid supply section flows, The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell is cooled by heat exchange with a coolant flowing through a coolant line.
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| CN107978777A (en) * | 2016-10-25 | 2018-05-01 | 罗伯特·博世有限公司 | Fuel-cell device |
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2015
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