JP4677023B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関し、特に大型化を抑制しつつ燃料電池の排熱を有効に利用可能な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can effectively use exhaust heat of a fuel cell while suppressing an increase in size.
近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、地球温暖化抑制に資する燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する電力を取り出す装置であり、電気化学的反応を行う際に熱を発生する。燃料電池の発電を継続するには燃料電池を所定の温度に維持する必要があるため、冷却水を供給して発生した熱を奪うことが行われている。そして燃料電池で発生した熱を有効利用すべく、冷却水を供給して奪った熱を貯湯槽に蓄熱し、必要に応じて熱需要に供給するコージェネレーションシステムを構築するのが一般的である(例えば、特許文献1参照。)。多くの地域では、気温が他の季節の気温よりも低くなる冬季に熱需要が増加する傾向にある。従来の燃料電池を備えるシステムは、熱需要が増加する冬季に合わせて貯湯槽の容量を大きくするか、あるいは貯湯槽の容量を大きくせずに、蓄熱すれば利用可能な燃料電池の排熱の蓄熱できない分を棄てていた。
しかしながら、貯湯槽を大きくすると燃料電池を含むユニット全体が大きくなり、特に一般家庭に設置する際の自由度が小さくなってしまっていた。他方、貯湯槽を大きくしない場合は、燃料電池の排熱を有効に利用することができなかった。 However, when the hot water storage tank is enlarged, the entire unit including the fuel cell becomes large, and the degree of freedom when installing in a general household has been reduced. On the other hand, when the hot water storage tank is not enlarged, the exhaust heat of the fuel cell cannot be used effectively.
本発明は上述の課題に鑑み、大型化を抑制しつつ燃料電池の排熱を有効に利用可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can effectively use exhaust heat of a fuel cell while suppressing an increase in size.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池20と;燃料電池20で発生した熱を蓄える蓄熱槽40と;燃料電池20で発生した熱を媒体c、hを介して蓄熱槽40に搬送すると共に燃料電池20を冷却する冷却排熱回収系23であって、媒体c、hを流動させる流動装置22、32を有する冷却排熱回収系23と;発電をしているときの燃料電池20の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第1の所定の温度高くなるように流動装置22、32の吐出流量を調節する制御装置60とを備える。
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a
このように構成すると、発電をしているときの燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第1の所定の温度高くなるように流動装置を制御するので、蓄熱槽内の媒体の温度を高くすることができ、蓄熱槽に蓄えられた熱の利用可能な熱量(エクセルギー)が増大すると共に、蓄熱槽に蓄える単位熱量あたりの蓄熱槽の容積を小さくすることができる。 With this configuration, the flow device is controlled such that the temperature of the fuel cell during power generation is higher than the temperature in spring or autumn by the first predetermined temperature in winter. The temperature of the medium in the tank can be increased, the available heat quantity (exergy) of the heat stored in the heat storage tank is increased, and the volume of the heat storage tank per unit heat quantity stored in the heat storage tank is reduced. Can do.
また、本発明の第2の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様に係る燃料電池システム1において、制御装置60が、発電をしているときの燃料電池20の温度が、春季又は秋季における温度よりも夏季における温度の方が第2の所定の温度低くなるように流動装置22、32の吐出流量を調節する。
The fuel cell system according to a second aspect of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, in the
このように構成すると、発電をしているときの燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも夏季における温度の方が第2の所定の温度低くなるように流動装置を制御するので、燃料電池の構成部材の耐久性が低下することを抑制することができ、燃料電池の寿命の低下を抑制することができる。 With this configuration, the flow device is controlled so that the temperature of the fuel cell during power generation is lower than the temperature in spring or autumn by a second predetermined temperature in summer. It can suppress that durability of the structural member of a battery falls, and can suppress the fall of the lifetime of a fuel cell.
また、本発明の第3の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る燃料電池システムにおいて、蓄熱槽40に蓄えられた熱量の消費量を検出する熱消費量検出手段65〜68を備え;制御装置60が、熱消費量検出手段65〜68で検出された熱量の消費量に応じて季節を区別するように構成されている。
Further, the fuel cell system according to the third aspect of the present invention is stored in the
このように構成すると、熱消費量検出手段で検出された熱量の消費量に応じて季節を区別するので、消費される分の熱量を蓄熱槽に蓄熱できる燃料電池の運転温度とすることができ、必要とされる蓄熱量に応じて燃料電池の運転温度を適切に調節することが可能となる。 If comprised in this way, since a season is distinguished according to the consumption of the amount of heat detected by the heat consumption detection means, the amount of heat consumed can be made the operating temperature of the fuel cell that can store heat in the heat storage tank. The operating temperature of the fuel cell can be appropriately adjusted according to the required heat storage amount.
また、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る燃料電池システム1において、外気温度を検出する外気温度検出手段81を備え;制御装置60が、外気温度検出手段81で検出された外気温度に応じて季節を区別するように構成されている。
Further, the fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention detects the outside air temperature in the
このように構成すると、外気温度検出手段で検出された外気温度に応じて季節を区別するので、燃料電池の運転温度の調節を簡便に行うことができる。 If comprised in this way, since a season is distinguished according to the outside temperature detected by the outside temperature detection means, the operation temperature of the fuel cell can be easily adjusted.
また、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る燃料電池システム1において、暦を認識するカレンダー82を備え;制御装置60が、カレンダー82に基づいた暦に応じて季節を区別するように構成されている。
Further, the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention is a calendar for recognizing a calendar in the
このように構成すると、カレンダーに基づいた暦に応じて季節を区別するので、燃料電池の運転温度の調節を簡便に行うことができる。 If comprised in this way, since a season is distinguished according to the calendar based on a calendar, adjustment of the operating temperature of a fuel cell can be performed simply.
また、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様乃至第5の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム1において、前記冷却排熱回収系が、媒体cが燃料電池20に導入されて燃料電池20を冷却する冷却水系21と、媒体hが蓄熱槽40に導入されて蓄熱槽40に熱を搬送する排熱回収水系31と、冷却水系21の媒体cと排熱回収水系31の媒体hとで熱交換を行わせる熱交換器30とを含んで構成され;前記流動装置が、冷却水系21に設けられた冷却水ポンプ22と、排熱回収水系31に設けられた排熱回収水ポンプ32とを含んで構成され;冷却水系21の燃料電池20から導出された媒体cの温度を検出する冷却水出口温度センサ63と、冷却水系21の燃料電池20に導入される媒体cの温度を検出する冷却水入口温度センサ64とをさらに備え;冷却水出口温度センサ63で検出された温度に基づいて冷却水ポンプ22の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ64で検出された温度に基づいて排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節することにより、発電をしているときの燃料電池20の温度を制御するように構成されている。
The fuel cell system according to the sixth aspect of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, in the
このように構成すると、燃料電池の耐久性に影響を与える冷却水系の媒体の温度を制御対象とすることができ、燃料電池の寿命の低下を抑制する制御を直接的に行うことが可能となる。 With this configuration, the temperature of the coolant medium that affects the durability of the fuel cell can be controlled, and it is possible to directly perform control that suppresses a decrease in the life of the fuel cell. .
本発明によれば、発電をしているときの燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第1の所定の温度高くなるように流動装置を制御するので、蓄熱槽内の媒体の温度を高くすることができ、蓄熱槽に蓄えられた熱の利用可能な熱量(エクセルギー)が増大すると共に、蓄熱槽に蓄える単位熱量あたりの蓄熱槽の容積を小さくすることができる。 According to the present invention, the temperature of the fuel cell during power generation is controlled such that the temperature in the winter is higher than the temperature in the spring or autumn by the first predetermined temperature. The temperature of the medium in the tank can be increased, the available heat quantity (exergy) of the heat stored in the heat storage tank is increased, and the volume of the heat storage tank per unit heat quantity stored in the heat storage tank is reduced. Can do.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム1を説明する。図1は、燃料電池システム1の模式的系統図である。燃料電池システム1は、燃料電池20と、冷却水系を構成する冷却水ライン21と、排熱回収水系を構成する排熱回収水ライン31と、冷却水ライン21を流れる冷却水cと排熱回収水ライン31を流れる排熱回収水hとで熱交換を行わせる熱交換器30と、蓄熱槽としての貯湯槽40と、制御装置60とを備えている。冷却水c及び排熱回収水hは、燃料電池20で発生した熱を貯湯槽40へと搬送する媒体として機能する。また、冷却水系及び排熱回収水系は、熱交換器30と共に冷却排熱回収系23を構成する。
First, a
燃料電池20は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱するものであり、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池20は、改質器(不図示)で生成された改質ガスgを導入する燃料極20aと、酸化剤ガスtを導入する空気極20cと、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部20rとを含んで構成されている。改質器(不図示)は、原料とプロセス水とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスgを生成する機器である。原料は、典型的には、メタン、エタン、LPG等の鎖式炭化水素(天然ガスも含む)、あるいはメタノール、石油製品(灯油、ガソリン、ナフサ等)等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の原料である。改質ガスgは、水素を40%以上、典型的には75%程度含み、一酸化炭素濃度がおよそ10ppm以下程度のガスである。改質ガスg中の一酸化炭素濃度をこのような値まで低減させるのは、一酸化炭素によって被毒する燃料極20aの電極触媒が、被毒しないようにするためである。酸化剤ガスtは、典型的には空気である。燃料電池20は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極20aと空気極20cとで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部20rを介し複数枚積層して構成されている。
The
燃料電池20では、燃料極20aに供給された改質ガスg中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極20cに移動すると共に電子が燃料極20aと空気極20cとを結ぶ導線を通って空気極20cに移動して、空気極20cに供給された酸化剤ガスt中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応で発生した熱は、冷却部20rに供給される冷却水cによって除去される。換言すれば、燃料電池20は冷却水cにより冷却される。また、この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池20は、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー(不図示)を介して、商用電源98及び電力負荷99とそれぞれ電気的に接続されている。
In the
固体高分子型の燃料電池20は、一般に、発電を行っているときの温度(運転温度)が低い方が、固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下が抑制される(例えば、アレニウスプロットによる寿命予測に基づく)。発電を行っているときの燃料電池20の温度は、典型的には、冷却水cとの交換熱量に依存する。
In general, the polymer
熱交換器30は、燃料電池20を冷却する冷却水cと、燃料電池20で発生した熱を貯湯槽40に蓄える媒体である排熱回収水hとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器30は、冷却水cと排熱回収水hとが混合することがないように構成されている。熱交換器30は、燃料電池20から受熱して温度が上昇した冷却水cと冷却水cよりも温度が低い排熱回収水hとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池20で発生した熱を冷却水cから排熱回収水hに伝達するように構成されている。熱交換器30を用いて冷却水cと排熱回収水hとを別系統の流れとすることにより、冷却水c及び排熱回収水hの水質を個別に管理することが可能となる。
The
貯湯槽40は、燃料電池20における電気化学的反応の際に発生した熱を、排熱回収水hを媒体として蓄える機器である。貯湯槽40は、典型的には鉛直方向に長く耐食性に富む容器で形成されている。鉛直方向に長く形成されていることにより、内部に貯留される排熱回収水hの温度が上部から下部に向かうにしたがって低くなる温度成層の形成が容易になる。なお、排熱回収水hを媒体として貯湯槽40に蓄えられた熱は、給湯や暖房機器(床暖房やファンコイルユニット等)などの熱需要(不図示)にて任意の時間に利用される。貯湯槽40には、蓄えられている排熱回収水hを供給温水Wpとして給湯や暖房機器などの熱需要に供給するための温水往管42が上部に、暖房機器等で熱が利用されて温度が低下した戻り温水Wqを導入する温水還管43が下部に、給湯等で消費された温水分の水を補充するために補給水Ws(例えば市水等)を導入する補給水管48が下部に、それぞれ接続されている。供給温水Wp、戻り温水Wq、及び排熱回収水hは、用途に応じて呼称を区別したものであり、物質として見れば同じものであって、貯湯槽40内では混合される。
The
温水往管42には、典型的には、熱需要に向けて供給される供給温水Wpを加熱昇温する不図示の加熱器(例えば追い焚き器)が配設されている。また、温水往管42には、熱需要に向けて供給される供給温水Wpの流量を検出する流量計65が設けられている。また、加熱器(不図示)よりも下流側の温水往管42には、熱需要に向けて供給される供給温水Wpの温度を検出する温水往管温度センサ66が設けられている。温水還管43には、熱需要において熱が利用され温度が低下して貯湯槽40へ戻ってきた戻り温水Wqの温度を検出する温水還管温度センサ67が設けられている。補給水管48には、貯湯槽40に補充される補給水Wsの量を計測する水量検出手段としての量水器68が設けられている。なお、温水往管42から導出された供給温水Wpと補給水管48から導入される補給水Wsの量とが同じになる場合は、補給水管48及び量水器68を設けなくてもよい。
Typically, the warm water
燃料電池20の冷却部20rと熱交換器30とは、内部に冷却水cを流す冷却水ライン21で接続されている。燃料電池20と熱交換器30とが冷却水ライン21で接続されることにより、冷却水cがこれらの間を循環する循環流路が形成される。冷却水ライン21は、燃料電池20から熱交換器30へと冷却水cを流す第1冷却水ライン21Aと、熱交換器30から燃料電池20へと冷却水cを流す第2冷却水ライン21Bとを有している。以下、第1冷却水ライン21Aと第2冷却水ライン21Bとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「冷却水ライン21」という。第1冷却水ライン21Aには、冷却部20rから導出された冷却水cの温度を検出する冷却水温度検出手段としての冷却水出口温度センサ63が設けられている。冷却水出口温度センサ63は、冷却部20r近傍の第1冷却水ライン21Aに設けられていることが好ましい。あるいは、冷却水出口温度センサ63は、冷却水cの出口部分の冷却部20rに設けられていてもよい。第2冷却水ライン21Bには冷却水cを循環させる流動装置としての冷却水ポンプ22が挿入配置されている。なお、冷却水ポンプ22は第1冷却水ライン21Aに挿入配置されてもよいが、燃料電池20保護の観点から冷却部20rが負圧になることを回避するために第2冷却水ライン21Bに挿入配置されることが好ましい。また、第2冷却水ライン21Bには、冷却部20rに導入される冷却水cの温度を検出する冷却水入口温度センサ64が設けられている。本実施の形態では、冷却水入口温度センサ64が、冷却水ポンプ22と熱交換器30との間の第2冷却水ライン21Bに設けられているが、冷却部20r近傍の第2冷却水ライン21Bに設けられていてもよく、冷却水cの入口部分の冷却部20rに設けられていてもよい。
The
熱交換器30と貯湯槽40とは、内部に排熱回収水hを流す排熱回収水ライン31で接続されている。熱交換器30と貯湯槽40とが排熱回収水ライン31で接続されることにより、排熱回収水hがこれらの間を循環する循環流路が形成される。排熱回収水ライン31は、熱交換器30から貯湯槽40へと排熱回収水hを流す第1排熱回収水ライン31Aと、貯湯槽40から熱交換器30へと排熱回収水hを流す第2排熱回収水ライン31Bとを有している。以下、第1排熱回収水ライン31Aと第2排熱回収水ライン31Bとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「排熱回収水ライン31」という。第1排熱回収水ライン31Aは、好ましくは貯湯槽40の上部で、より好ましくは貯湯槽40の頂部で貯湯槽40に接続されており、第2排熱回収水ライン31Bは、好ましくは貯湯槽40の下部で、より好ましくは貯湯槽40の底部で貯湯槽40に接続されている。このように接続されることで、貯湯槽40の内部に貯留される排熱回収水hの温度成層の形成が容易になる。第2排熱回収水ライン31Bには排熱回収水hを循環させる流動装置としての排熱回収水ポンプ32が挿入配置されている。なお、排熱回収水ポンプ32は第1排熱回収水ライン31Aに挿入配置されてもよい。
The
第1排熱回収水ライン31Aと、排熱回収水ポンプ32よりも上流側の第2排熱回収水ライン31Bとは、バイパスライン35で接続されている。バイパスライン35は、第1排熱回収水ライン31Aを流れる排熱回収水hを、貯湯槽40に流入させずに(貯湯槽40をバイパスして)第2排熱回収水ライン31Bへ導く流路である。第1排熱回収水ライン31Aとバイパスライン35との接続部分には、第1排熱回収水ライン31Aを流れる排熱回収水hを貯湯槽40に流入させるのと、貯湯槽40をバイパスして第2排熱回収水ライン31Bに流入させるのとを切り替える切替手段としての三方弁62が配設されている。三方弁62は、三方弁62と貯湯槽40との間の距離ができるだけ短くなるように配設されていることが好ましい。三方弁62は制御装置60からの信号を受信して電動で流路を切り替えることができるように構成されている。第1排熱回収水ライン31Aには、三方弁62の直近上流に、排熱回収水hの温度を検出する温度検出器としてのバイパス温度センサ61が設けられている。
The first exhaust heat
制御装置60は、燃料電池システム1の運転を制御する。制御装置60は冷却水ポンプ22及び排熱回収水ポンプ32とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、冷却水ポンプ22及び排熱回収水ポンプ32の発停や回転数をそれぞれ制御することができるように構成されている。また、制御装置60は三方弁62と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して三方弁62の流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置60はバイパス温度センサ61、冷却水出口温度センサ63、冷却水入口温度センサ64、温水往管温度センサ66、温水還管温度センサ67とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、各温度センサ61、63、64、66、67から温度信号をそれぞれ受信することができるように構成されている。また、制御装置60は流量計65及び量水器68とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、流量計65及び量水器68から流量信号をそれぞれ受信することができるように構成されている。燃料電池システム1は、外気温度を検出する外気温度検出手段としての外気温度センサ81を備えている。制御装置60は外気温度センサ81と信号ケーブルで接続されており、外気温度センサ81から温度信号を受信することができるように構成されている。また、燃料電池システム1は、暦を認識するカレンダー82を備えている。カレンダー82は、典型的にはコンピュータに組み込まれ、データとして時を刻むように構成されている。制御装置60はカレンダー82との間でデータの授受を行うことができるように構成されている。制御装置60とカレンダー82とは一体に構成されていてもよい。
The
引き続き図1を参照して、燃料電池システム1の作用を説明する。まず、燃料電池システム1の中間季(春季又は秋季)の作用について説明する。電力負荷99において電力需要が発生すると、制御装置60は燃料電池20が発電を行うように燃料電池システム1を制御する。このとき燃料電池20には、燃料極20aに改質ガスgが導入され、空気極20cに酸化剤ガスtが導入されて、燃料電池20では改質ガスg中の水素と酸化剤ガスt中の酸素との電気化学的反応により発電が行われる。燃料電池20で発電された電力は直流電力であるため、パワーコンディショナー(不図示)にて交流電力に変換された後に電力需要99に供給される。制御装置60は、典型的には電力需要99における消費電力よりも所定の容量(例えば100w)だけ少ない電力を燃料電池20で発電するように燃料電池20に導入される改質ガスg及び酸化剤ガスtの流量を制御する。電力需要99が燃料電池20から電力の供給を受けてなお不足する電力は、商用電源98から供給を受けることで補われる。燃料電池20は、その性質上、電力需要の急峻な変動に追従することが困難であるため、電力需要99における消費電力よりも所定の容量だけ少ない電力を発電することにより、燃料電池20で発電した電力が商用電源系統に逆潮流することを防いでいる。なお、仮に燃料電池20における発電電力が電力需要99の消費電力を上回った場合に対応するため、上回った分の電力(余剰電力)を熱に変換することで余剰電力を逆潮流させずに消費させる電気ヒータ(不図示)を設けてもよい。
With continued reference to FIG. 1, the operation of the
燃料電池20は、発電が行われるのに伴い熱が発生する。制御装置60は、改質ガスg及び酸化剤ガスtが燃料電池20に導入されたら、冷却水ポンプ22及び排熱回収水ポンプ32を起動する。また、制御装置60は、三方弁62に信号を送信して、当初は排熱回収水hがバイパスライン35を流れるように三方弁62の通水方向を設定し、バイパス温度センサ61で検出された温度が熱需要で利用可能な温度(例えば45〜50℃の任意の温度)以上のときは貯湯槽40に流入するように三方弁62の通水方向を切り替える。冷却水ポンプ22が起動されることにより冷却水cが冷却水ライン21を循環する。これにより、燃料電池20の冷却部20rに導入された冷却水cは燃料電池20から熱を奪って温度が上昇し、他方、燃料電池20は冷やされる。燃料電池20は、冷却水cで冷却されることにより発電に適した温度に維持される。燃料電池20の熱を奪って温度が上昇した冷却水cは、熱交換器30で排熱回収水hと熱交換して燃料電池20を冷却可能な程度に温度が低下し、他方、排熱回収水hの温度は上昇する。温度が低下した冷却水cは、再び冷却部20rに導入されて燃料電池20で発生した熱を奪う、というように冷却水ライン21を循環する。このとき、制御装置60は、冷却水出口温度センサ63で検出された温度が中間季の所定の温度(例えば75℃)になるように冷却水ポンプ22の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ64で検出された温度が中間季の所定の温度(例えば65℃)になるように排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節する。このように調節することで、燃料電池20の温度を安定させることができ、燃料電池20を安定して運転させることができる。
The
熱交換器30で冷却水cと熱交換することにより温度が上昇した排熱回収水hは、その後貯湯槽40の上部に流入する。他方、貯湯槽40の下部からは、熱交換器30に導入される冷却水cよりも温度が低い排熱回収水hが導出される。貯湯槽40の下部から導出された排熱回収水hは、熱交換器30に導入され、冷却水cと熱交換を行って温度が上昇する。貯湯槽40には温度が高い排熱回収水hが上部から導入されることにより、温度成層が形成される。なお、形成された温度成層をできるだけ乱さないようにする観点から、貯湯槽40に導入される排熱回収水hの動圧はできるだけ小さい方がよい。
The exhaust heat recovery water h whose temperature has been increased by exchanging heat with the cooling water c in the
貯湯槽40に蓄えられた温度が高い排熱回収水hは、温水往管42を介して給湯や暖房機器(床暖房やファンコイルユニット等)などの熱需要(不図示)に供給温水Wpとして供給される。熱需要に供給される供給温水Wpの温度が熱需要において利用される温度よりも低下している場合は、加熱器(不図示)で加熱される。熱需要に供給された供給温水Wpは、例えば、暖房機器等の熱を利用して物質としての水を消費しない場所に供給された場合は、暖房機器等において熱が利用されて温度が低下した後に戻り温水Wqとして温水還管43を介して貯湯槽40の下部に戻される。給湯等の物質としての水の消費を伴う場所に供給された場合は、給湯等に利用されて消費された分の水が補給水Wsとして補給水管48を介して貯湯槽40の下部に補充される。これらにより、貯湯槽40の下部から流出する排熱回収水hは、熱交換器30に導入される冷却水cよりも温度が低くなる。貯湯槽40に補給された水量の情報は、信号として制御装置60に送信される。
The exhaust heat recovery water h having a high temperature stored in the hot
ここで、貯湯槽40に貯留される排熱回収水hは、熱利用の観点からは温度が高いほど利用価値が高くなる。貯湯槽40に流入する排熱回収水hの温度が上昇すると、貯湯槽40への蓄熱量を増やすことができ、あるいは蓄熱量を変えずに貯湯槽40を小さくすることができると共に、利用可能な熱量(エクセルギー)が増大することとなるからである。貯湯槽40に流入する排熱回収水hの温度は、燃料電池20の運転温度を高くすることによって高くすることができる。しかしながら、上述のように、燃料電池20の運転温度が低い方が、固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下が抑制される。例えば一般家庭用の燃料電池システムは、少なくとも10年の耐久性を有することが好ましいところ、寿命を延ばす観点から、燃料電池の耐久性の低下を抑制する運転を行うことが好ましい。燃料電池システム1では、上記の相反する利点を最大限に生かすため、以下のような制御を行う。
Here, the exhaust heat recovery water h stored in the hot
図2は、燃料電池システム1の制御を説明するフローチャートである。燃料電池システム1は、一般的に熱需要が増加する冬季に燃料電池20の運転温度を中間季(春季及び秋季)の温度よりも第1の所定の温度高くなるようにし、一般的に熱需要が減少する夏季に燃料電池20の運転温度を中間季の温度よりも第2の所定の温度低くなるようにしている。燃料電池20の運転温度の変動幅と、貯湯槽40に流入する排熱回収水hの温度の変動幅とを同じにした場合は、貯湯槽40に流入する排熱回収水hの温度も燃料電池20の運転温度に応じて上昇又は低下する。また、「第1の所定の温度」は、任意の値とすることができるが、燃料電池20の上限運転温度内で、熱需要で消費できる範囲の蓄熱量とする排熱回収水hの最高温度にできるだけ近づけつつ、燃料電池20に導入される冷却水cの温度を、燃料電池20の耐久性に過度の悪影響を及ぼすことなく燃料電池20を継続して運転可能に冷却できる温度とすることができる範囲で決定するのが好ましい。「第2の所定の温度」は、任意の値とすることができるが、熱需要の消費熱量をできるだけ燃料電池20の排熱で賄えるようにすること(燃料電池20の運転温度を高くする方向に働く)と、固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下の抑制の効果をできるだけ高めるようにすること(燃料電池20の運転温度を低くする方向に働く)とのバランスを考慮して決定するのが好ましい。燃料電池20の運転温度を冬季に高くして、冬季以外は中間季の運転温度以下にすることにより、燃料電池システム1の大型化を抑制しつつ燃料電池20の排熱を有効利用でき、また年間を通じて燃料電池20の運転温度を高くするよりは燃料電池20の寿命を延ばすことができる。また、燃料電池20の運転温度を夏季に低くして、夏季以外は中間季の運転温度以上にすることにより、燃料電池20の寿命を延ばすことが可能になる。
FIG. 2 is a flowchart for explaining the control of the
燃料電池システム1の運転中、制御装置99は、温水往管温度センサ66で検出された温度と温水還管温度センサ67で検出された温度との差、及び流量計65で検出された供給温水Wpの流量、並びに量水器68で検出された補給水Wsの流量及びあらかじめ制御装置99に記憶されている季節ごとの補給水Wsの温度から熱需要で消費された熱量を算出し、算出された熱量の値をあらかじめ制御装置99に記憶されている季節ごとの消費熱量と比較して、冬季か否かを判断する(ST1)。冬季であれば、冷却水出口温度センサ63で検出された冷却水cの温度が中間季よりも第1の所定の温度(本実施の形態では10℃)高くなるように冷却水ポンプ22及び排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節する(ST2)。本実施の形態では、冷却水出口温度センサ63で検出された温度が85℃になるように冷却水ポンプ22の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ64で検出された温度が75℃になるように排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節している。このようにすると、貯湯槽40への蓄熱量を増大すること又は蓄熱量を変えずに貯湯槽40を小さくすることができると共に貯湯槽40内の排熱回収水hの温度が上昇するため供給温水Wpの温度を高くすることができ、利用可能な熱量を増大させることができる。
During operation of the
冬季か否かを判断する工程(ST1)において冬季でないと判断したら、上述した要領により、熱需要において消費された熱量を算出し、算出された熱量の値をあらかじめ制御装置99に記憶されている季節ごとの消費熱量と比較して、夏季か否かを判断する(ST3)。夏季であれば、冷却水出口温度センサ63で検出された冷却水cの温度が中間季よりも第2の所定の温度(本実施の形態では10℃)低くなるように冷却水ポンプ22及び排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節する(ST4)。本実施の形態では、冷却水出口温度センサ63で検出された温度が65℃になるように冷却水ポンプ22の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ64で検出された温度が55℃になるように排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節している。このようにすると、燃料電池20の固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下を抑制することができ、燃料電池システム1の寿命を延ばすことができる。
If it is determined that it is not winter in the step (ST1) for determining whether or not it is the winter season, the amount of heat consumed in the heat demand is calculated in the manner described above, and the calculated amount of heat is stored in the
夏季か否かを判断する工程(ST3)において夏季でないと判断したら、設定温度の変更は行わず、冷却水出口温度センサ63で検出された冷却水cの温度を中間季の設定温度に維持する(ST5)。本実施の形態では、冷却水出口温度センサ63で検出された温度が75℃になるように冷却水ポンプ22の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ64で検出された温度が65℃になるように排熱回収水ポンプ32の吐出流量を調節している。冷却水cの温度を調節することにより貯湯槽40に流入する排熱回収水hの温度を中間季よりも第1の所定の温度高くする工程(ST2)、冷却水cの温度を調節することにより貯湯槽40に流入する排熱回収水hの温度を中間季よりも第2の所定の温度低くする工程(ST4)、又は中間季の設定温度に維持する工程(ST5)の後は、それぞれ再び冬季か否かを判断する工程(ST1)に戻る。
If it is determined that it is not summer in the step of determining whether it is summer (ST3), the set temperature is not changed, and the temperature of the cooling water c detected by the cooling water
以上の説明では、熱需要で消費された熱量を算出し、算出された熱量の値をあらかじめ制御装置99に記憶されている季節ごとの消費熱量と比較して季節を判断することとしたが、熱需要の消費熱量に基づいて季節を判断することに代えて、外気温度センサ81で検出した温度をあらかじめ制御装置99に記憶されている季節ごとの外気温度と比較して季節を判断することとしてもよく、あるいはカレンダー82で把握される暦をあらかじめ制御装置99に記憶されている季節と暦との対応関係と比較して季節を判断することとしてもよい。熱需要の消費熱量に基づいて季節を判断すると、燃料電池20の運転を消費熱量とバランスのとれた温度で行うことができ、この場合は外気温度センサ81及びカレンダー82を省略してもよい(設けなくてもよい)。外気温度に基づいて季節を判断する場合は、流量計65、温水往管温度センサ66、及び温水還管温度センサ67、並びにカレンダー82を省略することができ、季節を判断するために必要な構成が簡便になる。カレンダー82に基づいて季節を判断する場合は、流量計65、温水往管温度センサ66、及び温水還管温度センサ67、並びに外気温度センサ81を省略することができ、季節を判断するために必要な構成が簡便になる。
In the above description, the amount of heat consumed by the heat demand is calculated, and the season is determined by comparing the calculated amount of heat with the amount of heat consumed for each season stored in the
以上の説明では、夏季の場合に設定温度を中間季よりも第2の所定の温度低くすることとしたが、例えば夏季であっても熱需要が減少しない場合は、図2におけるフローチャートの夏季か否かを判断する工程(ST3)及び設定温度を中間季よりも第2の所定の温度低くする工程(ST4)を省略して、冬季か否かを判断する工程(ST1)において冬季でないと判断した場合に中間季の設定温度に維持する工程(ST5)に進むように構成してもよい。つまり、夏季における燃料電池20の運転温度を、第2の所定の温度低くせずに、中間季と同じ温度としてもよい。
In the above description, the set temperature is set to the second predetermined temperature lower than the intermediate season in the summer, but if the heat demand does not decrease even in the summer, for example, in the flowchart of FIG. The step (ST3) for determining whether or not and the step (ST4) for lowering the set temperature to the second predetermined temperature from the intermediate season are omitted, and it is determined that it is not winter in the step (ST1) for determining whether or not it is winter. In such a case, the process may proceed to a step (ST5) of maintaining the set temperature in the middle season. In other words, the operating temperature of the
また、例えば冬季であっても熱需要が増加しない等、利用可能な熱量を増やさなくてもよい場合は、図2におけるフローチャートの冬季か否かを判断する工程(ST1)及び設定温度を中間季よりも第1の所定の温度高くする工程(ST2)を省略して、夏季か否かを判断する工程(ST3)から制御を始めて、設定温度を中間季よりも第2の所定の温度低くする工程(ST4)、又は中間季の設定温度に維持する工程(ST5)の後に、それぞれ再び夏季か否かを判断する工程(ST3)に戻るように構成してもよい。つまり、冬季における燃料電池20の運転温度を、第1の所定の温度高くせずに、中間季と同じ温度としてもよい。この場合、夏季に燃料電池20の運転温度を第2の所定の温度低くするので、燃料電池20の寿命を延ばすことが可能になる。
In the case where it is not necessary to increase the amount of heat that can be used, for example, the heat demand does not increase even in the winter season, the step (ST1) for determining whether or not it is the winter season in the flowchart in FIG. The first predetermined temperature higher step (ST2) is omitted, and control is started from the step (ST3) for determining whether or not the summer season, and the set temperature is lowered to the second predetermined temperature from the intermediate season. After the step (ST4) or the step of maintaining the set temperature in the intermediate season (ST5), it may be configured to return to the step of determining whether or not it is summer (ST3). That is, the operating temperature of the
1 燃料電池システム
20 燃料電池
22 冷却水ポンプ
23 冷却排熱回収系
30 熱交換器
32 排熱回収水ポンプ
40 蓄熱槽
60 制御装置
63 冷却水出口温度センサ
65 流量計
66 温水往管温度センサ
67 温水還管温度センサ
68 量水器
81 外気温度センサ
82 カレンダー
c 冷却水
h 排熱回収水
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と;
前記燃料電池で発生した熱を媒体を介して前記蓄熱槽に搬送すると共に前記燃料電池を冷却する冷却排熱回収系であって、前記媒体を流動させる流動装置を有する冷却排熱回収系と;
発電をしているときの前記燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第1の所定の温度高くなるように前記流動装置の吐出流量を調節する制御装置とを備える;
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity and generates heat by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;
A heat storage tank for storing heat generated in the fuel cell;
A cooling exhaust heat recovery system for transporting heat generated in the fuel cell to the heat storage tank via a medium and cooling the fuel cell, the cooling exhaust heat recovery system having a fluid device for flowing the medium;
A control device that adjusts the discharge flow rate of the fluidizing device so that the temperature of the fuel cell during power generation is higher than the temperature in spring or autumn by a first predetermined temperature in winter. Prepare;
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The control device adjusts the discharge flow rate of the fluidizing device so that the temperature of the fuel cell when generating power is a second predetermined temperature lower in summer than in spring or autumn. to that;
The fuel cell system according to claim 1 .
前記制御装置が、前記熱消費量検出手段で検出された熱量の消費量に応じて季節を区別するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 Heat consumption detecting means for detecting consumption of heat stored in the heat storage tank;
The control device is configured to distinguish seasons according to the heat consumption detected by the heat consumption detection means;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記制御装置が、前記外気温度検出手段で検出された外気温度に応じて季節を区別するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 An outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature;
The controller is configured to distinguish seasons according to the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記制御装置が、前記カレンダーに基づいた暦に応じて季節を区別するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 Provide a calendar that recognizes the calendar;
The controller is configured to distinguish seasons according to a calendar based on the calendar;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記流動装置が、前記冷却水系に設けられた冷却水ポンプと、前記排熱回収水系に設けられた排熱回収水ポンプとを含んで構成され;
前記冷却水系の前記燃料電池から導出された媒体の温度を検出する冷却水出口温度センサと、前記冷却水系の前記燃料電池に導入される媒体の温度を検出する冷却水入口温度センサとをさらに備え;
前記冷却水出口温度センサで検出された温度に基づいて前記冷却水ポンプの吐出流量を調節し、前記冷却水入口温度センサで検出された温度に基づいて前記排熱回収水ポンプの吐出流量を調節することにより、発電をしているときの前記燃料電池の温度を制御するように構成された;
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The cooling exhaust heat recovery system includes a cooling water system that cools the fuel cell when the medium is introduced into the fuel cell, and an exhaust heat recovery water system that transports heat to the heat storage tank when the medium is introduced into the heat storage tank. And a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water medium and the exhaust heat recovery water medium;
The flow device includes a cooling water pump provided in the cooling water system and an exhaust heat recovery water pump provided in the exhaust heat recovery water system;
A cooling water outlet temperature sensor for detecting a temperature of a medium derived from the fuel cell of the cooling water system; and a cooling water inlet temperature sensor for detecting a temperature of a medium introduced into the fuel cell of the cooling water system. ;
The discharge flow rate of the cooling water pump is adjusted based on the temperature detected by the cooling water outlet temperature sensor , and the discharge flow rate of the exhaust heat recovery water pump is adjusted based on the temperature detected by the cooling water inlet temperature sensor. Configured to control the temperature of the fuel cell when generating electricity;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
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