JP4689305B2 - Fuel cell power generation system and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池本体、ガス供給手段、温度維持手段を有する燃料電池発電システムとその制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system having a fuel cell main body, a gas supply means, and a temperature maintenance means, and a control method therefor.
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。このような燃料電池としては、近年まで、比較的大型のPAFC(りん酸形)が主に開発されてきたが、最近では、小型のPEFC(個体高分子形燃料電池)の開発が活発化しており、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。 Conventionally, a fuel cell is known as a system for directly converting chemical energy of a fuel into electricity. This fuel cell is the one that takes out electricity directly by electrochemically reacting hydrogen as fuel and oxygen as oxidant, and can take out electric energy with high efficiency, and at the same time, quiet and harmful exhaust gas It has a feature that is excellent in environmental characteristics that it does not emit. As such a fuel cell, relatively large PAFC (phosphoric acid type) has been mainly developed until recently, but recently, development of a small PEFC (individual polymer fuel cell) has been activated. The spread of household fuel cell power generation systems is also approaching.
ところで、この家庭用燃料電池発電システムは、内部に水を保有することから、氷点下での運転停止保管の際には凍結する可能性がある。このため、特に寒冷地に設置する場合は、何らかの凍結対策が必要となる。従来、このような凍結対策としては、パッケージ内部にスペースヒータを用いたり、凍結リスクがある場合に水タンクから水を抜水したりする等の方法が一般的に採られていた。 By the way, since this domestic fuel cell power generation system has water inside, there is a possibility of freezing when the storage is stopped under freezing. For this reason, especially when installing in a cold region, some countermeasure against freezing is required. Conventionally, as a countermeasure against such freezing, methods such as using a space heater inside the package or draining water from a water tank when there is a risk of freezing have been generally adopted.
図8は、従来の典型的な水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。以下には、この燃料電池発電システムについて、構成、作用、効果の順に説明する。 FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a conventional typical hydrogen fuel utilization type fuel cell power generation system. Hereinafter, the fuel cell power generation system will be described in the order of configuration, operation, and effect.
この図8において、1は、燃料電池発電システム全体の構成を、外装ケースやカバー等によりパッケージングした燃料電池パッケージである。この燃料電池パッケージ1中には、DC電力を発生する燃料電池本体2、燃料電池本体2からの排ガスのバーナ燃焼熱を利用して水素を生成する改質器3、改質器3のバーナ燃焼排ガスを用いて水蒸気を発生する水蒸気発生器4、水蒸気発生後のバーナ燃焼排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器5、排ガスを燃料電池パッケージ1の外部に排出する排気口6、および凝縮した水を蓄える水タンク7が設置されている。
In FIG. 8,
ここで、改質器3は、生成した水素を燃料電池本体2に供給する水素供給系統を構成しており、燃料電池本体2に酸素を供給する図示していない酸素供給系統と共に、発電に必要なガスを供給するガス供給系統を構成している。また、改質器3から水タンク7に至る部分は、燃料電池本体2からの排ガスを利用すると共に、利用後の排ガスを排出する排ガス系統を構成している。
Here, the
燃料電池パッケージ1中にはまた、電池冷却水を循環させるための電池冷却水ポンプ8、燃料電池本体2で発生した熱を回収することで電池温度を調節するための電池冷却水熱交換器9が設置されている。ここで、電池冷却水ポンプ8および電池冷却水熱交換器9は、水タンク7と共に、燃料電池本体2の温度を適正に保持するための電池冷却系統を構成している。
The
さらに、凍結対策として、水タンク7に蓄えられた水を、水排出遮断弁10経由で燃料電池パッケージ1の外部に排出する水排出ライン11、および凍結の可能性を判断するために水タンク7の温度を計測する温度センサ12が設置されている。
Further, as a countermeasure against freezing, water stored in the
この燃料電池発電システムの基本的な作用は、次の通りである。通常運転時に、燃料電池本体2の発電に伴い生じる排熱は、主として、電池冷却水ポンプ8により循環される冷却水によって除去され、さらに、電池冷却水熱交換器9により未記載の熱利用系に移動することで有効利用される。また、燃料電池本体2から出た余剰水素を燃焼した後の、改質器排ガスは、蒸気発生器4および凝縮器5を経由して降温され、その過程で生じる凝縮水は水タンク7へ導かれる。
The basic operation of this fuel cell power generation system is as follows. During normal operation, the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell
一方、発電の停止時において、ほとんどの水は、水タンク7に戻って保持されるが、温度センサ12の指示値が、凍結する可能性のある温度以下となった場合には、水排出遮断弁10は開とされ、水タンク7内の水は水排出ライン11を通じて燃料電池パッケージ1の外部に排出される。
On the other hand, when the power generation is stopped, most of the water is returned to the
これにより、凍結リスクのある環境となった場合に、システム内の水を排出することで、凍結を防止することが可能となる。特許文献1はこのようなシステムの典型である。また、特許文献2においては、燃料電池パッケージの外部に設置した貯湯槽の温水を用いて凍結防止する方式が提案されている。さらに、燃料電池パッケージ内に凍結防止用のヒータおよび温度計を設け、パッケージ内部を常時一定以上に保つ制御を行うことが一般的に行われている。
しかしながら、上述したような従来の燃料電池発電システムの凍結防止方式には、次のような問題点がある。 However, the conventional anti-freezing method of the fuel cell power generation system as described above has the following problems.
まず、水タンクから水を抜く方式は、凍結防止に関しては有効であるものの、次の発電起動時には再度水張りを行う必要があり、水処理負荷が上昇するという問題が発生する。現在、燃料電発電池システム開発の分野では、保守費用の大部分を占める水処理負荷低減へ向けての努力が続けられていることを考慮すれば、水タンクから水を抜くという凍結対策はこの流れに逆行することになる。 First, although the method of draining water from the water tank is effective in preventing freezing, it is necessary to perform water filling again at the next power generation start, which causes a problem that the water treatment load increases. Considering the ongoing efforts to reduce the water treatment load, which accounts for the majority of maintenance costs, in the field of fuel cell system development, the countermeasure against freezing by draining water from the water tank is It goes against the flow.
また、貯湯槽の温水を用いて凍結防止する方式は、貯湯した熱が余剰する状況であれば問題ないが、通常凍結が懸念される時期は熱が余る可能性が少ないことから、この方式は結局エネルギーロスにつながり、理想的とは言えない。 In addition, the method of preventing freezing using hot water in a hot water tank is not a problem as long as the heat stored in the hot water is in excess, but since there is little possibility of heat remaining in the period when normal freezing is a concern, this method is Eventually it leads to energy loss and is not ideal.
さらに、パッケージ内に凍結防止用のヒータおよび温度計を設けて温度制御を行う方式は、外気温が低い状態で停止保管する場合に、ヒータ制御が常時行われていることになり、この方法もエネルギーロスが無視できないという問題がある。 Furthermore, the method of controlling the temperature by providing a freezing prevention heater and thermometer in the package means that the heater control is always performed when the storage is stopped at a low outside air temperature. There is a problem that energy loss cannot be ignored.
本発明は、上記のような問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することの可能な、エネルギー効率に優れた燃料電池発電システムとその制御方法を提供することである。 The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems, and the purpose thereof is to discharge water to the outside of the system without using constant heater control or heat storage in a hot water tank. It is also to provide an energy efficient fuel cell power generation system capable of realizing effective freezing countermeasures and a control method therefor.
本発明は、上記のような目的を達成するために、発電停止時にシステム内部の水を水タンクへ導入し、発電起動時には、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達することにより、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することができるようにしたものである。 In order to achieve the above object, the present invention introduces water inside the system into the water tank when power generation is stopped, and transfers the heat generated inside the system to the water tank when power generation is started. An effective anti-freezing measure can be realized without using any heater control or heat storage in a hot water storage tank and without discharging water outside the system.
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、水素と酸素を燃料電池本体に供給するガス供給手段、燃料電池本体の温度を適正に保持するための温度維持手段、および水を蓄える水タンクを有する燃料電池発電システムにおいて、水タンクが燃料電池本体より下部に配置されると共に、次のような水導入手段、熱伝達手段を有することを特徴としている。すなわち、水導入手段は、発電停止時に、燃料電池本体、ガス供給手段、および温度維持手段のいずれか1つ以上に保持されている水を、水タンクへ導入する手段である。また、熱伝達手段は、発電起動時に、水タンク内の水が凍結している場合に、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達して凍結水を解凍させる手段であって、水タンクの内部に設けられた凍結水解凍用の加熱器を有し、システム内部で発生した熱に加えて加熱器により水タンクを加熱して凍結水を強制解凍する起動優先動作と、システム内部で発生した熱のみを用いて凍結水を解凍させる省エネ優先動作のいずれかの動作を行うように構成されている手段である。 A fuel cell power generation system according to the present invention includes a fuel cell main body, a gas supply means for supplying hydrogen and oxygen to the fuel cell main body, a temperature maintaining means for appropriately maintaining the temperature of the fuel cell main body, and a water tank for storing water In the fuel cell power generation system having the above, the water tank is arranged below the fuel cell main body, and has the following water introduction means and heat transfer means. That is, the water introduction means is means for introducing water held in any one or more of the fuel cell main body, the gas supply means, and the temperature maintenance means to the water tank when power generation is stopped. Further, the heat transfer means, during power generation startup, when the water in the water tank is frozen, I means der for thawing frozen water the heat generated within the system is transmitted to the water tank, the water tank Has a heater for thawing frozen water provided in the interior of the system, and in addition to the heat generated inside the system, start-up priority operation that forcibly thaws frozen water by heating the water tank with the heater, and occurs inside the system It is a means comprised so that either operation | movement of the energy-saving priority operation | movement which thaws frozen water using only the heat which carried out may be performed.
また、本発明の制御方法は、上記の燃料電池発電システムの特徴を、システムを制御する方法の観点から把握したものである。 The control method of the present invention grasps the characteristics of the fuel cell power generation system from the viewpoint of a method for controlling the system.
以上のような特徴を有する燃料電池発電システムとその制御方法によれば、発電停止時に、システム内部の水を水タンクに集めることにより、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達するという簡単な凍結対策を施すだけで、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。すなわち、保管時に水タンク内の水が凍結した場合でも、発電起動時にシステム内部で発生した熱を水タンクに伝達することにより、少ないエネルギーロスで凍結状態からの発電起動を行うことができる。 According to the fuel cell power generation system having the above features and the control method thereof, when the power generation is stopped, the heat generated in the system is transferred to the water tank by collecting the water inside the system in the water tank. By only taking measures against freezing, measures for freezing the entire system can be easily realized. That is, even when the water in the water tank is frozen during storage, the heat generation generated in the system at the time of starting the power generation is transmitted to the water tank, so that the power generation can be started from the frozen state with a small energy loss.
一方、本発明の別の燃料電池発電システムは、燃料電池本体、ガス供給手段、および温度維持手段を有する燃料電池発電システムにおいて、不凍液を循環させることにより、燃料電池本体で発生した熱を回収して蓄熱器に蓄える蓄熱手段を有することを特徴としている。 On the other hand, another fuel cell power generation system of the present invention recovers heat generated in the fuel cell main body by circulating antifreeze liquid in the fuel cell power generation system having the fuel cell main body, gas supply means, and temperature maintaining means. It has a heat storage means for storing in the heat storage.
このような特徴を有する燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体で発生した熱を不凍液で回収することにより、熱媒体となる不凍液自体が凍結することがないため、蓄熱手段でのエネルギーロスを少なくすることができ、不凍液を循環させるだけで、蓄熱器に蓄えた熱をシステム内に伝達することができ、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。 According to the fuel cell power generation system having such characteristics, the heat generated in the fuel cell body is recovered by the antifreeze liquid, so that the antifreeze liquid itself serving as a heat medium does not freeze. The heat stored in the heat accumulator can be transferred into the system simply by circulating the antifreeze liquid, and a countermeasure for freezing of the entire system can be easily realized.
本発明によれば、発電停止時にシステム内部の水を水タンクへ導入し、発電起動時には、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達することにより、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することの可能な、エネルギー効率に優れた燃料電池発電システムとその制御方法を提供することができる。 According to the present invention, the water inside the system is introduced into the water tank when the power generation is stopped, and the heat generated inside the system is transmitted to the water tank when the power generation is started. It is possible to provide a fuel cell power generation system excellent in energy efficiency and its control method capable of realizing an effective anti-freezing measure without using water and without discharging water to the outside of the system.
以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、説明の簡略化の観点から、図8に示した従来技術と同一部分には同一符号を付している。 Embodiments to which the present invention is applied will be specifically described below with reference to the drawings. From the viewpoint of simplifying the explanation, the same parts as those in the prior art shown in FIG.
[第1の実施形態]
[システム構成]
図1は、本発明を適用した第1の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図である。本実施形態の基本構成は、図8に示した従来技術と同様であるが、以下の点が異なる。
[First Embodiment]
[System configuration]
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell power generation system according to a first embodiment to which the present invention is applied. The basic configuration of the present embodiment is the same as that of the prior art shown in FIG. 8, except for the following points.
すなわち、図1に示すように、本実施形態においてはまず、図8の凝縮器5と水タンク7に代えて、凝縮器部20aと水タンク部20bを上下に一体的に構成した複合凝縮器20が設けられている。この複合凝縮器20は、その水タンク部20bの位置が、燃料電池本体2より低位置となるように配置されている。
That is, as shown in FIG. 1, in the present embodiment, first, in place of the
また、本実施形態の燃料電池発電システムは、水を外部に排出する方式ではなく、複合凝縮器20の水タンク部20bに水を集める方式であるため、図8の水排出遮断弁10と水排出ライン11は設けられておらず、その代わりに、空気の導入により燃料電池本体2から水を抜いて水タンク部20bに導入するための空気導入用の遮断弁30が設けられている。
Further, since the fuel cell power generation system of this embodiment is not a method of discharging water to the outside but a method of collecting water in the
なお、図8について前述したように、改質器3は、燃料電池本体2に水素を供給する水素供給系統と、燃料電池本体2に酸素を供給する図示していない酸素供給系統と共に、発電に必要なガスを供給するガス供給系統を構成しており、このガス供給系統が、本発明におけるガス供給手段に相当する。また、電池冷却水ポンプ8および電池冷却水熱交換器9は、水タンク部20bを含む複合凝縮器20と共に、燃料電池本体2の温度を適正に保持するための電池冷却系統を構成しており、この電池冷却系統が、本発明における温度維持手段に相当する。
As described above with reference to FIG. 8, the
さらに、以上のような燃料電池発電システムの各部は、システム制御装置100からの制御指令により制御されるようになっている。ここで、システム制御装置100は、具体的には、本発明による燃料電池発電システム制御用に特化したプログラムを記憶させたマイコンにより実現される。
Furthermore, each part of the fuel cell power generation system as described above is controlled by a control command from the
[複合凝縮器]
図2は、本実施形態の複合凝縮器20の構成を示す模式図である。この図2に示すように、複合凝縮器20において、水タンク部20bの内周面の形状は、この内周面によって画定される内部空間の断面積が下端部から情報に向かって連続的に大きくなる形状とされている。具体的には、下向きの略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状、略多角錐台形状、等の形状とすることが考えられるが、ここでは、一例として、下向きの略四角錐台形状であるものとする。
[Composite condenser]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the
また、水タンク部20bの内周面には、融点10℃の潜熱蓄熱材21が取り付けられている。この潜熱蓄熱材21は、相変化物質の質量と単位質量当たりの凝固/融解潜熱との積で表される潜熱を利用した蓄熱材であり、既存の各種の潜熱蓄熱材が使用可能である。なお、潜熱蓄熱材21の融点10℃は一例であり、燃料電池発電システムを設置する環境やシステムのタイプ等に応じて、潜熱蓄熱材21の融点は自由に変更可能である。従来、物質の配合を調整することで融点を自由に設定可能な各種の潜熱蓄熱材が提案されているため、そのような材料を使用することにより、潜熱蓄熱材21の融点は容易に変更可能である。
A latent
また、潜熱蓄熱材21の内側表面には、水タンク部20b内の水が凍結した場合の凍結水解凍用の解凍ヒータ22、および水タンク部20bの温度を計測する温度センサ12が取り付けられている。
Further, on the inner surface of the latent
また、複合凝縮器20の側面において、水タンク部20bの潜熱蓄熱材21の上部近傍位置には、改質器3のバーナ燃焼排ガスを導入する燃焼排ガス入口23が設けられ、複合凝縮器20の上面には、導入したバーナ燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス出口24が設けられている。
Further, on the side surface of the
また、複合凝縮器20下部の水タンク部20bの内部空間には、燃焼排ガス入口23から導入したバーナ燃焼排ガスからの熱伝達を促進して、水タンク部20bに蓄えられた水に熱エネルギーを効率よく伝えるための伝熱促進材25が設置されている。ここで、伝熱促進材25は、具体的には、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属板により形成された伝熱フィンである。この伝熱促進材25は、柔軟性を有する支持部材26を介して複合凝縮器20の上面に固定されており、支持部材26の変形を利用して、複合凝縮器20の底面や側面に対して変位可能となっている。
Further, in the internal space of the
また、複合凝縮器20上部の凝縮器部20aの内部空間において、伝熱促進材25の上方位置には、バーナ燃焼排ガスの熱を冷却・凝縮させると共に、温水として取り出すための冷熱源27が設置されている。
Further, in the internal space of the
なお、複合凝縮器20の周囲には、外部への放熱を抑制するために、断熱材28が施工されている。
A
[停止保管起動手順]
図3は、以上のような構成を有する本実施形態に係る燃料電池発電システムの停止保管起動手順を示すフローチャートである。
[Suspended storage start procedure]
FIG. 3 is a flowchart showing the stop storage start procedure of the fuel cell power generation system according to this embodiment having the above-described configuration.
この図3に示すように、発電状態から発電停止指令が発せられると(S110のYES)、システム制御装置100は、発電停止処理として、燃料電池本体2に水素と酸素を供給するガス供給系統(改質器3以外は図示していない)を閉じることにより燃料電池本体2の発電を停止させることにより発電を停止する(S120)。続いて、水導入処理として、遮断弁30を開いて空気を導入しながら燃料電池本体2から水を抜いて電池冷却水ポンプ8を逆流させることにより、燃料電池本体2から抜いた水を、複合凝縮器20の水タンク部20bに強制的に導入する(S130)。この結果、燃料電池発電システムは完全停止して保管状態となる。
As shown in FIG. 3, when a power generation stop command is issued from the power generation state (YES in S110), the
また、保管状態から発電起動指令が発せられると(S140のYES)、事前のモード設定あるいはモード選択条件に基づいて(S150)、起動優先モードと省エネ優先モードのいずれか一方のモードによる起動処理を行う(S160,S170)。この起動処理においては、改質器3を起動、昇温させて複合凝縮器20の水タンク部20bに熱を伝達することにより、水タンク部20b内の水が凍結している場合に、この凍結水を解凍させ、改質器3の昇温が完了した時点で水蒸気を導入して改質を開始することにより、発電起動を完了し、通常の発電状態となる。
Further, when a power generation start command is issued from the storage state (YES in S140), the start processing in one of the start priority mode and the energy saving priority mode is performed based on the prior mode setting or mode selection condition (S150). It performs (S160, S170). In this activation process, the
[作用]
以下には、上記のような本実施形態に係る燃料電池発電システムの作用について説明する。
[Action]
Hereinafter, the operation of the fuel cell power generation system according to the present embodiment as described above will be described.
[水導入・起動処理による基本的な作用]
本実施形態の停止手順においては、前述したように、ガス供給停止処理により発電を停止した(S120)後、水導入処理として、遮断弁30を開いて空気を導入しながら燃料電池本体2から水を抜いて電池冷却水ポンプ8を逆流させることにより、燃料電池本体2から抜いた水を、複合凝縮器20の水タンク部20bに強制的に導入する(S130)。
[Basic action by water introduction / start-up process]
In the stop procedure of the present embodiment, as described above, after the power generation is stopped by the gas supply stop process (S120), as the water introduction process, water is supplied from the fuel cell
本実施形態においては、このように、システム内部の水を水タンク部21bに集めることにより、システム内部で発生した熱を水タンク部21bに伝達するという簡単な凍結対策を施すだけで、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。すなわち、保管時に水タンク部21b内の水が凍結した場合でも、発電起動時にシステム内部の改質器3で発生した燃焼排ガスの熱を水タンク部21bに伝達することにより、少ないエネルギーロスで凍結状態からの発電起動を行うことができる。
In this embodiment, by collecting the water inside the system in the water tank portion 21b as described above, the entire system can be obtained only by taking a simple countermeasure against freezing in which the heat generated inside the system is transmitted to the water tank portion 21b. Can be easily realized. That is, even when the water in the water tank portion 21b is frozen during storage, the heat of the combustion exhaust gas generated in the
[潜熱蓄熱材による凍結遅延]
また、発電停止時に水導入処理を行った段階で、水タンク部20bの水は約60℃であり、この場合に、融点10℃の潜熱蓄熱材21は、液状で潜熱を蓄えている。この後、外気温が氷点下で凍結リスク環境となった場合、従来システムであれば水タンクの水が徐々に低下し、一定時間後に凍結を開始するが、本システムにおいては、水タンク部20bに潜熱蓄熱材21を有しているため、図4に示すように、従来に比べてより長い時間に亘って凍結しない水温を保持できる。
[Freezing delay due to latent heat storage material]
In addition, when the water introduction process is performed when power generation is stopped, the water in the
そのため、昼間運転して夜間停止するDSS(Daily startup shutdown)運用の場合に、水を凍結させることなく次の起動につなげることができる可能性が高い。このように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、DSS運用時に、水温保持による凍結遅延という有効な凍結対策を実現することができる。 Therefore, in the case of DSS (Daily startup shutdown) operation in which the vehicle is operated during the daytime and stopped at night, there is a high possibility that it can be connected to the next startup without freezing water. As described above, according to the fuel cell power generation system of the present embodiment, it is possible to realize an effective freezing measure such as a freezing delay due to water temperature maintenance during DSS operation.
[水タンク形状による膨張吸収]
前述したように、本実施形態においては、潜熱蓄熱材21による凍結遅延作用が得られるものの、長期に亘って氷点下の凍結リスク環境に置かれた場合、水タンク部20b内の水は凍結することになる。従来の水タンク形状では、この凍結の際に、膨張の影響でタンクが破損する可能性があったが、本実施形態では、水タンク部20bの形状を、下向きの略四角錐台形状としているため、凍結してもその膨張分は、上方向に逃げることができ、水タンク部20bが破損することはない。このように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、水タンク部20bの内周面形状を工夫したことにより、水の凍結時における膨張分を吸収することができる。
[Expansion absorption by water tank shape]
As described above, in this embodiment, although the freezing delay action by the latent
また、水タンク部20bに設置された伝熱促進材25は、柔軟性を有する支持部材26により、複合凝縮器20の底面や側面に対して変位可能となっているため、水の凍結に伴い支障なく変位可能であるため、伝熱促進材25が破損することはない。
Moreover, since the heat transfer promotion material 25 installed in the
なお、前述したように、水タンク部20bの内周面の形状は、下向きの略四角錐台形状に限らず、下向きの略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状、略多角錐台形状、等の形状とすることも可能である。すなわち、水タンク部20bの内周面によって画定される内部空間の断面積が下端部から情報に向かって連続的に大きくなる形状であれば、同様の作用が得られるものである。あるいはまた、水タンク部20bの形状を工夫する代わりに、水タンク部20bの内周面の一部または全部を変形可能とすることにより、変形による膨張吸収機能を持たせるように構成してもよい。
As described above, the shape of the inner peripheral surface of the
[起動優先モードの起動処理によるエネルギーロスの抑制]
図5は、図3に示した起動優先モードの起動処理(S160)の手順を示すフローチャートである。
[Suppression of energy loss by startup processing in startup priority mode]
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the startup priority mode startup process (S160) shown in FIG.
この図5に示すように、起動優先モードの起動処理においてはまず、温度センサ12の指示値に基づいて、水タンク部20bが凍結状態であるか否かを判定する(S161)。凍結していない場合(S161のNO)には、通常起動処理として、改質器3の点火・昇温を行い(S162)、改質器の昇温が完了した時点(S163)で、蒸気発生器4で発生させた水蒸気を改質器3内に導入して改質を開始する(S164)ことにより、発電起動を完了し、通常の発電状態となる。一方、凍結状態と判定された場合(S161のYES)は、凍結水解凍起動処理を行う(S165〜S169)。
As shown in FIG. 5, in the startup process of the startup priority mode, first, based on the instruction value of the
すなわち、凍結水解凍起動処理においてはまず、改質器3の点火・昇温を行うと共に、バーナ燃焼空気を増量する(S165)。この場合、改質器3のバーナ燃焼排ガスは、複合凝縮器20の燃焼排ガス入口23から導入され、伝熱促進材25により凍結水に熱を与えた後、燃焼排ガス出口24から排出されることにより、このバーナ燃焼排ガスの熱が水タンク部20bに伝達される(S166、熱伝達運転)。この場合、通常起動処理に比べてバーナ燃焼空気が増量されていることから、バーナ燃焼排ガスからの水タンク部20bへの伝熱が促進され、解凍が効率よく行われる。
That is, in the frozen water thawing start-up process, first, the
改質器3の温度が昇温完了条件温度マイナス100℃となった時点(S167)で、温度センサ12の指示値に基づき、水タンク部20bの温度が4℃以上であるか否かを判定条件として、水タンク部20b内の水が解凍完了したか否かを判定する(S168)。
When the temperature of the
解凍完了である場合(S168のYES)には、その後は、通常起動処理に移行して、改質器の昇温が完了した時点(S163)で、蒸気発生器4で発生させた水蒸気を改質器3内に導入して改質を開始する(S164)。また、解凍が完了していない場合(S168のNO)は、解凍ヒータ22に通電して「Active」とし、強制解凍を行う(S169)。
When the thawing is completed (YES in S168), the process thereafter proceeds to a normal startup process, and the steam generated by the steam generator 4 is modified when the temperature raising of the reformer is completed (S163). The reformer is started after being introduced into the mass device 3 (S164). If the thawing is not completed (NO in S168), the
このような解凍ヒータ22による強制解凍は、解凍ヒータの電力消費によるエネルギーロスにつながるが、この状況は、本質的に希な状況である上、改質器のバーナ燃焼排ガスにより解凍がある程度進んだ状態からのヒータ投入であるため、解凍ヒータによるエネルギーロスは、低く抑えることができる。また、解凍ヒータを使用しない場合に比べて、凍結時における起動時間をできるだけ短縮することができる。
Such forced thawing by the
[省エネ優先モードの起動処理によるエネルギーロスの最小化]
図6は、図3に示した省エネ優先モードの起動処理(S170)の手順を示すフローチャートである。
[Minimization of energy loss by activation process of energy saving priority mode]
FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the energy saving priority mode start-up process (S170) shown in FIG.
この図6に示すように、省エネ優先モードの起動処理においては、改質器3の点火・昇温を行う(S171)ことにより、水タンク部20bが凍結状態である場合には、バーナ燃焼排ガスの熱が、伝熱促進材25により凍結水に伝達され、凍結水の解凍が効率よく行われる(S172、熱伝達運転)。そして、改質器の昇温が完了した時点(S173)で、温度センサ12の指示値に基づき、水タンク部20bの温度が4℃以上であるか否かを判定条件として、水タンク部20b内の水が解凍完了したか否かを判定する(S174)。
As shown in FIG. 6, in the start-up process of the energy saving priority mode, the
解凍完了である場合(S174のYES)には、蒸気発生器4で発生させた水蒸気を改質器3内に導入して改質を開始する(S175)ことにより、発電起動を完了し、通常の発電状態となる。また、解凍が完了していない場合(S174のNO)は、解凍ヒータ22を使用せずに、燃料供給量を減量し、空気供給量を増量して解凍運転を行い(S176)、解凍完了となる(S174のYES)まで、バーナ燃焼による熱伝達運転を継続する。
When the thawing is completed (YES in S174), the steam generation generated by the steam generator 4 is introduced into the
このような解凍ヒータ22を使用しない方法は、解凍ヒータ22による強制解凍を行った場合に比べて、起動時間が長くなる可能性があるが、解凍ヒータ22を使用しない分だけ、エネルギーロスをより低く抑え、最小化することができる。
Such a method that does not use the
[効果]
上記のような本実施形態に係る燃料電池発電システムの効果は次の通りである。すなわち、凍結リスク環境でのDSS運用時においても、凍結する可能性・頻度を低く抑えることができると共に、万一凍結した場合にも、水タンク部を含む複合凝縮器やその他の機器が破損することはなく、また、凍結後の起動時において解凍するためのエネルギーを低く抑えることができる。したがって、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することができる。
[effect]
The effects of the fuel cell power generation system according to this embodiment as described above are as follows. In other words, even during DSS operation in a freezing risk environment, the possibility and frequency of freezing can be kept low, and in the unlikely event of freezing, the composite condenser and other equipment including the water tank section will be damaged. In addition, the energy for thawing at the start-up after freezing can be kept low. Therefore, effective countermeasures against freezing can be realized without using constant heater control or heat storage in a hot water storage tank and without discharging water to the outside of the system.
[第2の実施形態]
図7は、本発明を適用した第2の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図である。本実施形態の基本構成は、図8に示した従来技術と同様であるが、以下の点が異なる。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a block diagram showing a fuel cell power generation system according to a second embodiment to which the present invention is applied. The basic configuration of the present embodiment is the same as that of the prior art shown in FIG. 8, except for the following points.
すなわち、図7に示すように、本実施形態においては、蓄熱材を循環させることにより、燃料電池本体2で発生した熱を電池冷却水熱交換器9経由で回収する蓄熱装置40が追加されている。この蓄熱装置40は、熱を蓄えるために蓄熱材で満たされた蓄熱槽41と、蓄熱材を循環させるための蓄熱材循環ポンプ42を有する。なお、蓄熱材としては、水より比熱が高くかつ凝固点が低い不凍液からなる蓄熱材が使用されている。
That is, as shown in FIG. 7, in the present embodiment, a heat storage device 40 that adds heat generated in the fuel cell
蓄熱装置40はさらに、蓄熱を、給湯および風呂追焚という2つの熱利用先に供給するために、給湯ライン43、風呂追焚ライン44、および風呂追焚ポンプ45を有する。
The heat storage device 40 further includes a hot
また、本実施形態の燃料電池発電システムは、水を外部に排出する方式ではなく、水タンク7に水を集める方式であるため、第1の実施形態と同様に、図8の水排出遮断弁10と水排出ライン11は設けられていない。
Further, since the fuel cell power generation system of the present embodiment is not a method of discharging water to the outside but a method of collecting water in the
なお、図7において、燃料電池パッケージ1内の構成については、本実施形態の特徴をより明確化すると共に、簡略化の観点から、改質器3、水蒸気発生器4、凝縮器5、および排気口6等の記載を省略しているが、実際の燃料電池パッケージ1内には、図8と同様に、これらの構成要素3〜6が設けられている。
In FIG. 7, the configuration of the
以上のような構成を有する本実施形態において、燃料電池本体2で発生した熱は、電池冷却水熱交換器9を介して蓄熱装置40の蓄熱材により回収され、蓄熱槽41に蓄えられる。蓄熱槽41に蓄えられた熱は、給湯ライン43、風呂追焚ライン44、および風呂追焚ポンプ45により、給湯および風呂追焚という2つの熱利用先に供給される。また、蓄熱材を循環させることにより、蓄熱槽41に蓄えられた熱を、電池冷却水熱交換器9を介して電池冷却水に伝達したり、水タンク7に伝達することもできる。
In the present embodiment having the above configuration, the heat generated in the fuel cell
このように、本実施形態においては、燃料電池本体で発生した熱を不凍液からなる蓄熱材で回収することにより、熱媒体となる蓄熱材自体が凍結することがないため、蓄熱装置40での解凍等のエネルギーロスを少なくすることができ、蓄熱材を循環させるだけで、蓄熱槽41に蓄えた熱を燃料電池発電システム内に伝達することができ、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。
As described above, in the present embodiment, the heat generated in the fuel cell main body is recovered by the heat storage material made of the antifreeze liquid, so that the heat storage material itself that becomes the heat medium does not freeze, so that the heat storage device 40 thaws. It is possible to reduce the energy loss such as the
特に、本実施形態によれば、凝固点が低くかつ熱容量の大きい蓄熱材を使用することで、蓄熱槽41を小型化できると共に、本質的に凍結を防止することができる。
In particular, according to the present embodiment, by using a heat storage material having a low freezing point and a large heat capacity, the
[他の実施形態]
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。
[Other Embodiments]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other variations can be implemented within the scope of the present invention.
すなわち、本発明は、システム内で保持している水の処理方式と、システム内の水に対する熱の伝達方式、あるいは、システム内で発生した熱の回収・蓄熱方式に特徴を有するものであるため、本発明の特徴を有する限り、各部の構成は自由に選択可能であり、その場合においても、前述した実施形態と同様に優れた効果が得られるものである。 That is, the present invention is characterized by a method for treating water held in the system, a method for transferring heat to the water in the system, or a method for collecting and storing heat generated in the system. As long as it has the characteristics of the present invention, the configuration of each part can be freely selected, and even in that case, excellent effects can be obtained as in the above-described embodiment.
1…燃料電池パッケージ
2…燃料電池本体
3…改質器
4…水蒸気発生器
5…凝縮器
6…排気口
7…水タンク
8…電池冷却水ポンプ
9…電池冷却水熱交換器
10…水排出遮断弁
11…水排出ライン
12…温度センサ
20…複合凝縮器
20a…凝縮器部
20b…水タンク部
21…潜熱蓄熱材
22…解凍ヒータ
23…燃焼排ガス入口
24…燃焼排ガス出口
25…伝熱促進材
26…支持部材
27…冷熱源
28…断熱材
30…遮断弁
40…蓄熱装置
41…蓄熱槽
42…蓄熱材循環ポンプ
43…給湯ライン
44…風呂追焚ライン
45…風呂追焚ポンプ
100…システム制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記水タンクは前記燃料電池本体より下部に配置され、
発電停止時に、前記燃料電池本体、前記ガス供給手段、および前記温度維持手段のいずれか1つ以上に保持されている水を、前記水タンクへ導入する水導入手段と、
発電起動時に、前記水タンク内の水が凍結している場合に、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達して凍結水を解凍させる熱伝達手段を有し、
前記熱伝達手段は、前記水タンクの内部に設けられた凍結水解凍用の加熱器を有し、システム内部で発生した熱に加えて当該加熱器により前記水タンクを加熱して凍結水を強制解凍する起動優先動作と、システム内部で発生した熱のみを用いて凍結水を解凍させる省エネ優先動作のいずれかの動作を行うように構成されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。 In a fuel cell power generation system having a fuel cell main body, a gas supply means for supplying hydrogen and oxygen to the fuel cell main body, a temperature maintaining means for appropriately maintaining the temperature of the fuel cell main body, and a water tank for storing water ,
The water tank is disposed below the fuel cell body,
Water introduction means for introducing water held in any one or more of the fuel cell main body, the gas supply means, and the temperature maintenance means into the water tank when power generation is stopped;
During power generation startup, when the water in the water tank is frozen, it has a heat transfer means for thawing the frozen water the heat generated within the system is transmitted to the water tank,
The heat transfer means has a heater for thawing frozen water provided inside the water tank, and in addition to the heat generated inside the system, the water tank is heated by the heater to force frozen water. A fuel cell power generation that is configured to perform either a startup priority operation for thawing or an energy saving priority operation for thawing frozen water using only heat generated in the system. system.
前記熱伝達手段は、前記燃焼器からの排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器と前記水タンクとを一体的に構成した複合凝縮器を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。 The gas supply means has a combustor that burns the exhaust gas of the fuel cell main body in order to generate heat used to generate hydrogen,
2. The fuel cell power generation according to claim 1, wherein the heat transfer unit includes a composite condenser in which a condenser for condensing moisture in exhaust gas from the combustor and the water tank are integrally configured. system.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電システム。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the heat transfer means includes a heat transfer promoting member that is provided inside the water tank and promotes heat transfer from the exhaust gas of the combustor. 4. Power generation system.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat transfer means includes a latent heat storage material provided on an inner peripheral surface that defines an internal space of the water tank. system.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The water tank, the fuel cell power generation according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it has an expansion absorbing means for absorbing the expansion caused by freezing of the water stored in the inner space system.
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池発電システム。 The water tank, the cross-sectional area of the inner space is from the lower portion and continuously larger shape upward, claim 5, characterized in that said expansion absorbing means by the tank shape is configured The fuel cell power generation system described in 1.
ことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池発電システム。 Shape of the inner peripheral surface of the water tank, downward substantially conical, substantially pyramidal shape, a substantially truncated cone shape, substantially truncated pyramid shape, as claimed in claim 6, characterized in that either Fuel cell power generation system.
前記水タンクは前記燃料電池本体より下部に配置され、
発電停止時に、水導入手段により、前記燃料電池本体、前記ガス供給手段、および前記温度維持手段のいずれか1つ以上に保持されている水を、前記水タンクへ導入する水導入処理、
発電起動時に、熱伝達手段により、前記水タンク内の水が凍結している場合に、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達して凍結水を解凍させる熱伝達処理を行い、
前記熱伝達処理においては、システム内部で発生した熱に加えて加熱器により前記水タンクを加熱して凍結水を強制解凍する起動優先動作と、システム内部で発生した熱のみを用いて凍結水を解凍させる省エネ優先動作のいずれかの動作を行う
ことを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。 A fuel cell power generation system having a fuel cell main body, a gas supply means for supplying hydrogen and oxygen to the fuel cell main body, a temperature maintaining means for appropriately maintaining the temperature of the fuel cell main body, and a water tank for storing water In the control method,
The water tank is disposed below the fuel cell body,
A water introduction process for introducing water held in any one or more of the fuel cell main body, the gas supply means, and the temperature maintaining means into the water tank by water introduction means when power generation is stopped;
At the time of power generation start-up, when the water in the water tank is frozen by the heat transfer means, a heat transfer process for transferring the heat generated in the system to the water tank and thawing the frozen water is performed.
In the heat transfer process, in addition to the heat generated in the system, the water tank is heated by a heater to forcibly defrost frozen water, and the frozen water is generated using only the heat generated in the system. A control method for a fuel cell power generation system, wherein any one of energy-saving priority operations for thawing is performed.
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