JP4799827B2 - Fuel cell system - Google Patents

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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温度制御に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell, and more particularly to temperature control at the time of starting the fuel cell.

この燃料電池システムとしては、燃料極および空気極にそれぞれ燃料および空気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、この燃料電池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、この熱媒体循環回路20上に設けられて熱媒体を循環させるポンプ24と、熱媒体循環回路20を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段(ラジエータ21、温調弁23、流路制御弁31、ヒータ32)とを備えたものが知られている(特許文献1)。   The fuel cell system includes a fuel cell 10 that is supplied with fuel and air to a fuel electrode and an air electrode, respectively, and generates heat by a chemical reaction thereof, and a heat medium in which a heat medium that exchanges heat between the fuel cell 10 circulates. A circulation circuit 20; a pump 24 provided on the heat medium circulation circuit 20 for circulating the heat medium; and a temperature adjusting means for adjusting the temperature of the heat medium circulating in the heat medium circulation circuit 20 (radiator 21, temperature control valve). 23, a flow path control valve 31, and a heater 32) are known (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。
特開2003−249251号公報(第7−9頁、図1,3) 特開2002−42841号公報
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.
Japanese Patent Laying-Open No. 2003-249251 (page 7-9, FIGS. 1 and 3) JP 2002-42841 A

上述した燃料電池システムにおいては、発電可能である一部分にて発電が開始されると水が生成され、これにより水収支がゼロを上回ってその他の温度が低い発電不能部分にてフラッディングが発生し安定した起動が不可能となる。特に、定置用燃料電池システムなどの低圧運転のシステムにおいては、燃料電池内でフラッディングが生じるとその凝縮水を排出することが困難であるため安定起動・発電は不可能である。   In the fuel cell system described above, water is generated when power generation is started in a portion where power generation is possible, and thus flooding occurs and stabilizes in other portions where the water balance exceeds zero and other temperatures are low. Cannot be started. In particular, in a low-pressure operation system such as a stationary fuel cell system, if flooding occurs in the fuel cell, it is difficult to discharge the condensed water, and stable start-up and power generation are impossible.

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池の低温起動時において、燃料電池内の水収支を考慮して燃料電池を起動することにより、安定した起動・発電が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 is started at a low temperature, the fuel cell is started in consideration of the water balance in the fuel cell, thereby enabling stable start-up and power generation. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell system.

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しかつ酸化剤極で生成水が生成するタイプである燃料電池と、該燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環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熱媒体を循環させるポンプと、熱媒体循環回路を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸化剤極に導入される酸化剤ガスは水蒸気飽和またはドライエアであり、かつ酸化剤極から排出される酸化剤オフガスは水蒸気飽和である場合に、酸化剤極の導入口および導出口の温度から算出される酸化剤極に導入される水量および酸化剤極から排出される水量を用いて作成され、燃料電池の発電電流値に対して、算出された酸化剤極内に導入される水量および燃料電池の生成水量と算出された酸化剤極から排出される水量との差である酸化剤極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度を求める演算式またはマップを記憶する記憶手段と、燃料電池の出力可能な電流量であって、予め決められ記憶されている燃料電池の発電開始電流値を読み出す読出手段と、読出手段により読み出された発電開始電流値において水収支がゼロとなる熱媒体の温度を演算式またはマップから算出し、その算出した熱媒体の温度を暖機規定温度とする暖機規定温度演算手段と、熱媒体循環回路を流通する熱媒体の温度を検出する温度センサと、燃料電池システムの起動開始後から熱媒体温度が暖機規定温度に到達するまでは、調温手段によって熱媒体を昇温する昇温手段と、熱媒体温度が暖機規定温度に到達した後であって定常運転温度に到達する前に、燃料電池の発電を開始する発電開始手段と、燃料電池の発電に伴う自己発熱により同燃料電池が昇温されることにより、熱媒体温度が定常運転温度に到達すると、熱媒体温度を定常運転温度に維持する温度維持手段とを備えたことである。
In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is that the fuel is supplied to the fuel electrode, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, and electric power is generated by their chemical reaction. A fuel cell that is a type that generates generated water, a heat medium circulation circuit that circulates a heat medium that exchanges heat with the fuel cell, and a pump that is provided on the heat medium circulation circuit and circulates the heat medium And a temperature control means for adjusting the temperature of the heat medium circulating in the heat medium circuit, the oxidant gas introduced into the oxidant electrode of the fuel cell is steam saturated or dry air, and is oxidized When the oxidant off-gas discharged from the oxidant electrode is saturated with water vapor, the amount of water introduced into the oxidant electrode and the amount of water discharged from the oxidant electrode calculated from the temperatures at the inlet and outlet of the oxidant electrode Created using The oxidant electrode is the difference between the calculated amount of water introduced into the oxidant electrode and the amount of water generated in the fuel cell and the amount of water discharged from the calculated oxidant electrode with respect to the generated current value of the fuel cell. Storage means for storing a calculation formula or map for determining the temperature of the heat medium at which the water balance becomes zero, and a power generation start current of the fuel cell that is a predetermined amount of current that can be output from the fuel cell The reading means for reading the value, and the temperature of the heat medium at which the water balance becomes zero at the power generation start current value read by the reading means is calculated from an arithmetic expression or a map, and the calculated temperature of the heating medium is the specified warm-up temperature. and the warm-up specified temperature calculating means you, a temperature sensor for detecting the temperature of the heat medium flowing through the heat medium circulation circuit, after starting the start-up of the fuel cell system to a heat medium temperature reaches a warm-up provisions temperature , For temperature control A temperature raising means for raising the temperature of the heat medium, a power generation start means for starting the power generation of the fuel cell after the heat medium temperature reaches the warm-up specified temperature and before reaching the steady operation temperature, A temperature maintaining means for maintaining the temperature of the heat medium at a steady operation temperature when the temperature of the heat medium reaches a steady operation temperature by raising the temperature of the fuel cell by self-heating due to the power generation of the battery; .

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、暖機規定温度演算手段が、燃料電池の出力可能な電流量であって、予め決められ記憶されている燃料電池の発電開始電流値を読み出す読出手段により読み出された発電開始電流値において水収支がゼロとなる熱媒体の温度を演算式またはマップから算出し、その算出した熱媒体の温度を暖機規定温度とし、昇温手段が、燃料電池システムの起動開始後から熱媒体温度が暖機規定温度に到達するまでは、調温手段によって熱媒体を昇温し、発電開始手段が、熱媒体温度が暖機規定温度に到達した後であって定常運転温度に到達する前に、燃料電池の発電を開始し、温度維持手段が、燃料電池の発電に伴う自己発熱により同燃料電池が昇温されることにより、熱媒体温度が定常運転温度に到達すると、熱媒体温度を定常運転温度に維持する。これにより、燃料電池システムの起動時において、起動が開始されて熱媒体温度が暖機規定温度以上であって定常運転温度に到達する前に燃料電池の発電が開始され、燃料電池は自己発熱によって加熱が開始される。このとき、暖機規定温度は、燃料電池の発電電流値に対して同燃料電池の酸化剤極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度となるように設定されているので、燃料電池の酸化剤極内でフラッディングが生じることはない。したがって、安定した起動・発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
さらに、水収支は燃料電池の酸化剤極内に導入される水量および燃料電池の生成水量と酸化剤極から排出される水量との差であることにより、確実かつ容易に発電開始電流値に対する熱媒体の温度である暖機規定温度を示す演算式またはマップを作成することができる。

In the invention according to claim 1 configured as described above, the warm-up specified temperature calculation means calculates a power generation start current value of the fuel cell that is a predetermined amount of current that can be output from the fuel cell. The temperature of the heat medium at which the water balance becomes zero at the power generation start current value read by the reading means to be read is calculated from an arithmetic expression or a map, the calculated temperature of the heat medium is set as the warm-up specified temperature , and the temperature raising means From the start of the fuel cell system until the heat medium temperature reaches the specified warm-up temperature, the temperature of the heat medium is raised by the temperature control means, and the power generation start means reaches the specified heat-up temperature. Later, before reaching the steady operation temperature, power generation of the fuel cell is started, and the temperature maintaining means raises the temperature of the fuel cell by self-heating due to power generation of the fuel cell, so that the heat medium temperature is reduced. Achieving steady operating temperature Then, to maintain the heat medium temperature in the steady state operating temperature. As a result, when the fuel cell system is started, the power generation of the fuel cell is started before the start of the fuel cell system and the heating medium temperature is equal to or higher than the warm-up specified temperature and reaches the steady operation temperature. Heating is started. At this time, the warm-up regulation temperature is set so as to be the temperature of the heat medium at which the water balance in the oxidant electrode of the fuel cell becomes zero with respect to the generated current value of the fuel cell. No flooding occurs in the oxidizer electrode. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system capable of stable start-up and power generation.
Furthermore, the water balance is the difference between the amount of water introduced into the oxidant electrode of the fuel cell and the amount of water produced by the fuel cell and the amount of water discharged from the oxidant electrode, so that heat with respect to the power generation start current value can be reliably and easily An arithmetic expression or map indicating the warm-up regulation temperature that is the temperature of the medium can be created.

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間に介装された電解質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, which is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11, 12. 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 supplied 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、天然ガス、LPガス、灯油、メタノールなどの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。   The reformer 20 steam-reforms fuel such as natural gas, LP gas, kerosene, methanol, etc., and supplies hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10. It is composed of a carbon oxide shift reaction part (hereinafter referred to as a CO shift part) 23 and a carbon monoxide selective oxidation reaction part (hereinafter referred to as a CO selective oxidation part) 24.

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浄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 with CO purification air further supplied from the outside using 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および燃焼ガス用凝縮器34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 and the combustion gas condenser 34, that is, the recovered water into pure water using a built-in ion exchange resin, and the purified water is converted into the water reservoir 50. Is derived. 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熱媒体が循環される熱媒体循環回路72と、熱媒体循環回路72上に熱媒体を循環させる第1ポンプ73が設けられている。これにより、熱媒体が燃料電池10を通過する際には熱媒体と燃料電池10との間で熱交換が行われる。また、熱媒体循環回路72の燃料電池10の出口付近には熱媒体の温度を検出する温度センサ85が設けられている。   The fuel cell system includes a first heat exchanger 71, a heat medium circulation circuit 72 provided between the first heat exchanger 71 and the fuel cell 10, in which a heat medium is circulated, and a heat medium circulation circuit 72. A first pump 73 for circulating the heat medium is provided. Thereby, when the heat medium passes through the fuel cell 10, heat exchange is performed between the heat medium and the fuel cell 10. A temperature sensor 85 for detecting the temperature of the heat medium is provided in the vicinity of the outlet of the fuel cell 10 of the heat medium circuit 72.

また、温水を貯留する温水貯留槽である貯湯槽74が設けられており、第1熱交換器71と貯湯槽74との間に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。これにより、第1熱交換器71においては、熱媒体循環回路72を通過中の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おり、温水循環回路75の他端部側すなわち貯湯槽74の下部側部位には一端が貯湯槽74の上部に接続された配管77の他端が接続されている。配管77には第1バルブ78が設けられている。配管77との接続部位と貯湯槽74との間の温水循環回路75には第2バルブ79が設けられている。これにより、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ開状態、閉状態にして第2ポンプ76を駆動すると、貯湯槽74の上部の温度の高い温水が第1熱交換器71に供給され、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ閉状態、開状態にして第2ポンプ76を駆動すると、貯湯槽74の下部の温度の低い温水が第1熱交換器71に供給される。   Also, a hot water storage tank 74 that is a hot water storage tank for storing hot water is provided, and a hot water circulation circuit 75 in which hot water as a heat medium is circulated between the first heat exchanger 71 and the hot water storage tank 74, and hot water A second pump 76 that circulates hot water on the circulation circuit 75 is provided. Thus, in the first heat exchanger 71, heat exchange is performed between the heat medium passing through the heat medium circulation circuit 72 and the hot water passing through the hot water circulation circuit 75. 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, and one end is connected to the other end side of the hot water circulation circuit 75, that is, a lower side part of the hot water tank 74. The other end of the connected pipe 77 is connected. The pipe 77 is provided with a first valve 78. A second valve 79 is provided in the hot water circulation circuit 75 between the connection portion with the pipe 77 and the hot water storage tank 74. Accordingly, when the first and second valves 78 and 79 are opened and closed, respectively, and the second pump 76 is driven, hot water having a high temperature in the upper part of the hot water tank 74 is supplied to the first heat exchanger 71. When the first and second valves 78 and 79 are closed and opened, and the second pump 76 is driven, hot water having a low temperature below the hot water tank 74 is supplied to the first heat exchanger 71.

また、配管77には追い炊きバーナ81が設けられており、追い炊きバーナ81は貯湯槽74の上部から導出される温水をさらに加熱するものである。   The piping 77 is provided with an additional cooking burner 81, and the additional cooking burner 81 further heats the hot water led out from the upper part of the hot water 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.

なお、本実施の形態においては、貯湯槽74、温水循環回路75、第1熱交換器71、および第2ポンプ76から、熱媒体循環回路72を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段が構成されている。   In the present embodiment, temperature control means for adjusting the temperature of the heat medium circulating in the heat medium circulation circuit 72 from the hot water tank 74, the hot water circulation circuit 75, the first heat exchanger 71, and the second pump 76. Is configured.

また、上述した温度センサ85、第1〜第3ポンプ73,76,83、第1および第2バルブ78,79は制御装置90に接続されている(図2参照)。制御装置90は記憶部91に接続されている。記憶部91は、図3に示す燃料電池10の発電電流値Iに対して同燃料電池10の空気極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度である暖機規定温度Taを示す演算式またはマップを記憶している。
The temperature sensor 85, the first to third pumps 73, 76, 83, and the first and second valves 78, 79 are connected to the control device 90 (see FIG. 2). The control device 90 is connected to the storage unit 91. Storage unit 91, operation indicating the temperature at which the warm-up specified temperature Ta of the heat medium water balance is zero empty Kikyokunai of the fuel cell 10 to the generator current I of the fuel cell 10 shown in FIG. 3 Remembers an expression or map.

この演算式またはマップは次のようにして求めることができる。図4に示すように、燃料電池10の出力電流値を一定(例えばI2)にして燃料電池の冷却水(熱媒体)の温度を所定の温度レンジにて変化させた場合、その温度に対する水収支を計算してあるいは計測して求める。そして、水収支が0となる温度(例えばT2)を出力電流値I2に対する暖機規定温度Taとして導出する。そして、出力電流値を所定の範囲にて変化させて前述と同様の方法でその出力電流値に対する暖機規定温度をそれぞれ導出して、導出した出力電流値に対する暖機規定温度の関係を示すものが図3の発電電流値Iに対して同燃料電池10の空気極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度である暖機規定温度Taを示す演算式またはマップである。
This arithmetic expression or map can be obtained as follows. As shown in FIG. 4, when the output current value of the fuel cell 10 is constant (for example, I2) and the temperature of the cooling water (heat medium) of the fuel cell is changed in a predetermined temperature range, the water balance with respect to that temperature is changed. Is calculated or measured. Then, the temperature at which the water balance becomes 0 (for example, T2) is derived as the warm-up specified temperature Ta with respect to the output current value I2. Then, by varying the output current value within a predetermined range and deriving the warm-up specified temperature for the output current value in the same manner as described above, the relationship between the derived warm-up specified temperature and the output current value is shown. There is an arithmetic expression or a map showing a temperature at which the warm-up specified temperature Ta of the heat medium water balance is zero empty Kikyokunai of the fuel cell 10 to the generator current I in FIG.

なお、水収支は、燃料電池10の空気極12内に導入される水量および燃料電池10の生成水量と燃料電池10から排出される水量との差で定義される。導入される水量および排出される水量は、カソードエアおよびカソードオフガスは水蒸気飽和であるとしてそれぞれ空気極12の導入口および導出口の温度によって導出することができる。なお、導入される空気がドライエアの場合には導入される水量はほぼゼロとする。生成水量は燃料電池10の出力電流によって導出される。
Incidentally, the water balance is defined by the difference between the amount of water discharged from water quantity and the fuel cell 10 of the water and the fuel cell 10 is introduced into the air electrode 1 in 2 of the fuel cell 10. The amount of water to be introduced and the amount of water to be discharged can be derived from the temperatures at the inlet and outlet of the air electrode 12, respectively, assuming that the cathode air and the cathode off-gas are saturated with water vapor. In addition, when the air introduced is dry air, the amount of water introduced is almost zero. The amount of generated water is derived from the output current of the fuel cell 10.

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4のフローチャートに対応したプログラムを実行して、設定された発電開始電流Iに対応する暖機規定温度Taを演算し、図5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。   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. 4 to calculate the warm-up specified temperature Ta corresponding to the set power generation start current I, and executes the program corresponding to the flowchart of FIG. The system startup 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4および図5を参照して説明する。制御装置90は、予め作業者によって入力され記憶されている燃料電池10の発電開始電流値Iを読み出し、その発電開始電流値Iに対する暖機規定温度Taを図3に示す演算式またはマップから演算する(ステップ102,104)。例えば発電開始電流値IがI2である場合、発電電流I2に対する暖機規定温度TaはT2となる。なお、導出した暖機規定温度Taは記憶部91または制御装置90に記憶するのが好ましい。   Next, the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. The control device 90 reads the power generation start current value I of the fuel cell 10 input and stored in advance by an operator, and calculates the warm-up specified temperature Ta for the power generation start current value I from the arithmetic expression or map shown in FIG. (Steps 102 and 104). For example, when the power generation start current value I is I2, the warm-up regulation temperature Ta for the power generation current I2 is T2. The derived warm-up specified temperature Ta is preferably stored in the storage unit 91 or the control device 90.

そして、制御装置90は、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6に示すプログラムを実行する。ステップ202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。   Then, the control device 90 executes the program shown in FIG. 6 when a start switch (not shown) is turned on. In step 202, 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冷却水の温度を昇温している(ステップ204,206)。具体的には、貯湯槽71の温水を利用して冷却水を昇温している。すなわち、第1および第2バルブをそれぞれ開状態および閉状態とし第2ポンプ76を駆動させて温水を第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(熱媒体)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(熱媒体)が温水によって昇温される(昇温手段)。   Further, the control device 90 detects the coolant temperature Th of the fuel cell with the temperature sensor 85, and raises the temperature of the coolant based on the temperature (steps 204 and 206). Specifically, the temperature of the cooling water is raised using the hot water in the hot water tank 71. That is, the first and second valves are opened and closed, respectively, and the second pump 76 is driven to send hot water to the first heat exchanger 71. Further, the first pump 73 is driven to send the cooling water (heat medium) in the fuel cell 10 to the first heat exchanger 71. As a result, the cooling water (heat medium) is heated by the hot water in the first exchanger 71 (temperature raising means).

そして、燃料電池の冷却水温度Thが暖機規定温度Ta(本実施の形態ではT2)に到達した時点(図7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7の時刻t2)に、燃料電池10の発電を開始する(ステップ208〜210)。ステップ208にて、冷却水温度Thが暖機規定温度Taに到達したか否かを判定し、到達するまでステップ204〜208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209に進める。ステップ209にて、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か否かを判定し、到達するまでステップ204〜209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210に進める。   And after the time (time t1 in FIG. 7) when the coolant temperature Th of the fuel cell reaches the warm-up specified temperature Ta (T2 in this embodiment), the warm-up of the reformer 20 is completed. At the time (time t2 in FIG. 7), the power generation of the fuel cell 10 is started (steps 208 to 210). In step 208, it is determined whether or not the coolant temperature Th has reached the warm-up specified temperature Ta, and the processing of steps 204 to 208 is repeatedly executed until it reaches, and if it reaches, the program proceeds to step 209. In step 209, it is determined whether or not the amount of hydrogen and the concentration of carbon monoxide in the reformed gas derived from the reformer 20 have reached specified values, and the processing in steps 204 to 209 is repeated until it reaches the specified value. Execute and, if reached, advance the program to step 210.

制御装置90は、ステップ210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。このときの発電電流Iすなわち発電開始電流値は予め決められたI2であり、一方発電開始時(時刻t2)の冷却水温度Thは発電開始電流値I2に対応する冷却水温度T2よりΔTだけ高い温度となっているので、水収支はゼロより小さい状態すなわち乾き気味となるので、燃料電池10内でフラッディングは生じない。   In step 210, the controller 90 supplies the reformed gas derived from the reformer 20 to the fuel cell 10 and starts power generation of the fuel cell 10. The power generation current I at this time, that is, the power generation start current value is predetermined I2, while the cooling water temperature Th at the time of power generation start (time t2) is higher by ΔT than the cooling water temperature T2 corresponding to the power generation start current value I2. Because of the temperature, the water balance is less than zero, i.e., it feels dry, so no flooding occurs in the fuel cell 10.

また、上述した昇温手段による加熱に加えて、燃料電池10の発電による自己発熱によって燃料電池10は昇温し、これにより冷却水も昇温する。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、燃料電池の冷却水温度Thが定常運転温度Tb(具体的には60〜80℃)に到達すると(図7の時刻t3)、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される(ステップ212〜216)。具体的には、制御装置90は、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ開状態および閉状態とし第2ポンプ76を駆動させて温水を第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(熱媒体)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(熱媒体)が温水によって昇温される。また、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ閉状態および開状態とし第2ポンプ76を駆動させて温度の低い温水を第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(熱媒体)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(熱媒体)が温水によって降温される。   Further, in addition to the heating by the temperature raising means described above, the temperature of the fuel cell 10 is raised by self-heating by the power generation of the fuel cell 10, and the temperature of the cooling water is also raised thereby. The control device 90 detects the coolant temperature Th of the fuel cell by the temperature sensor 85, and when the coolant temperature Th of the fuel cell reaches the steady operation temperature Tb (specifically, 60 to 80 ° C.) (time in FIG. 7). After that, the cooling water temperature Th is adjusted to be maintained at the steady operation temperature Tb until the system is stopped (steps 212 to 216). Specifically, the control device 90 opens and closes the first and second valves 78 and 79, drives the second pump 76, and sends hot water to the first heat exchanger 71. Further, the first pump 73 is driven to send the cooling water (heat medium) in the fuel cell 10 to the first heat exchanger 71. As a result, the cooling water (heat medium) is heated by the first exchanger 71 with the hot water. Further, the first and second valves 78 and 79 are closed and opened, respectively, and the second pump 76 is driven to send warm water having a low temperature to the first heat exchanger 71. Further, the first pump 73 is driven to send the cooling water (heat medium) in the fuel cell 10 to the first heat exchanger 71. As a result, the cooling water (heat medium) is lowered by the first exchanger 71 with the hot water.

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、暖機規定温度演算手段(ステップ102,104)が、発電開始電流値に対する熱媒体の温度である暖機規定温度Taを演算式またはマップに基づいて演算し、昇温手段(ステップ204〜208)が、燃料電池システムの起動開始後から熱媒体温度が少なくとも暖機規定温度Taに到達するまでは、調温手段によって熱媒体を昇温し、発電開始手段(ステップ210)が、熱媒体温度が暖機規定温度Taに到達した後であって定常運転温度Tbに到達する前に、燃料電池の発電を開始し、温度維持手段(ステップ212〜216)が、燃料電池10の発電に伴う自己発熱により同燃料電池10が昇温されることにより、熱媒体温度が定常運転温度Tbに到達すると、熱媒体温度を定常運転温度Tbに維持する。これにより、燃料電池システムの起動時において、起動が開始されて熱媒体温度が暖機規定温度Ta以上であって定常運転温度Tbに到達する前に燃料電池10の発電が開始され、燃料電池10は自己発熱によって加熱が開始される。このとき、暖機規定温度Taは、燃料電池10の発電電流値Iに対して同燃料電池10の空気極12内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度となるように設定されているので、燃料電池10の空気極12内でフラッディングが生じることはない。したがって、安定した起動・発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
As can be understood from the above description, in this embodiment, the warm-up specified temperature calculation means (steps 102 and 104) calculates the warm-up specified temperature Ta, which is the temperature of the heat medium relative to the power generation start current value, or Calculation is performed based on the map, and the temperature raising means (steps 204 to 208) raises the heat medium by the temperature adjusting means until the heat medium temperature reaches at least the warm-up specified temperature Ta after the start of startup of the fuel cell system. The power generation start means (step 210) starts the power generation of the fuel cell after the heat medium temperature reaches the warm-up specified temperature Ta and before reaching the steady operation temperature Tb, and the temperature maintenance means ( step 212-216) is by the fuel cell 10 is heated by self-heating caused by the power generation of the fuel cell 10, the heat medium temperature reaches a steady operating temperature Tb, the heat medium Degrees to maintain a steady operating temperature Tb. As a result, when the fuel cell system is started, power generation of the fuel cell 10 is started before the start of the fuel cell system and the heat medium temperature is equal to or higher than the warm-up specified temperature Ta and reaches the steady operation temperature Tb. Is heated by self-heating. At this time, the warm-up specified temperature Ta is set to be the temperature of the heat medium at which the water balance in the air electrode 12 of the fuel cell 10 becomes zero with respect to the generated current value I of the fuel cell 10. Therefore, no flooding occurs in the air electrode 12 of the fuel cell 10. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system capable of stable start-up and power generation.

また、水収支は燃料電池10の空気極12内に導入される水および燃料電池10の生成水と燃料電池10から排出される水との差であることにより、確実かつ容易に発電開始電流値に対する熱媒体の温度である暖機規定温度を示す演算式またはマップを作成することができる。

Further, by the water balance is the difference between the water discharged from the produced water and the fuel cell 10 of the water and the fuel cell 10 is introduced into the air electrode 1 2 of the fuel cell 10, reliably and easily generator starting current An arithmetic expression or a map indicating the warm-up regulation temperature that is the temperature of the heat medium with respect to the value can be created.

なお、上述した実施の形態においては、冷却水温度Thが暖機規定温度Ta以上となり、かつ改質装置20の暖機が完了すれば、燃料電池10は発電を開始するようになっていたが、冷却水温度Thが暖機規定温度Ta以上となる前に、改質装置20の暖機が完了する場合、燃料電池システムに改質装置が設けられていない場合などにも本発明を適用することができる。これら場合、図6のフローチャートに代えて、図8に示すフローチャートを実行すればよい。図8のフローチャートは図6のフローチャートからステップ209を削除したものである。   In the above-described embodiment, when the cooling water temperature Th is equal to or higher than the warm-up specified temperature Ta and the warm-up of the reformer 20 is completed, the fuel cell 10 starts power generation. The present invention is also applied to a case where the warming-up of the reformer 20 is completed before the cooling water temperature Th becomes equal to or higher than the warm-up specified temperature Ta, or a case where no reformer is provided in the fuel cell system. be able to. In these cases, the flowchart shown in FIG. 8 may be executed instead of the flowchart shown in FIG. The flowchart of FIG. 8 is obtained by deleting step 209 from the flowchart of FIG.

改質装置が設けられておらず、燃料として水素ガスを使用する場合で説明する。制御装置90が図8に示すフローチャートを実行すると、図9に示すタイムチャートのように燃料電池システムは制御される。すなわち、制御装置90は、ステップ202において、燃料電池システムの起動を開始し、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冷却水の温度を昇温している(ステップ204,206)。そして、燃料電池の冷却水温度Thが暖機規定温度Ta(本実施の形態ではT2)に到達すると(図9の時刻t4)、燃料電池10の発電を開始する(ステップ208,210)。すなわち、加湿された水素ガスが燃料電池10に供給される。このときの発電電流Iすなわち発電開始電流値は冷却水温度T2に対応するI2であり、その冷却水温度T2で水収支はゼロであるので、燃料電池10内でフラッディングは生じない。さらに、上述した昇温手段による加熱に加えて、燃料電池10の発電による自己発熱によって燃料電池10は昇温し、これにより冷却水も昇温する。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、燃料電池の冷却水温度Thが定常運転温度Tb(具体的には60〜80℃)に到達すると(図9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される(ステップ212〜216)。   The case where no reformer is provided and hydrogen gas is used as the fuel will be described. When the control device 90 executes the flowchart shown in FIG. 8, the fuel cell system is controlled as shown in the time chart of FIG. That is, in step 202, the controller 90 starts the fuel cell system, detects the coolant temperature Th of the fuel cell with the temperature sensor 85, and raises the temperature of the coolant based on the temperature. (Steps 204 and 206). When the coolant temperature Th of the fuel cell reaches the warm-up specified temperature Ta (T2 in the present embodiment) (time t4 in FIG. 9), power generation of the fuel cell 10 is started (steps 208 and 210). That is, the humidified hydrogen gas is supplied to the fuel cell 10. The power generation current I, that is, the power generation start current value at this time is I2 corresponding to the cooling water temperature T2, and the water balance is zero at the cooling water temperature T2, so that no flooding occurs in the fuel cell 10. Further, in addition to the heating by the temperature raising means described above, the temperature of the fuel cell 10 is raised by self-heating due to the power generation of the fuel cell 10, thereby raising the temperature of the cooling water. The control device 90 detects the coolant temperature Th of the fuel cell by the temperature sensor 85, and when the coolant temperature Th of the fuel cell reaches the steady operation temperature Tb (specifically, 60 to 80 ° C.) (time in FIG. 9). After that, the cooling water temperature Th is adjusted to be maintained at the steady operation temperature Tb until the system is stopped (steps 212 to 216).

なお、上述した各実施の形態においては、熱媒体循環回路72を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段を貯湯槽74、温水循環回路75、第1熱交換器71、および第2ポンプ76から構成するようにしたが、これに限られず、熱媒体循環回路72を循環する熱媒体の温度を調整する他の調温手段(例えば温度ヒータ)から構成するようにしてもよい。   In each of the above-described embodiments, the temperature control means for adjusting the temperature of the heat medium circulating in the heat medium circuit 72 is the hot water tank 74, the hot water circuit 75, the first heat exchanger 71, and the second pump. However, the present invention is not limited to this, and other temperature control means (for example, a temperature heater) for adjusting the temperature of the heat medium circulating in the heat medium circuit 72 may be used.

また、上述した実施の形態において、図10に示すように、貯湯槽74の温水を利用する構成としてもよい。具体的には、温水循環回路75の一端部側すなわち貯湯槽74の上部側部位には一端が貯湯槽74の上部に接続された配管77の他端が接続されている。配管77には第1バルブ78が設けられている。また、配管77には追い炊きバーナ81が設けられている。配管77との接続部位と貯湯槽74との間の温水循環回路75には第2バルブ79が設けられている。さらに、温水循環回路75には第2ポンプ76と逆方向に吐出する第4ポンプ92が設けられている。これにより、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ閉状態、開状態にして第4ポンプ92を駆動すると、貯湯槽74の上部の温度の高い温水が第1熱交換器71に供給され、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ閉状態、開状態にして第2ポンプ76を駆動すると、貯湯槽74の下部の温度の低い温水が第1熱交換器71に供給される。また、第1および第2バルブ78,79をそれぞれ開状態、閉状態にして第4ポンプ92を駆動すると、貯湯槽74の上部の温度の高い温水が追い炊きバーナ81に加熱されて第1熱交換器71に供給される。なお、図1と同一部材については同一符号を付してその説明を省略する。   Moreover, in embodiment mentioned above, as shown in FIG. 10, it is good also as a structure using the warm water of the hot water tank 74. As shown in FIG. Specifically, the other end of a pipe 77 having one end connected to the upper portion of the hot water tank 74 is connected to one end side of the hot water circulation circuit 75, that is, the upper side portion of the hot water tank 74. The pipe 77 is provided with a first valve 78. In addition, a supplementary cooking burner 81 is provided in the pipe 77. A second valve 79 is provided in the hot water circulation circuit 75 between the connection portion with the pipe 77 and the hot water storage tank 74. Further, the hot water circulation circuit 75 is provided with a fourth pump 92 that discharges in the direction opposite to the second pump 76. As a result, when the fourth pump 92 is driven with the first and second valves 78 and 79 closed and open, respectively, hot water having a high temperature at the top of the hot water tank 74 is supplied to the first heat exchanger 71. When the first and second valves 78 and 79 are closed and opened, and the second pump 76 is driven, hot water having a low temperature below the hot water tank 74 is supplied to the first heat exchanger 71. When the fourth pump 92 is driven with the first and second valves 78 and 79 opened and closed, respectively, the hot water having a high temperature at the top of the hot water tank 74 is heated by the reheating burner 81 and the first heat is generated. It is supplied to the exchanger 71. The same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

また、上述した実施の形態において、図11に示すように、貯湯槽74の温水を利用する構成としてもよい。具体的には、温水循環回路75の他端部側すなわち貯湯槽74の下部との接続側部位に三方弁93を設け、三方弁93と貯湯槽74の上部を接続する配管94を設けている。三方弁93は貯湯槽74の下部と上部を連通する状態と配管94を介して貯湯槽74の上部どうしを連通する状態とを切換可能な弁である。また、貯湯槽74内の上部には電気ヒータ95が設けられている。これにより、三方弁93を配管94を介して貯湯槽74の上部どうしを連通する状態に切り換えて第2ポンプ76を駆動すると、貯湯槽74の上部の温度の高い温水が第1熱交換器71に供給される。このとき、電気ヒータ95を作動させると電気ヒータ95によって加熱された温水が第1熱交換器71に供給される。また、三方弁93を貯湯槽74の下部と上部を連通する状態に切り換えて第2ポンプ76を駆動すると、貯湯槽74の下部の温度の低い温水が第1熱交換器71に供給される。なお、図1と同一部材については同一符号を付してその説明を省略する。   Moreover, in embodiment mentioned above, as shown in FIG. 11, it is good also as a structure using the hot water of the hot water tank 74. FIG. Specifically, a three-way valve 93 is provided at the other end side of the hot water circulation circuit 75, that is, a connection side portion with the lower part of the hot water tank 74, and a pipe 94 that connects the three-way valve 93 and the upper part of the hot water tank 74 is provided. . The three-way valve 93 is a valve capable of switching between a state in which the lower part and the upper part of the hot water tank 74 are communicated with each other and a state in which the upper part of the hot water tank 74 is communicated with each other via a pipe 94. An electric heater 95 is provided in the upper part of the hot water tank 74. As a result, when the second pump 76 is driven by switching the three-way valve 93 to a state in which the upper portions of the hot water tank 74 communicate with each other via the pipe 94, the hot water having a high temperature at the upper portion of the hot water tank 74 is converted into the first heat exchanger 71. To be supplied. At this time, when the electric heater 95 is operated, hot water heated by the electric heater 95 is supplied to the first heat exchanger 71. Further, when the second pump 76 is driven by switching the three-way valve 93 to a state in which the lower part and the upper part of the hot water tank 74 are communicated with each other, hot water having a lower temperature in the lower part of the hot water tank 74 is supplied to the first heat exchanger 71. The same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

また、上述した実施の形態において、図12に示すように、貯湯槽74の温水を利用する構成としてもよい。具体的には、図11に示す構成から三方弁93および配管94を削除して、温水循環回路75に第2ポンプ76と逆方向に吐出する第5ポンプ96を設けるようにすればよい。これにより、第5ポンプ96のみを駆動すると貯湯槽74の上部の温度の高い温水が第1熱交換器71に供給され、第2ポンプ76のみを駆動すると貯湯槽74の下部の温度の低い温水が第1熱交換器71に供給される。   Moreover, in embodiment mentioned above, as shown in FIG. 12, it is good also as a structure using the warm water of the hot water tank 74. As shown in FIG. Specifically, the three-way valve 93 and the pipe 94 may be eliminated from the configuration shown in FIG. 11 and a fifth pump 96 that discharges in the direction opposite to the second pump 76 may be provided in the hot water circulation circuit 75. Accordingly, when only the fifth pump 96 is driven, hot water having a high temperature at the upper part of the hot water tank 74 is supplied to the first heat exchanger 71, and when only the second pump 76 is driven, hot water having a low temperature at the lower part of the hot water tank 74. Is supplied to the first heat exchanger 71.

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. 燃料電池の発電電流値に対して同燃料電池の空気極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度を示す演算式またはマップである。It is an arithmetic expression or a map which shows the temperature of the heat carrier in which the water balance in the air electrode of the fuel cell becomes zero with respect to the generated current value of the fuel cell. 図3に示す演算式またはマップを求める方法の説明図である。It is explanatory drawing of the method of calculating | requiring the computing equation or map 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. 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. 図2に示した制御装置にて実行される他の制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the other 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他の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the other operation | movement of embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of other embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of other embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of other embodiment of the fuel cell system by 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、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、77…配管、78…第1バルブ、79…第2バルブ、81…追い炊きバーナ、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, 50 ... water reservoir, 53 ... reforming water pump, 61-66 ... piping, 68 ... reforming water supply pipe, 71 ... first heat exchanger, 72 ... heat medium circulation circuit 73 ... 1st pump, 74 ... Hot water storage tank, 75 ... Hot water circulation circuit, 76 ... 2nd pump, 77 ... Pipe, 78 ... 1st valve, 79 ... 2nd valve, 81 ... Additional cooking burner, 82 ... 2nd Heat exchanger, 83 ... Condenser heat medium circulation circuit, 84 ... Third pump, 85 ... Temperature Capacitors, 90 ... controller.

Claims (1)

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しかつ前記酸化剤極で生成水が生成するタイプである燃料電池と、該燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環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ポンプと、前記熱媒体循環回路を循環する前記熱媒体の温度を調整する調温手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の酸化剤極に導入される酸化剤ガスは水蒸気飽和またはドライエアであり、かつ前記酸化剤極から排出される酸化剤オフガスは水蒸気飽和である場合に、前記酸化剤極の導入口および導出口の温度から算出される前記酸化剤極に導入される水量および前記酸化剤極から排出される水量を用いて作成され、前記燃料電池の発電電流値に対して、前記算出された前記酸化剤極内に導入される水量および前記燃料電池の生成水量と前記算出された前記酸化剤極から排出される水量との差である酸化剤極内の水収支がゼロとなる前記熱媒体の温度を求める演算式またはマップを記憶する記憶手段と、
前記燃料電池の出力可能な電流量であって、予め決められ記憶されている前記燃料電池の発電開始電流値を読み出す読出手段と、
前記読出手段により読み出された発電開始電流値において前記水収支がゼロとなる前記熱媒体の温度を前記演算式またはマップから算出し、その算出した前記熱媒体の温度を暖機規定温度とする暖機規定温度演算手段と、
前記熱媒体循環回路を流通する前記熱媒体の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池システムの起動開始後から前記熱媒体温度が前記暖機規定温度に到達するまでは、前記調温手段によって前記熱媒体を昇温する昇温手段と、
前記熱媒体温度が暖機規定温度に到達した後であって定常運転温度に到達する前に、前記燃料電池の発電を開始する発電開始手段と、
前記燃料電池の発電に伴う自己発熱により同燃料電池が昇温されることにより、前記熱媒体温度が前記定常運転温度に到達すると、前記熱媒体温度を前記定常運転温度に維持する温度維持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 is a type in which fuel is supplied to the fuel electrode, oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, and electric power is generated by their chemical reaction and generated water is generated at the oxidant electrode, and heat is generated between the fuel cell. A heat medium circuit that circulates the heat medium to be replaced, a pump that is provided on the heat medium circuit and circulates the heat medium, and a temperature controller that adjusts the temperature of the heat medium that circulates through the heat medium circuit A fuel cell system comprising:
When the oxidant gas introduced into the oxidant electrode of the fuel cell is steam saturated or dry air, and the oxidant off-gas discharged from the oxidant electrode is steam saturated, the inlet of the oxidant electrode and It is created using the amount of water introduced into the oxidant electrode calculated from the temperature of the outlet and the amount of water discharged from the oxidant electrode, and is calculated with respect to the generated current value of the fuel cell. The temperature of the heat medium at which the water balance in the oxidant electrode, which is the difference between the amount of water introduced into the oxidant electrode and the amount of water generated by the fuel cell and the calculated amount of water discharged from the oxidant electrode, becomes zero Storage means for storing an arithmetic expression or a map for obtaining
Reading means for reading out the power generation start current value of the fuel cell, which is the amount of current that can be output from the fuel cell, and is stored in advance.
The temperature of the heat medium at which the water balance becomes zero at the power generation start current value read by the reading means is calculated from the arithmetic expression or the map, and the calculated temperature of the heat medium is defined as a warm-up specified temperature . Warm-up regulation temperature calculation means,
A temperature sensor for detecting a temperature of the heat medium flowing through the heat medium circuit;
From the start of the start of the fuel cell system until the heat medium temperature reaches the specified warm-up temperature, the temperature raising means for raising the temperature of the heat medium by the temperature adjustment means,
Power generation start means for starting power generation of the fuel cell after the heat medium temperature reaches the warm-up specified temperature and before reaching the steady operation temperature;
Temperature maintaining means for maintaining the temperature of the heat medium at the steady operation temperature when the temperature of the heat medium reaches the steady operation temperature by the temperature of the fuel cell being raised by self-heat generation accompanying the power generation of the fuel cell; A fuel cell system comprising:
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