JP2710125B2 - 燃料電池の水蒸気分離器における余剰水蒸気量制御装置 - Google Patents

燃料電池の水蒸気分離器における余剰水蒸気量制御装置

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JP2710125B2
JP2710125B2 JP63045072A JP4507288A JP2710125B2 JP 2710125 B2 JP2710125 B2 JP 2710125B2 JP 63045072 A JP63045072 A JP 63045072A JP 4507288 A JP4507288 A JP 4507288A JP 2710125 B2 JP2710125 B2 JP 2710125B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は燃料電池の冷却水と燃料生成用水蒸気と排
熱利用の為の余剰水蒸気を供給する為の水蒸気分離器に
おける余剰水蒸気量制御装置に関するものである。
[従来の技術] 第3図は例えば特開昭62−136773号公報に示された従
来の燃料電池の水蒸気分離器の概略系統図であり、図に
おいて、(1)は加圧水発生容器となる水蒸気分離器本
体、(2)はこの水蒸気分離器本体(1)にて発生した
加圧水を燃料電池(3)の冷却水として送水する電池冷
却水循環ポンプ、(4)はこの加圧水を昇温するヒー
タ、(5)は水蒸気分離器本体(1)内の加圧水量が不
足した時に外部より純水を補給する純水供給ポンプ、
(6)は水蒸気分離器本体(1)からの発生主水蒸気を
用いて、燃料ガスを発生させる改質器、(7)は改質器
(6)に供給した残りの余剰水蒸気の排熱利用の為の熱
交換器、(8a)はこの余剰水蒸気の流量調節弁、(8b)
は主水蒸気の流量調節弁、(9)は水蒸気分離器本体
(1)の圧力調節弁、(10)は水蒸気分離器本体(1)
内の圧力検出器、(11)は水蒸気分離器本体(1)内の
加圧水の液位検出器、(12)は水蒸気分離器本体(1)
内の加圧水温度検出器、(13)は燃料電池(3)の出力
電力計、(14)は主水蒸気の流量検出器、(15)は圧力
調節弁(9)の開度を圧力検出器(10)の信号をもとに
一定値に制御する圧力コントローラ、(16)は流量調節
弁(8b)の開度を流量検出器(14)の信号をもとに、燃
料電池(3)の出力電力に応じた主水蒸気量を流す様に
制御する流量コントローラ、(17)は前記主水蒸気量を
計算する関数発生器である。しかるに、加圧水を発生す
る手段としては水蒸気分離器本体(1)により構成さ
れ、加圧水発生手段に純水を供給する手段としては純水
供給ポンプ(5)により構成され、加圧水の温度を制御
する手段としてはヒータ(4)と加圧水温度検出器(1
2)により構成され、加圧水の圧力を制御する手段とし
ては圧力検出器(10)および圧力コントローラ(15)、
圧力調節弁(9)により構成され、加圧水の水位を制御
する手段としては純水供給ポンプ(5)および液位検出
器(11)により構成され、加圧水を燃料電池に供給する
ために循環させる手段としては電池冷却水循環ポンプ
(2)により構成され、主水蒸気を改質器へ導く手段と
しては主水蒸気流量調節弁(8b)と改質器(6)、水蒸
気分離器本体(1)間をつなぐ配管とから構成され、余
剰水蒸気を熱交換器へ導く手段としては水蒸気分離器本
体(1)と熱交換器(7)をつなぐ配管により構成され
ている。
次に動作について説明する。水蒸気分離器本体(1)
内で純水供給ポンプ(5)によって供給された低温の純
水が、ヒータ(4)により水蒸気分離器本体(1)内が
所定の圧力、温度となる様加熱昇温される。水蒸気分離
器本体(1)内で発生した加圧水は電池冷却水循環ポン
プ(2)により、燃料電池(3)に送水されるが、燃料
電池(3)が発電している際には冷却水の役割を果た
し、燃料電池(3)が停止している際には保温水の役割
を果たす。燃料電池(3)の発電に必要な燃料ガス生成
用の主水蒸気は出力電力に応じた量だけ関数発生器(1
7)により計算された上で流量検出器(14)の信号をも
とに流量コントローラ(16)で開度制御された流量調節
弁(8b)を通して水蒸気分離器本体(1)内の加圧水上
部の水蒸気層より改質器(6)に導かれ、残りの余剰水
蒸気は排熱利用の為の熱交換器(7)に導かれる。この
余剰水蒸気の流量は流量調節弁(8a)により手動にて調
節することができ、また水蒸気分離器本体(1)内の圧
力を一定に保つ為に、圧力検出器(10)の信号により圧
力調節弁(9)の開度が圧力コントローラ(15)によっ
て制御される。水蒸気分離器本体(1)内の加圧水の液
位については、液位検出器(11)の信号により、純水供
給ポンプ(5)をON−OFFして、所定範囲内液位になる
様制御し、加圧水の温度については温度検出器(12)の
信号により、ヒータ(4)の電源をON−OFFして所定の
温度になる様制御する。従って、水蒸気分離器本体
(1)内の圧力挙動としては、燃料電池(3)の出力変
動による。改質器(6)への主水蒸気供給量変化に伴う
圧力変動および改質器(6)への主水蒸気供給量が定常
状態であってもヒータ(4)のON−OFFによる制御範囲
内での加圧水温度変化や純水供給ポンプ(5)のON−OF
Fによる間欠的な低温純水供給に起因する加圧水温度低
下等に伴う圧力変動があり、このうち燃料電池(3)の
出力急変による主水蒸気供給量変化に伴う圧力変動が最
も大きい比率を占める。
[発明が解決しようとする課題] 従来の燃料電池の水蒸気分離器システムは以上の様に
構成されているので、水蒸気分離器本体内の圧力変動の
うち大きな比率を占める燃料電池の出力変化に伴う水蒸
気分離器本体内の圧力変動に対し、流量調節弁の開度は
初期設定のままだから、水蒸気分離器本体内を所定圧力
に保つ為に、流量調節弁の初期設定開度が開度過剰であ
れば、圧力調節弁は閉じる方向に動作するが、全閉でも
所定圧力まで昇圧しない等の制御不可能状態に陥ること
があり、その都度流量調節弁の開度を設定しなおさなけ
ればならない課題があつた。また計画的な燃料電池の出
力変化である場合は流量調節弁の開度再設定を事前に実
施すれば良いが出力が無作為に急変した場合には、水蒸
気分離器本体が所定圧まで昇圧しないことによる主水蒸
気量不足が発生し、燃料ガスの不足を引き起こし、燃料
電池のガス欠運転となって、電池の寿命を著しく縮める
ことがある。また、水蒸気分離器本体内の圧力変動を検
出してからの制御であるため、時間遅れがあり、水蒸気
分離器本体内の圧力変動が大きくなり、主水蒸気量の変
動も大きくなってしまう。
この発明は上記のような課題を解決するためになされ
たもので、主水蒸気を安定供給することができる燃料電
池の水蒸気分離器における水蒸気制御装置を得ることを
目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明に係る燃料電池の水蒸気分離器における水蒸
気量制御装置は、余剰水蒸気の熱交換器に至る供給路に
流量調節弁と流量検出器を設けると共に、燃料電池の出
力電力に対応した余剰水蒸気量を算出する関数発生器を
設け、更に、この関数発生器の算出量と流量検出器の流
量とに基づいて流量調節弁の開度を制御する流量コント
ローラを設けるようにしたものである。
[作用] この発明においては、関数発生器が燃料電池の出力電
力に応じて余剰水蒸気量を算出すると共に、この算出結
果と流量検出器によって検出された実際の供給量とを流
量コントローラが対比し、両者が等しくなるように流量
調節弁の開度を制御するため、水蒸気分離器本体内の圧
力上昇要因となる余剰水蒸気を総発生蒸気量に対し過不
足なく排出することが出来、水蒸気分離器本体内の圧力
変動を無くすことができる。
[発明の実施例] 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
1図において、(1)〜(17)は(8a)を除いて上記従
来のものと同様のものである。すなわち(8a)は流量調
節弁であり、手動式のものではなく、外部信号による自
動式に変更している。(18)は余剰水蒸気量の流量検出
器、(19)は後述する関数発生器の算出結果と流量検出
器(18)の信号、即ち検出流量とを対比して余剰水蒸気
量量が燃料電池(3)の出力電力に応じた量となるよう
に流量調節弁(8a)の開度を制御する流量コントロー
ラ、(20)は燃料電池の出力電力に応じた余剰水蒸気を
算出する関数発生器である。燃料電池(3)の出力電力
に応じて余剰水蒸気量を変化させる手段としては、流量
調節弁(8a)、流量コントローラ(19)、および出力電
力計(13)、関数発生器(20)により構成される。
次に動作について説明する。燃料電池(3)の出力変
化と同時に、その出力に対応した余剰水蒸気量を関数発
生器(20)で算出して、その余剰水蒸気量を流せる様
に、流量調節弁(8a)の開度を流量コントローラ(19)
で自動的に制御する。
すなわち、第2図に示す様に水蒸気分離器本体(1)
が所定温度、所定圧力の定常状態においては、水蒸気分
離器本体(1)より発生する総水蒸気量Q0は一定であ
り、主水蒸気量Q1(W)と余剰水蒸気量Q2(W)の和が
発生総水蒸気量となるから、燃料電池(3)の出力に応
じて主水蒸気量は規定されるゆえ、余剰水蒸気量も燃料
電池(3)の出力に応じて一義的に決まってしまう。
この余剰水蒸気量を算出して、燃料電池(3)の出力
変化と同時に流量調節弁(8a)を動作させて、余剰水蒸
気量を制御すれば、水蒸気分離器本体(1)内の圧力の
上昇原因となる余剰水蒸気が総発生水蒸気量に対し、過
不足なく系外へ排出されるので、水蒸気分離器本体
(1)内の圧力は予め設定された圧力、温度に安定に保
つことができ、圧力変動が無くなる。総発生水蒸気量は
一定であるので、流量検出器(14)の部分での主水蒸気
量の不足は流量検出器(18)での余剰水蒸気量の過剰に
つながり、これらの過不足を補正制御する様に流量調節
弁(8a),(8b)が動作するため、お互いの動作は流量
偏差現象を正常化させるための補完促進動作であり、干
渉することはない。これらの動作により、総発生水蒸気
量は全て過不足なく消費され、水蒸気分離器本体(1)
内の圧力は一定となる。また、これらの動作は圧力上昇
の原因となる流量の過不足を制御するものであるから、
圧力変動となって現れる前に制御していることであり、
水蒸気分離器本体(1)内の圧力変動という観点で見れ
ば、格段に制御精度が向上する。
万一、時間遅れ等で、関数発生器(20)で計算した余
剰水蒸気量を流量調節弁(8a)を通して放出し所定の水
蒸気分離器本体(1)内圧力にならなかつた場合でも、
圧力調節弁(9)の開度が変化して、水蒸気分離器本体
(1)内を所定圧力にしようとする従来機構の動作は働
くので、二重の安全対策にもなっている。
なお、上記実施例では余剰水蒸気の流量調節弁(8a)
と圧力調節弁(9)が水蒸気分離器本体(1)に対し、
各々の配管にて接続されている並列接続であったが、水
蒸気分離器本体(1)より抽出される余剰水蒸気の配管
一本の途中に、流量調節弁(8a)と圧力調節弁(9)が
直列に接続されていても同様の効果を奏する。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、主水蒸気量と余剰
水蒸気量との間の過不足による水蒸気分離器本体内の圧
力変動をなくすことができ、省力化が可能となるととも
に、主水蒸気量の供給安定性が高まり、燃料電池のガス
欠運転を防止することができるから燃料電池の寿命延長
も得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例による燃料電池の水蒸気分
離器における余剰水蒸気量制御装置を示す系統図、第2
図は燃料電池出力と主水蒸気量、余剰水蒸気量、総発生
水蒸気量との関係を示す特性図、第3図は従来の燃料電
池の水蒸気分離器を示す系統図である。 図において、(1)は水蒸気分離器、(2)は電池冷却
水循環ポンプ、(3)は燃料電池、(5)は純水供給ポ
ンプ、(6)は改質器、(7)は熱交換器、(8a)は流
量調節弁、(18)は流量検出器、(19)は流量コントロ
ーラ、(20)は関数発生器である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の温度及び圧力の加圧水を発生して燃
    料電池に供給すると共に、水蒸気を分離して前記燃料電
    池の燃料ガス生成用の改質器に供給する水蒸気分離器本
    体及び前記水蒸気分離器本体の余剰水蒸気を熱交換し、
    排熱利用する熱交換器を有するものにおいて、前記余剰
    水蒸気の前記熱交換器に至る供給路に設けられ、余剰水
    蒸気の量を検出する流量検出器、前記供給路に設けら
    れ、余剰水蒸気の供給量を調整し得る流量調節弁、前記
    燃料電池の出力電力に対応した余剰水蒸気量を算出する
    関数発生器及びこの関数発生器の算出量と前記流量検出
    器の検出量とに基づいて前記流量調節弁の開度を制御す
    る流量コントローラを備えたことを特徴とする燃料電池
    の水蒸気分離器における余剰水蒸気量制御装置。
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