JP5105926B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に水を供給するショットポンプと、改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段と、ショットポンプを制御する制御部とを具備する燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxygen-containing gas, a reformer that performs steam reforming to supply the fuel gas to the fuel cell, and water to the reformer The present invention relates to a fuel cell device including a shot pump, raw fuel supply means for supplying raw fuel to a reformer, and a control unit that controls the shot pump.
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを収納容器内に収納した燃料電池やその運転方法が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a fuel cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells is accommodated in a storage container and its operation method have been proposed as next-generation energy.
この燃料電池において発電に用いる燃料ガスとしては水素ガスが用いられ、水素ガスと酸素含有ガス(通常、空気である)とを燃料電池セルに供給し、酸素含有ガスを燃料電池セル中の酸素極に接触させ、かつ水素ガスを燃料電池セル中の燃料極に接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。 Hydrogen gas is used as a fuel gas used for power generation in this fuel cell, hydrogen gas and an oxygen-containing gas (usually air) are supplied to the fuel cell, and the oxygen-containing gas is supplied to the oxygen electrode in the fuel cell. And the hydrogen gas is brought into contact with the fuel electrode in the fuel battery cell to cause a predetermined electrode reaction to generate electric power.
この燃料ガスである水素ガスの生成方法としては、例えば改質器に、原燃料供給手段より天然ガス等の炭化水素を供給するとともに、水供給手段により水蒸気を供給して、天然ガスと水蒸気とを反応させて水素を生成する水蒸気改質法等が知られている。 As a method for generating hydrogen gas, which is a fuel gas, for example, a hydrocarbon such as natural gas is supplied from a raw fuel supply means to a reformer, and water vapor is supplied from a water supply means, so that natural gas and water vapor are A steam reforming method or the like in which hydrogen is produced by reacting the above is known.
ここで、改質器に供給される水は、改質器や燃料電池に対して影響が少ない純水を供給することが好ましい。したがって、例えば水道水等より供給される水を、水供給手段により改質器に供給するにあたっては、水道水等に含まれる不純物を除去すべく、各種フィルタを介した後に改質器に供給することが好ましく、そのような水供給方法が従来知られている(例えば、特許文献1参照)。 Here, the water supplied to the reformer is preferably pure water that has little influence on the reformer and the fuel cell. Therefore, for example, when water supplied from tap water or the like is supplied to the reformer by the water supply means, it is supplied to the reformer after passing through various filters in order to remove impurities contained in tap water or the like. It is preferable that such a water supply method is conventionally known (see, for example, Patent Document 1).
また、家庭用の燃料電池では、改質器での水蒸気改質に使用される純水量は少ないため、少ない量の純水を供給できるポンプとしてショットポンプが用いられている(例えば、特許文献2、3参照)。 Moreover, since the amount of pure water used for steam reforming in a reformer is small in a household fuel cell, a shot pump is used as a pump that can supply a small amount of pure water (for example, Patent Document 2). 3).
この特許文献3には、燃料を供給するポンプとしてショットポンプが用いられており、このショットポンプのショット数を制御部にてカウントして制御し、理論的に供給量を制御していた。
ショットポンプは微量な水を供給する際に用いられるが、ごみが詰まったり、エアがショットポンプ内に入り水を押し出すことができない現象、いわゆるエア噛みが発生する虞がある。ごみは、例えば製造時から供給管内部に存在している場合があり、エアは、水処理装置で発生する場合がある。 Although the shot pump is used when supplying a small amount of water, there is a possibility that dust may be clogged or a phenomenon in which air cannot enter the shot pump and push out the water, that is, so-called air biting may occur. Garbage may be present in the supply pipe from the time of manufacture, for example, and air may be generated in the water treatment device.
このようなごみ詰まりや、エア噛みの場合には、制御部から一定時間当たりのショット数指令が出されているにもかかわらず、現実にはショットポンプが制御部からのショット数でショットすることができず、ショット数指令に対する理論的な水供給量(指令による所定時間当たりのショット回数に1ショット当たりの水量を乗じた値で定義される)よりも実際に流れる水供給量が少なくなり、正確な水供給量を得ることができないという問題があった。これにより、燃料電池の最適運転に影響を与えるという問題があった。 In the case of such clogging or air biting, the shot pump may actually perform shots with the number of shots from the control unit, even though a command for the number of shots per fixed time is issued from the control unit. The water supply actually flowing is less than the theoretical water supply for the shot number command (defined by a value obtained by multiplying the number of shots per predetermined time by the command by the amount of water per shot) and accurate. There was a problem that a sufficient amount of water supply could not be obtained. As a result, there is a problem of affecting the optimum operation of the fuel cell.
特に、近年の家庭用燃料電池では、1kW以下の発電量であり、家庭の負荷に対して迅速に追従して、かつ最適量の発電が要求されており、そのためには、家庭の負荷に対して燃料電池に最適量の燃料ガス(H2)を供給する必要があり、それには、改質器への水供給量を正確に制御する必要があった。 In particular, recent fuel cells for household use have a power generation amount of 1 kW or less, and are required to quickly follow the household load and generate an optimal amount of power. Therefore, it is necessary to supply an optimal amount of fuel gas (H 2 ) to the fuel cell, which requires accurate control of the amount of water supplied to the reformer.
そして、エア噛み等が発生した場合には、ショットポンプに対して単位時間当たりのショット数を増加するように、例えば最大ショット数となるように制御し、エア噛み等が発生した場合でも、エア等と共に水を強制的に押し出すことが考えられる。 When air biting occurs, the shot pump is controlled so as to increase the number of shots per unit time, for example, the maximum number of shots. For example, water can be forced out together.
しかしながら、ショットポンプのショット数を増加しても直ぐにエア噛みが解消される訳ではなく、エア噛み等を完全に解消してエアを噛まない状態となるまで、所定時間を要するのが通常である。また、ショットポンプが定常状態となったと判断(制御部等で判断)された場合でも、ショットポンプによる水供給安定性を向上するため、定常状態となったと判断された後でも所定時間ショットポンプのショット数を増加するように制御するのが通常である。 However, even if the number of shots of the shot pump is increased, the air biting is not canceled immediately, and it is normal that a predetermined time is required until the air biting or the like is completely canceled and the air is not bitten. . Even when it is determined that the shot pump is in a steady state (determined by the control unit or the like), in order to improve the water supply stability by the shot pump, even after it is determined that the shot pump is in a steady state, It is usual to control the number of shots to increase.
従って、ショットポンプのショット数を増加すると、改質器に供給される水量が通常よりも多くなり、このように過剰の水が改質器に供給される場合には、水蒸気分圧が増加し、また温度バランスの大幅な変化により、燃料電池の発電効率が大幅に低下する虞があった。 Therefore, when the number of shots of the shot pump is increased, the amount of water supplied to the reformer increases more than usual, and when excess water is supplied to the reformer in this way, the water vapor partial pressure increases. In addition, there is a possibility that the power generation efficiency of the fuel cell is greatly reduced due to a significant change in the temperature balance.
本発明は、ショットポンプのショット数を増加した場合でも、改質器への水供給量増加に伴う不具合を抑制できる燃料電池装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of suppressing problems associated with an increase in the amount of water supplied to a reformer even when the number of shots of a shot pump is increased.
本発明の燃料電池装置は、燃料ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料および水が供給されて水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に水を供給するショットポンプと、前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段と、前記ショットポンプを制御する制御部と、ショットポンプからの水の間欠流れを感知して、ショットポンプからの実際のショット数を検知する水流れセンサと、を具備するとともに、水流れセンサにより検出された実際のショット数が制御部による単位時間当たりの指令ショット数よりも少ない場合に、制御部は、単位時間当たりのショット数を増加させるショット数指令を前記ショットポンプに入力するように制御するとともに、改質器への原燃料供給量を増加するよう記原燃料供給手段を制御することを特徴とする。
A fuel cell apparatus according to the present invention includes a fuel cell that generates electric power by being supplied with a fuel gas and an oxygen-containing gas, and a reformer that performs steam reforming by supplying raw fuel and water to supply the fuel gas to the fuel cell. A shot pump for supplying water to the reformer, a raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer, a controller for controlling the shot pump, and an intermittent flow of water from the shot pump. A water flow sensor that senses and detects the actual number of shots from the shot pump, and the actual number of shots detected by the water flow sensor is less than the number of shots commanded per unit time by the control unit If the control unit, the number of shots command to increase the number of shots per unit time to control so as to enter into the shot pump, increasing the raw fuel supply amount to the reformer And controlling the Kihara fuel supply means so as to.
このような燃料電池装置では、制御部が、ショットポンプの単位時間当たりのショット数を増加し、ショットポンプによる改質器への水(改質器に供給される場合には水蒸気となっていることもある)の供給量が増加する場合には、制御部は、原燃料供給手段を制御し、改質器への原燃料供給量を増加するため、改質器への水と原燃料の供給比率はある範囲に抑えられ、改質器への水供給量が著しく増加することがなく、水蒸気分圧が増加し、また温度バランスの大幅な変化により、燃料電池の発電効率が低下することを抑制できる。 In such a fuel cell device, the control unit increases the number of shots per unit time of the shot pump, and water to the reformer by the shot pump (when supplied to the reformer, it becomes steam) The control unit controls the raw fuel supply means and increases the raw fuel supply amount to the reformer, so that the water and raw fuel are supplied to the reformer. The supply ratio is limited to a certain range, the water supply to the reformer does not increase significantly, the steam partial pressure increases, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases due to a significant change in temperature balance Can be suppressed.
即ち、定常状態では、改質器への水供給量と原燃料供給量がある範囲とされているが、例えば、ショットポンプにエアを噛み、水を供給できなくなるような非定常状態の場合には、制御部は、ショットポンプの単位時間当たりのショット数を増加するように制御する。 That is, in the steady state, the water supply amount to the reformer and the raw fuel supply amount are within a certain range.For example, in the case of an unsteady state in which the shot pump pumps air and cannot supply water. The control unit controls the shot pump to increase the number of shots per unit time.
従って、ショットポンプのショット数を増加し、エアを押し出そうとするが、ショット数を増加しても直ぐにエア噛みが解消される訳ではなく、所定時間を要し、また、ショットポンプが定常状態となったと判断された場合でも、ショットポンプによる水供給安定性を向上するため、所定時間ショットポンプのショット数を増加するように制御するため、その間に改質器に供給される水量が通常よりも多くなり、このように過剰の水が改質器に供給される場合には、水蒸気分圧が増加し、また温度バランスの大幅な変化により、燃料電池の発電効率が大幅に低下する虞があるが、本発明では、ショットポンプによる改質器への水供給量が増加する場合には、制御部は改質器への原燃料供給量を増加するため、改質器への水と原燃料の比率はある一定範囲に抑えられ、燃料電池の発電効率が低下することを抑制できる。 Therefore, the number of shots of the shot pump is increased to push out the air, but even if the number of shots is increased, the air biting is not immediately eliminated, and a predetermined time is required. Even when it is determined that the condition has been reached, in order to improve the water supply stability by the shot pump, control is performed to increase the number of shots of the shot pump for a predetermined time. If excessive water is supplied to the reformer in this way, the partial pressure of water vapor increases, and the power generation efficiency of the fuel cell may be significantly reduced due to a significant change in temperature balance. However, in the present invention, when the amount of water supplied to the reformer by the shot pump increases, the control unit increases the amount of raw fuel supplied to the reformer. The ratio of raw fuel is Is suppressed to a certain range, the power generation efficiency of the fuel cell can be suppressed to decrease.
ショットポンプは微量な水を安価に供給する際に用いられるが、ごみが詰まったり、エアがショットポンプ内に入り水を押し出すことができない現象、いわゆるエア噛みが発生する虞があり、理論的な水供給量よりも実際に流れる水量が少なくなることがあったが、本発明では、実際にショットポンプにより押し出される水の間欠流れを液体流れセンサが感知するため、いわゆるエア噛み等が生じ、一時的に水を供給することができない状況が生じたとしても、制御部でショットポンプによる1ショット当たりの吐出量の設定値及び液体流れセンサからの信号から、単位時間当たりの正確な水供給量を算出することができる。 Shot pumps are used to supply a small amount of water at low cost. However, there is a possibility that dust may be clogged or air may not enter the shot pump and push out water, so-called air biting may occur. Although the amount of water that actually flows may be less than the amount of water supplied, in the present invention, the liquid flow sensor senses the intermittent flow of water that is actually pushed out by the shot pump. Even if the situation where water cannot be supplied automatically, the accurate water supply amount per unit time can be determined from the set value of the discharge amount per shot by the shot pump and the signal from the liquid flow sensor in the control unit. Can be calculated.
通常は、ショットポンプのショット数に対応して、水流れセンサで間欠流れを感知するはずであるが、上記したように、ごみが詰まりや、エア噛みが発生した場合にはショットポンプが水を押し出せないため、ショットポンプの単位時間当たりのショット数指令に対応する間欠信号が出されず、指令ショット数よりも水流れセンサの間欠信号が少なくなる。このような状態になると、制御部がショットポンプに対して単位時間当たりのショット数を増加させたショット数指令を前記ショットポンプに入力するように、例えば最大ショット数となるように入力し、ごみが詰まりや、エア噛みが発生した場合でも、ごみやエアと共に水を強制的に押し出すことができる。 Normally, an intermittent flow should be detected by the water flow sensor corresponding to the number of shots of the shot pump.However, as described above, if the dust is clogged or air is caught, the shot pump will drain water. Since it cannot be pushed out, an intermittent signal corresponding to the shot number command per unit time of the shot pump is not output, and the intermittent signal of the water flow sensor is smaller than the command shot number. In such a state, the control unit inputs a shot number command for increasing the number of shots per unit time to the shot pump. Even when clogged or air bites occur, water can be forced out together with dust and air.
さらに、本発明の燃料電池装置は、燃料ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料および水が供給されて水蒸気改質を行う改質器と、改質器に水を供給するショットポンプと、改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段と、ショットポンプを制御する制御部と、ショットポンプの駆動電流を検出する電流検出部と、を具備するとともに、電流検出部により検出された前記ショットポンプの駆動電流が前記ショットポンプの定常状態の駆動電流よりも減少した場合に、前記制御部は、単位時間当たりのショット数を増加させるショット数指令を前記ショットポンプに入力するとともに、前記改質器への原燃料供給量を増加するように前記原燃料供給手段を制御することを特徴とする。
Furthermore, the fuel cell device of the present invention includes a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxygen-containing gas to generate power, and a reformer that performs steam reforming by supplying raw fuel and water to supply the fuel gas to the fuel cell. , A shot pump that supplies water to the reformer, a raw fuel supply means that supplies raw fuel to the reformer, a control unit that controls the shot pump, and a current detection unit that detects the drive current of the shot pump when, as well as provided with a, when the drive current of the shot pump detected is smaller than the driving current of the steady state of the shot pump by current detection unit, wherein the control unit, the number of shots per unit time A command for increasing the number of shots is input to the shot pump, and the raw fuel supply means is controlled to increase the amount of raw fuel supplied to the reformer .
ショットポンプは微量な液体を安価に供給する際に用いられるが、ごみが詰まったり、エアがショットポンプ内に入り液体を押し出すことができない現象、いわゆるエア噛みが発生する虞があり、理論的な液体供給量よりも実際に流れる液体量が少なくなることがあったが、本発明では、ショットポンプの駆動電流を検出する電流検出部により、ショットポンプの駆動に応じた駆動電流のパルス信号が検出され、いわゆるエア噛み等が生じ、一時的に液体を供給することができない状況が生じたとしても、定常状態の駆動電流のパルス信号だけを抽出し、このパルス信号数に、ショットポンプによる1ショット当たりの吐出量の設定値を乗ずることにより、ショットポンプによる正確な水供給量を得ることができる。 Shot pumps are used to supply a small amount of liquid at a low cost, but there is a possibility that dust may be clogged or air may not enter the shot pump and push out the liquid, so-called air biting may occur. In the present invention, the current detection unit that detects the drive current of the shot pump detects the pulse signal of the drive current according to the drive of the shot pump. Even if the so-called air biting occurs and the situation where the liquid cannot be supplied temporarily occurs, only the pulse signal of the steady-state driving current is extracted, and one shot by the shot pump is added to the number of pulse signals. By multiplying the set value of the hit discharge amount, an accurate water supply amount by the shot pump can be obtained.
また、通常は、ショットポンプのショット数に対応して、電流検出部の駆動電流に基づくパルス信号が発生するはずであるが、上記したように、ごみが詰まりや、エア噛みが発生した場合にはショットポンプが水を押し出せないため、ショットポンプの単位時間当たりの指令ショット数に対して、実際のショットポンプのショット数は少なくなる。このような状態になると、制御部がショットポンプに対して単位時間当たりのショット数を増加させたショット数指令を入力するように、例えば最大ショット数となるように入力し、ごみが詰まりや、エア噛みが発生した場合でも、ごみやエアと共に水を強制的に押し出すことができる。 Normally, a pulse signal based on the drive current of the current detection unit should be generated corresponding to the number of shots of the shot pump, but as described above, when dust is clogged or air biting occurs Since the shot pump cannot push out water, the actual number of shots of the shot pump is smaller than the number of shots per unit time of the shot pump. In such a state, the control unit inputs a shot number command that increases the number of shots per unit time to the shot pump, for example, it is input so as to be the maximum number of shots, garbage is clogged, Even when air biting occurs, water can be forced out together with dust and air.
本発明の燃料電池装置では、制御部が、ショットポンプの単位時間当たりのショット数を増加し、ショットポンプによる改質器への水(改質器に供給される場合には水蒸気となっていることもある)の供給量が増加する場合には、制御部は、原燃料供給手段を制御し、改質器への原燃料供給量を増加するため、改質器への水と原燃料の比率はある一定範囲に抑えられ、改質器への水供給量が著しく増加することがなく、水蒸気分圧が増加し、また温度バランスの大幅な変化により、燃料電池の発電効率が低下することを抑制できる。また、ショットポンプによる正確な水供給量を得ることができる。 In the fuel cell device of the present invention, the control unit increases the number of shots per unit time of the shot pump, and water is supplied to the reformer by the shot pump (when supplied to the reformer, it is steam. The control unit controls the raw fuel supply means and increases the raw fuel supply amount to the reformer, so that the water and raw fuel are supplied to the reformer. The ratio is kept within a certain range, the water supply to the reformer does not increase significantly, the water vapor partial pressure increases, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases due to a significant change in temperature balance Can be suppressed. Moreover, the exact amount of water supply by a shot pump can be obtained.
図1は、本発明の燃料電池装置の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を湯水が循環するための循環配管から構成されている。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell device of the present invention. The fuel cell device of the present invention is composed of a power generation unit for generating power, a hot water storage unit for storing hot water after heat exchange, and a circulation pipe for circulating hot water between these units.
本発明の燃料電池装置は、燃料電池1、天然ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置2、空気等の酸素含有ガスを燃料電池1に供給するための酸素含有ガス供給装置3、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器4を具備している。
The fuel cell device of the present invention includes a
ここで、改質器4に純水を供給する手段である水供給手段Xは、給水管5、給水管5より供給される水を調整する給水電磁弁6、活性炭フィルタ7、逆浸透膜8(以下、RO膜とする)、水タンク9、イオン交換樹脂10、ショットポンプ11、フロースイッチ(水流れセンサ)25により構成されている。給水電磁弁6、活性炭フィルタ7、RO膜8、水タンク9、イオン交換樹脂10、ショットポンプ11、フロースイッチ25、改質器4はそれぞれ配管にて接続されている。
Here, the water supply means X which is a means for supplying pure water to the reformer 4 includes a
ショットポンプ11は、例えば、シリンダ内に設けたピストンがモータ駆動又は油圧駆動で上昇する際に水を入口からシリンダ内に吸い込み、ピストンの下降でシリンダの出口から吐出するように構成されており、これにより、配管内の水は間欠的に流れ、また、1ショット当たりの吐出量は、ピストンの移動量で決定されるように構成されている。ショットポンプ11は安価であるため、微少流量の液体を供給する際に好適に用いられている。尚、ショットポンプ11は上記構成に限定されるものではなく、1ショット毎に液体を圧送するものであれば良い。 The shot pump 11 is configured so that, for example, when a piston provided in a cylinder rises by motor drive or hydraulic drive, water is sucked into the cylinder from the inlet and discharged from the cylinder outlet when the piston is lowered. Thereby, the water in the pipe flows intermittently, and the discharge amount per shot is determined by the movement amount of the piston. Since the shot pump 11 is inexpensive, it is suitably used when supplying a liquid with a minute flow rate. Note that the shot pump 11 is not limited to the above-described configuration, and may be any pump that pumps liquid for each shot.
また、フロースイッチ25は、ショットポンプ11からの水の間欠流れを感知し、信号を発するように構成されている。例えば、流体通路内に、フロートを上下動可能に設け、フロートの周面に磁石を固定するとともに、流体通路の壁に、磁力を検出するホールICを設置してフロースイッチ25が構成されている。
The
このようなフロースイッチ25では、流体通路内に流体が流れていないときには、フロートが下部ストッパによって支持され、その位置に留まっている。この状態では、フロートの磁石による磁力は、ホールICに影響を与えないが、流体通路に流体が流れると、フロートが上方へ移動して、上部ストッパに当接し、その位置に留まるため、フロートの磁石の磁力が、ホールICに作用する。したがって、ホールICで磁力を検出するか否かによって、流体が流体通路内を流れているか否かを確認でき、流体が間欠的に流れる時には、フロースイッチ25は間欠的にON、OFFを繰り返し、間欠信号を発するように構成されている。
In such a
尚、水流れセンサはフロースイッチ25に限定されるものではなく、ショットポンプ11からの水の間欠流れを感知し、信号を発するもの、例えば、フローセンサ、流量計であっても良いが、安価という点からフロースイッチ25が望ましい。
The water flow sensor is not limited to the
そして、制御部14では、ショットポンプ11による1ショット当たりの吐出量の設定値、及びフロースイッチ25からの間欠信号から、単位時間当たりの水の供給量を算出する。即ち、例えばショットポンプ11からの1ショット当たりの吐出量が0.5ccであり、1分当たりのフロースイッチ25の信号が10回であると、5cc/分が水の供給量となる。
Then, the
燃料電池1、原燃料供給装置2、酸素含有ガス供給装置3、改質器4および水供給手段Xにて、主たる発電部が構成される。
The
さらに、上記した主たる発電部に加え、燃料電池1にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ12、燃料電池1の発電により生じた排ガス(排熱)と水とで熱交換する熱交換器13、熱交換器13の出口に設けられ熱交換器13の出口を流れる水(循環水流)の水温を測定するための出口水温センサ15、水を循環させるための循環ポンプ16、循環ポンプ16の運転を制御する制御部14、により発電ユニットが構成されている。
Further, in addition to the main power generation unit described above, a
また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク18を具備して構成されている。
The hot water storage unit includes a hot
さらに、熱交換器13と貯湯タンク18との間で水を循環させるための循環配管17が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環配管17をあわせて燃料電池装置が構成される。
Furthermore, a circulation pipe 17 for circulating water between the
なお、図中の矢印は、燃料ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また波線は制御部14に伝送される主な信号経路、または制御部14より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに、図示していないが、原燃料供給装置2と改質器4の間に、原燃料を加湿するための燃料加湿器を設けることも可能である。
The arrows in the figure indicate the flow directions of fuel gas, oxygen-containing gas, and water, and the wavy line is the main signal path transmitted to the
ここで、図1に示した燃料電池装置の運転方法について説明する。 Here, a method of operating the fuel cell device shown in FIG. 1 will be described.
燃料電池1の発電に用いられる改質ガスを得るための改質器4で使用される純水は、給水電磁弁6が開放され、給水管5を通して活性炭フィルタ7に給水される。活性炭フィルタ7を流通した水は、続いてRO膜8を流通して水タンク9に貯水される。水タンク9に貯水された水は、イオン交換樹脂10を流通して精製度の高い水(純水)とされ、ショットポンプ11により改質器4に供給される。
Pure water used in the reformer 4 for obtaining the reformed gas used for power generation of the
改質器4においては、ショットポンプ11により供給され精製された水と、原燃料供給装置2より供給される原燃料(被改質ガス)とにより、水蒸気改質を行なう。改質器4にて生成された改質ガスは、燃料電池1に送られ、酸素含有ガス供給装置3より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池1の発電が行なわれる。そして、発電反応に用いられなかった余剰の改質ガス(水素ガス)と余剰の酸素含有ガスは、燃焼され、排ガスとして外部に放出される。また、燃料電池1の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ12を通じて、外部負荷に供給される。
In the reformer 4, steam reforming is performed using the purified water supplied by the shot pump 11 and the raw fuel (reformed gas) supplied from the raw
一方、燃料電池1の発電により生じた排ガス(排熱)は、主に燃料電池1の温度を高めるもしくは維持するために使用されるが、余った排ガスが燃料電池1より熱交換器13に供給される。
On the other hand, the exhaust gas (exhaust heat) generated by the power generation of the
熱交換器13に供給された排ガスは、熱交換器13内を流通(循環)する水とで熱交換される。そして熱交換された水(湯水)は、循環配管17を循環して貯湯タンク18に貯湯される。
The exhaust gas supplied to the
そして、制御部14が、単位時間当たり所定回のショット数でショットポンプ11を駆動するが、本発明では、実際に流れる水の間欠流れをフロースイッチ25が感知し、間欠信号を制御部14に発し、制御部14でショットポンプ11による1ショット当たりの吐出量の設定値、及びフロースイッチ25からの間欠信号から、単位時間当たりの正確な水供給量を算出できる。これにより、改質器4での水蒸気改質の条件を最適化することができ、発電性能を向上できる。
Then, the
即ち、ショットポンプ11は、ごみが詰まったり、エアがショットポンプ11内に入り水を押し出すことができない現象、いわゆるエア噛みが発生する虞があり、ショット数に対する理論的な水量よりも実際に流れる水量が少なくなることがあったが、本発明では、実際にショットポンプ11により押し出される水の間欠流れをフロースイッチ25が感知するため、いわゆるエア噛み等が生じ、一時的に水を供給することができない状況が生じたとしても、制御部14でショットポンプ11からの1ショット当たりの吐出量の設定値及びフロースイッチ25からの間欠信号から、単位時間当たりの正確な水供給量を算出することができる。
That is, the shot pump 11 may be clogged with dust or may cause a phenomenon that air cannot enter the shot pump 11 and push out water, that is, so-called air biting. In the present invention, since the
そして、制御部14からショットポンプ11に単位時間当たりのショット数指令が出されているにもかかわらず、フロースイッチ25から単位時間当たりのショット数指令に対応する間欠信号が指令ショット数よりも少ない場合(間欠信号がない場合も含む)には、制御部14がショットポンプ11に対して単位時間当たりのショット数を増加させたショット数指令をショットポンプ11に入力するように制御する。例えば最大ショット数となるように制御することにより、ごみが詰まりや、エア噛みが発生した場合でも、ごみやエアと共に水を強制的に押し出すことができる。
Even though the
この場合には、制御部14は、ショットポンプ11の単位時間当たりのショット数を増加し、ショットポンプ11による改質器4への水の供給量が増加する場合には、制御部14は、原燃料供給装置2を制御し、改質器4への原燃料供給量を増加するため、改質器4への水と原燃料の比率はある一定範囲に抑えられ、改質器4への水供給量が著しく増加することがなく、水蒸気分圧が増加し、また温度バランスの大幅な変化により、燃料電池の発電効率が低下することを抑制できる。
In this case, the
また、燃料ガスおよび酸素含有ガスが燃料電池1に供給され、発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスおよび酸素含有ガスの混合ガスが燃焼するタイプでは、ショットポンプ11の単位時間当たりのショット数を増加する際には、水供給量に対して原燃料供給量の比率が低くなり、余剰の燃料ガスおよび酸素含有ガスによる燃焼が失火してしまう虞があるが、このような場合であっても、本発明によれば、ショットポンプ11による改質器4への水供給量が増加する場合には、制御部14は改質器4への原燃料供給量を増加するため、改質器4への水と原燃料の比率はある一定範囲に抑えられ、失火を防止できる。
In the type in which the fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied to the
尚、余剰の燃料ガスおよび酸素含有ガスが燃焼するタイプの燃料電池では、ショットポンプ11の単位時間当たりのショット数を増加しても、それほど水を改質器4に供給できず、原燃料比率が高くなり、改質不十分な状態(一部原燃料のまま)で燃料電池1に供給されたとしても、内部改質タイプの燃料電池を用いることにより内部改質され、また、燃料ガス(一部原燃料のまま)が燃焼するため、特に発電効率を低下させることもない。
In a fuel cell in which surplus fuel gas and oxygen-containing gas burn, even if the number of shots per unit time of the shot pump 11 is increased, water cannot be supplied to the reformer 4 so much, and the raw fuel ratio Even if the
図2は、本発明の燃料電池装置の他の形態を示すもので、この形態では、図1のフロースイッチ25の代わりに、ショットポンプ11の駆動電流を検出する電流センサ(電流検出部)26を具備しており、制御部14は、電流センサ26からの信号によりショットポンプ11の単位時間当たりのショット数を制御する機能を有しており、ショットポンプ11の駆動電流がショットポンプ11の定常状態の駆動電流よりも減少した場合に、制御部14は、単位時間当たりのショット数を増加させたショット数指令をショットポンプ11に入力するように制御する。
FIG. 2 shows another embodiment of the fuel cell device of the present invention. In this embodiment, a current sensor (current detector) 26 for detecting the drive current of the shot pump 11 is used instead of the
そして、制御部14が、単位時間当たり所定回のショット数でショットポンプ11を駆動するが、本発明では、水を供給すべくショットポンプ11を駆動すると、このショットポンプ11の駆動電流が電流センサ26にて検出され、例えば、ショットポンプ11の駆動に応じた駆動電流のパルス信号が検出され、制御部14でショットポンプ11による1ショット当たりの吐出量の設定値及び電流センサ26からの信号に基づくパルス数から、定常状態における単位時間当たりの水の供給量を正確に算出することができる。これにより、改質器4での水蒸気改質の条件を最適化することができ、発電性能を向上できる。
The
即ち、ショットポンプ11は、エアがショットポンプ11内に入り水を押し出すことができない現象、いわゆるエア噛みが発生する虞があり、ショット数に対する理論的な水量よりも実際に流れる水量が少なくなることがあったが、ショットポンプ11でエア噛みが生じると、水を押し出すことができないため、ショットポンプ11の駆動に応じた駆動電流のパルス信号は、図3に実線で示すように駆動電流が小さくなり、水を押し出す時の定常状態の駆動電流よりも小さい電流となる。従って、制御部14で、定常状態の駆動電流のパルス信号だけを抽出し、このパルス信号数に、ショットポンプ11による1ショット当たりの吐出量の設定値を乗ずることにより、ショットポンプ11による正確な水供給量を得ることができる。
That is, the shot pump 11 may cause a phenomenon in which air cannot enter the shot pump 11 and push out water, that is, so-called air biting, and the amount of water actually flowing is less than the theoretical amount of water relative to the number of shots. However, since water cannot be pushed out when air is caught in the shot pump 11, the pulse signal of the drive current corresponding to the drive of the shot pump 11 has a small drive current as shown by a solid line in FIG. Thus, the current becomes smaller than the driving current in the steady state when water is pushed out. Therefore, the
また、制御部14からショットポンプ11に単位時間当たりのショット数指令が出されているにもかかわらず、電流センサ26からの信号から求めた単位時間当たりのショット数が、制御部14からの単位時間当たりの指令ショット数よりも少ない場合(間欠信号がない場合も含む)には、制御部14がショットポンプ11に対して単位時間当たりのショット数を増加させたショット数指令をショットポンプ11に入力するように制御する。例えば最大ショット数となるように制御することにより、エア噛みが発生した場合でも、エアと共に水を強制的に押し出すことができる。
The number of shots per unit time obtained from the signal from the current sensor 26 is the unit from the
そして、本発明では、ショットポンプ11による改質器4への水供給量が増加する場合には、制御部14は改質器への原燃料供給量を増加するため、改質器4への水と原燃料の比率はある一定範囲に抑えられ、燃料電池1の発電効率が低下することを抑制できる。
In the present invention, when the amount of water supplied to the reformer 4 by the shot pump 11 increases, the
尚、本発明において、ショット数とは、原則としてショットポンプ11が実際に駆動したショット数であり、指令ショット数とは、制御部14からショットポンプ11に入力されたショット数指令に基づくショット数であり、ショット数指令とは、制御部14からショットポンプ11へのショット数に関する指令である。
In the present invention, the number of shots is, in principle, the number of shots actually driven by the shot pump 11, and the command shot number is the number of shots based on the shot number command input to the shot pump 11 from the
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、制御部14からショットポンプ11に単位時間当たりの増加ショット数指令、例えば最大ショット数指令が一定時間継続した場合には、制御部14が水供給量異常の信号を発することもできる。一定時間以上最大ショット数で稼働した場合でも、ごみやエアと共に水を強制的に押し出すことができないため、制御部が水供給量異常の信号を発し、その後の適切な処理、例えば、ショットポンプの検査、修理、取替、或いは燃料電池装置の停止等を迅速に行うことができ、燃料電池装置に与える影響を最小源にすることができる。
Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention. For example, when the increased shot number command per unit time, for example, the maximum shot number command is continued for a certain time from the
1:燃料電池
4:改質器
11:ショットポンプ
14:制御部
25:フローセンサ(水流れセンサ)
26:電流センサ(電流検出部)
1: Fuel cell 4: Reformer 11: Shot pump 14: Control unit 25: Flow sensor (water flow sensor)
26: Current sensor (current detection unit)
Claims (2)
該燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料および水が供給されて水蒸気改質を行う改質器と、
該改質器に水を供給するショットポンプと、
前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段と、
前記ショットポンプを制御する制御部と、
前記ショットポンプからの水の間欠流れを感知して、前記ショットポンプからの実際のショット数を検知する水流れセンサと、を具備するとともに、
該水流れセンサにより検出された実際のショット数が前記制御部による単位時間当たりの指令ショット数よりも少ない場合に、
前記制御部は、単位時間当たりのショット数を増加させるショット数指令を前記ショットポンプに入力するように制御するとともに、前記改質器への原燃料供給量を増加するように前記原燃料供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell that is supplied with fuel gas and oxygen-containing gas to generate electricity;
A reformer for performing steam reforming by supplying raw fuel and water to supply fuel gas to the fuel cell;
A shot pump for supplying water to the reformer;
Raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer;
A control unit for controlling the shot pump ;
A water flow sensor that senses the intermittent flow of water from the shot pump and detects the actual number of shots from the shot pump , and
When the actual shot number detected by the water flow sensor is smaller than the command shot number per unit time by the control unit,
The control unit controls to input a shot number command for increasing the number of shots per unit time to the shot pump, and to increase the raw fuel supply amount to the reformer. The fuel cell device characterized by controlling.
該燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料および水が供給されて水蒸気改質を行う改質器と、
該改質器に水を供給するショットポンプと、
前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段と、
前記ショットポンプを制御する制御部と、
前記ショットポンプの駆動電流を検出する電流検出部と、を具備するとともに、
該電流検出部により検出された前記ショットポンプの駆動電流が前記ショットポンプの定常状態の駆動電流よりも減少した場合に、
前記制御部は、単位時間当たりのショット数を増加させるショット数指令を前記ショットポンプに入力するとともに、前記改質器への原燃料供給量を増加するように前記原燃料供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell that is supplied with fuel gas and oxygen-containing gas to generate electricity;
A reformer for performing steam reforming by supplying raw fuel and water to supply fuel gas to the fuel cell;
A shot pump for supplying water to the reformer;
Raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer;
A control unit for controlling the shot pump;
As well as comprising a, a current detection unit for detecting the driving current of the shot pump,
If the driving current of the shot pump detected by said current detecting unit is reduced than the drive current of the steady state of the shot pump,
The control unit inputs a shot number command for increasing the number of shots per unit time to the shot pump, and controls the raw fuel supply means so as to increase a raw fuel supply amount to the reformer. fuel cell device it said.
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