JP4516362B2 - Fuel cell system - Google Patents

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    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時の制御に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell, and more particularly to control at the time of startup of the fuel cell.

この燃料電池システムとしては、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電する燃料電池10と、燃料電池10の発電出力を交流電力に変換して電源ラインに供給するインバータ11と、燃料電池10との間で熱交換する熱媒体が循環する熱媒体循環回路20と、熱媒体循環回路20上に設けられて熱媒体を循環させる循環手段24と、熱媒体循環回路20上に設けられて通電されて熱媒体を昇温する熱媒体加熱手段32とを備えたものが知られている(特許文献1参照)。   In this fuel cell system, a fuel cell 10 that supplies fuel and oxidant gas to a fuel electrode and an oxidant electrode, respectively, and generates electric power by their chemical reaction, and a power generation line that converts the power generation output of the fuel cell 10 into AC power An inverter 11 supplied to the fuel cell 10, a heat medium circulation circuit 20 in which a heat medium that exchanges heat between the fuel cell 10 circulates, a circulation means 24 that is provided on the heat medium circulation circuit 20 and circulates the heat medium, and heat There is known one provided with a heat medium heating means 32 provided on the medium circulation circuit 20 and energized to raise the temperature of the heat medium (see Patent Document 1).

この特許文献1に記載の燃料電池システムにおいては、この燃料電池においては発電に伴い内部で水分が発生する。また、燃料電池は、燃料極と空気極との間に介在されている電解質の機能を確保する目的で、燃料電池に供給される改質ガスおよび空気を加湿している。低温環境下においては、これら水分が凍結し燃料電池が起動しないあるいは出力が低下するという問題があり、これに対処するために、燃料電池の一部を集中的に電気ヒータなどで加熱することによりその一部において発電を可能とし、その一部の発電による自己発熱を利用して残りの部分を加熱する起動方法が実施されている。具体的には、燃料電池温度Tfcが運転可能温度(燃料電池バイパス温度Tfb)未満の場合には電気ヒータ32で加熱し、燃料電池バイパス温度Tfb以上になると、発電可能となった一部で発電を開始してその発電による自己発熱と電気ヒータ32による加熱とによりさらに加熱し、ラジエータバイパス温度Trb以上となると、燃料電池全体で発電が可能であると判断して定常運転時の制御を行っている。   In the fuel cell system described in Patent Document 1, moisture is generated inside the fuel cell with power generation. In addition, the fuel cell humidifies the reformed gas and air supplied to the fuel cell in order to ensure the function of the electrolyte interposed between the fuel electrode and the air electrode. In a low temperature environment, there is a problem that the moisture freezes and the fuel cell does not start or the output decreases, and in order to cope with this, a part of the fuel cell is heated intensively with an electric heater or the like. Some start-up methods have been implemented in which power generation is possible in some of them, and the remaining portions are heated using self-heating generated by the partial power generation. Specifically, when the fuel cell temperature Tfc is lower than the operable temperature (fuel cell bypass temperature Tfb), it is heated by the electric heater 32. Is further heated by self-heating by the power generation and heating by the electric heater 32, and when the temperature exceeds the radiator bypass temperature Trb, it is determined that the entire fuel cell can generate power, and control during steady operation is performed. Yes.

また、燃料電池システムの起動方法として、燃料ガスを供給して燃料電池の発電を行い、その発電電力を利用して内部負荷である負荷昇温用ヒータを加熱し、このヒータの熱によって燃料電池を昇温する可搬型燃料電池電源の起動方法において、昇温が開始して電池電流が上限値まで増加する間は、電池電圧が下限値に維持されるように電池電流の増加に応じて内部負荷を制御する電圧基準制御ステップと、電池電流が上限値に達してから後は、電池電流が上限値に維持されるように電池電圧の増加に応じて内部負荷を制御する電流基準制御ステップとから成るものが知られている(特許文献2参照)。   Also, as a method for starting the fuel cell system, fuel gas is supplied to generate power from the fuel cell, and the generated temperature is used to heat a load heating heater that is an internal load. In the start-up method of the portable fuel cell power source that raises the temperature of the battery, while the temperature rises and the battery current increases to the upper limit value, the internal voltage is increased according to the increase of the battery current so that the battery voltage is maintained at the lower limit value. A voltage reference control step for controlling the load, and a current reference control step for controlling the internal load in accordance with an increase in the battery voltage so that the battery current is maintained at the upper limit value after the battery current reaches the upper limit value; Is known (see Patent Document 2).

この特許文献2に記載の燃料電池システムの起動方法においては、負荷昇温が開始して電池電流が上限値に達するまでの間は、電池電圧が下限値に維持されるように電池電流の増加に応じて内部負荷を制御するので、各瞬時において最大の負荷に電力供給していることとなり、一方、電池電流が上限値に達してから後は、電池電流が上限値に維持されるように電池電圧の増加に応じて内部負荷を制御するので、燃料電池電源の最大発電量を負荷に供給することとなる。すなわち、燃料電池が運転温度に昇温するまでの間、燃料電池が出力可能な最大電力を発電させている。また、燃料電池の発電出力を全て内部負荷であるヒータで消費している。
特開2003−249251号公報(第7−9頁、図1,3) 特開平07−29585号公報(第2−3頁、図1−7)
In the starting method of the fuel cell system described in Patent Document 2, the battery current increases so that the battery voltage is maintained at the lower limit value until the battery current reaches the upper limit value after the temperature rise of the load starts. Since the internal load is controlled according to the power, the maximum load is supplied at each moment. On the other hand, after the battery current reaches the upper limit value, the battery current is maintained at the upper limit value. Since the internal load is controlled according to the increase of the battery voltage, the maximum power generation amount of the fuel cell power supply is supplied to the load. That is, the maximum electric power that can be output by the fuel cell is generated until the temperature of the fuel cell rises to the operating temperature. Further, all the power generation output of the fuel cell is consumed by a heater which is an internal load.
Japanese Patent Laying-Open No. 2003-249251 (page 7-9, FIGS. 1 and 3) Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-29585 (page 2-3, FIG. 1-7)

上述した特許文献1に記載の燃料電池システムにおいては、低発電出力域では、燃料電池10の自己発熱量も少なく、これにより燃料電池10の熱媒体(冷却水)の温度上昇が遅く、長時間に渡って熱媒体温度が規定温度以下となり、発電効率の低下を招くという問題があった。また、上述した特許文献1に記載の燃料電池システムにおいては、昇温時の発電出力を全てヒータに使用しているため、燃料電池が暖機されるまでユーザが発電出力を使用することができなかった。一方、発電出力を全てユーザに供給した場合、燃料電池の暖機完了に時間がかかるため、発電効率の低下を招くという問題があった。   In the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, the self-heat generation amount of the fuel cell 10 is small in the low power generation output region, and thereby the temperature rise of the heat medium (cooling water) of the fuel cell 10 is slow and long time. However, there was a problem that the temperature of the heat medium became lower than the specified temperature, resulting in a decrease in power generation efficiency. Further, in the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, since all the power generation output at the time of temperature rise is used for the heater, the user can use the power generation output until the fuel cell is warmed up. There wasn't. On the other hand, when all the power generation output is supplied to the user, it takes time to complete the warm-up of the fuel cell, which causes a problem that power generation efficiency is reduced.

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムが低発電出力する際に、発電効率の低下を招くことなく燃料電池の早期暖機とユーザの要求電力の充足との両立を達成可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. When the fuel cell system generates low power output, the fuel cell can be warmed up quickly and the required power of the user can be satisfied without causing a decrease in power generation efficiency. It aims at providing the fuel cell system which can achieve coexistence with.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に燃料が供給され酸化剤極に酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電する燃料電池と、温水を貯留する貯湯槽と、燃料電池の発電出力を供給する電源ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池を昇温する加熱手段と、燃料電池の発電出力を検出する発電出力検出手段と、電源ラインで消費されるユーザ消費電力を検出するユーザ消費電力検出手段と、燃料電池システムの起動に際して、ユーザ消費電力を超過する程の電力を供給できるようになるまでの間は貯湯槽の温水を利用して燃料電池システムの加熱を行い、発電出力を制御するとともにユーザ消費電力を超過する程の電力を供給できるようになれば発電出力のうちユーザ消費電力を超過した電力を加熱手段に供給するように制御する制御手段と、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備え、前記制御手段は、所定条件が成立した場合に燃料電池の発電を開始して所定発電量となるように同燃料電池の発電出力を制御する第1発電制御手段と、発電出力がユーザ消費電力を超えたか否かを判定する判定手段と、該判定手段によって発電出力がユーザ消費電力を超えたと判定された場合に加熱手段に通電を開始する通電開始手段と、燃料電池温度検出手段によって検出された燃料電池の温度が60℃以上となった場合、その時点で加熱手段への通電を停止する通電停止手段と、前記時点以降においてユーザ消費電力に追従するように燃料電池の発電出力を制御する第2発電制御手段と、を備えたことである。
In order to solve the above problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that fuel is supplied to the fuel electrode, oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, and a fuel cell that generates electric power by their chemical reaction; In a fuel cell system comprising a hot water storage tank that stores water and a power supply line that supplies power generation output of the fuel cell, heating means for raising the temperature of the fuel cell, power generation output detection means for detecting the power generation output of the fuel cell, User power consumption detection means for detecting user power consumption consumed by the power line, and hot water in the hot water storage tank until the power exceeding the user power consumption can be supplied when the fuel cell system is started. If the fuel cell system can be heated to control the power generation output and power that exceeds the user power consumption can be supplied, the user power consumption of the power generation output will be reduced. Control means for controlling the excess power to be supplied to the heating means, and fuel cell temperature detection means for detecting the temperature of the fuel cell, wherein the control means generates power when the predetermined condition is satisfied. The first power generation control means for controlling the power generation output of the fuel cell so as to obtain a predetermined power generation amount, determination means for determining whether or not the power generation output exceeds the user power consumption, and power generation by the determination means When it is determined that the output exceeds the power consumption of the user, the energization start unit that starts energizing the heating unit, and the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detection unit becomes 60 ° C. or higher, at that time And a second power generation control means for controlling the power generation output of the fuel cell so as to follow the user power consumption after the time point.

また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環するとともに、該熱媒体が貯湯槽の温水との間で熱交換器で熱交換する熱媒体循環回路と、この熱媒体循環回路上に設けられて熱媒体を循環させる循環手段とをさらに備え、加熱手段は、熱媒体循環回路上に設けられて通電されて熱媒体を昇温する熱媒体加熱手段であることである。
In addition, the structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the heat medium that exchanges heat with the fuel cell circulates, and the heat medium exchanges heat with the hot water in the hot water storage tank. And a heat medium circulation circuit for exchanging heat in the heat medium and a circulation means provided on the heat medium circulation circuit for circulating the heat medium, and the heating means is provided on the heat medium circulation circuit and energized to be heated. It is a heat medium heating means for raising the temperature.

また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、燃料電池温度検出手段として、熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段を採用したことである。
The structural feature of the invention according to claim 3 is that, in claim 2 , the heat medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat medium is adopted as the fuel cell temperature detecting means.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、制御手段が、燃料電池システムの起動に際して、発電出力を制御するとともに、発電出力のうちユーザ消費電力を超過した電力を加熱手段に供給するように制御する。これにより、燃料電池システムの起動時において、燃料電池システムが低発電出力する際に、その低発電出力による自己発熱に加えて超過した電力が供給された加熱手段による加熱によって燃料電池を速やかに暖機することができるので、発電効率の向上を図ることができる。したがって、燃料電池の発電出力をユーザに供給した上で燃料電池の早期暖機に使用するので、燃料電池の早期暖機とユーザの要求電力の充足との両立を達成することができる。
さらに、第1発電制御手段が、所定条件が成立した場合に燃料電池の発電を開始して所定発電量となるように同燃料電池の発電出力を制御し、判定手段が、発電出力がユーザ消費電力を超えたか否かを判定し、通電開始手段が、判定手段によって発電出力がユーザ消費電力を超えたと判定された場合に加熱手段に通電を開始する。これにより、確実にユーザに必要な電力を確保するとともに余剰電力を使用して効率よく燃料電池を暖機することができる。
さらに、通電停止手段が、燃料電池温度検出手段によって検出された燃料電池の温度が60℃以上となった場合、その時点で加熱手段への通電を停止し、第2発電制御手段が、その時点以降においてユーザ消費電力に追従するように燃料電池の発電出力を制御する。これにより、燃料電池の温度が通電停止温度になれば的確に発電出力をユーザ消費電力に制御するので、最適な発電出力および温度制御をすることができる。
In the invention according to claim 1 configured as described above, the control unit controls the power generation output when starting the fuel cell system, and supplies the heating unit with the power exceeding the user power consumption among the power generation output. To control. Thus, when the fuel cell system starts up, when the fuel cell system outputs low power, the fuel cell is quickly warmed by heating by the heating means supplied with excess power in addition to self-heating due to the low power output. Therefore, it is possible to improve the power generation efficiency. Therefore, since the power generation output of the fuel cell is supplied to the user and used for the early warm-up of the fuel cell, both the early warm-up of the fuel cell and the satisfaction of the user's required power can be achieved.
Further, the first power generation control means starts the power generation of the fuel cell when a predetermined condition is satisfied, and controls the power generation output of the fuel cell so that the predetermined power generation amount is obtained. It is determined whether or not the electric power has been exceeded, and the energization start unit starts energizing the heating unit when the determination unit determines that the power generation output has exceeded the user power consumption. As a result, it is possible to reliably secure the power necessary for the user and efficiently warm up the fuel cell using the surplus power.
Further, when the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detecting means becomes 60 ° C. or higher, the energization stopping means stops energization to the heating means at that time, and the second power generation control means Thereafter, the power generation output of the fuel cell is controlled so as to follow the user power consumption. As a result, when the temperature of the fuel cell reaches the energization stop temperature, the power generation output is accurately controlled to the user power consumption, so that the optimum power generation output and temperature control can be performed.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環するとともに、該熱媒体が貯湯槽の温水との間で熱交換器で熱交換する熱媒体循環回路と、この熱媒体循環回路上に設けられて熱媒体を循環させる循環手段とをさらに備え、加熱手段は、熱媒体循環回路上に設けられて通電されて熱媒体を昇温する熱媒体加熱手段であることにより、燃料電池の温度調整を容易かつ的確に実施することができる。

In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the heat medium exchanging heat with the fuel cell circulates , and the heat medium is between the hot water in the hot water tank. And a heat medium circulation circuit for exchanging heat with the heat exchanger, and a circulation means provided on the heat medium circulation circuit for circulating the heat medium. The heating means is provided on the heat medium circulation circuit and is energized. Thus, the temperature of the fuel cell can be adjusted easily and accurately by the heat medium heating means for raising the temperature of the heat medium.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項2に係る発明において、燃料電池温度検出手段として、熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段を採用したことにより、燃料電池の温度を容易かつ的確に検出することができる。
In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to claim 2 , the fuel cell temperature detecting means employs the heat medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat medium. Can be detected easily and accurately.

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器20を備えている。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、燃料電池10の空気極12には、空気を供給する供給管61およびカソードオフガスを排出する排出管62が接続されており、これら供給管61および排出管62の途中には、空気を加湿するための加湿器14が設けられている。この加湿器14は水蒸気交換型であり、排出管62中すなわち空気極12から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管61中すなわち空気極12へ供給される空気中に供給して加湿するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11 and 12, and supplies the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air electrode 12. Electric power is generated using air (cathode air), which is the oxidant gas. A supply pipe 61 that supplies air and a discharge pipe 62 that discharges cathode off-gas are connected to the air electrode 12 of the fuel cell 10. Air is humidified in the middle of the supply pipe 61 and the discharge pipe 62. A humidifier 14 is provided. The humidifier 14 is of a water vapor exchange type and dehumidifies water vapor in the gas discharged from the discharge pipe 62, that is, from the air electrode 12, and supplies the water vapor into the supply pipe 61, that is, air supplied to the air electrode 12. And humidify. Note that air-enriched gas may be supplied instead of air.

改質器20は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、バーナ21、改質部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 steam-reforms the fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10, and includes a burner 21, a reforming unit 22, a carbon monoxide shift reaction unit (hereinafter referred to as a CO shift unit). 23) and a carbon monoxide selective oxidation reaction part (hereinafter referred to as CO selective oxidation part) 24. Examples of the fuel include natural gas, LPG, kerosene, gasoline, methanol, and the like. In the present embodiment, description will be made on natural gas.

バーナ21は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池10の燃料極11からアノードオフガス(燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス)が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部22に導出するものである。この燃焼ガスは改質部22を(同改質部22の触媒の活性温度域となるように)加熱し、その後燃焼ガス用凝縮器34を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。   The burner 21 is supplied with combustion fuel and combustion air from the outside during start-up, or anode off-gas (reformed gas discharged to the fuel cell and not used) from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 during steady operation. Is supplied, the supplied gas is combusted, and the combustion gas is led out to the reforming unit 22. This combustion gas heats the reforming section 22 (so that it becomes the activation temperature range of the catalyst of the reforming section 22), and then the water vapor contained in the combustion gas is condensed through the combustion gas condenser 34. And exhausted to the outside.

改質部22は、外部から供給された燃料に蒸発器25からの水蒸気(改質水)を混合した混合ガスを改質部22に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している(いわゆる一酸化炭素シフト反応)。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)はCOシフト部23に導出される。   The reforming unit 22 reforms a mixed gas obtained by mixing the fuel supplied from the outside with the water vapor (reformed water) from the evaporator 25 by using a catalyst charged in the reforming unit 22 to generate hydrogen gas and carbon monoxide. Gas is generated (so-called steam reforming reaction). At the same time, carbon monoxide and steam generated by the steam reforming reaction are converted into hydrogen gas and carbon dioxide (so-called carbon monoxide shift reaction). These generated gases (so-called reformed gas) are led to the CO shift unit 23.

COシフト部23は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてCO選択酸化部24に導出される。   The CO shift unit 23 is converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by reacting carbon monoxide and water vapor contained in the reformed gas with a catalyst filled therein. Thus, the reformed gas is led to the CO selective oxidation unit 24 with the carbon monoxide concentration reduced.

CO選択酸化部24は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたCO酸化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)燃料電池10の燃料極11に導出される。   The CO selective oxidation unit 24 generates carbon dioxide by reacting carbon monoxide remaining in the reformed gas and CO oxidation air further supplied from the outside with a catalyst filled therein. . Thereby, the reformed gas is led to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 with the carbon monoxide concentration further reduced (10 ppm or less).

蒸発器25は、一端が貯水器50内に配置され他端が改質部22に接続された改質水供給管68の途中に配設されている。改質水供給管68には改質水用ポンプ53が設けられている。このポンプ53は制御装置90によって制御されており、貯水器50内の改質水として使用する回収水を蒸発器25に圧送している。蒸発器25は例えばバーナ21から排出される燃焼ガス、改質部22、COシフト部23などの熱によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。   The evaporator 25 is disposed in the middle of the reforming water supply pipe 68 having one end disposed in the water reservoir 50 and the other end connected to the reforming unit 22. The reforming water supply pipe 68 is provided with a reforming water pump 53. The pump 53 is controlled by a control device 90 and pumps recovered water used as reforming water in the water reservoir 50 to the evaporator 25. The evaporator 25 is heated by, for example, the combustion gas discharged from the burner 21, the heat of the reforming unit 22, the CO shift unit 23, and the like, thereby steaming the reformed water fed under pressure.

改質器20のCO選択酸化部24と燃料電池10の燃料極11とを連通する配管64の途中には、凝縮器30が設けられている。この凝縮器30は改質ガス用凝縮器31、アノードオフガス用凝縮器32、カソードオフガス用凝縮器33および燃焼ガス用凝縮器34が一体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器31は配管64中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器32は、燃料電池10の燃料極11と改質器20のバーナ21とを連通する配管65の途中に設けられており、その配管65中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器33は、排出管62の加湿器14の下流に設けられており、その排出管62中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。   A condenser 30 is provided in the middle of a pipe 64 that connects the CO selective oxidation unit 24 of the reformer 20 and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. The condenser 30 is an integral structure in which a reformed gas condenser 31, an anode off gas condenser 32, a cathode off gas condenser 33, and a combustion gas condenser 34 are integrally connected. The reformed gas condenser 31 condenses water vapor in the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 flowing in the pipe 64. The anode off-gas condenser 32 is provided in the middle of a pipe 65 that communicates the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and the burner 21 of the reformer 20, and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 that flows in the pipe 65. Water vapor in the anode off-gas discharged from is condensed. The cathode offgas condenser 33 is provided downstream of the humidifier 14 in the discharge pipe 62, and condenses the water vapor in the cathode offgas discharged from the air electrode 12 of the fuel cell 10 flowing in the discharge pipe 62.

上述した凝縮器31〜34は配管66を介して純水器40に連通しており、各凝縮器31〜34にて凝縮された凝縮水は、純水器40に導出され回収されるようになっている。純水器40は、凝縮器30から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器50に導出するものである。なお、貯水器50は純水器40から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器40には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器40内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。   The above-described condensers 31 to 34 communicate with the deionizer 40 via the pipe 66 so that the condensed water condensed in each of the condensers 31 to 34 is led out to the deionizer 40 and collected. It has become. The deionizer 40 converts the condensed water supplied from the condenser 30, that is, the recovered water into pure water using a built-in ion exchange resin, and leads the purified water to the water reservoir 50. The water reservoir 50 temporarily stores the recovered water derived from the pure water device 40 as reformed water. Further, a pipe for introducing makeup water (tap water) supplied from a tap water supply source (for example, a water pipe) is connected to the deionizer 40, and the amount of water stored in the deionizer 40 is below the lower limit water level. And tap water is supplied.

燃料電池システムは、第1熱交換器71と、第1熱交換器71と燃料電池10との間に設けられて第1熱媒体(熱媒体である)が循環される熱媒体循環回路72と、熱媒体循環回路72上に第1熱媒体を循環させる第1ポンプ(循環手段)73が設けられている。これにより、第1熱媒体が燃料電池10を通過する際には第1熱媒体と燃料電池10との間で熱交換が行われる。また、熱媒体循環回路72上には、通電されて第1熱媒体を昇温する熱媒体加熱手段(加熱手段:燃料電池10を加熱する手段である。)であるヒータ78(電気ヒータ)が設けられている。このヒータ78は、電気抵抗が可変であるヒータであり、燃料電池10の発電出力とユーザ消費電力との差に応じてヒータ10の電気抵抗を制御するようになっている。さらに、熱媒体循環回路72の燃料電池10の出口付近には第1熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段(燃料電池温度検出手段)である温度センサ85が設けられている。制御装置90は、温度センサ85によって検出された第1熱媒体の温度を入力しその温度に基づいてヒータ78への通電・非通電およびヒータ78の電気抵抗を制御している。   The fuel cell system includes a first heat exchanger 71, a heat medium circulation circuit 72 that is provided between the first heat exchanger 71 and the fuel cell 10 and circulates a first heat medium (which is a heat medium). A first pump (circulation means) 73 for circulating the first heat medium is provided on the heat medium circulation circuit 72. Thereby, when the first heat medium passes through the fuel cell 10, heat exchange is performed between the first heat medium and the fuel cell 10. In addition, a heater 78 (electric heater) that is a heat medium heating means (heating means: means for heating the fuel cell 10) that is energized to raise the temperature of the first heat medium is provided on the heat medium circulation circuit 72. Is provided. The heater 78 is a heater whose electric resistance is variable, and controls the electric resistance of the heater 10 according to the difference between the power generation output of the fuel cell 10 and the user power consumption. Further, a temperature sensor 85 that is a heat medium temperature detecting means (fuel cell temperature detecting means) for detecting the temperature of the first heat medium is provided in the vicinity of the outlet of the fuel cell 10 of the heat medium circulation circuit 72. The control device 90 inputs the temperature of the first heat medium detected by the temperature sensor 85 and controls energization / non-energization of the heater 78 and the electric resistance of the heater 78 based on the temperature.

また、燃料電池システムは、温水を貯留する温水貯留槽である貯湯槽74を備えている。この貯湯槽74は、1つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽74の柱状容器の下部には水道水などの水(低温の水)が補給され、貯湯槽74に貯留された高温の温水が貯湯槽74の柱状容器の上部から導出されるようになっている。第1熱交換器71と貯湯槽74との間に第2熱媒体である温水が循環される温水循環回路75と、温水循環回路75上に温水を循環させる第2ポンプ76が設けられている。温水循環回路75の一端および他端は貯湯槽74の上部および下部に接続されている。第2ポンプ76は、貯湯槽74の下部の低温の温水を吸い込んで温水循環回路75を通水させて貯湯槽74の上部に吐出したり、逆に貯湯槽74の上部の高温の温水を吸い込んで温水循環回路75を通水させて貯湯槽74の下部に吐出したりするものである。   The fuel cell system also includes a hot water storage tank 74 that is a hot water storage tank for storing hot water. This hot water tank 74 is provided with one columnar container, in which hot water is stored in layers, that is, the temperature of the upper part is the highest and lower as it goes to the lower part, and the lower part is the lowest. It has come to be. The lower part of the columnar container of the hot water tank 74 is replenished with water (low temperature water) such as tap water, and the hot hot water stored in the hot water tank 74 is led out from the upper part of the columnar container of the hot water tank 74. ing. Between the 1st heat exchanger 71 and the hot water storage tank 74, the warm water circulation circuit 75 in which the warm water which is a 2nd heat medium is circulated, and the 2nd pump 76 which circulates warm water on the warm water circulation circuit 75 are provided. . One end and the other end of the hot water circulation circuit 75 are connected to an upper part and a lower part of the hot water tank 74. The second pump 76 sucks the low temperature hot water at the lower part of the hot water tank 74 and passes it through the hot water circulation circuit 75 and discharges it to the upper part of the hot water tank 74, or sucks the hot water at the upper part of the hot water tank 74. The hot water circulation circuit 75 is caused to pass through and discharged to the lower part of the hot water storage tank 74.

また、温水循環回路75上に第2熱交換器82が設けられている。この第2熱交換器82、凝縮器30との間には凝縮器熱媒体が循環する凝縮器熱媒体循環回路83が設けられている。凝縮器熱媒体循環回路83上に凝縮器熱媒体を循環させる第3ポンプ84が設けられている。これにより、第2熱交換器82においては、凝縮器熱媒体循環回路83を通過中の凝縮器熱媒体と温水循環回路75を通過中の温水との間で熱交換が行われて、温水より高温である凝縮器熱媒体により温水が昇温される。   A second heat exchanger 82 is provided on the hot water circulation circuit 75. A condenser heat medium circulation circuit 83 for circulating the condenser heat medium is provided between the second heat exchanger 82 and the condenser 30. A third pump 84 for circulating the condenser heat medium is provided on the condenser heat medium circulation circuit 83. Accordingly, in the second heat exchanger 82, heat exchange is performed between the condenser heat medium passing through the condenser heat medium circulation circuit 83 and the hot water passing through the hot water circulation circuit 75, and the The hot water is heated by the high-temperature condenser heat medium.

さらに、燃料電池システムは、インバータ45を備えている。インバータ45は、燃料電池10の発電出力を交流電力に変換して電源ライン(交流用電源ライン)46に供給するものである。電源ライン46は、ユーザに商用電源として使用される交流電力を供給するラインであり、ユーザは電化製品をこの電源ライン46に接続して電化製品を使用する。また、インバータ45は、発電出力を降圧または昇圧して電源ライン(直流用電源ライン)47に供給している。電源ライン47は、燃料電池10の構成部材である各ポンプ73,76,83、各バルブ(図示省略)、バーナ21の着火装置、ヒータ78などの電気部品いわゆる補機に直流電力を供給するラインである。インバータ45は、燃料電池10の発電出力を検出する機能を有し、さらに電源ライン46および47の電気的負荷すなわち各ライン46,47で消費される消費電力を検出する機能も有する。なお、電源ライン46で消費される消費電力を特にユーザ消費電力という。   Further, the fuel cell system includes an inverter 45. The inverter 45 converts the power generation output of the fuel cell 10 into AC power and supplies it to a power supply line (AC power supply line) 46. The power line 46 is a line for supplying AC power used as a commercial power source to the user, and the user uses the electrical product by connecting the electrical product to the power line 46. Further, the inverter 45 steps down or boosts the power generation output and supplies it to a power line (DC power line) 47. The power line 47 is a line for supplying direct current power to so-called auxiliary equipment such as pumps 73, 76, 83 that are constituent members of the fuel cell 10, valves (not shown), an ignition device for the burner 21, and a heater 78. It is. The inverter 45 has a function of detecting the power generation output of the fuel cell 10, and further has a function of detecting an electrical load of the power supply lines 46 and 47, that is, power consumption consumed by the lines 46 and 47. The power consumption consumed by the power line 46 is particularly referred to as user power consumption.

また、上述した温度センサ85、第1〜第3ポンプ73,76,83、インバータ45およびヒータ78は制御装置90に接続されている(図2参照)。制御装置90はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、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およびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、図3のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの起動に際して、燃料電池10の発電出力を制御するとともに、その発電出力のうちユーザ消費電力を超過した電力をヒータ78に供給する制御を実行している。RAMは同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は前記プログラムを記憶するものである。   Further, the temperature sensor 85, the first to third pumps 73, 76, 83, the inverter 45, and the heater 78 described above are connected to the control device 90 (see FIG. 2). The control device 90 has a microcomputer (not shown), and the microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected via a bus. The CPU executes a program corresponding to the flowchart of FIG. 3 to control the power generation output of the fuel cell 10 when starting the fuel cell system, and to the heater 78 the power exceeding the user power consumption among the power generation output. The supply control is executed. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.

次に、上述した燃料電池システムの作動について図3および図4を参照して説明する。制御装置90は、図示しない起動スイッチがオンされると、図3に示すプログラムを実行する。ステップ102において、燃料電池システムの起動が開始される。具体的には、燃焼用燃料および燃焼用空気がバーナ21に供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部22が所定温度になると、燃料および改質水が改質部22に供給される。またCO選択酸化部24に酸化用空気が供給される。しかし、改質装置20から導出される改質ガスは燃料電池10には供給されていない。   Next, the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. When a start switch (not shown) is turned on, the control device 90 executes the program shown in FIG. In step 102, activation of the fuel cell system is started. Specifically, combustion fuel and combustion air are supplied to the burner 21 and burned. When the reforming unit 22 reaches a predetermined temperature by heating the combustion gas, fuel and reforming water are supplied to the reforming unit 22. Further, oxidation air is supplied to the CO selective oxidation unit 24. However, the reformed gas derived from the reformer 20 is not supplied to the fuel cell 10.

また、制御装置90は、燃料電池の冷却水温度Thを温度センサ85によって検出し、その温度に基づいて第1熱媒体である冷却水の温度を昇温している(ステップ104,106)。具体的には、貯湯槽74の温水を利用して起動開始直後の低温の冷却水を昇温している。すなわち、第2ポンプ76を駆動させて貯湯槽74の上部から高温の温水を第1熱交換器71に送出する。また第1ポンプ73を駆動させ燃料電池10内の冷却水を第1熱交換器71に送出する。これにより第1交換機71にて冷却水が温水によって昇温される。   Further, the control device 90 detects the coolant temperature Th of the fuel cell by the temperature sensor 85, and increases the temperature of the coolant that is the first heat medium based on the temperature (steps 104 and 106). Specifically, the temperature of the low-temperature cooling water immediately after start-up is raised using the hot water in the hot water tank 74. That is, the second pump 76 is driven to send hot hot water from the upper part of the hot water tank 74 to the first heat exchanger 71. Further, the first pump 73 is driven to send the cooling water in the fuel cell 10 to the first heat exchanger 71. Thereby, the temperature of the cooling water is raised by the first exchanger 71 with the hot water.

そして、燃料電池10の冷却水温度Thが第1規定温度T1に到達した時点(図4の時刻t1)より後であって、改質装置20の暖機が完了した時点(図4の時刻t2)に、燃料電池10の発電を開始する(ステップ108〜112)。ステップ108にて、冷却水温度Thが第1規定温度T1に到達したか否かを判定し、到達するまでステップ104〜108の処理を繰り返し実行し、到達したならばプログラムをステップ110に進める。ステップ110にて、改質器20の暖機が完了したか否かを判定し、暖機が完了するまでステップ104〜110の処理を繰り返し実行し、完了したならばプログラムをステップ212に進める。暖機完了の判定においては、例えばCO選択酸化部24内が所定温度に到達していれば完了していると判定する。暖機が完了していれば、改質装置20から導出される改質ガス中の水素量および一酸化炭素濃度が規定値に到達していると判定される。なお、第1規定温度T1は、燃料電池10の所望の発電電流値に対して同燃料電池10の燃料極または空気極内の水収支がゼロとなる第1熱媒体の温度として規定されるものであり、予め制御装置90の記憶部91に記憶されている。   Then, after the time when the coolant temperature Th of the fuel cell 10 reaches the first specified temperature T1 (time t1 in FIG. 4), the time when the warming-up of the reformer 20 is completed (time t2 in FIG. 4). ), The power generation of the fuel cell 10 is started (steps 108 to 112). In step 108, it is determined whether or not the cooling water temperature Th has reached the first specified temperature T1, and the processing of steps 104 to 108 is repeatedly executed until it reaches, and if it reaches, the program is advanced to step 110. In step 110, it is determined whether or not the warming-up of the reformer 20 has been completed. The processes in steps 104 to 110 are repeatedly executed until the warming-up is completed. In determining whether the warm-up is complete, for example, if the inside of the CO selective oxidation unit 24 has reached a predetermined temperature, it is determined that the warm-up is completed. If the warm-up is completed, it is determined that the amount of hydrogen and the carbon monoxide concentration in the reformed gas derived from the reformer 20 have reached specified values. The first specified temperature T1 is defined as the temperature of the first heat medium at which the water balance in the fuel electrode or air electrode of the fuel cell 10 becomes zero with respect to the desired generated current value of the fuel cell 10. And is stored in the storage unit 91 of the control device 90 in advance.

制御装置90は、ステップ112(第1発電制御手段)にて、改質装置20から導出される改質ガスを燃料電池10に供給するようにして、燃料電池10の発電を開始する。すなわち、上述した所定条件が成立した場合に燃料電池10の発電を開始して所定発電量となるように燃料電池10の発電出力を制御する。所定発電量は、予め設定された起動開始後の最初の目標発電量であり、燃料電池10の最大出力電力以下となるように設定されている。具体的には、時刻t2以降においては、発電出力がユーザ消費電力(ユーザ負荷電力)にかかわらず所定発電量となるまで徐々に増加し、所定発電量に到達した後はその発電量を維持するように発電する。これにより、燃料電池10に能力以上の発電をさせないでダメージを与えることなくでき得る限り自己発熱量を大きくして暖機時間を短縮することができる。   In step 112 (first power generation control means), the control device 90 supplies the reformed gas derived from the reformer 20 to the fuel cell 10 and starts power generation of the fuel cell 10. That is, when the above-described predetermined condition is satisfied, the power generation output of the fuel cell 10 is controlled so that the power generation of the fuel cell 10 is started and the predetermined power generation amount is obtained. The predetermined power generation amount is a preset first target power generation amount after the start of startup, and is set to be equal to or less than the maximum output power of the fuel cell 10. Specifically, after time t2, the power generation output gradually increases until reaching a predetermined power generation amount regardless of the user power consumption (user load power), and the power generation amount is maintained after reaching the predetermined power generation amount. To generate electricity. As a result, the self-heating value can be increased and the warm-up time can be shortened as much as possible without causing the fuel cell 10 to generate more power than possible without causing damage.

このように、燃料電池10の発電が開始すると、発電による自己発熱によって燃料電池10は昇温し、上述した貯湯槽74の温水を利用する冷却水の昇温に加えて、冷却水がさらに昇温される。このように冷却水が自己発熱によって昇温されるなかで、燃料電池10の発電出力がユーザ消費電力(ユーザ負荷電力)を超えると、ヒータ78による加熱よっても冷却水を昇温する。具体的には、制御装置90は、ステップ114において、インバータ45によって燃料電池10の発電出力を検出し、ステップ116において、その検出した発電出力がユーザ負荷電力以上であるかすなわち発電出力がユーザ消費電力を超えたか否かを判定する(判定手段)。ステップ118(通電開始手段)において、ステップ116にて発電出力がユーザ消費電力を超えたと判定された場合にヒータ78に通電を開始する(図4の時刻t3)。これにより、ヒータ78による加熱がさらに加わるので、冷却水の昇温はより加速されることとなる。   As described above, when the power generation of the fuel cell 10 is started, the temperature of the fuel cell 10 is increased by self-heating by the power generation. In addition to the temperature increase of the cooling water using the hot water in the hot water tank 74 described above, the cooling water further increases. Be warmed. In this way, if the power generation output of the fuel cell 10 exceeds the user power consumption (user load power) while the temperature of the cooling water is raised by self-heating, the temperature of the cooling water is raised even by heating by the heater 78. Specifically, in step 114, the control device 90 detects the power generation output of the fuel cell 10 by the inverter 45, and in step 116, whether the detected power generation output is equal to or greater than the user load power, that is, the power generation output is consumed by the user. It is determined whether or not the power has been exceeded (determination means). In step 118 (energization start means), when it is determined in step 116 that the power generation output exceeds the user power consumption, energization of the heater 78 is started (time t3 in FIG. 4). Thereby, since the heating by the heater 78 is further applied, the temperature rise of the cooling water is further accelerated.

このように燃料電池10の自己発熱およびヒータ78によって暖機されている間、制御装置90は、燃料電池10の冷却水温度Thを温度センサ85によって検出し(ステップ120)、燃料電池10の冷却水温度Thが通電停止温度である第2規定温度T2(例えば60℃)に到達すると、(図4の時刻t4)、その時点にてヒータ78への通電を停止する(ステップ122)。ステップ120,122は通電停止手段である。また、制御装置90は、燃料電池10の冷却水温度Thが第2規定温度T2に到達した時点以降においては、ユーザ消費電力に追従するように燃料電池10の発電出力を制御する(ステップ126:第2発電制御手段)。なお、第2規定温度T2は、長時間その温度で運転しても一酸化炭素被毒などの影響の小さい温度に設定される。   Thus, while the fuel cell 10 is warmed up by the self-heating and the heater 78, the control device 90 detects the cooling water temperature Th of the fuel cell 10 by the temperature sensor 85 (step 120), and cools the fuel cell 10. When the water temperature Th reaches the second specified temperature T2 (for example, 60 ° C.) that is the energization stop temperature (time t4 in FIG. 4), the energization to the heater 78 is stopped at that time (step 122). Steps 120 and 122 are energization stop means. Further, after the time when the coolant temperature Th of the fuel cell 10 reaches the second specified temperature T2, the control device 90 controls the power generation output of the fuel cell 10 so as to follow the user power consumption (step 126: Second power generation control means). It should be noted that the second specified temperature T2 is set to a temperature at which the influence of carbon monoxide poisoning and the like is small even when the temperature is operated for a long time.

そして、制御装置90は、燃料電池の冷却水温度Thを温度センサ85によって検出し(ステップ128)、燃料電池の冷却水温度Thが定常運転温度Tb(例えば80℃)に到達すると(図4の時刻t5)、それ以降はシステムが停止されるまで、冷却水温度Thが定常運転温度Tbに維持されるように調整する(ステップ126〜132)。具体的には、燃料電池10内の冷却水(熱媒体)が定常運転温度Tbより高温である場合、第2ポンプ76を駆動させて貯湯槽74の下部から低温の温水を第1熱交換器71に流通させ、第1ポンプ73を駆動させて燃料電池10内の冷却水(熱媒体)を第1熱交換器71に流通させ、これにより、燃料電池10内の冷却水を降温させる。なお、定常運転温度Tbは、高効率が得られる温度に設定される。   Then, the control device 90 detects the coolant temperature Th of the fuel cell by the temperature sensor 85 (step 128), and when the coolant temperature Th of the fuel cell reaches a steady operation temperature Tb (for example, 80 ° C.) (FIG. 4). Thereafter, the cooling water temperature Th is adjusted to be maintained at the steady operation temperature Tb until the system is stopped (steps 126 to 132). Specifically, when the cooling water (heat medium) in the fuel cell 10 is higher than the steady operation temperature Tb, the second pump 76 is driven to supply the low temperature hot water from the lower part of the hot water tank 74 to the first heat exchanger. 71, the first pump 73 is driven, and the cooling water (heat medium) in the fuel cell 10 is allowed to flow through the first heat exchanger 71, whereby the temperature of the cooling water in the fuel cell 10 is lowered. The steady operation temperature Tb is set to a temperature at which high efficiency is obtained.

例えば、ユーザ負荷電力が低電力である場合において、本発明を適用しないで発電開始後ユーザ負荷電力に追従する追従制御をすぐ実施すれば、図5に示すように、燃料電池10の冷却水温度は、発電出力が低いため自己発熱が小さく、徐々にしか昇温しないので、発電効率は良くない。しかし、上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、制御装置90が、燃料電池システムの起動に際して、発電出力を制御するとともに、発電出力のうちユーザ消費電力を超過した電力をヒータ78に供給するように制御する。これにより、燃料電池システムの起動時において、燃料電池システムが低発電出力する際に、その低発電出力による自己発熱に加えて超過した電力が供給されたヒータ78による加熱によって燃料電池10を速やかに暖機することができるので、熱回収湯温および発電効率の向上を図ることができる。したがって、燃料電池10の発電出力をユーザに供給した上で燃料電池10の早期暖機に使用するので、燃料電池10の早期暖機とユーザの要求電力の充足との両立を達成することができる。   For example, in the case where the user load power is low, if the follow-up control that follows the user load power after the start of power generation is performed without applying the present invention, the coolant temperature of the fuel cell 10 as shown in FIG. Since the power generation output is low, self-heating is small and the temperature rises only gradually, so the power generation efficiency is not good. However, as can be understood from the above description, in this embodiment, when the fuel cell system is started, the control device 90 controls the power generation output, and the power that exceeds the user power consumption in the power generation output is heated. 78. As a result, when the fuel cell system starts up at a low power generation output, the fuel cell 10 is promptly moved by heating by the heater 78 supplied with excess power in addition to self-heating due to the low power generation output. Since it can be warmed up, heat recovery hot water temperature and power generation efficiency can be improved. Therefore, since the power generation output of the fuel cell 10 is supplied to the user and used for the early warm-up of the fuel cell 10, both the early warm-up of the fuel cell 10 and the satisfaction of the user's required power can be achieved. .

また、第1発電制御手段(ステップ112)が、所定条件が成立した場合に燃料電池10の発電を開始して所定発電量となるように燃料電池10の発電出力を制御し、判定手段(ステップ114,116)が、発電出力がユーザ消費電力を超えたか否かを判定し、通電開始手段(ステップ118)が、判定手段によって発電出力がユーザ消費電力を超えたと判定された場合にヒータ78に通電を開始する。これにより、確実にユーザに必要な電力を確保するとともに余剰電力を使用して効率よく燃料電池を暖機することができる。   Further, the first power generation control means (step 112) starts the power generation of the fuel cell 10 when a predetermined condition is satisfied, and controls the power generation output of the fuel cell 10 so that the predetermined power generation amount is obtained, and the determination means (step 114, 116) determines whether or not the power generation output exceeds the user power consumption, and the energization start means (step 118) causes the heater 78 when the power generation output exceeds the user power consumption by the determination means. Start energization. As a result, it is possible to reliably secure the power necessary for the user and efficiently warm up the fuel cell using the surplus power.

また、通電停止手段(ステップ124)が、検出された熱媒体の温度が通電停止温度以上となった場合、その時点で熱媒体加熱手段への通電を停止し、第2発電制御手段(ステップ126)が、その時点以降においてユーザ消費電力に追従するように燃料電池10の発電出力を制御する。これにより、第1熱媒体温度が通電停止温度になれば的確に発電出力をユーザ消費電力に制御するので、最適な発電出力および温度制御をすることができる。   Further, when the temperature of the detected heat medium becomes equal to or higher than the power supply stop temperature, the power supply stopping means (step 124) stops the power supply to the heat medium heating means at that time, and the second power generation control means (step 126). ) Controls the power generation output of the fuel cell 10 so as to follow the user power consumption after that time. As a result, when the first heat medium temperature reaches the energization stop temperature, the power generation output is accurately controlled to the user power consumption, so that the optimum power generation output and temperature control can be performed.

また、ヒータ78は電気抵抗が可変であるヒータで構成され、燃料電池10の発電出力とユーザ消費電力との差に応じてヒータ78の電気抵抗を制御することにより、ユーザ消費電力を越えた余剰電力を確実かつ的確に無駄なくヒータ78に供給することができる。   The heater 78 is a heater whose electric resistance is variable. By controlling the electric resistance of the heater 78 in accordance with the difference between the power generation output of the fuel cell 10 and the user power consumption, surplus exceeding the user power consumption is achieved. Electric power can be reliably and accurately supplied to the heater 78 without waste.

なお、上述した実施の形態において、燃料電池10を昇温する加熱手段として熱媒体加熱手段(ヒータ78)を含む熱媒体によって昇温する機構を採用するようにしたが、燃料電池10を昇温するものであれば、このような機構に限られず、例えば燃料電池10を直接ヒータで昇温するような機構を採用するようにしてもよい。   In the embodiment described above, a mechanism for raising the temperature of the fuel cell 10 using a heat medium including the heat medium heating means (heater 78) is employed as the heating means for raising the temperature of the fuel cell 10. If it does, it will not be restricted to such a mechanism, For example, you may make it employ | adopt the mechanism which heats up the fuel cell 10 directly with a heater.

また、上述した実施の形態において、燃料電池10の温度を検出する燃料電池温度検出手段として燃料電池10を昇温する熱媒体の温度を検出する温度センサ85を採用するようにしたが、燃料電池10の温度を直接検出する温度センサを採用するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the temperature sensor 85 that detects the temperature of the heat medium that raises the temperature of the fuel cell 10 is employed as the fuel cell temperature detection means that detects the temperature of the fuel cell 10. You may make it employ | adopt the temperature sensor which detects the temperature of 10 directly.

また、上述した実施の形態において、熱媒体加熱手段は、熱媒体循環回路72上に設けられて通電されて熱媒体を昇温するものであれば、ヒータ78以外のもので構成してもよい。   Further, in the above-described embodiment, the heat medium heating means may be configured by other than the heater 78 as long as it is provided on the heat medium circulation circuit 72 and energized to raise the temperature of the heat medium. .

また、上述した実施の形態において、燃料電池10との間で熱交換する熱媒体が循環する熱媒体循環回路72と、この熱媒体循環回路72上に設けられて熱媒体を循環させる循環手段(ポンプ73)とをさらに備え、加熱手段は、熱媒体循環回路72上に設けられて通電されて熱媒体を昇温する熱媒体加熱手段(ヒータ78)であることにより、燃料電池10の温度調整を容易かつ的確に実施することができる。   In the above-described embodiment, the heat medium circulation circuit 72 in which the heat medium that exchanges heat with the fuel cell 10 circulates, and the circulation means that is provided on the heat medium circulation circuit 72 and circulates the heat medium ( And the heating means is a heat medium heating means (heater 78) provided on the heat medium circulation circuit 72 and energized to raise the temperature of the heat medium, thereby adjusting the temperature of the fuel cell 10. Can be implemented easily and accurately.

また、上述した実施の形態において、燃料電池温度検出手段として、熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段(温度センサ85)を採用したことにより、燃料電池10の温度を容易かつ的確に検出することができる。   In the above-described embodiment, the heat medium temperature detecting means (temperature sensor 85) for detecting the temperature of the heat medium is adopted as the fuel cell temperature detecting means, so that the temperature of the fuel cell 10 can be detected easily and accurately. can do.

また、上述した実施の形態において、ヒータ78は電気抵抗が固定であるヒータで構成され、燃料電池10の発電出力とユーザ消費電力との差となるようにヒータ78に供給される電力を制御するようにしてもよい。これにより、ユーザ消費電力を越えた余剰電力を確実かつ的確に無駄なくヒータ78に供給することができる。   In the above-described embodiment, the heater 78 is a heater having a fixed electric resistance, and controls the power supplied to the heater 78 so as to be the difference between the power generation output of the fuel cell 10 and the user power consumption. You may do it. As a result, surplus power exceeding the user power consumption can be reliably and accurately supplied to the heater 78 without waste.

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。1 is a schematic diagram showing an outline of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system shown in FIG. 図2に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program performed with the control apparatus shown in FIG. 本発明による燃料電池システムの実施の形態の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明を適用しない燃料電池システムの実施の形態の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of embodiment of the fuel cell system which does not apply this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質器、21…バーナ、22…改質部、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…蒸発器、30…凝縮器、31…改質ガス用凝縮器、32…アノードオフガス用凝縮器、33…カソードオフガス用凝縮器、34…燃焼ガス用凝縮器、40…純水器、45…インバータ、46,47…電源ライン、50…貯水器、53…改質水ポンプ、61〜66…配管、68…改質水供給管、71…第1熱交換器、72…熱媒体循環回路、73…第1ポンプ、74…貯湯槽、75…温水循環回路、76…第2ポンプ、78…ヒータ、82…第2熱交換器、83…凝縮器熱媒体循環回路、84…第3ポンプ、85…温度センサ、90…制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 20 ... Reformer, 21 ... Burner, 22 ... Reformer, 23 ... Carbon monoxide shift reaction part (CO shift part), 24 ... Carbon monoxide Selective oxidation reaction section (CO selective oxidation section), 25 ... evaporator, 30 ... condenser, 31 ... reformer gas condenser, 32 ... anode off-gas condenser, 33 ... cathode off-gas condenser, 34 ... combustion gas Condenser, 40 ... pure water device, 45 ... inverter, 46, 47 ... power line, 50 ... water reservoir, 53 ... reforming water pump, 61-66 ... piping, 68 ... reforming water supply pipe, 71 ... No. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 heat exchanger, 72 ... Heat-medium circulation circuit, 73 ... 1st pump, 74 ... Hot water tank, 75 ... Hot water circulation circuit, 76 ... 2nd pump, 78 ... Heater, 82 ... 2nd heat exchanger, 83 ... Condensation Heater circulation circuit, 84 ... third pump, 85 ... temperature sensor, 90 ... Control device.

Claims (3)

燃料極に燃料が供給され酸化剤極に酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電する燃料電池と、
温水を貯留する貯湯槽と、
該燃料電池の発電出力を供給する電源ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を昇温する加熱手段と、
前記燃料電池の発電出力を検出する発電出力検出手段と、
前記電源ラインで消費されるユーザ消費電力を検出するユーザ消費電力検出手段と、
燃料電池システムの起動に際して、前記ユーザ消費電力を超過する程の電力を供給できるようになるまでの間は前記貯湯槽の温水を利用して燃料電池システムの加熱を行い、前記発電出力を制御するとともに前記ユーザ消費電力を超過する程の電力を供給できるようになれば前記発電出力のうち前記ユーザ消費電力を超過した電力を前記加熱手段に供給するように制御する制御手段と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、
所定条件が成立した場合に前記燃料電池の発電を開始して所定発電量となるように同燃料電池の発電出力を制御する第1発電制御手段と、
前記発電出力がユーザ消費電力を超えたか否かを判定する判定手段と、
該判定手段によって前記発電出力がユーザ消費電力を超えたと判定された場合に前記加熱手段に通電を開始する通電開始手段と、
前記燃料電池温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度が60℃以上となった場合、その時点で前記加熱手段への通電を停止する通電停止手段と、前記時点以降において前記ユーザ消費電力に追従するように前記燃料電池の発電出力を制御する第2発電制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell in which fuel is supplied to the fuel electrode, oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, and electricity is generated by their chemical reaction;
A hot water tank for storing hot water,
A fuel cell system comprising a power supply line for supplying the power generation output of the fuel cell;
Heating means for raising the temperature of the fuel cell;
Power generation output detecting means for detecting the power generation output of the fuel cell;
User power consumption detecting means for detecting user power consumed by the power line;
When starting the fuel cell system, the fuel cell system is heated using the hot water in the hot water storage tank until the power that exceeds the user power consumption can be supplied, and the power generation output is controlled. And control means for controlling to supply to the heating means the power that exceeds the user power consumption out of the power generation output if it is possible to supply the power that exceeds the user power consumption.
Fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell,
The control means includes
First power generation control means for controlling the power generation output of the fuel cell so that the power generation of the fuel cell is started and a predetermined power generation amount is obtained when a predetermined condition is satisfied;
Determining means for determining whether or not the power generation output exceeds user power consumption;
Energization start means for starting energization of the heating means when it is determined by the determination means that the power generation output exceeds user power consumption;
When the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detecting means reaches 60 ° C. or higher, the power supply stopping means for stopping the current supply to the heating means at that time, and the user power consumption after the time point And a second power generation control means for controlling the power generation output of the fuel cell to follow the fuel cell system.
請求項1において、前記燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環するとともに、該熱媒体が前記貯湯槽の温水との間で熱交換器で熱交換する熱媒体循環回路と、
該熱媒体循環回路上に設けられて前記熱媒体を循環させる循環手段とをさらに備え、
前記加熱手段は、前記熱媒体循環回路上に設けられて通電されて前記熱媒体を昇温する熱媒体加熱手段であることを特徴とする燃料電池システム。
The heat medium circulation circuit according to claim 1, wherein a heat medium that exchanges heat with the fuel cell circulates, and the heat medium exchanges heat with the hot water in the hot water storage tank using a heat exchanger .
A circulation means provided on the heat medium circulation circuit for circulating the heat medium;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the heating means is a heat medium heating means provided on the heat medium circulation circuit and energized to raise the temperature of the heat medium.
請求項1または請求項2において、前記燃料電池温度検出手段として、前記熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段を採用したことを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein a heat medium temperature detecting means for detecting a temperature of the heat medium is adopted as the fuel cell temperature detecting means.
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