JP2021072256A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池装置に関する。 The present disclosure relates to a fuel cell device.
燃料電池は、水素を含有する原燃料ガスと酸素含有ガス(空気)とを用いて発電を行ない、電気を外部に供給する。また、燃料電池は、原燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質反応や、発電や、余剰ガスの燃焼などにより生じた排ガス中の熱を回収して温水として貯留し、この温水を直接にまたは間接に外部に供給する、コジェネレーションシステムの一部を構成する。 The fuel cell uses a hydrogen-containing raw fuel gas and an oxygen-containing gas (air) to generate electricity and supply electricity to the outside. In addition, the fuel cell recovers the heat in the exhaust gas generated by the reforming reaction that reforms the raw fuel gas into a fuel gas containing hydrogen, power generation, combustion of surplus gas, etc., and stores it as hot water. It constitutes a part of a cogeneration system that supplies hot water directly or indirectly to the outside.
ところで、燃料電池は、改質反応において水が生成する。また、セルスタックにおける発電反応により、燃料電池セルにおいて水が生成する。したがって、燃料電池の排ガスには、多くの水分(水蒸気)が含まれている。 By the way, in a fuel cell, water is generated in a reforming reaction. In addition, water is generated in the fuel cell due to the power generation reaction in the cell stack. Therefore, the exhaust gas of the fuel cell contains a large amount of water (water vapor).
そこで、燃料電池装置においては、燃料電池から排出された排ガスを熱交換器等に通して冷却するとともに、この熱交換時に、前記排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成される凝縮水を回収して水タンク等に貯留する。そして、貯留された水を、天然ガス等の原燃料を水蒸気改質する改質器に改質水として供給する、いわゆる水自立運転が行われている。 Therefore, in the fuel cell device, the exhaust gas discharged from the fuel cell is passed through a heat exchanger or the like to be cooled, and at the time of this heat exchange, the condensed water generated by condensing the water vapor contained in the exhaust gas is recovered. And store it in a water tank, etc. Then, so-called water self-sustaining operation is performed in which the stored water is supplied as reformed water to a reformer that reforms raw fuel such as natural gas by steam reforming.
前述の凝縮水の回収に関し、特許文献1には、顕熱/潜熱比が小さい場合であっても、熱回収効率を最適にする燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムの制御装置は、熱交換器入口の貯湯水温度に応じて、熱交換器出口の目標貯湯水温度を設定する目標温度設定部と、熱交換器出口の貯湯水温度が設定された目標温度となるように、貯湯水循環ポンプの送出量を制御する送出量制御部と、を備えている。 Regarding the above-mentioned recovery of condensed water, Patent Document 1 discloses a fuel cell system that optimizes heat recovery efficiency even when the sensible heat / latent heat ratio is small. In the control device of this fuel cell system, the target temperature setting unit that sets the target hot water storage water temperature at the heat exchanger outlet and the hot water storage water temperature at the heat exchanger outlet are set according to the hot water storage water temperature at the heat exchanger inlet. It is provided with a delivery amount control unit that controls the delivery amount of the hot water storage water circulation pump so that the target temperature is reached.
本開示の目的は、燃料電池の排ガス中に含まれる水分を効率よく回収することのできる燃料電池装置を提供することである。 An object of the present disclosure is to provide a fuel cell device capable of efficiently recovering water contained in the exhaust gas of a fuel cell.
本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池より排出される排ガスと熱媒とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器より排出される排ガスの温度を測定する第1排ガス温度測定部と、前記熱交換器に熱媒を循環させる循環流路に配設された循環ポンプと、制御装置と、を備える。
前記制御装置は、前記第1排ガス温度測定部が測定する第1排ガス温度が予め定められた目標温度となるように、前記循環ポンプの駆動を制御する、排ガス温度制御を実行可能である。
The fuel cell apparatus of the present disclosure includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, a heat exchanger that exchanges heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell and a heat medium, and the heat exchanger. A first exhaust gas temperature measuring unit for measuring the temperature of the exhaust gas discharged from the gas, a circulation pump arranged in a circulation flow path for circulating a heat medium in the heat exchanger, and a control device are provided.
The control device can execute exhaust gas temperature control that controls the drive of the circulation pump so that the first exhaust gas temperature measured by the first exhaust gas temperature measuring unit becomes a predetermined target temperature.
本開示の燃料電池装置によれば、燃料電池の排ガス中に含まれる水分を、効率よく回収することができる。 According to the fuel cell device of the present disclosure, the water contained in the exhaust gas of the fuel cell can be efficiently recovered.
以下、図面を参考にしながら、実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、燃料電池として固体酸化物形の燃料電池を例示するが、例えば固体高分子形の燃料電池等に適用することもでき、その場合、構成は適宜変更すればよい。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following embodiment, the solid oxide fuel cell is exemplified as the fuel cell, but it can also be applied to, for example, a solid polymer fuel cell, and in that case, the configuration may be appropriately changed. ..
図1は、第1実施形態の燃料電池装置の構成の概略を示すブロック図であり、図2は、外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。なお、燃料電池装置において汎用的な装置や機器等については、詳しい説明を行なわず、図中への符号の付与のみに留めているものもある。 FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell device of the first embodiment, and FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the fuel cell device in the outer case. It should be noted that some fuel cell devices, such as general-purpose devices and devices, are not described in detail and are limited to the addition of reference numerals in the drawings.
図1に示す燃料電池装置100は、燃料電池モジュール1と、燃料電池モジュール1に接続された熱交換器3と、燃料電池モジュール1から排出される高温度の排ガスの熱および熱エネルギーを、熱媒循環流路Qを介した熱交換により回収し、温水として貯留する蓄熱タンク4と、排ガス中に含まれる水分が熱交換により凝縮して生成した凝縮水を、凝縮水流路Cを介して改質水として貯留する改質水タンク6と、を備える。
The
また、燃料電池装置100は、原燃料ポンプおよび原燃料流路等を含む原燃料供給装置13と、空気ブロアおよび酸素含有ガス流路等を含む酸素含有ガス供給装置14を備える。さらに、水自立運転を継続するための、前述の改質水タンク6と、これに接続された改質水供給ポンプP2および改質水流路Rを含む改質水供給装置を含む。
Further, the
そして、燃料電池装置100は、先に述べた熱交換器3、蓄熱タンク4、ラジエータ5、熱媒循環ポンプP1と、これらを環状に接続する熱媒循環流路Qとからなる熱媒循環系(ヒートサイクル)を備えている。なお、図1では、熱交換器3入口側の、比較的低温の熱媒が流れる上流側の流路をQ1と表示し、熱交換器3出口側の、比較的高温の熱媒が流れる下流側の流路をQ2と表示している。なお、ラジエータ5は設けない構成としてもよい。
The
熱媒循環系の熱源である燃料電池モジュール1は、収納容器10に収容されている。収納容器10の内部には、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタック11と、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行なう改質器12と、余剰の燃料ガスに点火するための着火ヒータ(図示省略)、および、触媒容器2に充填された排ガス触媒等を備える。
The fuel cell module 1, which is the heat source of the heat medium circulation system, is housed in the
上述のような構成の燃料電池装置100において、燃料電池モジュール1内で生じた、水分を含む排ガスは、触媒容器2内の排ガス触媒を介して排ガス流路Eに導出された後、燃料電池モジュール1に隣接する熱交換器3に導入される。
In the
熱交換器3は、高温の排ガスが図示上側から下方に向かって流下し、低温の熱媒(水)が図示下側から上方に向かって流過する、向流式となっている。また、熱交換器3の最下部は、熱交換により液化した水(凝縮水)と、水分の取り除かれた排ガスとを分離する、気水分離器になっている。
The
気水分離器で水を取り除かれた排ガスは、排気流路Vを経由して機外に排出される。一方、気水分離器で分離された凝縮水は、凝縮水流路Cを経由して改質水タンク6に回収され貯留される。
The exhaust gas from which water has been removed by the steam separator is discharged to the outside of the machine via the exhaust flow path V. On the other hand, the condensed water separated by the brackish water separator is collected and stored in the reformed
なお、燃料電池装置100は、図2に示すような、各フレーム31と各外装パネル32とからなるケース30の中に配設されている。このケース30の中の、燃料電池モジュール1および各補機の周りや、流路、配管等には、以下のような制御手段20や、複数の計測機器やセンサ、または他の補機等が設けられている。
The
燃料電池装置100は、前述の燃料電池モジュール1および各補機の動作を制御する手段として、電力調整装置(図示省略)と、この電力調整装置と連係して、燃料電池の発電運転を補助する各補機の動作を制御する制御装置20と、この制御装置20に付属または内蔵される記憶装置等を備える。
The
制御装置20は、記憶装置および表示装置(ともに図示省略)と、燃料電池装置100を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置100の全体を制御および管理する。制御装置20は、それに付属する記憶装置(図示省略)に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置100の各部にかかる、種々の機能を実現する。
The
また、燃料電池装置100は、筐体内外の各部の温度を計測するための、温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計を、複数備える。
Further, the
たとえば、図1に示すように、燃料電池モジュール1(燃焼部)から排出された排ガスの温度を測定する第1の排ガス温度測定部として、熱交換器3経由後の気水分離器部位に、サーミスタTM1が配設されている。
For example, as shown in FIG. 1, as a first exhaust gas temperature measuring unit for measuring the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 (combustion unit), the air-water separator portion after passing through the
また、熱交換器3に導入される前の触媒容器2内に、容器内の排ガス触媒の温度を測定するサーミスタTM2が配設されている。なおサーミスタTM2は、あわせて熱交換器3に流入する排ガスの温度の測定を行ってもよい。また、サーミスタTM2は、触媒容器2と熱交換器3との間に配置してもよい。
Further, a thermistor TM2 for measuring the temperature of the exhaust gas catalyst in the container is arranged in the
さらに、熱交換器3内を流過する熱媒の温度を測るために、熱交換器3の熱媒入口側(低温側)にあたる熱媒循環流路Qの上流側流路Q1に、サーミスタTM3が配設されている。なお、従来設けられていた熱交換器3の熱媒出口側(高温側)にあたる熱媒循環流路Qの下流側には、サーミスタは配置しなくてもよい。
Further, in order to measure the temperature of the heat medium flowing through the
さらに、改質水タンク6においては、タンクの底部(低部)に近い、所定の低水位位置には、貯留された改質水の水位の低下または渇水を示すための水検知器WL1が配設され、タンクの所定の満水位に近い、高水位位置には、改質水の水位である上水面が上昇して貯水量が増えたことを検出する水検知器WL2が配設されている。
Further, in the reformed
前述の制御装置20から、上述のセンサ類、または他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置20と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。各図では、制御装置20と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。また、制御装置20が行なう本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。
When a control signal or various information is transmitted from the
なお、後記の実施形態において、熱媒循環流路Q(ヒートサイクル)に配設された熱媒循環ポンプP1は、その回転駆動モータがパルス駆動方式のものであり、制御装置20は、パルス駆動のオン/オフデューティ比を増減させて、ポンプP1の回転駆動力およびその吐出量を制御している。
In the embodiment described later, the heat medium circulation pump P1 arranged in the heat medium circulation flow path Q (heat cycle) has a rotary drive motor of a pulse drive type, and the
以上の構成の燃料電池装置100において、燃料電池が運転を行なっている場合、制御装置20は、第1排ガス温度測定部であるサーミスタTM1が測定する、熱交換器3出口(図示下側)の第1排ガス温度が、予め定められた目標温度となるように、熱媒循環ポンプP1の駆動を制御する、排ガス温度制御を実行する。
In the
このように、熱交換器3出口側の排ガス温度に基づいて、熱媒循環ポンプP1を駆動させることで、従前のように、熱交換器出口の熱媒温度が目標となるように熱媒循環ポンプの駆動を制御することに比べて、効率よく凝縮水を回収することが可能になる。以下、目標温度の設定について、具体的な例をあげて説明する。
In this way, by driving the heat medium circulation pump P1 based on the exhaust gas temperature on the
制御の第1の例として、前述の構成の燃料電池装置100が発電運転を行なっている場合、制御装置20は、前述のような排ガス温度制御において、たとえば改質水タンク6内の改質水の水位に基づいて前述の目標温度を設定する、第1の目標温度設定制御を行なうとともに、熱交換器3出口の第1排ガス温度が、その目標温度となるように、熱媒循環ポンプP1の駆動を制御する、第1の排ガス温度制御を実行することができる。
As a first example of control, when the
すなわち、前述の排ガス温度制御の実行中に、改質水の水位を検知する水位検知部である、低水位の水検知器WL1または高水位の水検知器WL2による水位検知もしくは水位未検知が発報された場合、制御装置20は、改質水タンク6内の改質水の水位を制御優先項目として目標温度を切り替え、熱媒循環ポンプP1の駆動を目標温度の変更に対応して補正する、第1の排ガス温度制御を実行する。
That is, during the execution of the exhaust gas temperature control described above, the water level detection or the water level not detected by the low water level water detector WL1 or the high water level water detector WL2, which is the water level detection unit for detecting the water level of the reformed water, is generated. When reported, the
具体的には、たとえば改質水タンク6内の改質水(水面)の高水位を検知する水検知器WL2が水を検出した場合、制御装置20は、改質水タンク6内に貯留された改質水の水量が、オーバーフローの発生する満水に近いと判断して、制御目標温度を、凝縮水の回収率が低下する温度にまで上げる。そして、この目標温度の上昇に対応できるよう、熱媒循環ポンプP1の駆動(デューティ比)を、それ以前より減少させる制御を実行する。それにより、凝縮水の回収量を低減し、オーバーフローの発生を抑制することができる。
Specifically, for example, when the water detector WL2 that detects the high water level of the reformed water (water surface) in the reformed
他方、たとえば改質水タンク6内の改質水(水面)の改質水(水面)の高水位を検知するWL2が水を検出しない場合や、低水位を検知する水検知器WL1が水を検出しない場合は、制御装置20は、改質水タンク6内に貯留された改質水の水量が、不足するもしくは渇水の発生する水位に近いと判断して、制御目標温度を、凝縮水の回収率が向上する温度にまで下げる。また、この目標温度の低下に対応できるよう、熱媒循環ポンプP1の駆動(デューティ比)を、それ以前より増加させる制御を実行する。それにより、凝集水の回収量を増大させ、改質水の水量が、不足するおそれや、渇水が発生するおそれを低減することができる。
On the other hand, for example, when the WL2 which detects the high water level of the reformed water (water surface) of the reformed water (water surface) in the reformed
このようにして、燃料電池の排ガス中に含まれる水分を効率よく回収しつつも、改質水タンク6内に貯留される改質水の水量を、自立運転を継続するのに適切な範囲に保つことができる。
In this way, while efficiently recovering the water contained in the exhaust gas of the fuel cell, the amount of reformed water stored in the reformed
なお、凝縮水回収制御中に、例えば改質水(水面)の高水位を検知するWL2が水を検出するようになった場合には、熱媒循環ポンプP1の駆動(デューティ比)を、それ以前より減少させる駆動の〔マイナス(−)補正〕を実行して、凝縮水の回収量を低減し、オーバーフローの発生を抑制してもよい。 When the WL2 that detects the high water level of the reformed water (water surface) detects water during the condensed water recovery control, for example, the drive (duty ratio) of the heat medium circulation pump P1 is set. The drive [minus (-) correction], which is reduced from before, may be executed to reduce the amount of condensed water recovered and suppress the occurrence of overflow.
つぎに、制御の第2の例として、前述の構成の燃料電池装置100が同様に発電運転を行なっている場合、制御装置20は、排ガスに含まれる水分量に関連する排ガス流体値に基づいて、先に述べた目標温度を設定する、第2の目標温度設定制御を行なうことができる。
Next, as a second example of control, when the
ここで、熱媒循環ポンプP1を駆動させることで回収される凝縮水量について、詳述する。凝縮水量とは、燃料電池モジュール1より排出される排ガスに含まれる水蒸気量から、熱交換後の排ガスが含むことができる飽和水蒸気量を引くことで算出できる。よって、目標温度を設定することで、飽和水蒸気量を算出でき、回収できる凝縮水量を推定することができる。言い換えれば、回収したい凝縮水量に応じて、目標温度を設定することもできる。 Here, the amount of condensed water recovered by driving the heat medium circulation pump P1 will be described in detail. The amount of condensed water can be calculated by subtracting the amount of saturated water vapor that can be contained in the exhaust gas after heat exchange from the amount of water vapor contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1. Therefore, by setting the target temperature, the saturated water vapor amount can be calculated and the amount of condensed water that can be recovered can be estimated. In other words, the target temperature can be set according to the amount of condensed water to be collected.
燃料電池モジュール1より排出される排ガスに含まれる水蒸気量は、前述の構成の燃料電池装置100が発電運転を行なっている場合、燃料電池モジュール1に投入される燃料ガス由来の水分量と、改質器12に投入される水分量とが主体となる。また、排ガスに含まれる水蒸気量をより正確に算出する場合には、燃料電池モジュール1に投入される空気に含まれる水分量を加えてもよい。
The amount of water vapor contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 is the same as the amount of water derived from the fuel gas input to the fuel cell module 1 when the
燃料電池モジュール1に投入される燃料ガス由来の水分量とは、燃料ガス流量に含まれる水素の量を算出して換算する。すなわち、例えば燃料ガスに含まれるメタン等の水素を含む成分の成分割合から、水素の割合を算出し、それを水分量に換算する。また改質器12に投入される水分量とは、改質水供給ポンプP2より供給される改質水量とすればよい。言い換えれば、改質水量測定部が測定する計測値(水量)とすればよい。燃料電池モジュール1に投入される空気に含まれる水分量とは、相対湿度、空気温度、空気供給量とから算出することができる。
The amount of water derived from the fuel gas charged into the fuel cell module 1 is converted by calculating the amount of hydrogen contained in the fuel gas flow rate. That is, for example, the ratio of hydrogen is calculated from the ratio of the components containing hydrogen such as methane contained in the fuel gas, and the ratio is converted into the amount of water. The amount of water charged into the
なお、改質水量測定部が測定する改質水の量に関し、改質水の流量は、改質水流路Rに配設した水流量計等により直接測定してもよく、改質水供給ポンプP2が、吐出量や回転数等の諸元を出力可能なものであれば、その諸元を利用して、演算により求めてもよい。たとえば、吐出量がフィン回転数で表される水ポンプの場合であれば、予め検量線を用意しておくことにより、回転数〔回転/分〕と回転駆動継続時間〔分〕の積で、ポンプの吐出水量を求めることができる。また、改質水供給ポンプP2がパルスモータ駆動のものであれば、その駆動のデューティ比から、ポンプの吐出水量等を推計することもできる。 Regarding the amount of reformed water measured by the reformed water amount measuring unit, the flow rate of the reformed water may be directly measured by a water flow meter or the like arranged in the reformed water flow path R, and the reformed water supply pump. If P2 can output specifications such as the discharge amount and the number of rotations, the specifications may be used to obtain the specifications by calculation. For example, in the case of a water pump whose discharge amount is represented by the fin rotation speed, by preparing a calibration curve in advance, the product of the rotation speed [rotation / minute] and the rotation drive duration [minute] can be obtained. The amount of water discharged from the pump can be obtained. Further, if the reforming water supply pump P2 is driven by a pulse motor, the amount of discharged water of the pump can be estimated from the duty ratio of the driving.
以上より、燃料電池モジュール1より排出される排ガス量に含まれる水蒸気量を算出することができ、本明細書において、上記排ガス量に含まれる水蒸気量を、排ガス流体値と呼ぶ。すなわち、排ガス流体値とは、燃料電池モジュール1より排出される排ガス量に関連して求められる水蒸気量のことを意味する。 From the above, the amount of water vapor contained in the amount of exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 can be calculated, and in the present specification, the amount of water vapor contained in the amount of exhaust gas is referred to as an exhaust gas fluid value. That is, the exhaust gas fluid value means the amount of water vapor obtained in relation to the amount of exhaust gas discharged from the fuel cell module 1.
なお、通常、燃料電池モジュール1より排出される排ガスの温度は高く、また燃料電池モジュール1より排出される排ガスに含まれる水分量はさほど多くない。それゆえ、高温の排ガスに含まれる水分が排ガスの飽和水蒸気量となることはなく、上記において、排ガスの熱交換器3への入口温度をあえて考慮していない。しかしながら、排ガスの飽和水蒸気量を考慮する場合には、排ガス流体値の算出において、第2排ガス温度測定部であるサーミスタTM2にて測定された第2排ガス温度を用いて飽和水蒸気量を算出し、上記で算出した排ガス量に関連して求められる水蒸気量と、飽和水蒸気量とを比較すればよい。排ガスに含まれる水蒸気量が多い場合には、その値と排ガス流体値とし、飽和水蒸気量が多い場合には、その値を排ガス流体値とすればよい。
Normally, the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 is high, and the amount of water contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 is not so large. Therefore, the moisture contained in the high-temperature exhaust gas does not become the saturated water vapor amount of the exhaust gas, and the inlet temperature of the exhaust gas to the
続いて、熱交換後の排ガスが含む飽和水蒸気量は、熱交換器3より排出される排ガス流量(すなわち燃料電池モジュール1より排出される排ガス流量)、排ガス温度、ガス圧力等を掛け合わせて算出する。なお算出にあたっては、1999年発刊の日本機械学会蒸気表より算出した蒸気状態量計算関数を用いて算出することができる。 Subsequently, the saturated water vapor amount contained in the exhaust gas after heat exchange is calculated by multiplying the exhaust gas flow rate discharged from the heat exchanger 3 (that is, the exhaust gas flow rate discharged from the fuel cell module 1), the exhaust gas temperature, the gas pressure, and the like. To do. The calculation can be performed using the steam state quantity calculation function calculated from the steam table of the Japan Society of Mechanical Engineers published in 1999.
制御装置20は、上述の排ガスより算出される排ガス流体値に対応して、熱媒循環ポンプP1の駆動を制御することで、効率よく凝縮水回収を行うことができる。すなわち、制御装置20は、温度と飽和水蒸気量との関係のテーブルと、予め調査された、熱媒循環ポンプの駆動と、排ガスの熱交換前の温度と、熱交換後の温度との関係のテーブルを記憶しておく。
The
すなわち、制御装置20は、最初に排ガスに含まれる水蒸気量を算出し、そのうち凝縮水量として回収する量を決定することで、結果的に、熱交換後の排ガスに含まれる水蒸気量を求めることができる。すなわち、熱交換後の排ガスの飽和水蒸気量に対応する温度を求めることができる。それにより、熱交換後の排ガスの目標温度が決定され、決定された目標温度と、熱交換器3に流入する排ガス温度と、熱媒循環ポンプP1の駆動とのテーブルから、熱媒循環ポンプP1の駆動量を制御することができる。
That is, the
また、制御装置20は、排ガスより得られる凝縮水量が不足する場合には、目標温度を下げればよい。一方で、排ガスより得られる凝縮水量が過剰な場合には、目標温度を上げればよい。
Further, when the amount of condensed water obtained from the exhaust gas is insufficient, the
それにより、従前のように、熱交換器出口の貯湯水温度が目標となるように熱媒循環ポンプの駆動を制御することに比べて、効率よく必要となる凝縮水量を回収することができる。 As a result, it is possible to efficiently recover the required amount of condensed water, as compared with controlling the drive of the heat medium circulation pump so that the temperature of the hot water stored at the outlet of the heat exchanger becomes the target as in the past.
なお、前述の例において、熱交換器3の出口側の「目標温度」の設定や切り替えを、排ガス流体値に基づいて行なっている場合に、制御装置20は、熱交換効率の向上や安全性を考慮して、目標温度を、予め設けられた上限値である第1温度未満の温度に設定するようになっている。第1温度は、50℃未満にて設定することができる。
In the above example, when the "target temperature" on the outlet side of the
(第2実施形態)
つぎに、熱交換器3の出口側の排ガス温度(外部へ排出する排気温度)を、より低下させる手段を有する、第2実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment having a means for further lowering the exhaust gas temperature (exhaust gas temperature discharged to the outside) on the outlet side of the
図3に示す燃料電池装置101は、前述の、熱交換器3の出口側の排ガス温度、すなわち装置外部へ排出する排気温度をより低下させる構成として、排ガス流路Eと排気流路Vとの間を熱交換器3を経由せずに接続するバイパス流路15と、このバイパス流路15に配設されたガスポンプP3と、を備える。なお、バイパス流路15上には、開閉弁B1が配設されているとともに、触媒容器2と熱交換器3との間の排ガス流路E上には、排ガスの逆流を防止するための逆止弁B2が配設されている。
The
他の部分の構成は、第1実施形態の燃料電池装置100と同じであるので、同じ符号を付して説明を省略する。
Since the configuration of other parts is the same as that of the
そして、前述の構成を有する燃料電池装置101において、制御装置20は、熱交換器3の入口側の排ガス温度を確認する温度確認制御を実行して、この排ガス温度が予め定められた第2温度以上である場合、上述のガスポンプP3を駆動して、熱交換器3から導出された排ガスを、バイパス流路15を経由して排ガス流路Eに還流させる排ガス還流制御を、実行する。第2温度は、例えば70℃に設定することができる。
Then, in the
この構成により、第2実施形態の燃料電池装置101は、排気流路Vを通じて機外に排出される排ガスの温度を、より安全な低温とすることができる。
With this configuration, the
1 燃料電池モジュール
3 熱交換器
20 制御装置
100,101 燃料電池装置
Q 熱媒循環流路
P1 熱媒循環ポンプ
TM サーミスタ
1
Claims (5)
前記燃料電池より排出される排ガスと熱媒とを熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器より排出される排ガスの温度を測定する第1排ガス温度測定部と、
前記熱交換器に熱媒を循環させる循環流路に配設された循環ポンプと、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第1排ガス温度測定部が測定する第1排ガス温度が予め定められた目標温度となるように、前記循環ポンプの駆動を制御する、排ガス温度制御を実行可能である燃料電池装置。 A fuel cell that generates electricity using fuel gas and oxygen-containing gas,
A heat exchanger that exchanges heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell and the heat medium.
A first exhaust gas temperature measuring unit that measures the temperature of the exhaust gas discharged from the heat exchanger,
A circulation pump arranged in a circulation flow path for circulating a heat medium in the heat exchanger,
Equipped with a control device,
The control device is a fuel cell capable of executing exhaust gas temperature control that controls the drive of the circulation pump so that the first exhaust gas temperature measured by the first exhaust gas temperature measuring unit becomes a predetermined target temperature. apparatus.
前記改質器に供給される水蒸気改質用の改質水を貯留する改質水タンクと、
前記改質水タンクに貯留された改質水の水位を検知する水位検知部と、を備え、
前記制御装置は、前記水位検知部が検知した前記改質水タンク内の改質水の水位に基づいて、前記目標温度を設定する、請求項1に記載の燃料電池装置。 A reformer that steam reforms raw fuel and supplies the fuel gas to the fuel cell,
A reformed water tank that stores the reformed water for steam reforming supplied to the reformer, and
A water level detection unit for detecting the water level of the reformed water stored in the reformed water tank is provided.
The fuel cell device according to claim 1, wherein the control device sets the target temperature based on the water level of the reformed water in the reformed water tank detected by the water level detection unit.
前記改質器に供給される改質水の量を測定する改質水量測定部と、
前記制御装置は、前記排ガスに含まれる水分量に関連する排ガス流体値であって、排ガスの流量と、前記改質水量測定部が測定する改質水の流量と、を用いて算出される排ガス流体値と、に基づいて、前記目標温度を設定する、請求項1に記載の燃料電池装置。 A reformer that steam reforms raw fuel and supplies the fuel gas to the fuel cell,
A reformed water amount measuring unit that measures the amount of reformed water supplied to the reformer,
The control device is an exhaust gas fluid value related to the amount of water contained in the exhaust gas, and is an exhaust gas calculated by using the flow rate of the exhaust gas and the flow rate of the reformed water measured by the reformed water amount measuring unit. The fuel cell device according to claim 1, wherein the target temperature is set based on the fluid value.
前記制御装置は、前記目標温度を該第1温度未満の温度に設定する、請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料電池装置。 A first temperature, which is an upper limit temperature, is set in advance as the target temperature.
The fuel cell device according to any one of claims 1 to 3, wherein the control device sets the target temperature to a temperature lower than the first temperature.
前記燃料電池と前記熱交換器との間の排ガス流路と、
前記熱交換器から排出された排ガスを装置外に排気する排気流路と、
前記排ガス流路と前記排気流路との間を、前記熱交換器を経由せずに接続するバイパス流路と、
該バイパス流路に配設されたガスポンプと、を備え、
前記制御装置は、前記第2排ガス温度測定部が測定する第2排ガス温度を確認する温度確認制御を実行して、該第2排ガス温度が予め定められた第2温度以上である場合に、
前記ガスポンプを駆動して、前記熱交換器から排出された排ガスを、前記バイパス流路を経由して前記排ガス流路に還流させる排ガス還流制御を実行する、請求項3または4に記載の燃料電池装置。 A second exhaust gas temperature measuring unit that measures the temperature of the exhaust gas flowing from the fuel cell into the heat exchanger,
The exhaust gas flow path between the fuel cell and the heat exchanger,
An exhaust flow path that exhausts the exhaust gas discharged from the heat exchanger to the outside of the device,
A bypass flow path that connects the exhaust gas flow path and the exhaust gas flow path without passing through the heat exchanger, and a bypass flow path.
A gas pump arranged in the bypass flow path is provided.
The control device executes temperature confirmation control for confirming the second exhaust gas temperature measured by the second exhaust gas temperature measuring unit, and when the second exhaust gas temperature is equal to or higher than a predetermined second temperature,
The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the gas pump is driven to execute an exhaust gas recirculation control for returning the exhaust gas discharged from the heat exchanger to the exhaust gas flow path via the bypass flow path. apparatus.
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