JP2023001986A - Fuel cell power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池発電装置に関する。 The present disclosure relates to fuel cell power plants.
従来、燃料電池システムの起動時に燃料電池熱媒体が所定温度以下の場合には、電気ヒータにより燃料電池熱媒体を昇温することで、燃料電池を早期に暖機する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, when the temperature of the fuel cell heat medium is lower than a predetermined temperature when the fuel cell system is started, there is a known technique for warming up the fuel cell early by raising the temperature of the fuel cell heat medium with an electric heater ( For example, see Patent Document 1).
熱媒油または水は絶縁性を有することから、燃料電池の冷却用の熱媒体として使用されることがある。とりわけ、水よりも粘性が高い熱媒油は、熱伝達の性能が水に比べて小さいので、熱媒油を燃料電池の冷却用に使用する場合、ヒータの熱が熱媒油に伝わりにくく、ヒータに熱がこもりやすい。そのため、ヒータが過熱又は破損しないように、冷却系統に流す熱媒油の最低流量が示されていることが一般的である。 Since thermal oil or water has insulating properties, it is sometimes used as a thermal medium for cooling fuel cells. In particular, thermal oil, which is more viscous than water, has lower heat transfer performance than water. Heat is easily accumulated in the heater. Therefore, a minimum flow rate of the heat transfer oil to be supplied to the cooling system is generally indicated so that the heater does not overheat or break.
しかしながら、熱媒油の温度が比較的低いときに、冷却系統に流す熱媒油の流量が多すぎると、冷却系統の温度が冷え過ぎるおそれがある。冷却系統の温度が冷え過ぎると、例えば、熱媒油の昇温のためのヒータの動作時間が長くなり、エネルギーの損失が増大する。 However, if the flow rate of the heat medium oil flowing through the cooling system is too large when the temperature of the heat medium oil is relatively low, the temperature of the cooling system may become too cold. If the temperature of the cooling system becomes too cold, for example, the operating time of the heater for raising the temperature of the heat transfer oil becomes longer, resulting in increased energy loss.
本開示は、冷却系統の冷え過ぎを抑制可能な燃料電池発電装置を提供する。 The present disclosure provides a fuel cell power generator capable of suppressing overcooling of the cooling system.
本開示の一態様では、
燃料電池と、
前記燃料電池に熱媒油を供給する冷却系統と、
前記冷却系統に設けられ、前記冷却系統に前記熱媒油を循環させるポンプと、
前記燃料電池の出口と前記ポンプの吸い込み口との間で前記熱媒油を加熱するヒータと、
前記ヒータと前記吸い込み口との間で前記熱媒油の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサにより測定された前記温度に応じて、前記熱媒油の流量を増減させる制御装置と、を備える、燃料電池発電装置が提供される。
In one aspect of the present disclosure,
a fuel cell;
a cooling system that supplies thermal oil to the fuel cell;
a pump provided in the cooling system for circulating the heat transfer oil in the cooling system;
a heater for heating the thermal oil between the outlet of the fuel cell and the suction port of the pump;
a temperature sensor that measures the temperature of the heat transfer oil between the heater and the suction port;
and a control device that increases or decreases the flow rate of the thermal oil according to the temperature measured by the temperature sensor.
本開示の一態様によれば、冷却系統の冷え過ぎを抑制できる。 According to one aspect of the present disclosure, overcooling of the cooling system can be suppressed.
以下、実施形態を説明する。 Embodiments will be described below.
図1は、一実施形態に係る燃料電池発電装置の構成例を示す図である。図1に示す燃料電池発電装置11は、燃料ガス及び酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する装置である。燃料電池発電装置11は、例えば、燃料電池13、直流-交流変換器12、冷却系統27、ポンプ28、ヒータ19、温度センサ17、膨張タンク24及び制御装置20を備える。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a fuel cell power generator according to one embodiment. A fuel
燃料電池13は、水素やメタノールなどの燃料の化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池13は、燃料極14、空気極15及び冷却板16を有する。燃料電池13は、燃料極14に供給された水素又は水素リッチなガスと、空気ブロア22によって空気極15に供給された反応空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池13の発電により発生する熱は、セルスタック内に組み込まれた冷却板16により奪われ、燃料電池13の温度は、所定の運転温度に維持される。
The
燃料電池13は、燃料電池13の冷却用の熱媒油が導入される入口13bと、燃料電池13の冷却板16を経由した熱媒油が排出される出口13aとを有する。燃料電池13で発生した熱は、冷却板16から出口13aに排出される熱媒油と共に放出される。
The
直流-交流変換器12は、燃料電池13の発電により得られた直流電力を交流電力に変換して不図示の負荷に供給するDC-ACコンバータである。直流-交流変換器12は、燃料電池13の発電により得られた直流電力の電圧を、異なる電圧の直流電力に変換して不図示の負荷に供給する直流-直流変換器に置換されてもよい。
The DC-
冷却系統27は、燃料電池13に絶縁油等の熱媒油を供給する冷却回路である。冷却系統27は、例えば、燃料電池13に設けられた冷却板16と、燃料電池13の出口13aとポンプ28の吸い込み口28aと結ぶ出口経路27aと、ポンプ28の吐き出し口28bと燃料電池13の入口13bとを結ぶ入口経路27bとを含む。ポンプ28の吐き出し口28bから入口経路27bに吐き出された熱媒油は、冷却系統27を循環する。
The
ポンプ28は、冷却系統27に設けられる循環ポンプであり、冷却系統27に熱媒油を循環させる。ポンプ28は、熱媒油の入口である吸い込み口28aと、熱媒油の出口である吐き出し口28bとを有する。ポンプ28は、制御装置20により制御される不図示のモータにより動作する。
The
ヒータ19は、燃料電池13の出口13aとポンプ28の吸い込み口28aとの間で熱媒油を加熱する。ヒータ19は、例えば、出口13aと吸い込み口28aとの間の出口経路27aに設けられる循環ヒータであり、出口経路27aに流れる熱媒油を加熱する。
The
温度センサ17は、ヒータ19と吸い込み口28aとの間で熱媒油の温度Tを測定し、測定された温度Tに応じたセンサ信号を出力する。温度センサ17は、例えば、出口経路27aのうちヒータ19の出口とポンプ28の吸い込み口28aとの間の経路部分に設けられ、ヒータ19の出口を通過した熱媒油の温度Tを測定する。図1に示す例では、温度センサ17は、膨張タンク24とヒータ19との間の温度Tを測定する。
The
膨張タンク24は、冷却系統27の出口経路27aから分岐し、ヒータ19の下流側で出口経路27aに接続されている。膨張タンク24は、例えば、熱媒油の膨張又は収縮を吸収する機能と、熱媒油中に発生したガスなどを抜いて大気中に放出する機能とを有する。膨張タンク24は、冷却系統27の頂部に設けられ、例えば、膨張タンク24内に収容した熱媒油の液面レベルが最上位の冷却板16よりも高くなるように設置されている(図1は、回路上の位置を示すものであり、実施の設置位置を示すものではない)。
The
制御装置20は、温度センサ17により測定された温度に応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量を増減させるコントローラである。制御装置20は、例えば、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)である。
The
制御装置20は、ヒータ19を通電することで、ヒータ19によって熱媒油を加熱させ、ヒータ19を非通電にすることで、ヒータ19による熱媒油の加熱を停止させる。制御装置20は、ポンプ28の動作を制御し、具体的には、ポンプ28を動かすモータを駆動するインバータを制御する。
The
制御装置20の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサが動作することにより実現されてもよい。制御装置20の機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。
The functions of the
制御装置20は、燃料電池発電装置11の起動時または冷却系統27に流れる熱媒体の温度が所定の温度閾値以下の場合、冷却系統27に流れる熱媒体をヒータ19により加熱することで、燃料電池13を早期に暖機する。しかしながら、熱媒油は、熱伝達の性能が純水等の水に比べて小さいことから、ヒータ19の熱が熱媒油に伝わりにくく、ヒータ19に熱がこもりやすい。そのため、ヒータ19の過熱による焼損などが生じないように、一定以上の流量で冷却系統27に熱媒油を流すことが求められる。
When the fuel cell
ところが、熱媒油の温度が比較的低いときに、冷却系統27に流す熱媒油の流量が多すぎると、冷却系統27の温度が冷え過ぎるおそれがある。冷却系統27の温度が冷え過ぎると、例えば、熱媒油の昇温のためのヒータ19の通電時間が長くなり、エネルギーの損失が増大する。
However, if the flow rate of the heat medium oil flowing through the
本実施形態では、ヒータ19の温度がヒータ19の許容使用最高温度を超過しないように、上限温度T3(図2参照)が予め設定されている。上限温度T3は、ヒータ19の出口側の熱媒油の温度T(ヒータ出口温度)に許された最大温度である。熱媒油のヒータ出口温度と冷却系統27に流れる熱媒油の循環流量とは、相関関係があり、具体的には、熱媒油のヒータ出口温度は、熱媒油の循環流量が多くなるほど低下する。制御装置20は、このような相関関係を利用して、温度センサ17により測定された温度Tに応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量の下限(例えば、ポンプ28から吐き出される下限流量)を増減させる制御を行う(図2参照)。図2に示す例では、制御装置20は、温度センサ17により測定された温度Tが低いほど、冷却系統27に流れる熱媒油の流量の下限を減少させる制御を行う。
In this embodiment, an upper limit temperature T3 (see FIG. 2) is set in advance so that the temperature of the
制御装置20は、そのような制御を行うことで、熱媒油のヒータ出口温度が上限温度T3よりも低い温度領域では、冷却系統27に循環させる熱媒油の流量を減少させることができる。これにより、冷却系統27の冷え過ぎが抑制されるので、例えば、熱媒油の昇温のためのヒータ19の通電時間が短縮し、エネルギーの損失の増大が抑制する効果が得られる。また、制御装置20は、ヒータ19による加熱後の熱媒油の温度Tを温度センサ17により測定するので、ヒータ19が過熱しないように、ヒータ19を通過する熱媒油の流量を高精度に増減できる。
By performing such control, the
制御装置20は、例えば、温度センサ17により測定された温度Tに応じて、ポンプ28の吐き出し口28bから冷却系統27の入口経路27bに吐き出される熱媒油の流量を増減させることで、冷却系統27内のヒータ19を通過する熱媒油の流量を増減できる。
For example, the
図2に示す例では、制御装置20は、温度センサ17に測定された温度Tが低下するほど、冷却系統27に流れる流量の下限を減少させる。これにより、制御装置20は、冷却系統27に流れる流量を、温度センサ17に測定された温度Tが低いほど低く設定される下限流量まで減少させることができる。また、図2に示す例によれば、制御装置20は、冷却系統27に流れる流量を、温度センサ17に測定された温度Tが低いほど低く設定される下限流量よりも低下しないように、冷却系統27に流れる流量を制御できる。
In the example shown in FIG. 2, the
次に、図1に示す形態について、より詳細に説明する。 Next, the form shown in FIG. 1 will be described in more detail.
燃料電池発電装置11は、温度センサ18を備えてもよい。温度センサ17を第1温度センサの一例とすると、温度センサ18は、第2温度センサの一例である。
The fuel
温度センサ18は、ポンプ28の吐き出し口28bと燃料電池13の入口13bとの間で熱媒油の温度tを測定し、測定された温度tに応じたセンサ信号を出力する。温度センサ18は、例えば、入口経路27bのうちポンプ28の吐き出し口28bと燃料電池13の入口13bとの間の経路部分に設けられ、入口13bに入る手前の熱媒油の温度tを測定する。
The
制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tに応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量を制御し、温度センサ17により測定された温度Tに応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量の下限を増減させる。これにより、冷却系統27に流れる熱媒油の流量を燃料電池13の入口13b側の温度tに応じて調整でき、冷却系統27に流れる熱媒油の流量の下限をヒータ19の出口側の温度Tに応じて調整できる。
The
燃料電池発電装置11は、ポンプ28に並列に接続されたバイパス経路26を備えてもよい。バイパス経路26は、入口側が吐き出し口28bに接続され、出口側が吸い込み口28aに接続される循環路である。バイパス経路26には、調節弁25と熱交換器31が設けられている。冷却系統27は、ポンプ28から吐き出された熱媒油の一部が、燃料電池13の冷却板16に送られ、残余の熱媒油が、バイパス経路26上の熱交換器31及び調節弁25を経由してポンプ28の吸い込み口28a側へ戻されるように形成されている。
The fuel
制御装置20は、温度センサ18により測定された熱媒油の温度tに応じて調節弁25の開度を制御することにより、冷却系統27に流れる熱媒油の温度を調整する。制御装置20は、例えば、調節弁25の開度を制御することで、温度センサ18により測定された熱媒油の温度tが所定の目標温度になるように制御できる。これにより、制御装置20は、燃料電池13の温度を、燃料電池13の発電電流に対応した目標温度となるよう調整できる。
The
熱交換器31は、外部冷却水等の外部熱媒体が供給されることで、バイパス経路26に流れる熱媒油と熱交換する。外部熱媒体は、熱交換装置36を通過することにより熱交換され、放熱器38に供給される。放熱器38は、例えば、ファン等により外部熱媒体を空冷する冷却器である。放熱器38により温度が低下した外部熱媒体は、熱交換器31に供給される。
The
図3は、一実施形態に係る燃料電池発電装置の運転制御方法の一例を示すフローチャートである。図4は、一実施形態に係る燃料電池発電装置の制御装置により生成される各操作量を示す図である。なお、図4の縦軸に示す各操作量の大きさは、それぞれ、適宜、スケール変換される。次に、図3及び図4について説明する。 FIG. 3 is a flow chart showing an example of an operation control method for a fuel cell power generator according to one embodiment. FIG. 4 is a diagram showing each manipulated variable generated by the controller of the fuel cell power generator according to one embodiment. Note that the magnitude of each manipulated variable shown on the vertical axis in FIG. 4 is appropriately scale-converted. Next, FIGS. 3 and 4 will be described.
制御装置20は、燃料電池発電装置11の主電源の投入により起動すると、熱媒油が冷却系統27に循環するようにポンプ28の動作を開始する。ステップS10において、制御装置20は、起動時または起動後のポンプ28の動作中に、温度センサ18により検出された入口13b側の温度tが所定の第1閾値温度t1(図4参照)よりも低いか否かを判定する。制御装置20は、温度tが第1閾値温度t1以下の場合、燃料電池13を冷却するのに適切な温度まで熱媒油を昇温させるため、ヒータ19を通電させる(ステップS20)。一方、制御装置20は、温度tが第1閾値温度t1よりも高い場合、ヒータ19を非通電とする(ステップS40)。
When the
ステップS20において、制御装置20は、温度センサ18により検出された入口13b側の温度tが低いほどヒータ19の出力を上げる(図4参照)。これにより、温度tが第1閾値温度t1以下の場合において、熱媒油の温度tが比較的低いときに、熱媒油を早期に加熱できる。ステップS20において、制御装置20は、温度センサ18により検出された入口13b側の温度tが上昇するほど、ヒータ19の出力を徐々に下げる(図4参照)。
In step S20, the
ステップS30において、制御装置20は、温度センサ18により検出された入口13b側の温度tが第1温度閾値t1以下か否かを判定する。制御装置20は、温度tが第1温度閾値t1以下の場合、ヒータ19による加熱を継続する(ステップS20)。一方、制御装置20は、温度tが第1温度閾値t1よりも高い場合、熱媒油の昇温は完了したとして、ヒータ19による加熱を停止する(ステップS40)。このように、制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tが第1閾値温度t1を超えてから、ヒータ19による熱媒油の加熱を停止する(図4参照)。
In step S30, the
ステップS50において、制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tに応じて、冷却系統27に流す流量をPI調整により制御する。PIのPは、比例制御を、Iは、積分制御を表す。例えば、制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tが第1閾値温度t1よりも高いとき、温度センサ18により測定された温度tが所定の目標温度になるように、ポンプ28から冷却系統27に吐き出される熱媒油の流量をPI調整により増減する。例えば、制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tから目標温度を減じた偏差ΔTが大きいほど、ポンプ28から冷却系統27に吐き出される熱媒油の流量が多くなるようにPI調整する。これにより、冷却系統27を循環する熱媒油の温度低下が促進されるので、温度センサ18により測定された温度t(燃料電池13の温度と等価)を目標温度に早期に近づけることができる。
In step S<b>50 , the
ステップS50において、制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tが第1閾値温度t1よりも高いとき、温度センサ18により測定された熱媒油の温度tが高くなるほど、調節弁25の開度を大きくする制御を行ってもよい(図4参照)。調節弁25の開度が大きくなるほど、バイパス経路26上の熱交換器31を通過する熱媒油の流量が増加する。これにより、冷却系統27を循環する熱媒油の温度低下が促進されるので、温度センサ18により測定された温度t(燃料電池13の温度と等価)を目標温度に早期に近づけることができる。制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tが第2閾値温度t2を超えると、調節弁25の開度を大きくする制御を停止し、調節弁25の開度を最大開度に維持する。第2閾値温度t2は、第1閾値温度t1よりも高く設定されている。
In step S50, when the temperature t measured by the
図5は、熱媒油の下限流量の設定方法の一例を示すフローチャートである。図6は、図5の設定方法において、ヒータ出口温度と熱媒油の下限流量との関係を示す図である。制御装置20は、冷却系統27に流す熱媒油の流量を増減するとき(例えば、上述の図3のステップ50において、熱媒油の流量をPI調整により増減するとき)、例えば図5及び図6に示す例に従って、冷却系統27に流れる熱媒油の下限流量を設定する。なお、F1<F2<F3であり、T1<T2<T3<T4である。
FIG. 5 is a flow chart showing an example of a method for setting the lower limit flow rate of heat transfer oil. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the heater outlet temperature and the lower limit flow rate of the heat medium oil in the setting method of FIG. When the
ステップS60において、制御装置20は、温度センサ17により測定されたヒータ出口温度が上限温度T3以下か否かを判定する。上限温度T3は、ヒータ出口温度に許された最大温度である。制御装置20は、ヒータ出口温度が上限温度T3以下ではない場合、熱媒油の下限流量をF3に設定する(ステップS65)。一方、制御装置20は、ヒータ出口温度が上限温度T3以下の場合、温度センサ17により測定されたヒータ出口温度が上限温度T2以下か否かを判定する(ステップS70)。制御装置20は、ヒータ出口温度が上限温度T2以下ではない場合、熱媒油の下限流量をF3に設定する(ステップS75)。一方、制御装置20は、ヒータ出口温度が上限温度T2以下の場合、温度センサ17により測定されたヒータ出口温度が上限温度T1以下か否かを判定する(ステップS80)。制御装置20は、ヒータ出口温度が上限温度T1以下ではない場合、熱媒油の下限流量をF2に設定する(ステップS85)。一方、制御装置20は、ヒータ出口温度が上限温度T1以下の場合、熱媒油の下限流量をF1に設定する(ステップS90)。
In step S60, the
制御装置20は、冷却系統27に流す熱媒油の流量が図5及び図6に従って設定された下限流量よりも低下しないように、冷却系統27に流す熱媒油の流量を増減させる。これにより、ヒータ出口温度が低いほど、冷却系統27に流す熱媒油の流量を減らすことができる。よって、ヒータ出口温度が比較的低い温度領域において、冷却系統27に流す熱媒油の過多による冷却系統27の冷え過ぎを抑制できる。
The
なお、制御装置20は、冷却系統27に流す熱媒油の流量を増減するとき(例えば、上述の図3のステップ50において、熱媒油の流量をPI調整により増減するとき)、上述の図2に示す例に従って、冷却系統27に流れる熱媒油の下限流量を設定してもよい。
When increasing or decreasing the flow rate of the heat medium oil flowing through the cooling system 27 (for example, when increasing or decreasing the flow rate of the heat medium oil by PI adjustment in step 50 of FIG. 3 described above), the
また、制御装置20は、温度センサ17により測定されたヒータ出口温度がヒータ保護温度T4まで上昇すると、ヒータ19の焼損を防ぐため、燃料電池13の発電を停止して燃料電池発電装置11の動作を停止させてもよい。
Further, when the heater outlet temperature measured by the
以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。 Although the embodiments have been described above, the technology of the present disclosure is not limited to the above embodiments. Various modifications and improvements such as combination or replacement with part or all of other embodiments are possible.
11 燃料電池発電装置
12 直流-交流変換器
13 燃料電池
13a 出口
13b 入口
14 燃料極
15 空気極
16 冷却板
17 温度センサ
18 温度センサ
19 ヒータ
20 制御装置
22 空気ブロア
24 膨張タンク
25 調節弁
26 バイパス経路
27 冷却系統
27a 出口経路
27b 入口経路
28 ポンプ
28a 吸い込み口
28b 吐き出し口
31 熱交換器
36 熱交換装置
38 放熱器
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記燃料電池に熱媒油を供給する冷却系統と、
前記冷却系統に設けられ、前記冷却系統に前記熱媒油を循環させるポンプと、
前記燃料電池の出口と前記ポンプの吸い込み口との間で前記熱媒油を加熱するヒータと、
前記ヒータと前記吸い込み口との間で前記熱媒油の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサにより測定された前記温度に応じて、前記熱媒油の流量を増減させる制御装置と、を備える、燃料電池発電装置。 a fuel cell;
a cooling system that supplies thermal oil to the fuel cell;
a pump provided in the cooling system for circulating the heat transfer oil in the cooling system;
a heater for heating the thermal oil between the outlet of the fuel cell and the suction port of the pump;
a temperature sensor that measures the temperature of the heat transfer oil between the heater and the suction port;
and a control device that increases or decreases the flow rate of the thermal oil according to the temperature measured by the temperature sensor.
前記制御装置は、前記第2温度センサにより測定された前記温度に応じて、前記流量を制御し、前記温度センサにより測定された前記温度に応じて、前記流量の下限を増減させる、請求項1に記載の燃料電池発電装置。 a second temperature sensor that measures the temperature of the thermal oil between the outlet of the pump and the inlet of the fuel cell;
2. The controller controls the flow rate according to the temperature measured by the second temperature sensor, and increases or decreases the lower limit of the flow rate according to the temperature measured by the temperature sensor. The fuel cell power generator according to .
前記制御装置は、前記第2温度センサにより測定された前記温度が前記閾値温度よりも高いとき、前記第2温度センサにより測定された前記温度が高くなるほど、前記調節弁の開度を大きくする、請求項3に記載の燃料電池発電装置。 a bypass path provided with a control valve and a heat exchanger and connected in parallel to the pump;
When the temperature measured by the second temperature sensor is higher than the threshold temperature, the control device increases the degree of opening of the control valve as the temperature measured by the second temperature sensor increases. The fuel cell power generator according to claim 3.
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