JP2019009082A - 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.
従来から、例えば、下記特許文献1に開示された燃料電池システムが知られている。この従来の燃料電池システムは、プランジャの往復運動によって改質水をポンプ室に吸引するとともに改質水を加圧してポンプ室より吐出することにより、改質水を蒸発部に供給する改質水ポンプを備えている。
Conventionally, for example, a fuel cell system disclosed in
又、従来から、例えば、下記特許文献2に開示された加湿器も知られている。この従来の加湿器は、電気的抵抗性及び熱伝導性材料の多孔質構造体を含む発熱体を有し、多孔質構造体を通過する液体を蒸発させるように構成されている。 Conventionally, for example, a humidifier disclosed in Patent Document 2 below is also known. This conventional humidifier has a heating element that includes a porous structure of electrically resistive and thermally conductive material and is configured to evaporate liquid that passes through the porous structure.
更に、従来から、例えば、下記特許文献3に開示された噴霧器も知られている。この従来の噴霧器は、圧縮気体によって化粧料等の塗布組成物を噴霧するものであり、塗布組成物の噴出口であるノズルを有する噴霧器本体と、噴霧器本体に圧縮気体を供給する気体供給部と、塗布組成物を供給する組成物供給タンクと、を備えるようになっている。 Furthermore, conventionally, for example, a sprayer disclosed in Patent Document 3 below is also known. This conventional sprayer sprays a coating composition such as a cosmetic with compressed gas, a sprayer body having a nozzle that is a spray outlet of the coating composition, and a gas supply unit that supplies compressed gas to the sprayer body. And a composition supply tank for supplying the coating composition.
一般に、燃料電池システムにおいては、改質用原料及び水蒸気を混合した混合ガスが供給される改質部が設けられ、改質部の内部にて生じる水蒸気改質反応により混合ガスが改質されて改質ガス(燃料)が生成される。そして、生成された改質ガス(燃料)が燃料電池に供給されることによって発電が行われる。 In general, in a fuel cell system, a reforming section to which a mixed gas in which a reforming raw material and steam are mixed is supplied, and the mixed gas is reformed by a steam reforming reaction generated inside the reforming section. Reformed gas (fuel) is generated. Then, the generated reformed gas (fuel) is supplied to the fuel cell to generate power.
ところで、上記従来の燃料電池システムにおいては、改質水を蒸発させて混合ガスを生成するために蒸発部が設けられ、この蒸発部に改質用原料を供給するための原料ポンプと改質水を供給するために改質水ポンプとを必要とする。従って、上記従来の燃料電池システムでは、原料ポンプ及び改質水ポンプを設けるためのスペースが必要であり、又、混合ガスを生成するための蒸発部を設けるためのスペースも必要となるため、システムの大型化及び製造コストが高くなることが懸念される。 By the way, in the conventional fuel cell system, an evaporating section is provided to evaporate the reforming water to generate a mixed gas, and a raw material pump and reforming water for supplying a reforming raw material to the evaporating section. A reforming water pump is required to supply the water. Therefore, the conventional fuel cell system requires a space for providing the raw material pump and the reforming water pump, and also requires a space for providing an evaporation unit for generating the mixed gas. There is a concern that the size and manufacturing cost of the product will increase.
この点に関し、例えば、蒸発部に代えて上記従来の加湿器を設けて改質水から水蒸気を生成することが考えられる。しかしながら、上記従来の加湿器を用いた場合には、燃料電池システムの作動中に多孔質構造体に対して常に電力を供給する必要があるため、消費電力が大きくなって燃料電池システムとして発電効率が低下するという問題が生じる。 In this regard, for example, it is conceivable to provide the conventional humidifier instead of the evaporation unit to generate water vapor from the reformed water. However, when the conventional humidifier is used, it is necessary to always supply power to the porous structure during the operation of the fuel cell system. Problem arises.
一般に、改質部は、水蒸気改質反応を促進させるために、燃料電池による発電において発生する燃料オフガスと酸化剤オフガスとが燃焼されて加熱されるようになっている。このため、改質水から水蒸気を生成する場合、例えば、上記従来の噴霧器を用いて霧状とした改質水を改質用原料とともに混合ガスとして改質部に供給し、改質部の内部にて水蒸気を生成することが考えられる。ところで、水蒸気改質反応によって混合ガスを改質ガス(燃料)に改質する際には、改質用原料の供給量(流量)と改質水の供給量(流量)とが精密に制御される必要がある。この点に関し、上記従来の噴霧器は、紛体や高粘性物等からなる塗布組成物を単に噴霧するものであり、塗布組成物の供給量(流量)を制御するようになっていない。 In general, in the reforming section, in order to promote the steam reforming reaction, fuel off-gas and oxidant off-gas generated in power generation by the fuel cell are burned and heated. For this reason, when steam is generated from reformed water, for example, the reformed water atomized using the conventional sprayer is supplied to the reforming unit as a mixed gas together with the reforming raw material, It is conceivable to generate water vapor at By the way, when reforming a mixed gas to reformed gas (fuel) by a steam reforming reaction, the supply amount (flow rate) of reforming raw material and the supply amount (flow rate) of reforming water are precisely controlled. It is necessary to In this regard, the conventional sprayer simply sprays a coating composition made of powder, high-viscosity, or the like, and does not control the supply amount (flow rate) of the coating composition.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、発電効率を低下させることなく構造を簡略化し、安価な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to provide an inexpensive fuel cell system with a simplified structure without reducing power generation efficiency.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る燃料電池システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に燃料を供給する改質部と、燃料電池からの燃料オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部と、改質用原料の供給源に接続された改質用原料供給管に設けられて供給源から改質部に改質用原料を圧送する改質用原料供給装置と、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、改質部の上方且つ凝縮器の下方に配置され、凝縮器から供給された凝縮水を改質水として貯水する改質水タンクと、改質水タンクに接続されて改質水タンク内の改質水を自重により落水させて改質部に供給する改質水供給管と、燃料電池の発電を統括して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、改質用原料供給管に接続されるとともに改質部に向けたノズルを有して、圧送された改質用原料を改質部に噴射する原料噴射管と、改質水供給管に接続されるとともに原料噴射管のノズルの開口である第一開口に対して改質用原料供給装置の側又は改質部の側に隣接した位置にて改質水を流出する改質水流出管と、改質水流出管の内部にて改質水流出管の軸線の方向に沿って移動可能に設けられ、先端部が改質水流出管の開口である第二開口に対して進退して、先端部の外周面と第二開口の内周面とによって形成されて改質水が通過する流路の流路断面積を変更する軸状部材と、軸状部材の基端部に連結されて、軸状部材を軸線の方向に沿って移動させる駆動部材と、を含んで構成された混合部を備え、混合部が、原料噴射管のノズルによって流速が大きくなった改質用原料と改質水流出管から供給された改質水とを混合して改質部に供給する、ように構成される。
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to
これによれば、本発明の燃料電池システムでは、改質用原料供給装置によって圧送された改質用原料が原料噴射管のノズルを通過して流速が大きくなることにより、ノズルの第一開口の近傍、即ち、第二開口が位置する部分の圧力が下がり、改質水流出管の第二開口から改質水が吸い出される。これにより、本発明の燃料電池システムでは、改質水を加圧して供給する必要がなく、従来の燃料電池システムで設けられていた改質水ポンプを省略することができる。従って、本発明の燃料電池システムは、従来の燃料電池システムに比べて、製造コストを低減することができる。 According to this, in the fuel cell system of the present invention, the reforming raw material pumped by the reforming raw material supply device passes through the nozzle of the raw material injection pipe and the flow velocity increases, so that the first opening of the nozzle The pressure in the vicinity, that is, the portion where the second opening is located, drops, and the reforming water is sucked out from the second opening of the reforming water outflow pipe. Thereby, in the fuel cell system of this invention, it is not necessary to pressurize and supply reforming water, and the reforming water pump provided in the conventional fuel cell system can be omitted. Therefore, the fuel cell system of the present invention can reduce the manufacturing cost compared to the conventional fuel cell system.
又、混合部は、駆動部材によって進退する軸状部材が流路断面積、即ち、軸状部材の先端部における外周面と改質水流出管の第二開口の内周面とで形成される流路の流路断面積を変更することができるので、改質部に供給される改質水の供給量(流量)を調整することができる。従って、混合部は、改質部に対して、改質用原料と改質水とが調整された混合ガスを供給することができる。 In the mixing portion, the shaft-like member that is advanced and retracted by the drive member is formed by the cross-sectional area of the flow path, that is, the outer peripheral surface at the tip of the shaft-like member and the inner peripheral surface of the second opening of the reforming water outflow pipe. Since the channel cross-sectional area of the channel can be changed, the supply amount (flow rate) of the reforming water supplied to the reforming unit can be adjusted. Therefore, the mixing unit can supply a mixed gas in which the reforming raw material and the reforming water are adjusted to the reforming unit.
又、本発明の燃料電池システムでは、混合部にて軸状部材を軸線の方向に移動させて改質水の供給量を変更する場合にのみ駆動部材を作動させるので、消費電力を極めて小さくすることができる。これにより、本発明の燃料電池システムは、発電効率が低下することを防止することができる。 Further, in the fuel cell system of the present invention, the driving member is operated only when the shaft member is moved in the axial direction in the mixing section to change the supply amount of the reforming water, so that the power consumption is extremely reduced. be able to. Thereby, the fuel cell system of this invention can prevent that power generation efficiency falls.
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について図面を参照しながら説明する。尚、以下の実施形態及び各変形例の相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一の符号を付してある。又、説明に用いる各図は、概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。
Hereinafter, a
燃料電池システム1は、図1に示すように、発電ユニット10及び貯湯槽21を備えている。発電ユニット10は、筐体10a、燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水精製器14、改質水タンク15、制御装置16及び混合部としての原料・水混合調整器18を備えている。燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水精製器14、改質水タンク15、制御装置16、原料・水混合調整器18及び貯湯槽21は、筐体10a内に収容されている。尚、貯湯槽21は、発電ユニット10と別体、即ち、筐体10aの外に設けるようにしても良い。
The
燃料電池モジュール11は、後述するように燃料電池33を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール11は、改質用原料、改質水及びカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール11は、一端が供給源Gsに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管11aの他端が、後述する原料・水混合調整器18を介して接続されている。改質用原料供給管11aは、改質用原料を改質部32に供給する原料ポンプ11a1(改質用原料供給装置)が設けられている。又、燃料電池モジュール11は、一端が改質水タンク15に接続されて改質水が供給される改質水供給管11bの他端が原料・水混合調整器18を介して接続されている。改質水供給管11bは、原料・水混合調整器18を介して、改質水タンク15と改質部32とを接続し、改質水タンク15内の改質水を自重により落水させて原料・水混合調整器18に供給する。
As will be described later, the
更に、燃料電池モジュール11は、一端がカソードエアブロワ11c1に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管11cの他端が接続されている。カソードエアブロワ11c1は、酸化剤ガス(例えば、空気、酸素)を燃料電池33に供給する酸化剤ガス供給装置である。
Further, the
熱交換器12は、燃料電池モジュール11から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、燃焼排ガス(燃料電池33及び改質部32の各排熱を含んでいる)と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。又、熱交換器12は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器である。貯湯水は、燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体(排熱回収水)である。
The
熱交換器12は、ケーシング12bを備えている。ケーシング12bの上部には、燃料電池モジュール11からの排気管11dが接続されている。ケーシング12bの下部には、外気(大気)に接続されている排水管11eが接続されている。ケーシング12bの底部には、水精製器14ひいては改質水タンク15に接続されている凝縮水供給管12aが接続されている。ケーシング12b内には、燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス流路が形成されている。この燃焼排ガス流路に、貯湯水循環ライン22に接続されている熱交換部(凝縮部)12cが配設されている。熱交換部12c内には、貯湯水が流れ、熱交換部12cの外側には、燃焼排ガスが流れている。尚、貯湯水と燃焼排ガスとは互いに反対向きに流れるように構成されるのが好ましい。
The
このように構成された熱交換器12においては、燃料電池モジュール11からの燃焼排ガスは、排気管11dを通ってケーシング12b内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部12cを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。その後、燃焼排ガスは、排気管11dを通って外部に排出される。又、凝縮された凝縮水は、自重で落水し、凝縮水供給管12aを通って水精製器14ひいては改質水タンク15に供給される。一方、熱交換部12cに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。
In the
上述した熱交換器12、貯湯槽21及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。
The
貯湯槽21は、密封式且つ耐圧式の容器である。貯湯槽21内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度が高い層(例えば、50度以上)であり、下層は比較的温度が低い層(例えば、20度以下(水道水の温度))である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。貯湯槽21は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する(図にて矢印の方向に循環する)貯湯水循環ライン22が接続されている。
The
貯湯水循環ライン22上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ22a、熱交換器貯湯水入口温度センサ22b、熱交換器12、及び、熱交換器貯湯水出口温度センサ22cが配設されている。
A hot
熱交換器貯湯水入口温度センサ22bは、貯湯水循環ライン22であって貯湯槽21の貯湯水導出口と熱交換器12の貯湯水導入口との間に設けられている。熱交換器貯湯水入口温度センサ22bは、熱交換器12の貯湯水導入口付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水入口温度センサ22bは、熱交換器12に導入される貯湯水の温度(以下、貯湯水温度ともいう。)を検出して、制御装置16に送信している。
The heat exchanger hot water
熱交換器貯湯水出口温度センサ22cは、貯湯水循環ライン22であって熱交換器12の貯湯水導出口と貯湯槽21の貯湯水導入口との間に設けられている。熱交換器貯湯水出口温度センサ22cは、熱交換器12の貯湯水導出口付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水出口温度センサ22cは、熱交換器12から導出される貯湯水の温度を検出して、制御装置16に送信している。
The heat exchanger hot water
インバータ装置13は、燃料電池33から出力される直流電力(電圧)を入力し所定の交流電力(電圧)に変換して、交流の系統電源17a及び外部電力負荷17c(例えば、電化製品)に接続されている電源ライン17bに出力する。インバータ装置13は、燃料電池33から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。外部電力負荷17cは、系統電源17aからの電力及びインバータ装置13からの電力が供給される負荷装置である。又、インバータ装置13は、系統電源17aからの交流電力(電圧)を、電源ライン17bを介して入力し所定の直流電力(電圧)に変換して補機(各ポンプ、ブロワ等)や制御装置16に出力する。
The
水精製器14は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。水精製器14は、改質水タンク15と連通しており、純水化された凝縮水が改質水タンク15に供給されるようになっている。
The
改質水タンク15は、熱交換器12ひいては水精製器14から供給される凝縮水を改質水として貯水し、改質部32に改質水を供給するものである。改質水タンク15は、改質部32の上方且つ熱交換器12(凝縮器)の下方に配置されている。換言すると、改質水タンク15は、熱交換器12よりも下方に、且つ、改質部32より上方に配置されている。改質水タンク15内には、改質水タンク15内の水量(水位:以下、タンク水量ともいう。)を検出する水量センサ15aが配設されている。水量センサ15aの検出結果は、制御装置16に出力されるようになっている。水量センサ15aは、例えば、フロート式のセンサであり、フロートの上下量を可変抵抗(ポテンショメータ)により抵抗値に変換し、抵抗値の上下動によって水量(残水量)を表示する方式のセンサである。
The reforming
制御装置16は、補機を駆動して燃料電池システム1の運転を統括して制御する。制御装置16は、マイクロコンピュータ(図示省略)を有している。マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAM及びROM(何れも図示省略)を備えている。CPUは、燃料電池システム1の統括運転を実施している。RAMは制御プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは制御プログラムを記憶するものである。
The
次に、混合部としての原料・水混合調整器18を説明する。図1及び図2に示すように、原料・水混合調整器18は、改質用原料供給管11aに接続されるとともに改質水供給管11bに接続される。そして、原料・水混合調整器18は、原料ポンプ11a1により供給源Gsから改質用原料供給管11a内を圧送された改質用原料と、改質水タンク15の底(或いは、側面下部)に接続された改質用原料供給管11a内を自重により改質水タンク15から落水した改質水と、を所定の割合に調整して混合するものである。ここで、改質用原料としては、天然ガス(メタンガスを主成分とする)、LPガス等の改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノール等の改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。又、供給源Gsは、例えば、都市ガスのガス供給管やLPガスのガスボンベである。
Next, the raw material /
原料・水混合調整器18は、図2に示すように、改質用原料供給管11aに接続された原料噴射管18a及び改質水供給管11bに接続された改質水流出管18bを備えている。本実施形態においては、図2に示すように、改質水流出管18bは、原料噴射管18aの内径よりも小径の外径を有し、且つ、原料噴射管18aの内部に同軸状に配置される。即ち、本実施形態の原料・水混合調整器18においては、原料噴射管18a及び改質水流出管18bが二重管構造を形成するようになっている。尚、原料噴射管18aの内径及び外径は、改質用原料供給管11aの内径及び外径よりも大きくなるように設定されている。
As shown in FIG. 2, the raw material /
原料噴射管18aは、改質部32に向けて開口した第一開口としての開口部18c1を有するノズル18cを有している。ノズル18cは、後述するように混合された改質用原料と霧状の改質水(以下、混合された改質用原料と霧状の改質水とを「混合ガス」と称呼する)とを、改質部32に供給する混合ガス供給管11fに接続されている。
The raw
改質水流出管18bは、図2に示すように、略中央部分にて改質水供給管11bに接続されている。改質水流出管18bは、先端側にて、尖頭状に形成された尖頭部18dを有しており、その先端部分に第二開口としての貫通孔18d1が形成されている。そして、改質水流出管18bにおいては、貫通孔18d1が原料噴射管18aのノズル18cの開口部18c1に対して、原料ポンプ11a1の側に隣接して配置される。
As shown in FIG. 2, the reforming
又、改質水流出管18bの内部には、図2に示すように、軸状部材としてのニードル弁18e、Oリング18f及びニードルパッキン18gが収容されている。又、改質水流出管18bの基端側には、駆動部材としてのニードル弁調整機構18hが組み付けられている。尚、ニードル弁調整機構18hの外形寸法は、原料噴射管18aの内径よりも小さくなるように設定されている。
Further, as shown in FIG. 2, a
ニードル弁18eは、改質水流出管18bの軸線の方向に沿って移動可能に設けられている。ニードル弁18eの先端部18e1は尖頭状に形成され、基端部18e2はニードル弁調整機構18hに連結されるようになっている。これにより、ニードル弁18eは、ニードル弁調整機構18hにより、改質水流出管18bの軸線の方向に沿って改質水流出管18bの貫通孔18d1に接近するように前進するとともに貫通孔18d1から離間するように後進するようになっている。ニードル弁18eは、貫通孔18d1に対して前進又は後進(進退)し、先端部18e1の外周面と貫通孔18d1の内周面とによって形成されて改質水が流れる流路の流路断面積の大きさ(開度)を変更する。これにより、ニードル弁18eは、貫通孔18d1から流出する改質水の供給量を調整するようになっている。
The
又、ニードル弁18eは、図3に示すように、貫通孔18d1に向けて前進して先端部18e1の外周面と貫通孔18d1の内周面とが密着することにより、貫通孔18d1から改質水が流出するのを禁止する(停止させる)。尚、ニードル弁18eは、後述するように、ニードル弁調整機構18hにより前進量又は後進量がリニアに制御されるようになっている。これにより、ニードル弁18eは、リニア弁であり、先端部18e1の外周面と貫通孔18d1の内周面とによって形成されて改質水が通過する流路断面積(開度)をリニアに変更することができ、改質水の供給量をリニアに調整することができるようになっている。
Further, as shown in FIG. 3, the
再び図2に戻り、Oリング18f及びニードルパッキン18gは、改質水流出管18b内の改質水が改質水流出管18bの基端側(ニードル弁調整機構18h)から漏水するのを防止する。このため、Oリング18f及びニードルパッキン18gは、図2に示すように、改質水流出管18bと改質水供給管11bとの接続位置(改質水流出管18bの略中央部分)よりも基端側にて並設されている。
Returning to FIG. 2 again, the O-
ニードル弁調整機構18hは、ニードル弁18eを軸線の方向に沿って移動させるものである。ニードル弁調整機構18hは、制御装置16に電気的に接続されており(図1を参照)、制御装置16からの指令に基づいて作動され、ニードル弁18eの前進量又は後進量を調整することにより、改質水の供給量を調整する。ニードル弁調整機構18hは、例えば、ソレノイドであり、所望の流路断面積(開度)に対応するように予め設定された指示電流値(例えば、目標供給量に応じた電流値)が制御装置16から供給されて作動し、ニードル弁18eを前進又は後進させる。
The needle
上述した原料・水混合調整器18の作動について説明する。燃料電池モジュール11が起動すると、原料ポンプ11a1(改質用原料供給装置)が作動し、原料ポンプ11a1によって供給源Gsから改質用原料が改質用原料供給管11a内に圧送される。改質用原料供給管11a内に圧送された改質用原料は、原料・水混合調整器18の原料噴射管18a内を流れ、ノズル18cによって流れが絞られることによりその流速を上げて開口部18c1から混合ガス供給管11f内に噴射される。
The operation of the raw material /
上述したように、改質水流出管18bの貫通孔18d1は、原料噴射管18aのノズル18cの開口部18c1に対して、原料ポンプ11a1の側、即ち、原料噴射管18aの内部にてノズル18cよりも内側にて隣接している。この場合、改質用原料が流速を上げて改質水流出管18bの貫通孔18d1の周囲を通過して開口部18c1から噴射されると、開口部18c1に隣接する貫通孔18d1の周囲における圧力が低下する。このため、改質水流出管18b内に存在する改質水は、圧力の低下に伴って貫通孔18d1から外部に向けて吸い出される。即ち、改質水流出管18b内に存在する改質水は、加圧を必要とすることなく、改質用原料がノズル18cを通過して噴射されることにより、継続的に吸い出される。
As described above, the through-hole 18d1 of the reforming
ところで、改質水流出管18bの内部には、軸状部材であるニードル弁18eが改質水流出管18bの軸線の方向に沿って移動可能に設けられている。又、ニードル弁18eは、制御装置16が作動制御するニードル弁調整機構18hによって、貫通孔18d1における改質水の流路断面積(開度)を変更するように前進又は後進する。これにより、ニードル弁18e及びニードル弁調整機構18hは、改質水流出管18bから供給される改質水の供給量(供給流量)を適切に調整することができる。ここで、供給量(供給流量)は、供給される改質水の流量であり、単位時間あたりの流量である。
Incidentally, a
具体的に、制御装置16は、例えば、外部電力負荷17cの消費電力の大きさを取得し、図4に示すマップ(又は数式)を参照することにより、取得した消費電力の大きさに対応する改質水の供給量を目標供給量として決定する。上述したように、ニードル弁18eは、前進又は後進することにより、貫通孔18d1における流路断面積、即ち、改質水の供給量をリニアに変更することができる。このため、制御装置16は、予め流路断面積、即ち、ニードル弁18eの前進量(又は後進量)とこの前進量(又は後進量)を実現するように対応付けられてニードル弁調整機構18hのソレノイドに供給する電流との関係に基づいて、指令電流の大きさを決定する。そして、制御装置16は、目標供給量に対応する流路断面積を実現するためのニードル弁18eの前進量又は後進量に対応する指令電流をニードル弁調整機構18hに供給する。
Specifically, for example, the
ここで、制御装置16は、例えば、原料ポンプ11a1が圧送している改質用原料の流量と、後述する改質部32に設けられた物理量検出部としての圧力センサ32aから改質部32の内部の状態を表す物理量としての圧力と、を取得し、これら流量及び圧力に基づいて、目標供給量を補正することができる。尚、圧力センサ32aは、検出した圧力を制御装置16に送信するようになっている。
Here, for example, the
この場合、改質用原料の流量は、ノズル18cを改質用原料が流れることによって発生する圧力低下に関連し、流量が低下する程、発生する圧力低下が小さくなる。即ち、この場合には、改質水流出管18bから流出する改質水の供給量が低下するので、制御装置16は補正量が大きくなるように流路断面積を補正する。逆に流量が増大する程、圧力低下が大きくなって改質水流出管18bから流出する改質水の供給量が増大するので、制御装置16は補正量が小さくなるように流路断面積を補正する。
In this case, the flow rate of the reforming raw material is related to the pressure drop generated by the flow of the reforming raw material through the
又、改質部32の内部の圧力は、原料・水混合調整器18から供給される混合ガスの量、及び、供給される混合ガスに含まれる改質水が気化することにより発生する水蒸気の量に関連し、圧力が高くなる程、供給される混合ガスの量及び発生する水蒸気の量が少なくなる。特に、発生する水蒸気の量が少なくなると、後述するように改質部32の内部に配置される触媒等に炭素析出(コーキング)が発生する場合がある。このため、制御装置16は、改質部32の内部の圧力が基準圧力よりも高い場合には、例えば、補正量が大きくなるように目標供給量(即ち、流路断面積)を補正する。逆に、改質部32の内部の圧力が基準圧力よりも低い場合には、制御装置16は、例えば、補正量が小さくなるように目標供給量(即ち、流路断面積)を補正する。
The internal pressure of the reforming
ニードル弁調整機構18hにおいては、供給された指令電流に応じて、目標供給量を実現する流路断面積となるようにニードル弁18eを前進又は後進させる。これにより、調整された流路断面積(開度)に対応する改質水が吸い出され、改質用原料と改質水とが混合された混合ガスとなる。ここで、吸い出された改質水は、大きな流速の改質用原料とともに原料噴射管18aのノズル18cの開口部18c1から混合ガス供給管11f内に噴射される。このとき、粒状の改質水は圧送されている改質用原料の噴射力により粉砕され、混合ガス供給管11f内にて改質用原料とともに霧状となり、混合ガスとして改質部32に供給される。
In the needle
尚、改質部32に供給される混合ガスにおいては、流量比として、改質用原料と改質水とが等しくなるように調整されることが好ましい。又、燃料電池システム1において、改質水流出管18bから改質水を停止する場合は、図3に示すように、ニードル弁18eの外周面と改質水流出管18bの貫通孔18d1の内周面とを密着させて貫通孔18d1を塞ぐことにより実現される。
In the mixed gas supplied to the reforming
再び、図1に戻り、燃料電池モジュール11(30)は、ケーシング31、改質部32及び燃料電池33を備えている。ケーシング31は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング31内には、改質部32及び燃料電池33が収容されている。
Returning again to FIG. 1, the fuel cell module 11 (30) includes a
改質部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、原料・水混合調整器18から供給された混合ガス(改質用原料及び水蒸気)から改質ガスを生成して導出するものである。改質部32内には、触媒(例えば、Ru又はNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素等を含んだガスが生成されている(所謂、水蒸気改質反応)。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。このように、改質部32は改質用原料(原燃料)と改質水とから改質ガス(燃料)を生成して燃料電池33に改質ガスを供給する。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
The reforming
燃料電池33は、燃料極、空気極(酸化剤極)及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル33aが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池33の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガス等が供給される。動作温度は、400〜1000℃程度である。
The
セル33aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路33bが形成されている。セル33aの空気極側には、酸化剤ガスである空気(カソードエア)が流通する空気流路33cが形成されている。
On the fuel electrode side of the
燃料電池33は、マニホールド34上に設けられている。マニホールド34には、改質部32からの改質ガス(アノードガス)が改質ガス供給管37を介して供給される。燃料流路33bは、その下端(一端)がマニホールド34の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ11c1によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管11cを介して供給され、空気流路33cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
The
燃料電池33においては、燃料極に供給された改質ガス(アノードガス)と空気極に供給された酸化剤ガス(カソードガス)によって発電が行われる。即ち、燃料極では、下記化1及び化2に示す反応が生じ、空気極では、下記化3に示す反応が生じている。具体的には、空気極で生成した酸化物イオン(O2−)が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。そして、燃料流路33b及び空気流路33cからは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガス(空気)が導出する。
(化1)
H2+O2−→H2O+2e−
(化2)
CO+O2−→CO2+2e−
(化3)
1/2O2+2e−→O2−
In the
(Chemical formula 1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
(Chemical formula 2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e −
(Chemical formula 3)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
そして、発電に使用されなかった改質ガス(アノードオフガス)は、燃料流路33bから燃焼部35(燃料電池33と改質部32との間に形成された空間)に導出される。発電に使用されなかった酸化剤ガス(空気:カソードオフガス)は、空気流路33cから燃焼部35に導出される。燃焼部35にてアノードオフガスはカソードオフガスによって燃焼され、その燃焼ガスによって改質部32が加熱される。更には、燃焼ガスにより、燃料電池モジュール11内は動作温度に加熱される。その後、燃焼ガスは、ケーシング12bの下部に設けられた排気管11dから燃料電池モジュール11の外に燃焼排ガスとして排気される。このように、燃焼部35は、燃料電池33からの未使用の燃料(改質ガス)である燃料オフガス(アノードオフガス)を導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガス(水蒸気を含む)を導出する燃焼部である。即ち、燃焼部35は、燃料電池33からの燃焼オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部である。
Then, the reformed gas (anode off gas) that has not been used for power generation is led out from the
燃焼部35では、アノードオフガスが燃焼されて火炎36(燃焼排ガス)が発生している。燃焼部35には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ35a1,35a2が設けられている。
In the
以上の説明からも理解できるように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池33と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池33に燃料を供給する改質部32と、燃料電池33からの燃料オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部35と、改質用原料の供給源Gsに接続された改質用原料供給管11aに設けられて供給源Gsから改質部32に改質用原料を圧送する改質用原料供給装置としての原料ポンプ11a1と、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器としての熱交換器12と、改質部32の上方且つ熱交換器12の下方に配置され、熱交換器12から供給された凝縮水を改質水として貯水する改質水タンク15と、改質水タンク15に接続されて改質水タンク15内の改質水を自重により落水させて改質部32に供給する改質水供給管11bと、燃料電池33の発電を統括して制御する制御装置16と、を備えた燃料電池システムであって、改質用原料供給管11aに接続されるとともに改質部32に向けたノズル18cを有して、圧送された改質用原料を改質部32に噴射する原料噴射管18aと、改質水供給管11bに接続されるとともに原料噴射管18aのノズル18cの開口である第一開口としての開口部18c1に対して原料ポンプ11a1の側に隣接した位置にて改質水を流出する改質水流出管18bと、改質水流出管18bの内部にて改質水流出管18bの軸線の方向に沿って移動可能に設けられ、先端部18e1が改質水流出管18bの開口である第二開口としての貫通孔18d1に対して進退して、先端部18e1の外周面と貫通孔18d1の内周面とによって形成されて改質水が通過する流路の流路断面積を変更する軸状部材としてのニードル弁18eと、ニードル弁18eの基端部18e2に連結されて、ニードル弁18eを軸線の方向に沿って移動させる駆動部材としてのニードル弁調整機構18hと、を含んで構成された混合部としての原料・水混合調整器18を備え、原料・水混合調整器18が、原料噴射管18aのノズル18cによって流速が大きくなった改質用原料と改質水流出管18bから供給された改質水とを混合して改質部32に供給する、ように構成される。
As can be understood from the above description, the
これによれば、燃料電池システム1では、原料ポンプ11a1によって圧送された改質用原料が原料噴射管18aのノズル18cを通過して流速が大きくなることにより、ノズル18cの開口部18c1の近傍、即ち、改質水流出管18bの貫通孔18d1が位置する部分の圧力が下がり、改質水流出管18bの貫通孔18d1から改質水が吸い出される。これにより、燃料電池システム1では、改質水を加圧して供給する必要がなく、従来の燃料電池システムで設けられていた改質水ポンプを省略することができる。従って、燃料電池システム1は、従来の燃料電池システムに比べて、製造コストを低減することができる。
According to this, in the
又、原料・水混合調整器18は、ニードル弁18eが流路断面積、即ち、ニードル弁18eの先端部18e1における外周面と改質水流出管18bの貫通孔18d1の内周面とで形成される改質水の流路の流路断面積を変更することができるので、改質部32に供給される改質水の供給量(流量)を調整することができる。従って、原料・水混合調整器18は、改質部32に対して、改質用原料と改質水とが調整された混合ガスを供給することができる。
Further, in the raw material /
又、燃料電池システム1では、原料・水混合調整器18にてニードル弁18eを軸線の方向に移動させて改質水の供給量(流量)を変更する場合にのみニードル弁調整機構18hを作動させるので、消費電力を極めて小さくすることができる。これにより、燃料電池システム1は、発電効率が低下することを防止することができる。
Further, in the
又、燃料電池システム1では、改質部32に対して、改質用原料と改質水とが正確に調整された混合ガスを供給することができるので、改質部32に必要十分な改質水を供給することができる。これにより、改質部32における水蒸気不足(改質水不足)が生じることを防止することができ、改質部32にて炭素析出(コーキング)が発生することを抑制することができる。
Further, in the
更に、燃料電池システム1においては、従来の燃料電池システムで設けられていた蒸発部を省略することができる。これにより、燃料電池システム1は、従来の燃料電池システムに比べて、製造コストを低減することができるとともに、小型化を実現することができる。
Furthermore, in the
この場合、改質水流出管18bは、原料噴射管18aの内径よりも小径の外径を有し、且つ、原料噴射管18aの内部に同軸状に配置される、即ち、原料・水混合調整器18を二重管で構成することができる。
In this case, the reforming
これによれば、原料噴射管18aの内部に改質水流出管18bを配置して、原料・水混合調整器18を二重管構造とすることができるので、省スペース化を実現することができる。その結果、燃料電池システム1の小型化を実現することができる。
According to this, the reforming
又、これらの場合、改質部32の内部の状態を表す物理量として、改質部32の内部における圧力、湿度及び温度のうちの少なくとも一つである圧力を検出する物理量検出部としての圧力センサ32aを備え、制御装置16は、改質水流出管18bから供給される改質水の目標供給量を圧力センサ32aによって検出された圧力を用いて補正し、補正した目標供給量に基づいてニードル弁調整機構18hを作動制御し、ニードル弁18eを軸線の方向に沿って移動させて流路断面積を変更することができる。
In these cases, as a physical quantity representing the internal state of the reforming
これによれば、制御装置16は、改質水流出管18bから供給される改質水の供給量が目標供給量となるようにニードル弁調整機構18hの作動を制御する、即ち、ニードル弁18eによって変更される流路断面積を精密に変更することができる。従って、原料・水混合調整器18は、改質部32に対して、改質用原料と改質水とが正確に調整された混合ガスを供給することができる。
According to this, the
又、原料・水混合調整器18から混合ガスが供給される改質部32の内部の状態を表す物理量である圧力を検出することができ、制御装置16は検出された圧力に基づいて目標供給量(即ち、流路断面積)を決定することができる。これにより、極めて正確に且つ緻密に改質水の供給量を調整することができるとともに、改質部32に対して霧状の改質水又は水蒸気となった改質水を混合ガスとして確実に供給することができる。従って、改質部32における水蒸気不足(改質水不足)が生じることを防止することができ、改質部32にて炭素析出(コーキング)が発生することを抑制することができる。
Further, the pressure, which is a physical quantity representing the internal state of the reforming
更に、これらの場合、原料・水混合調整器18は、ニードル弁18eの先端部18e1が改質水流出管18bの貫通孔18d1を塞いで改質水の供給を停止することができる。これにより、極めて簡単な構造により、改質水の供給を停止することができる。
Further, in these cases, the raw material /
(実施形態の第一変形例)
上記実施形態においては、原料・水混合調整器18が、原料噴射管18aの内部に改質水流出管18bを配置した二重管構造となるようにした。そして、改質水流出管18bの貫通孔18d1が、原料噴射管18aのノズル18cの開口部18c1に対して、原料ポンプ11a1の側に配置されるようにした。これに代えて、図5に示すように、改質水流出管18bが原料噴射管18aの軸線の方向に対して略直交するように配置され、且つ、改質水流出管18bの貫通孔18d1が、原料噴射管18aのノズル18cの開口部18c1に対して、改質部32の側に配置されるように構成された原料・水混合調整器18を用いることも可能である。尚、この場合には、改質水流出管18bは、混合ガス供給管11fに対して気密的に接続される。又、この場合には、上記実施形態の場合と異なり、改質水流出管18bに改質水を一時的に貯留する貯留部18iが設けられ、Oリング18f及びニードルパッキン18gが省略される。
(First modification of embodiment)
In the above embodiment, the raw material /
この第一変形例においても、燃料電池モジュール11が起動すると、原料ポンプ11a1(改質用原料供給装置)が作動し、原料ポンプ11a1によって供給源Gsから改質用原料が改質用原料供給管11a内に圧送される。改質用原料供給管11a内に圧送された改質用原料は、原料・水混合調整器18の原料噴射管18a内を流れ、ノズル18cによって流れが絞られることによりその流速を上げて開口部18c1から混合ガス供給管11f内に噴射される。
Also in this first modification, when the
そして、この第一変形例においては、改質水流出管18bの貫通孔18d1は、原料噴射管18aのノズル18cの開口部18c1に対して、改質部32の側にて隣接している。この場合においても、改質用原料が流速を上げて改質水流出管18bの貫通孔18d1の周囲を通過して開口部18c1から噴射されると、開口部18c1に隣接する貫通孔18d1の周囲における圧力が低下する。このため、改質水流出管18b内に存在する改質水は、上記実施形態と同様に、圧力の低下に伴って貫通孔18d1から外部に向けて吸い出される。即ち、この第一変形例においても、改質水流出管18b内に存在する改質水は、加圧を必要とすることなく、改質用原料がノズル18cを通過して噴射されることにより、継続的に吸い出される。
In the first modification, the through hole 18d1 of the reforming
そして、この第一変形例においても、改質水流出管18bの内部には、軸状部材であるニードル弁18eが改質水流出管18bの軸線の方向に沿って移動可能に設けられている。又、ニードル弁18eは、制御装置16が作動制御するニードル弁調整機構18hによって、貫通孔18d1における改質水の流路断面積(開度)を変更するように前進又は後進することができる。これにより、ニードル弁18e及びニードル弁調整機構18hは、改質水流出管18bから供給される改質水の供給量を、目標供給量となるように適切に調整することができる。従って、この第一変形例においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
Also in this first modified example, a
(実施形態の第二変形例)
上記実施形態においては、改質水流出管18bからの改質水の供給を停止する場合は、図3に示すように、ニードル弁18eの外周面と改質水流出管18bの貫通孔18d1の内周面とを密着させて貫通孔18d1を塞ぐようにした。これに代えて、図6に示すように、例えば、ニードル弁18eの外周面に径方向に拡径した封止弁18e3を設けるとともに、原料噴射管18aのノズル18cの内部に封止弁18e3と当接する弁座18a1を設けるようにすることも可能である。ここで、弁座18a1の内径は、ニードル弁18eの外径に比べて、大きくなるように設定される。これにより、ニードル弁18eの外周面と弁座18a1の内周面とは当接することがなく、ニードル弁18eの外周面と弁座18a1の内周面との間で摩擦が発生しないようになっている。
(Second modification of the embodiment)
In the above embodiment, when the supply of reforming water from the reforming
この場合には、ニードル弁18eに設けられた封止弁18e3が弁座18a1に着座することにより、改質水流出管18bの貫通孔18d1からの改質水の供給を停止することができる。又、ニードル弁18eに設けられた封止弁18e3が弁座18a1から離座することにより、改質水流出管18bの貫通孔18d1から改質水を供給することができる。従って、この第二変形例においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
In this case, the supply of the reforming water from the through hole 18d1 of the reforming
本発明の実施にあたっては、上記実施形態及び各変形例に限定されることなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形が可能である。 In carrying out the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the object of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、原料・水混合調整器18が燃料電池モジュール11(30)のケーシング31の外部に設けられるようにした。即ち、上記実施形態においては、原料・水混合調整器18は、混合ガス供給管11fを介して、改質部32に混合ガスを供給するようにした。これに代えて、原料・水混合調整器18が直接的に改質部32の内部に混合ガスを供給するように構成することも可能である。即ち、この場合においては、原料・水混合調整器18がケーシング31の内部に設けられており、原料・水混合調整器18は燃焼部35内で改質部32に直接的に混合ガスを供給する。これにより、混合ガス供給管11fを省略することができ、より製造コストを低減することができるとともに小型化を達成することができる。尚、このように原料・水混合調整器18をケーシング31(燃焼部35)内に配置する場合には、ケーシング31の上部から燃焼部35内に進入した改質水供給管11bと原料・水混合調整器18の改質水流出管18bとが接続される。これにより、改質水タンク15から供給される改質水に対する熱の影響を極力排除することができる。
For example, in the above embodiment, the raw material /
又、上記実施形態においてはニードル弁調整機構18hにソレノイドを用いるようにした。これに代えて、ニードル弁調整機構18hにモータ等、ニードル弁18eの前進又は後進させることができる動力を発生させるものを用いることも可能である。この場合、ニードル弁調整機構18hに、特に、モータを用いる場合には、原料噴射管18aを屈曲させてモータを原料噴射管18aの外部に配置することが好ましい。このように、ニードル弁調整機構18hを原料噴射管18aの外部に配置することにより、改質用原料の流れがニードル弁調整機構18hによって阻害されず、改質用原料が原料噴射管18aの内部をスムーズに流れることができる。
In the above embodiment, a solenoid is used for the needle
又、物理量検出部として改質部32の内部に圧力センサ32aを設け、物理量として改質部32の内部の圧力を検出するようにした。これに加えて、又は、これに代えて、改質部32の内部に湿度センサや温度センサを物理量検出部として設け、物理量として改質部32の内部の湿度や温度を検出するようにしても良い。これにより、制御装置16は、これら検出された改質部32の内部の湿度や温度を用いて、より正確に目標供給量(流路断面積)を決定して補正することが可能となる。
In addition, a pressure sensor 32a is provided inside the reforming
又、上記実施形態においては、原料・水混合調整器18のみが改質部32に改質用原料及び改質水からなる混合ガスを供給するようにした。この場合、原料・水混合調整器18に加えて、従来の燃料電池システムが備えているような蒸発部を設けておき、通常運転時は、従来の燃料電池システムと同様に、蒸発部を介して混合ガスを改質部32に供給する通常ラインを利用するようにすることも可能である。そして、この通常ラインとは別に、上述したように原料・水混合調整器18を介して供給するバックアップラインを設けることにより、通常ラインの故障時においてもバックアップラインを用いることで燃料電池システム1を確実に起動させるようにすることも可能である。
In the above embodiment, only the raw material /
更に、制御装置16が目標供給量を決定する場合、改質水タンク15に貯水されている改質水の量に応じて目標供給量を補正することも可能である。具体的には、制御装置16は、水量センサ15aの検出結果を取得し、例えば、検知水量が少ないほど補正量が多くなるように目標供給量を補正することができる。ここで、補正量は、予め実験等によって算出され記憶されている検知水量と補正量との関係を示すマップまたは数式を使用して、検知水量に対応した値として算出することができる。尚、タンク水量が少ないほど改質水タンク15から落水する水量が少ないため、検知水量と補正量との関係は、検知水量が多いほど補正量は小さくなる関係となる。
Furthermore, when the
1…燃料電池システム、10…発電ユニット、10a…筐体、11…燃料電池モジュール、11a…改質用原料供給管、11a1…原料ポンプ、11b…改質水供給管、11c…カソードエア供給管、11c1…カソードエアブロワ、11d…排気管、11e…排水管、11f…混合ガス供給管、12…熱交換器、12a…凝縮水供給管、12b…ケーシング、12c…熱交換部、13…インバータ装置、14…水精製器、15…改質水タンク、15a…水量センサ、16…制御装置、17a…系統電源、17b…電源ライン、17c…外部電力負荷、18…原料・水混合調整器(混合部)、18a…原料噴射管、18a1…弁座、18b…改質水流出管、18c…ノズル、18c1…開口部(第一開口)、18d…尖頭部、18d1…貫通孔(第二開口)、18e…ニードル弁、18e1…先端部、18e2…基端部、18e3…封止弁、18f…Oリング、18g…ニードルパッキン、18h…ニードル弁調整機構(駆動部材)、18i…貯留部、20…排熱回収システム、21…貯湯槽、22…貯湯水循環ライン、22a…貯湯水循環ポンプ、22b…熱交換器貯湯水入口温度センサ、22c…熱交換器貯湯水出口温度センサ、31…ケーシング、32…改質部、32a…圧力センサ(物理量検出部)、33…燃料電池、33a…セル、33b…燃料流路、33c…空気流路、34…マニホールド、35…燃焼部、35a1,35a2…着火ヒータ、36…火炎、37…改質ガス供給管、Gs…供給源
DESCRIPTION OF
Claims (5)
改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に前記燃料を供給する改質部と、
前記燃料電池からの燃料オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部と、
前記改質用原料の供給源に接続された改質用原料供給管に設けられて前記供給源から前記改質部に前記改質用原料を圧送する改質用原料供給装置と、
前記燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、
前記改質部の上方且つ前記凝縮器の下方に配置され、前記凝縮器から供給された前記凝縮水を前記改質水として貯水する改質水タンクと、
前記改質水タンクに接続されて前記改質水タンク内の前記改質水を自重により落水させて前記改質部に供給する改質水供給管と、
前記燃料電池の発電を統括して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、
前記改質用原料供給管に接続されるとともに前記改質部に向けたノズルを有して、圧送された前記改質用原料を前記改質部に噴射する原料噴射管と、
前記改質水供給管に接続されるとともに前記原料噴射管の前記ノズルの開口である第一開口に対して前記改質用原料供給装置の側又は前記改質部の側に隣接した位置にて前記改質水を流出する改質水流出管と、
前記改質水流出管の内部にて前記改質水流出管の軸線の方向に沿って移動可能に設けられ、先端部が前記改質水流出管の開口である第二開口に対して進退して、前記先端部の外周面と前記第二開口の内周面とによって形成されて前記改質水が通過する流路の流路断面積を変更する軸状部材と、
前記軸状部材の基端部に連結されて、前記軸状部材を前記軸線の方向に沿って移動させる駆動部材と、を含んで構成された混合部を備え、
前記混合部が、前記原料噴射管の前記ノズルによって流速が大きくなった前記改質用原料と前記改質水流出管から供給された前記改質水とを混合して前記改質部に供給する、ように構成された、燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity using fuel and oxidant gas;
A reforming unit that generates the fuel from a reforming raw material and reforming water and supplies the fuel to the fuel cell;
A combustion unit for deriving combustion exhaust gas by burning a fuel off-gas and an oxidant gas from the fuel cell;
A reforming material supply device that is provided in a reforming material supply pipe connected to the reforming material supply source and pumps the reforming material from the supply source to the reforming unit;
A condenser that condenses water vapor contained in the combustion exhaust gas to generate condensed water;
A reforming water tank disposed above the reforming unit and below the condenser and storing the condensed water supplied from the condenser as the reforming water;
A reforming water supply pipe connected to the reforming water tank and dropping the reforming water in the reforming water tank by its own weight and supplying the reforming section;
A fuel cell system comprising: a control device that performs overall control of power generation of the fuel cell;
A raw material injection pipe that is connected to the reforming raw material supply pipe and has a nozzle directed to the reforming section, and injects the reformed raw material that has been pumped into the reforming section;
Connected to the reforming water supply pipe and at a position adjacent to the reforming raw material supply apparatus side or the reforming section side with respect to the first opening which is the opening of the nozzle of the raw material injection pipe A reforming water outflow pipe for flowing out the reforming water;
It is provided inside the reforming water outflow pipe so as to be movable along the direction of the axis of the reforming water outflow pipe, and its tip part advances and retreats with respect to a second opening which is an opening of the reforming water outflow pipe. A shaft-shaped member that is formed by the outer peripheral surface of the tip portion and the inner peripheral surface of the second opening and that changes the cross-sectional area of the flow channel through which the reforming water passes,
A driving member connected to a base end portion of the shaft-shaped member and moving the shaft-shaped member along the direction of the axis,
The mixing unit mixes the reforming raw material whose flow velocity is increased by the nozzle of the raw material injection pipe and the reforming water supplied from the reforming water outflow pipe, and supplies the mixture to the reforming unit. A fuel cell system configured as described above.
前記原料噴射管の内径よりも小径の外径を有し、且つ、前記原料噴射管の内部に同軸状に配置される、請求項1に記載の燃料電池システム。 The reformed water outflow pipe is
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system has an outer diameter smaller than an inner diameter of the raw material injection pipe and is coaxially disposed inside the raw material injection pipe.
前記制御装置は、
前記改質水流出管から供給される前記改質水の目標供給量を前記物理量検出部によって検出された前記物理量を用いて補正し、
補正した前記目標供給量に基づいて前記駆動部材を作動制御し、前記軸状部材を前記軸線の方向に沿って移動させて前記流路断面積を変更する、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A physical quantity detection unit for detecting a physical quantity representing an internal state of the reforming unit;
The control device includes:
Correcting the target supply amount of the reformed water supplied from the reforming water outflow pipe using the physical quantity detected by the physical quantity detection unit;
The operation of the drive member is controlled based on the corrected target supply amount, and the flow path cross-sectional area is changed by moving the shaft-shaped member along the direction of the axis. Fuel cell system.
前記改質部の前記内部における圧力、湿度及び温度のうちの少なくとも一つである、請求項3に記載の燃料電池システム。 The physical quantity is
The fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell system is at least one of pressure, humidity, and temperature inside the reforming unit.
前記軸状部材の前記先端部が前記改質水流出管の前記第二開口を塞いで前記改質水の供給を停止する、請求項1乃至請求項4のうちの何れか一項に記載の燃料電池システム。 The mixing unit includes:
The said front-end | tip part of the said shaft-shaped member blocks the said 2nd opening of the said reforming water outflow pipe, and stops supply of the said reforming water as described in any one of Claim 1 thru | or 4. Fuel cell system.
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