JP4106356B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、循環手段によって熱媒体が流通される熱媒体回路と、熱媒体回路上に設けられて熱媒体が燃料電池と熱交換可能である第1熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、熱媒体回路上に第1熱交換器の上流に設けられて熱媒体が改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第2熱交換器と、第1熱交換器に流入する熱媒体の温度を低下させる手段と、燃料電池の温度または熱媒体の温度に基づいて循環手段を制御し熱媒体回路内の熱媒体流量を制御する制御装置を備え、制御装置は、燃料電池システムの起動時には、熱媒体の温度が、燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように熱媒体流量を制御し、燃料電池システムの定常運転時には、熱媒体の温度を低下させる手段を作動させるとともに、燃料電池の温度が、燃料電池システムの起動時の燃料電池の温度よりも高い定常運転温度となるように熱媒体流量を制御することである。
また請求項7に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、循環手段によって熱媒体が流通する熱媒体回路と、熱媒体回路上に設けられて熱媒体が燃料電池と熱交換可能である第1熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、熱媒体回路上に第1熱交換器の上流に設けられて熱媒体が改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第2熱交換器と、熱媒体の温度に基づいて循環手段を制御し熱媒体回路内の熱媒体流量を制御する制御装置を備え、制御装置は、燃料電池システムの起動時には、熱媒体の温度が、燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように前記熱媒体流量を制御することである。
また請求項8に係る発明の構成上の特徴は、請求項7において、熱媒体回路上に第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、熱媒体回路上に設けて貯湯槽をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に設けた第1開閉弁と、貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の前記熱媒体回路上に設けた第2開閉弁と、をさらに備え、制御装置は、燃料電池システムの定常運転時には、第1開閉弁を閉状態とするとともに第2開閉弁を開状態とし、燃料電池システムの起動時よりも熱媒体流量を増加させ、熱媒体の温度が、燃料電池システムの起動時の所定温度より低温となるように制御することである。
また請求項9に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項8の何れか一項において、第1熱交換器は、燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒回路と熱媒体回路との間で熱交換を行うものであることである。
また請求項10に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項8の何れか一項において、第2熱交換器は、熱媒体が改質装置を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器であることである。
また請求項11に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項10の何れか一項において、熱媒体回路の第1熱交換器の入口に、熱媒体の温度を検出する温度センサを設けたことである。
また請求項12に係る発明の構成上の特徴は、請求項10において、気体は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスであることである。
さらに、制御装置が、燃料電池の温度または熱媒体の温度に基づいて循環手段を制御し熱媒体回路内の熱媒体流量を制御することにより、改質装置との熱交換を燃料電池を暖機する上で最適化することができる。
さらに、制御装置が、燃料電池システムの起動時には、熱媒体の温度が、燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように熱媒体流量を制御する。また、燃料電池システムの定常運転時には、燃料電池の温度が、燃料電池システムの起動時の燃料電池の温度よりも高い定常運転温度となるように熱媒体流量を制御する。したがって、起動時には燃料電池に熱負荷(熱負担)をかけることなく燃料電池を適切に暖機しすなわち燃料電池を効率的に暖機し、かつ、定常運転時には定常運転温度で高効率にて発電しその際自己発熱して高温である燃料電池の排熱を適切な流量の熱媒体で効率よく回収することができる。
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、燃料電池システムの起動に際して、第2熱交換器は、システム起動とともに起動している改質装置から排熱を回収し、その排熱によって熱媒体回路を流通する熱媒体を昇温する。この昇温された熱媒体は、第2熱交換器の下流に位置する第1熱交換器に到達し、第1熱交換器は熱媒体と燃料電池との間で熱交換することにより燃料電池を昇温する。したがって、燃料電池システムの低温起動時に、改質装置の排熱を有効利用して燃料電池を暖機することにより、システム全体の大型化をともなうことなく、システムの運転効率を向上させることができる。
さらに、制御装置が、燃料電池の温度または熱媒体の温度に基づいて循環手段を制御し熱媒体回路内の熱媒体流量を制御することにより、改質装置との熱交換を燃料電池を暖機する上で最適化することができる。
さらに、制御装置が、燃料電池システムの起動時には、熱媒体の温度が、燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように熱媒体流量を制御する。また、燃料電池システムの定常運転時には、第1熱交換器に流入する熱媒体の温度を低下させる手段を作動させるとともに、燃料電池の温度が、燃料電池システムの起動時の燃料電池の温度よりも高い定常運転温度となるように熱媒体流量を制御する。したがって、起動時には燃料電池に熱負荷(熱負担)をかけることなく燃料電池を適切に暖機しすなわち燃料電池を効率的に暖機し、かつ、定常運転時には定常運転温度で高効率にて発電しその際自己発熱して高温である燃料電池の排熱を適切な流量の熱媒体で効率よく回収することができる。
さらに、熱媒体回路上に第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、熱媒体回路上に設けて貯湯槽をバイパスするバイパス路と、このバイパス路に設けた第1開閉弁と、貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の熱媒体回路上に設けた第2開閉弁と、をさらに備え、当該燃料電池システムの起動時において燃料電池の温度が所定温度未満である場合、第1開閉弁を開状態とするとともに第2開閉弁を閉状態とし、燃料電池の温度が所定温度以上である場合、第1開閉弁を閉状態とするとともに第2開閉弁を開状態とする。これにより、燃料電池の暖機時には、貯湯槽内の熱媒体を使用せず熱媒体回路とバイパス路内の熱媒体を使用して燃料電池を昇温し、燃料電池の暖機が完了した後、発電による自己発熱によって高温となる燃料電池を冷却して一定の温度に維持する際には、貯湯槽内の熱媒体を使用して燃料電池を冷却する。したがって、貯湯槽の温度層を乱すことなく、高い熱効率にて燃料電池を暖機・冷却することができる。
上記のように構成した請求項7に係る発明においては、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、循環手段によって熱媒体が流通される熱媒体回路と、熱媒体回路上に設けられて熱媒体が燃料電池と熱交換可能である第1熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、熱媒体回路上に第1熱交換器の上流に設けられて熱媒体が改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第2熱交換器と、熱媒体の温度に基づいて循環手段を制御し熱媒体回路内の熱媒体流量を制御する制御装置を備え、制御装置は、燃料電池システムの起動時には、熱媒体の温度が、燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように前記熱媒体流量を制御する。これにより、燃料電池システムの起動に際して、第2熱交換器は、システム起動とともに起動している改質装置から排熱を回収し、その排熱によって熱媒体回路を流通する熱媒体を昇温する。この昇温された熱媒体は、第2熱交換器の下流に位置する第1熱交換器に到達し、第1熱交換器は熱媒体と燃料電池との間で熱交換することにより燃料電池を昇温する。したがって、燃料電池システムの低温起動時に、改質装置の排熱を有効利用して燃料電池を暖機することにより、システム全体の大型化をともなうことなく、システムの運転効率を向上させることができる。さらに、制御装置が、燃料電池システムの起動時には、熱媒体の温度が、燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように熱媒体流量を制御する。したがって、起動時には燃料電池に熱負荷(熱負担)をかけることなく燃料電池を適切に暖機しすなわち燃料電池を効率的に暖機することができる。
上記のように構成した請求項8に係る発明においては、請求項7において、熱媒体回路上に第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、熱媒体回路上に設けて貯湯槽をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に設けた第1開閉弁と、貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の前記熱媒体回路上に設けた第2開閉弁と、をさらに備え、制御装置は、燃料電池システムの定常運転時には、第1開閉弁を閉状態とするとともに第2開閉弁を開状態とし、燃料電池システムの起動時よりも熱媒体流量を増加させ、熱媒体の温度が、燃料電池システムの起動時の所定温度より低温となるように制御する。これにより、燃料電池の暖機が完了した後、発電による自己発熱によって高温となる燃料電池を、貯湯槽内の低温の熱媒体を使用して冷却し一定の温度に維持することができる。したがって、貯湯槽の温度層を乱すことなく、高い熱効率にて燃料電池を暖機・冷却することができる。
上記のように構成した請求項9に係る発明においては、請求項1乃至請求項8の何れか一項に係る発明において、第1熱交換器は、燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒回路と熱媒体回路との間で熱交換を行うものであるので、簡単な構成で確実に熱媒体と燃料電池との間で熱交換をすることができる。
上記のように構成した請求項10に係る発明においては、請求項1乃至請求項8の何れか一項において、第2熱交換器は、熱媒体が改質装置を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成で確実に燃料電池を昇温するための熱媒体を昇温することができる。
上記のように構成した請求項11に係る発明においては、請求項1乃至請求項10の何れか一項において、熱媒体回路の第1熱交換器の入口に、熱媒体の温度を検出する温度センサを設けたので、第1熱交換器で熱交換される前の熱媒体の温度を確実に検出し、熱媒体温度を精度よく制御することができる。
上記のように構成した請求項12に係る発明においては、請求項10において、気体は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスであるので、燃料電池システムの起動時において、改質装置から燃料極に供給される高温かつ蒸気を含む燃料ガスの熱を有効に利用して燃料電池を暖機することができる。
Claims (12)
- 燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、
循環手段によって熱媒体が流通される熱媒体回路と、
前記熱媒体回路上に設けられて前記熱媒体が前記燃料電池と熱交換可能である第1熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記熱媒体回路上に前記第1熱交換器の上流に設けられて前記熱媒体が前記改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第2熱交換器と、
前記燃料電池の温度または前記熱媒体の温度に基づいて前記循環手段を制御し前記熱媒体回路内の熱媒体流量を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの起動時には、前記熱媒体の温度が、前記燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、前記燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように前記熱媒体流量を制御し、
前記燃料電池システムの定常運転時には、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池システムの起動時の前記燃料電池の温度よりも高い定常運転温度となるように前記熱媒体流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、
循環手段によって熱媒体が流通される熱媒体回路と、
前記熱媒体回路上に設けられて前記熱媒体が前記燃料電池と熱交換可能である第1熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記熱媒体回路上に前記第1熱交換器の上流に設けられて前記熱媒体が前記改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第2熱交換器と、
前記第1熱交換器に流入する前記熱媒体の温度を低下させる手段と、
前記燃料電池の温度または前記熱媒体の温度に基づいて前記循環手段を制御し前記熱媒体回路内の熱媒体流量を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの起動時には、前記熱媒体の温度が、前記燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、前記燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように前記熱媒体流量を制御し、
前記燃料電池システムの定常運転時には、前記熱媒体の温度を低下させる手段を作動させるとともに、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池システムの起動時の前記燃料電池の温度よりも高い定常運転温度となるように前記熱媒体流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2において、前記制御装置は、前記燃料電池システムの定常運転時には、前記燃料電池システムの起動時よりも前記熱媒体流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1または請求項2において、前記定常運転温度は前記燃料電池が高効率にて発電する温度であることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1において、
前記熱媒体回路上に前記第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、
前記熱媒体回路上に設けて前記貯湯槽をバイパスするバイパス路と、
該バイパス路に設けた第1開閉弁と、
前記貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の前記熱媒体回路上に設けた第2開閉弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの起動時において前記燃料電池の温度が所定温度未満である場合、前記第1開閉弁を開状態とするとともに前記第2開閉弁を閉状態とし、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合、前記第1開閉弁を閉状態とするとともに前記第2開閉弁を開状態とすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1、請求項2または請求項5において、前記燃料電池システムの起動後、前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
- 燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、
循環手段によって熱媒体が流通される熱媒体回路と、
前記熱媒体回路上に設けられて前記熱媒体が前記燃料電池と熱交換可能である第1熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記熱媒体回路上に前記第1熱交換器の上流に設けられて前記熱媒体が前記改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第2熱交換器と、
前記熱媒体の温度に基づいて前記循環手段を制御し前記熱媒体回路内の熱媒体流量を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの起動時には、前記熱媒体の温度が、前記燃料電池が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度より高く、かつ、前記燃料電池が高効率にて発電する温度である定常運転温度より低く設定されている所定温度に一定となるように前記熱媒体流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7において、
前記熱媒体回路上に前記第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、
前記熱媒体回路上に設けて前記貯湯槽をバイパスするバイパス路と、
該バイパス路に設けた第1開閉弁と、
前記貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の前記熱媒体回路上に設けた第2開閉弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの定常運転時には、前記第1開閉弁を閉状態とするとともに前記第2開閉弁を開状態とし、前記燃料電池システムの起動時よりも前記熱媒体流量を増加させ、前記熱媒体の温度が、前記燃料電池システムの起動時の前記所定温度より低温となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項8の何れか一項において、前記第1熱交換器は、前記燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒回路と前記熱媒体回路との間で熱交換を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1乃至請求項8の何れか一項において、前記第2熱交換器は、前記熱媒体が前記改質装置を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器であることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1乃至請求項10の何れか一項において、前記熱媒体回路の前記第1熱交換器の入口に、前記熱媒体の温度を検出する温度センサを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項10において、前記気体は、前記燃料電池の燃料極に供給される前記燃料ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
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