JP5491062B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池におけるガスリークを検出することができる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system capable of detecting a gas leak in a fuel cell.
従来より、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質層の両面に電極を配した燃料電池セルの両面に、酸化剤ガス（通常空気）と燃料ガス（Ｈ2、メタン、メタノール等）を供給して、発電を行うようになっている。このような燃料電池は、一個の燃料電池セルで得られる電力量は小さいので、セルを複数個使用して燃料電池スタックを構成して大きな電力になるよう設計されている。 Conventionally, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) has an oxidant gas (usually air) and a fuel gas (H 2 , methane, methanol, etc.) on both sides of a fuel cell in which electrodes are arranged on both sides of a solid electrolyte layer. ) To generate electricity. Such a fuel cell is designed to generate a large amount of power by using a plurality of cells to form a fuel cell stack because the amount of power obtained by one fuel cell is small.
この種の燃料電池においては、長時間高温に晒されるため、構成部品の変形や劣化等が生じることがあり、その場合には、徐々に燃料ガス等の漏れ量（リーク量）が増加し、性能（例えば発電能力）が低下するという問題があった。 Since this type of fuel cell is exposed to high temperatures for a long time, deformation and deterioration of components may occur. In that case, the amount of leakage of fuel gas (leakage amount) gradually increases, There was a problem that performance (for example, power generation capacity) was lowered.
また、これとは別に、燃料電池においては、経年劣化による性能低下が発生するので、リークによる性能低下なのか経年劣化による性能低下なのかを判別するために、ガス漏れ検出（リークチェック）を実施する必要がある。 In addition to this, in fuel cells, performance degradation due to aging occurs, so gas leak detection (leak check) is performed to determine whether performance degradation due to leakage or performance degradation due to aging degradation. There is a need to.
この対策として、従来では、例えば特許文献１に記載のように、燃料電池の運転を停止し、保圧用ガスを充填して密閉し、その保圧用ガスの圧力の低下等を検出することにより、発電休止状態でリークチェックを行う方法が知られている。 As a countermeasure, conventionally, as described in Patent Document 1, for example, the operation of the fuel cell is stopped, the holding gas is filled and sealed, and a decrease in the pressure of the holding gas is detected. A method of performing a leak check in a power generation halt state is known.
ところが、連続運転を基本とする固体酸化物形燃料電池、即ち、発電のために、例えば常時例えば７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う固体酸化物形燃料電池においては、前記特許文献１の技術のように、リークチェックのために発電を休止する方法は適していないという問題があった。 However, a solid oxide fuel cell based on continuous operation, that is, a solid oxide fuel that is heated by a gas combustion or a heater so as to always maintain a high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. for power generation. In the battery, there is a problem that a method of stopping power generation for leak check is not suitable as in the technique of Patent Document 1.
更に、従来の技術では、固体酸化物形燃料電池の連続運転中の破損等による急激なリーク増加などに対応することができないという問題があった。
これとは別に、運転中の固体酸化物形燃料電池に対して、その排ガスを流量計で計測してリークチェックすることが考えられるが、排ガスは、高温で、水蒸気、二酸化炭素、窒素等の多数の成分からなっているため、通常の流量計で流量を計測することが困難であり、特殊なガス分析装置や流量計が必要になるという問題があった。
Furthermore, the conventional technique has a problem that it cannot cope with a rapid increase in leak due to damage or the like during continuous operation of the solid oxide fuel cell.
Separately from this, it is conceivable to check the leakage of the solid oxide fuel cell in operation by measuring the exhaust gas with a flow meter. However, the exhaust gas is at a high temperature such as water vapor, carbon dioxide, nitrogen, etc. Since it consists of many components, it was difficult to measure the flow rate with a normal flow meter, and there was a problem that a special gas analyzer and flow meter were required.
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、特殊な測定装置を使用しなくても、燃料電池の運転中に、ガスのリークチェックを容易に行うことができる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 in view of these problems, and provides a fuel cell system that can easily perform a gas leak check during operation of the fuel cell without using a special measurement device. Objective.
（１）かかる問題を解決するためになされた請求項１の発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置を備え、前記排ガス熱交換装置において前記熱交換媒体によって実際に回収される実回収熱量を計測するとともに、前記排ガス熱交換装置において前記排ガスから回収可能な理論回収熱量を少なくとも前記燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づいて算出し、前記実回収熱量と前記理論回収熱量との比である熱回収率又は前記実回収熱量と前記理論回収熱量との差分を求め、前記熱回収率又は前記差分の変化に基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする。 (1) The invention of claim 1, which has been made to solve such a problem, generates power by supplying fuel gas and oxidant gas to a fuel cell, and combusts exhaust gas generated by power generation of the fuel cell. In addition, the fuel cell system that discharges outside the fuel cell includes an exhaust gas heat exchange device that performs heat exchange between the exhaust gas and the heat exchange medium, and is actually recovered by the heat exchange medium in the exhaust gas heat exchange device. The actual recovered heat amount is measured, and the theoretical recovered heat amount that can be recovered from the exhaust gas in the exhaust gas heat exchange device is calculated based on at least the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and the actual recovered heat amount And the difference between the heat recovery rate that is the ratio of the theoretical recovery heat amount or the actual recovery heat amount and the theoretical recovery heat amount, and based on the change in the heat recovery rate or the difference And detecting the gas leakage.
燃料電池にてガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて、ガスリークの分だけ排ガス熱交換装置に供給される排ガスの流量（従って排ガスの熱量）が減少する。 When a gas leak has occurred in the fuel cell, the flow rate of the exhaust gas supplied to the exhaust gas heat exchanger (and hence the amount of heat of the exhaust gas) is reduced by the amount of the gas leak, compared to when no gas leak has occurred.
従って、本発明では、熱交換媒体によって実際に回収される実回収熱量を測定するとともに、排ガスから（リーク無しとした場合に）回収可能な理論回収熱量を少なくとも燃料電池に供給された燃料ガスの供給量に基づいて算出し、その実回収熱量と理論回収熱量との比である熱回収率又は実回収熱量と理論回収熱量との差分を求める。 Therefore, in the present invention, the actual recovered heat amount actually recovered by the heat exchange medium is measured, and the theoretical recovered heat amount that can be recovered from the exhaust gas (when there is no leakage) is at least of the fuel gas supplied to the fuel cell. A calculation is made based on the supply amount, and a heat recovery rate, which is a ratio between the actual recovery heat amount and the theoretical recovery heat amount, or a difference between the actual recovery heat amount and the theoretical recovery heat amount is obtained.
なお、熱回収率としては、実回収熱量／理論回収熱量が挙げられる。また、実回収熱量と理論回収熱量との差分としては、「理論回収熱量−実回収熱量」や「実回収熱量−理論回収熱量」、或いは、それらの差分の絶対値が挙げられる。 The heat recovery rate includes actual recovered heat amount / theoretical recovered heat amount. Further, examples of the difference between the actual recovered heat amount and the theoretical recovered heat amount include “theoretical recovered heat amount−actual recovered heat amount”, “actual recovered heat amount−theoretical recovered heat amount”, or an absolute value of the difference therebetween.
前記熱回収率又は差分は、ガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて変化する（即ち熱回収率は小さくなり、差分は大きくなる）。よって、熱回収率又は差分の変化に基づいて、ガスリークを検出することができる。 The heat recovery rate or difference changes when a gas leak occurs compared to when no gas leak occurs (that is, the heat recovery rate decreases and the difference increases). Therefore, a gas leak can be detected based on the change in the heat recovery rate or the difference.
よって、本発明では、従来の様に、発電休止状態でリークチェックを行う必要がなく、運転中にリークチェックを行うことができるので、極めて便利である。
特に、７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う燃料電池（例えば固体酸化物形燃料電池）においては、リークチェックのために発電を休止する方法は適しておらず、よって、本発明のようにリークチェックする手法は極めて好適である。
Therefore, according to the present invention, it is not necessary to perform a leak check in a power generation halt state as in the prior art, and the leak check can be performed during operation, which is extremely convenient.
In particular, in a fuel cell (for example, a solid oxide fuel cell) in which gas combustion or heating with a heater is performed so as to maintain a high temperature of about 700 to 1000 ° C., a method of stopping power generation for a leak check is not suitable. Therefore, the leak check method as in the present invention is very suitable.
更に、本発明では、燃料電池の連続運転中の破損等による急激なリーク増加などに対応することができるという利点がある。
その上、本実施例では、運転中の燃料電池に対して、その排ガスを流量計で計測する必要がないので、特別な流量計が不要であり、装置構成を簡易化できるという効果もある。
Furthermore, the present invention has an advantage that it can cope with a sudden increase in leak due to damage or the like during continuous operation of the fuel cell.
In addition, in this embodiment, since it is not necessary to measure the exhaust gas with a flow meter for an operating fuel cell, a special flow meter is not required, and the apparatus configuration can be simplified.
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度（Ｔ3、Ｔ4）と、前記排ガス熱交換装置に流れる前記熱交換媒体の流量とに基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする。
(2) The invention of
本発明は、実回収熱量の算出手法を例示したものである。つまり、熱交換媒体の入口温度（Ｔ3）と出口温度（Ｔ4）との温度差（ΔＴ）及びに熱交換媒体の流量（Ｖ4）は、実回収熱量に対応しているので、具体的には、例えば熱交換媒体の入口温度（Ｔ3）と出口温度（Ｔ４）との温度差（ΔＴ）と熱交換媒体の流量（Ｖ4）とを掛けた値は、実回収熱量に対応しているので、本発明により、実回収熱量を求めることができる。 The present invention exemplifies a method for calculating the actual recovered heat amount. That is, the temperature difference (ΔT) between the inlet temperature (T 3 ) and the outlet temperature (T 4 ) of the heat exchange medium and the flow rate (V 4 ) of the heat exchange medium correspond to the actual recovered heat amount. Specifically, for example, a value obtained by multiplying the temperature difference (ΔT) between the inlet temperature (T 3 ) and the outlet temperature (T 4) of the heat exchange medium and the flow rate (V 4 ) of the heat exchange medium corresponds to the actual recovered heat amount. Therefore, according to the present invention, the actual recovered heat amount can be obtained.
なお、実際には、例えば「ΔＴ＊流量＊係数α」により実回収熱量を算出することができる。ここでαとは、熱交換媒体の比熱（温度に比例）を表すものである。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス熱交換装置に流れる前記熱交換媒体の流量が一定の場合に、前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度に基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする。
Actually, the actual recovered heat amount can be calculated by, for example, “ΔT * flow rate * coefficient α”. Here, α represents the specific heat (proportional to temperature) of the heat exchange medium.
(3) The invention of
熱交換媒体の流量が一定の場合には、例えば「ΔＴ＊流量＊係数α」の流量を１つの係数を考えることができる。よって、その場合には、熱交換媒体の入口温度（Ｔ3）と出口温度（Ｔ4）との温度差（ΔＴ）に基づいて、実回収熱量を求めることができる。 When the flow rate of the heat exchange medium is constant, for example, one coefficient can be considered for the flow rate of “ΔT * flow rate * coefficient α”. Therefore, in that case, the actual recovered heat amount can be obtained based on the temperature difference (ΔT) between the inlet temperature (T 3 ) and the outlet temperature (T 4 ) of the heat exchange medium.
（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度とに基づいて、前記理論回収熱量を求めることを特徴とする。
(4) The invention of
理論的に回収可能な熱量は、燃料ガスの流量と排ガスの成分と（排ガス熱交換装置における）排ガスの出入口温度（温度差）に対応しているので、これらの値に基づいて理論回収熱量を算出することができる。 The amount of heat that can be recovered theoretically corresponds to the flow rate of the fuel gas, the component of the exhaust gas, and the inlet / outlet temperature (temperature difference) of the exhaust gas (in the exhaust gas heat exchanger). Can be calculated.
なお、理論回収熱量を算出する場合には、実際には排ガス熱交換装置の固有値（熱交換の性能）等にも影響されるので、この固有値を考慮して算出する。
（５）請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記理論回収熱量をある一定の値になるように、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度と、を制御することを特徴とする。
Note that when calculating the theoretically recovered heat amount, it is actually influenced by the eigenvalue (heat exchange performance) of the exhaust gas heat exchange device, and so on.
(5) The invention of
これにより、理論回収熱量を算出するための毎回の演算が不要になるので、演算の負担を軽減することができる。
（６）請求項６の発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置（熱交換器）と、前記排ガス熱交換装置において排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を回収し水量を測定する凝縮水回収装置（凝縮水タンク）と、を備え、前記凝縮水回収装置にて実際に回収される実凝縮水回収量と、理論的に少なくとも前記燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づいて算出される理論凝縮水回収量とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする。
This eliminates the need for every calculation for calculating the theoretically recovered heat amount, thereby reducing the calculation burden.
(6) According to the invention of
燃料電池にてガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて、ガスリークの分だけ排ガス熱交換装置に供給される排ガスの流量（従って排ガス中の水分量）が減少する。 When there is a gas leak in the fuel cell, the flow rate of the exhaust gas supplied to the exhaust gas heat exchanger (and hence the amount of water in the exhaust gas) is reduced by the amount of the gas leak compared to when there is no gas leak. To do.
従って、本発明では、凝縮水回収装置にて実際に回収される実凝縮水回収量と、理論的に少なくとも燃料電池に供給された燃料ガスの供給量に基づいて算出される理論凝縮水回収量とに基づいて、ガスリークを検出することができる。
例えば実凝縮水回収量に対応する実際に凝縮水回収装置が満水になるまでの実時間と、理論凝縮水回収量に対応する凝縮水回収装置が満水になるまでの理論時間とを求め、例えば実時間と理論時間との比（時間率＝実時間／理論時間）や、理論時間から実時間を引いた差から、ガスリークを検出することができる。
Therefore, in the present invention, the theoretical condensed water recovery amount calculated based on the actual condensed water recovery amount actually recovered by the condensed water recovery device and theoretically at least the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell. Based on the above, it is possible to detect a gas leak.
For example, the actual time until the condensed water recovery device corresponding to the actual condensed water recovery amount becomes full and the theoretical time until the condensed water recovery device corresponding to the theoretical condensed water recovery amount becomes full are obtained. The gas leak can be detected from the ratio between the real time and the theoretical time (time ratio = real time / theoretical time) or the difference obtained by subtracting the real time from the theoretical time.
その他、本発明においても、前記請求項１の発明と同様な効果を奏する。
（７）請求項７の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、前記排ガスの成分とに基づいて、前記理論凝縮水回収量を算出することを特徴とする。
In addition, in the present invention, the same effects as in the first aspect of the invention can be obtained.
(7) The invention according to claim 7 is the fuel cell system according to
本発明は、理論凝縮水回収量を算出する手法を例示したものである。
（８）請求項８の発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該燃料電池の発電により発生する排ガスを燃焼させてから、該燃料電池外に排出する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、少なくとも前記燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づく燃料電池セルの温度（例えば（Ｔ０））及び燃料電池セルにおける受熱率に基づいて理論的に算出される前記排ガスの温度とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする。
The present invention exemplifies a method for calculating the theoretical condensed water recovery amount.
(8) According to the invention of claim 8, the fuel cell is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate power, and the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell is burned and then discharged outside the fuel cell. In the fuel cell system, the temperature of the fuel cell (for example, (T 0 )) and the fuel based on the actual temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell and at least the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell Gas leak is detected based on the temperature of the exhaust gas theoretically calculated based on the heat receiving rate in the battery cell.
燃料電池の発電量が一定で且つ燃料電池の温度（例えばセル温度）が一定であれば、燃料電池から排出される排ガスの温度が一定である（熱交換される燃料ガスや酸化剤ガスが排ガスから受熱する熱量が一定であるから）。しかし、燃料電池にてガスリークが発生している場合には、ガスリークが発生していない場合に比べて、排ガスの温度が変化する（低下する）。 If the power generation amount of the fuel cell is constant and the temperature of the fuel cell (for example, cell temperature) is constant, the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell is constant (the heat exchanged fuel gas or oxidant gas is exhaust gas) Because the amount of heat received from is constant). However, when a gas leak occurs in the fuel cell, the temperature of the exhaust gas changes (decreases) compared to when no gas leak occurs.
従って、本発明では、燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、少なくとも燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づく燃料電池セルの温度及燃料電池セルにおける受熱率に基づいて理論的に算出される排ガスの温度とに基づいて、ガスリークを検出する。 Therefore, in the present invention, the theory is based on the actual temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell, the temperature of the fuel cell based on at least the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and the heat receiving rate in the fuel cell. The gas leak is detected based on the calculated exhaust gas temperature.
つまり、排ガスの実際の温度と理論的に算出される温度とに所定以上のズレがある場合には、ガスリークがあると判断することができる。
その他、本発明においても、前記請求項１の発明と同様な効果を奏する。
In other words, if there is a predetermined deviation or more between the actual temperature of the exhaust gas and the theoretically calculated temperature, it can be determined that there is a gas leak.
In addition, in the present invention, the same effects as in the first aspect of the invention can be obtained.
なお、燃料電池セルとは燃料電池における発電単位であり、前記受熱率とは、（セル温度−排ガス温度）＊排ガス流量／（投入燃料昇温エネルギ）のように定義される。
（９）請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、固体電解質体と燃料極と空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池セルを複数接続した固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池を収容する断熱機能を有する容器（断熱容器）と、を備え、前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該固体酸化物形燃料電池セルの発電により発生する排ガスを燃焼させてから前記容器外に排出する構成を備えたことを特徴とする。
The fuel cell is a unit of power generation in the fuel cell, and the heat receiving rate is defined as (cell temperature-exhaust gas temperature) * exhaust gas flow rate / (input fuel heating energy).
(9) The invention of claim 9 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein a plurality of solid oxide fuel cells each having a solid electrolyte body, a fuel electrode, and an air electrode are connected. A solid oxide fuel cell; and a container (heat insulating container) having a heat insulation function for accommodating the solid oxide fuel cell, and supplying fuel gas and oxidant gas to the solid oxide fuel cell And generating power, and combusting exhaust gas generated by power generation of the solid oxide fuel cell, and then discharging it to the outside of the container.
本発明は、燃料電池システムの構成を例示したものである。
７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う固体酸化物形燃料電池においては、リークチェックのために発電を休止する方法は適しておらず、よって、本発明のようにリークチェックする手法は極めて好適である。
The present invention exemplifies the configuration of a fuel cell system.
In a solid oxide fuel cell in which gas is burned or heated by a heater so as to maintain a high temperature of about 700 to 1000 ° C., a method of stopping power generation for a leak check is not suitable. Thus, the leak check method is very suitable.
以下、本発明が適用された燃料電池システムの実施例について図面を用いて説明する。 Embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
ａ）まず、本実施例の固体酸化物形燃料電池システム（以下単に燃料電池システムと記す）に用いられる固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記す）ついて説明する。
図１に示す様に、本実施例における燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置であり、発電単位である板状の固体酸化物形燃料電池セル（以下単に燃料電池セルと記す）２が複数個積層されたスタック部分（積層体）３と、その積層体３の両側に配置された補助層４、５、６とを備えている。
a) First, a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) used in the solid oxide fuel cell system of the present embodiment (hereinafter simply referred to as a fuel cell system) will be described.
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 in this embodiment is a device that generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air (specifically, oxygen in the air)). , A plate-shaped solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) 2 as a power generation unit, a stack portion (stacked body) 3 in which a plurality of layers are stacked, and arranged on both sides of the
なお、燃料電池セル２は、周知の燃料極７、固体電解質体８、空気極９等を備えている。また、前記補助層４〜６としては、空気を予熱する空気予熱層４、発電後の残余の燃料ガスを燃焼させる排ガス燃焼層５、燃料ガスの改質を行う燃料改質層６が挙げられる。
The
ｂ）次に、本実施例の燃料電池システムについて説明する。
図２に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池１などの動作が、コンピュータを主要部とする電子制御装置１３によって制御されるものであり、例えば、燃料投入量は、燃料電池スタックの発電電流により制御され、また、発電後の理論的なガス組成と熱量も同時に算出され、更に、後述するリークチェック等の処理がなされる。以下、詳細に説明する。
b) Next, the fuel cell system of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 2, in the fuel cell system of the present embodiment, the operation of the fuel cell 1 and the like is controlled by an
本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１は７００℃程度の高温にて稼働されるために、断熱容器１５に収納されており、また、システム総合効率を高めるために、断熱容器１５から排出される排ガスと熱交換を行う熱交換器（排ガス熱交換装置）１７が設置され、水等の媒体と熱交換し、コジェネレーションシステムとして使用される。
In the fuel cell system of the present embodiment, the fuel cell 1 is operated at a high temperature of about 700 ° C. so that it is housed in the
本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量（Ｖ1）は、第１流量計１９によって測定され、ガス改質のために燃料ガスに混入される水分の流量（Ｖ2）は、第２流量計２１によって測定され、燃料電池１に供給される空気の流量（Ｖ3）は第３流量計２３によって測定される。
In the fuel cell system of the present embodiment, the flow rate (V 1 ) of the fuel gas supplied to the fuel cell 1 is measured by the first flow meter 19, and the flow rate of water mixed into the fuel gas for gas reforming (V 2 ) is measured by the
また、燃料電池１から排出されて熱交換器１７に導入される排ガスの温度（Ｔ1）は、第１温度センサ２５によって測定され、熱交換器１７から排出される熱交換後の排ガスの温度（Ｔ2）は、第２温度センサ２７によって測定される。更に、熱交換器１７に導入される熱交換の媒体としても水の流量（Ｖ4）は第４流量計２９によって測定され、その温度（Ｔ3）は第３温度センサ３１によって測定され、熱交換器１７から排出される熱交換後の水（湯）の温度（Ｔ4）は、第４温度センサ３３によって測定される。
The temperature (T 1 ) of the exhaust gas discharged from the fuel cell 1 and introduced into the
なお、各流量計１９〜２３、２９によって測定された流量や、各温度センサ２５、２７、３１、３３によって測定された温度は、電子制御装置１３に入力されて、後述するリーク検出や各種の制御に用いられる。
In addition, the flow rate measured by each flow meter 19-23, 29 and the temperature measured by each
ｃ）次に、本実施例におけるリーク検出の手法について説明する。
本実施例では、燃料電池１から熱交換器１７に排ガスを導入し、その排ガスと水とで熱交換を行う。そして、この熱交換の際に、熱交換器１７における理論回収熱量と実際に回収された実回収熱量とを比較する。
c) Next, a leak detection method in this embodiment will be described.
In the present embodiment, exhaust gas is introduced from the fuel cell 1 into the
ここで、燃料電池１にてガスリークが発生している場合には、ガスリーク分の排ガス流量（従って熱量）が消失しているので、理論回収熱量と実回収熱量との間にはガスリークが無い場合に比べてズレが生ずる。なお、ガスリークが無い場合でも、熱交換器１７等から自然に外界に消失する熱量があるので、理論回収熱量と実回収熱量とは一致しないが、ガスリークが無い場合には、理論回収熱量と実回収熱量との比（熱回収率＝実回収熱量／理論回収熱量）は、ある範囲（熱交換器１７の特性によって定まる範囲）内である。
Here, when a gas leak has occurred in the fuel cell 1, the exhaust gas flow rate (and hence the amount of heat) corresponding to the gas leak has disappeared, so there is no gas leak between the theoretically recovered heat amount and the actual recovered heat amount. Deviation occurs compared to. Even if there is no gas leak, there is a heat quantity that naturally disappears from the
従って、理論回収熱量と実回収熱量とから熱回収率を計算し、その熱回収率の変動が（ガスリークが無い場合の）基準値よりも大きな場合には、ガスリークが発生したと判断する。以下、その手順を順を追って説明する。 Accordingly, the heat recovery rate is calculated from the theoretical recovery heat amount and the actual recovery heat amount, and when the fluctuation of the heat recovery rate is larger than the reference value (in the case where there is no gas leak), it is determined that a gas leak has occurred. Hereinafter, the procedure will be described step by step.
(1)図３に示す様に、ステップ（Ｓ）１１０では、燃料電池１に投入される燃料ガス（例えばＣＨ4）の流量Ｘ、水の流量Ｙ、空気の流量Ｚを、第１〜第３流量センサ１９〜２３にて測定し、その測定値を電子制御装置１３に入力する。なお、これらの流量は、例えばポンプの回転数から予測してもよい。
(1) As shown in FIG. 3, in step (S) 110, the flow rate X of the fuel gas (for example, CH 4 ), the flow rate Y of water, and the flow rate Z of air are set to the first to first values. 3 Measured by the flow rate sensors 19 to 23, and the measured value is input to the
(2)続くステップ１２０では、下記式により、空気中の酸素と窒素の量を計算する。
酸素： Ｏ2（投入）＝Ｚ＊０．２１
窒素： Ｎ2（投入）＝Ｚ＊０．７９
(3)続くステップ１３０では、下記式により、投入された燃料ガスが改質された結果生成する水素とＣＯ2と残留水分の量を計算する。
(2) In the following step 120, the amount of oxygen and nitrogen in the air is calculated by the following formula.
Oxygen: O 2 (input) = Z * 0.21
Nitrogen: N 2 (input) = Z * 0.79
(3) In the following step 130, the amount of hydrogen, CO 2 and residual moisture generated as a result of reforming the input fuel gas is calculated by the following equation.
水素 ：Ｈ2（生成）＝Ｘ＊４
２酸化炭素：ＣＯ2（生成）＝Ｘ＊１
消費した水：Ｈ2Ｏ（消費）＝Ｘ＊２
残った水 ：Ｈ2Ｏ（残１）＝Ｙ−Ｈ2Ｏ（消費）
（なお、前記Ｘに乗ぜられる４、１、２は、メタンの場合であり、燃料の種類により異なる）
(4)続くステップ１４０では、下記式により、発電と燃焼で消費される水素と酸素との反応によって生成する水の量を計算する。
Hydrogen: H 2 (production) = X * 4
Carbon dioxide: CO 2 (production) = X * 1
Consumed water: H 2 O (consumption) = X * 2
Remaining water: H 2 O (1 remaining) = Y—H 2 O (consumption)
(Note that 4, 1, and 2 multiplied by X are methane, and differ depending on the type of fuel)
(4) In the following step 140, the amount of water produced by the reaction between hydrogen and oxygen consumed in power generation and combustion is calculated by the following equation.
消費水素 ：Ｈ2（消費）＝Ｈ2
消費酸素 ：Ｏ2（消費）＝Ｈ2（消費）＊０．５
生成水 ：Ｈ2Ｏ（生成）＝Ｈ2
（なお、上記式は、Ｈ2＋１／２Ｏ2＝Ｈ2Ｏから計算）
(5)続くステップ１５０では、下記式により、排ガス成分を全て算出する。
Consumption hydrogen: H 2 (consumption) = H 2
Consumption oxygen: O 2 (consumption) = H 2 (consumption) * 0.5
Generated water: H 2 O (generated) = H 2
(The above formula is calculated from H 2 + 1 / 2O 2 = H 2 O)
(5) In the following step 150, all exhaust gas components are calculated by the following formula.
残留水素 ：Ｈ2（残り）＝０
残留窒素 ：Ｎ2（残）＝Ｎ2（投入）
残留ＣＯ2 ：ＣＯ2（残）＝ＣＯ2（生成）
残留酸素 ：Ｏ2（残）＝Ｏ2（投入）−Ｏ2（消費）
残留水 ：Ｈ2Ｏ（残２）＝Ｈ2Ｏ（残１）＋生成水
（なお、水素は全て消費され、窒素は反応しないので投入したものが出てくる）
(6)続くステップ１６０では、下記式により、燃料電池１から排出される排ガスの温度Ｔ1（排１）（第１温度センサ２５によって検出された温度Ｔ1）と、前記ステップ１５０にて求めた排ガス成分とから、排ガスの熱量（理論排ガス熱量１）を計算する。
Residual hydrogen: H 2 (remaining) = 0
Residual nitrogen: N 2 (residual) = N 2 (input)
Residual CO 2 : CO 2 (residue) = CO 2 (production)
Residual oxygen: O 2 (residual) = O 2 (input) −O 2 (consumption)
Residual water: H 2 O (remaining 2) = H 2 O (remaining 1) + generated water (All hydrogen is consumed and nitrogen does not react, so the one that has been added appears)
In (6) the following step 160, by the following equation, the temperature T 1 of the exhaust gas discharged from the fuel cell 1 (exhaust 1) (temperatures T 1 detected by the first temperature sensor 25), obtained in step 150 The calorific value of the exhaust gas (theoretical exhaust gas calorific value 1) is calculated from the obtained exhaust gas components.
残留酸素熱量 ：ＥＯ（１）＝Ｏ2（残）＊Ｔ1（排１）＊Ｃ（０2）
残留窒素熱量 ：ＥＮ（１）＝Ｎ2（残）＊Ｔ1（排１）＊Ｃ（Ｎ2）
残留ＣＯ2熱量 ：ＥＣＯ2（１）＝ＣＯ2（残）＊Ｔ1（排１）＊Ｃ（ＣＯ2）
残留水熱量 ：ＥＨ2Ｏ（１）＝Ｈ2Ｏ（残）＊Ｔ1（排１）＊Ｃ（Ｈ2Ｏ）
理論排ガス熱量１：Ｅ（排１）＝ＥＯ（１）＋ＥＮ（１）
＋ＥＣＯ2（１）＋ＥＨ2Ｏ（１）
凝縮潜熱 ：Ｅ（凝縮１）＝Ｈ2Ｏ（残２）＊Ｋ
（なお、Ｃ（０2）、Ｃ（Ｎ2）、Ｃ（ＣＯ2）、Ｃ（Ｈ2Ｏ）は、一般的に計算可能な各成分の熱容量の既知の値であり、Ｋは一般的な水の凝縮潜熱）
(7)続くステップ１７０では、下記式により、熱交換器１７から排出される（熱交換後の）排ガスの温度Ｔ2（排２）（第２温度センサ２７によって検出された温度Ｔ2）と、前記ステップ１５０にて求めた排ガス成分と、その温度から求めた凝縮水量とから、理論熱量２を計算する。
Residual oxygen heat: EO (1) = O 2 (remaining) * T 1 (exhaust 1) * C (0 2 )
Residual amount of nitrogen heat: EN (1) = N 2 (remaining) * T 1 (exhaust 1) * C (N 2 )
Residual CO 2 heat quantity: ECO 2 (1) = CO 2 (remaining) * T 1 (exhaust 1) * C (CO 2 )
Residual amount of heat: EH 2 O (1) = H 2 O (residue) * T 1 (exhaust 1) * C (H 2 O)
Theoretical exhaust gas calorie 1: E (exhaust 1) = EO (1) + EN (1)
+ ECO 2 (1) + EH 2 O (1)
Condensation latent heat: E (condensation 1) = H 2 O (remaining 2) * K
(Note that C (0 2 ), C (N 2 ), C (CO 2 ), and C (H 2 O) are generally known values of the heat capacity of each component, and K is a general value. Condensation latent heat of water)
(7) In the next step 170, by the following equation, and is discharged from the
熱交換後酸素熱量 ：ＥＯ（２）＝Ｏ2（残）＊Ｔ2（排２）＊Ｃ（０2）’
熱交換後窒素熱量 ：ＥＮ（２）＝Ｎ2（残）＊Ｔ2（排２）＊Ｃ（Ｎ2）’
熱交換後ＣＯ2熱量 ：ＥＣＯ2（２）＝ＣＯ2（残）＊Ｔ2（排２）＊Ｃ（ＣＯ2）’
熱交換後Ｈ2Ｏ量 ：Ｈ2Ｏ（残３）＝飽和水蒸気量（Ｔ（排））＊（Ｏ2（残）
＋Ｎ2（残）＋ＣＯ2（残））
熱交換後Ｈ2Ｏ熱量 ：ＥＨ2Ｏ（２）＝Ｈ2Ｏ（残）＊Ｔ2（排１）＊Ｃ（Ｈ2Ｏ）’
熱交換後凝縮潜熱 ：Ｅ（凝縮２）＝Ｈ2Ｏ（残３）＊Ｋ
熱交換後液水熱量（水としての熱の持ち出し量）：Ｅ（水）
＝（Ｈ2Ｏ（残２）−Ｈ2Ｏ（残３））／（22.4＊18＊4.186＊Ｔ2（排２））
理論排ガス熱量２ ：Ｅ（排２）＝ＥＯ（２）＋ＥＮ（２）
＋ＥＣＯ2（２）＋ＥＨ2Ｏ（２）＋Ｅ（水）
（なお、Ｃ（０2）’、Ｃ（Ｎ2）’、Ｃ（ＣＯ2）’、Ｃ（Ｈ2Ｏ）’は、一般的に計算可能な各成分の熱容量の既知の値であり、Ｔ（排）は排ガス又は水温度であり、Ｋは一般的な水の凝縮潜熱である。22.4は標準状態の気体１モルの体積であり、18は水の分子量であり、4.186はＪ→calの変換単位である。また、熱交換後Ｈ2Ｏ量では、排ガスの体積と飽和水蒸気量との掛け算により蒸気を計算する）
(8)続くステップ１８０では、下記式により、理論排ガス熱量１及び凝縮潜熱から、熱交換後凝縮潜熱と理論排ガス熱量２を引くことで、理論回収熱量を計算する。
Oxygen calorie after heat exchange: EO (2) = O 2 (remaining) * T 2 (exhaust 2) * C (0 2 ) ′
Nitrogen heat after heat exchange: EN (2) = N 2 (remaining) * T 2 (exhaust 2) * C (N 2 ) ′
CO 2 calorie after heat exchange: ECO 2 (2) = CO 2 (remaining) * T 2 (exhaust 2) * C (CO 2 ) ′
H 2 O amount after heat exchange: H 2 O (remaining 3) = saturated water vapor amount (T (exhaust)) * (O 2 (remaining)
+ N 2 (remaining) + CO 2 (remaining))
H 2 O heat quantity after heat exchange: EH 2 O (2) = H 2 O (remaining) * T 2 (exhaust 1) * C (H 2 O) ′
Condensation latent heat after heat exchange: E (condensation 2) = H 2 O (remaining 3) * K
Liquid water calorie after heat exchange (amount of heat taken out as water): E (water)
= (H 2 O (remaining 2) −H 2 O (remaining 3)) / (22.4 * 18 * 4.186 * T 2 (exhaust 2))
Theoretical exhaust gas calorific value 2: E (exhaust 2) = EO (2) + EN (2)
+ ECO 2 (2) + EH 2 O (2) + E (water)
(C (0 2 ) ′, C (N 2 ) ′, C (CO 2 ) ′, C (H 2 O) ′ are known values of heat capacities of components that can be generally calculated, T (exhaust) is the exhaust gas or water temperature, K is the general latent heat of condensation of water, 22.4 is the volume of 1 mole of gas in the standard state, 18 is the molecular weight of water, and 4.186 is J → cal In addition, the amount of H 2 O after heat exchange is calculated by multiplying the volume of exhaust gas by the amount of saturated water vapor)
(8) In the subsequent step 180, the theoretical recovery heat quantity is calculated by subtracting the condensed latent heat after heat exchange and the theoretical exhaust
理論回収熱量：Ｅ（理論回収）＝
｛Ｅ（排１）＋Ｅ（凝縮１）−Ｅ（排２）−Ｅ（凝縮２）｝＊回収効率
（なお、回収効率は、熱交換器７の固有値である）
(9)続くステップ１９０では、下記式により、熱交換器１７へ導入される水の温度Ｔ3（第３温度センサ２１により測定した水温Ｔ3）と、熱交換後の湯温Ｔ4（第４温度センサ３３により測定した湯温Ｔ4）と、その水流量Ｖ4（第４流量計によって測定した水流量）から、実際に回収された実回収熱量を計算する。
Theoretical heat recovery: E (theoretical recovery) =
{E (exhaust 1) + E (condensation 1) −E (exhaust 2) −E (condensation 2)} * recovery efficiency (recovery efficiency is an eigenvalue of the heat exchanger 7)
(9) In the following step 190, the following equation, and the temperature T 3 of the water introduced into the heat exchanger 17 (temperature T 3 measured by the third temperature sensor 21), the hot water after the heat exchange temperature T 4 (a The actual recovered heat quantity actually recovered is calculated from the hot water temperature T 4 measured by the four
実回収熱量：Ｅ（回収）＝｛Ｔ4（湯）−Ｔ3（水）｝＊Ｖ4（水）＊4.186
（なお、水流量は、ポンプの回転数やポンプの駆動電力から求めてもよい）
(10)続くステップ２００では、下記式により、理論回収熱量と実回収熱量とから、熱回収率を計算する。
Actual recovered heat: E (recovered) = {T 4 (hot water) −T 3 (water)} * V 4 (water) * 4.186
(The water flow rate may be obtained from the number of revolutions of the pump or the driving power of the pump)
(10) In the following step 200, the heat recovery rate is calculated from the theoretical recovery heat amount and the actual recovery heat amount by the following equation.
熱回収率＝（Ｅ（回収）／Ｅ（理論回収）＊１００
(11)続くステップ２１０では、下記式により、実際のガスリーク率を計算する。
ガスリーク率＝１００−熱回収率
(12)続くステップ２２０では、実際のガスリーク率を、予め実験等で求めた判定値（例えばガスリークが無いか或いは所定の許容範囲）と比較し、その差（変動量）が（許容範囲の上限である）基準値を超えるかを判断する。
Heat recovery rate = (E (recovery) / E (theoretical recovery) * 100
(11) In the following step 210, the actual gas leak rate is calculated by the following equation.
Gas leak rate = 100-heat recovery rate
(12) In the subsequent step 220, the actual gas leak rate is compared with a judgment value (for example, no gas leak or a predetermined allowable range) obtained in advance by experiments or the like, and the difference (variation amount) is (the upper limit of the allowable range). It is determined whether the reference value is exceeded.
なお、ガスリーク率ではなく、熱回収率による判定を行ってもよい。例えば熱回収率が（ガスリークの少ない）正常な場合と比べて所定値以上下回った場合には、ガスリークが発生したと判断してもよい。 Note that determination based on the heat recovery rate may be performed instead of the gas leak rate. For example, it may be determined that a gas leak has occurred when the heat recovery rate falls below a predetermined value compared to a normal case (with a small gas leak).
(13)続くステップ２３０では、前記ステップ２２０の判定結果を、例えばディスプレイ等の出力装置３５（図２参照）に出力し、一旦本処理を終了する。
例えばガスリーク率の変動量が基準値を超えた場合（或いは熱回収率が所定の基準値を下回った場合）には、ガスリークの発生を表示し、そうで無い場合には、正常である旨を表示する。
(13) In the subsequent step 230, the determination result in the step 220 is output to the output device 35 (see FIG. 2) such as a display, for example, and the process is temporarily terminated.
For example, when the fluctuation amount of the gas leak rate exceeds a reference value (or when the heat recovery rate falls below a predetermined reference value), the occurrence of gas leak is displayed, and otherwise, it is normal. indicate.
ｄ）この様に、本実施例では、燃料電池１から熱交換器１７に排ガスを導入し、その排ガスと水とで熱交換と行い、この熱交換に際に、熱交換器１７における理論回収熱量と実際に回収された実回収熱量とを比較している。そして、理論回収熱量と実回収熱量とから熱回収率（更にはガスリーク率）を求め、その値に基づいてガスリークの判定を行っている。
d) As described above, in this embodiment, exhaust gas is introduced from the fuel cell 1 to the
よって、従来の様に、発電休止状態でリークチェックを行う必要がなく、運転中にリークチェックを行うことができるので、極めて便利である。
特に、７００〜１０００℃程度の高温に保つようにガスの燃焼やヒーターで加熱を行う燃料電池１においては、リークチェックのために発電を休止する方法は適しておらず、よって、高温にて作動させる燃料電池１には極めて好適である。
Therefore, unlike the conventional case, it is not necessary to perform a leak check in the power generation halt state, and the leak check can be performed during operation, which is very convenient.
In particular, in the fuel cell 1 in which gas is burned or heated by a heater so as to maintain a high temperature of about 700 to 1000 ° C., a method of stopping power generation for a leak check is not suitable, and thus operates at a high temperature. The fuel cell 1 is extremely suitable.
更に、本実施例では、燃料電池１の連続運転中の破損等による急激なリーク増加などに対応することができるという利点がある。
その上、本実施例では、運転中の燃料電池１に対して、その排ガスを流量計で計測する必要がないので、装置構成を簡易化できるという効果もある。
Further, the present embodiment has an advantage that it is possible to cope with a sudden increase in leak due to damage or the like during continuous operation of the fuel cell 1.
In addition, in the present embodiment, since it is not necessary to measure the exhaust gas with a flow meter for the fuel cell 1 in operation, there is also an effect that the device configuration can be simplified.
・なお、本実施例では、熱回収率やガスリーク率に基づいてガスリークを判定したが、これとは別に、例えば理論回収熱量と実回収熱量との差であるガスリーク量に基づいて、ガスリークの判定を行ってもよい。 In this embodiment, the gas leak is determined based on the heat recovery rate and the gas leak rate. Separately, for example, the gas leak determination is performed based on the gas leak amount which is the difference between the theoretical recovery heat amount and the actual recovery heat amount. May be performed.
つまり、ガスリークが許容範囲である正常運転時には、ガスリーク量は所定の基準値以内であるが、故障等によって多量にガスリークが発生した場合には、理論回収熱量と実回収熱量との差であるガスリーク量は増加する。従って、このガスリーク量が所定の判定値以上となった場合に、異常なガスリークが発生したと判断することができる。 In other words, during normal operation where the gas leak is within the allowable range, the gas leak amount is within a predetermined reference value. The amount increases. Therefore, when the amount of gas leak exceeds a predetermined determination value, it can be determined that an abnormal gas leak has occurred.
・更に、本実施例のように、条件に応じて理論回収熱量を逐次算出するのではなく、理論回収熱量がある一定の値になるように、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量と、燃料電池１から排出される排ガスの成分と、熱交換器７における排ガスの出入口温度とを制御してもよい。 Furthermore, as in this embodiment, instead of sequentially calculating the theoretical recovery heat amount according to the conditions, the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell 1 is set so that the theoretical recovery heat amount is a certain value. The exhaust gas component discharged from the fuel cell 1 and the exhaust gas inlet / outlet temperature in the heat exchanger 7 may be controlled.
具体的には、例えば下記の様に制御して、理論回収熱量がある一定の値になるようする。
例えば、燃料電池１の一定運転状態において、必要以上の燃料ガス、酸化剤ガス、水を過剰に流すことで、排ガス流量が所定の値となるように調整し、熱回収交換媒体の流量を一定値流すことで、理論回収熱量を一定にする。
Specifically, for example, the following control is performed so that the theoretically recovered heat amount becomes a certain value.
For example, when the fuel cell 1 is in a constant operation state, excessive flow of fuel gas, oxidant gas, and water is adjusted so that the exhaust gas flow rate becomes a predetermined value, and the flow rate of the heat recovery exchange medium is constant. The theoretical recovery heat quantity is made constant by flowing the value.
これにより、理論回収熱量を算出するための毎回の演算が不要になるので、演算の負担を軽減することができる。 This eliminates the need for every calculation for calculating the theoretically recovered heat amount, thereby reducing the calculation burden.
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図４に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１と同様に、燃料電池４１と熱交換器４３と電子制御装置４５と出力装置４７等を備えている。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 4, the fuel cell system of this embodiment includes a
また、燃料電池４１に供給される燃料ガスの流量を測定する第１流量計４９と、ガス改質のために燃料ガスに混入される水分の流量を測定する第２流量計５１と、燃料電池４１に供給される空気の流量を測定する第３流量計５３を備えている。
Also, a first flow meter 49 that measures the flow rate of the fuel gas supplied to the
更に、燃料電池４１から排出されて熱交換器４３に導入される排ガスの温度を測定する第１温度センサ５５と、熱交換器４３から排出される熱交換後の排ガスの温度を測定する第２温度センサ５７と、熱交換器４３に導入される水の温度を測定する第３温度センサ５９と、熱交換器４３から排出される熱交換後の水（湯）の温度を測定する第４温度センサ６１を備えている。
Further, a
本実施例では、前記実施例１の図３のステップ１９０において、水の流量を一定とした場合（即ち排出された湯を蓄える貯湯タンク（図示せず）に余裕がある場合）である。
本実施例では、前記実施例１と同様にガスリークの検出ができるとともに、前記実施例１において使用された水の流量を測定する第４流量計を省略できるという利点がある。
This embodiment is a case where the flow rate of water is made constant in Step 190 of FIG. 3 of Embodiment 1 (that is, when there is room in a hot water storage tank (not shown) for storing discharged hot water).
In the present embodiment, gas leak can be detected as in the first embodiment, and there is an advantage that the fourth flow meter for measuring the flow rate of water used in the first embodiment can be omitted.
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図５に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１と同様に、燃料電池７１と熱交換器７３と電子制御装置７５と出力装置７７等を備えている。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 5, the fuel cell system of this embodiment includes a
また、燃料電池７１に供給される燃料ガスの流量を測定する第１流量計７９と、ガス改質のために燃料ガスに混入される水分の流量を測定する第２流量計８１と、燃料電池７１に供給される空気の流量を測定する第３流量計８３を備えている。
Also, a
更に、燃料電池７１から排出されて熱交換器７３に導入される排ガスの温度を測定する第１温度センサ８５と、熱交換器７３から排出される熱交換後の排ガスの温度を測定する第２温度センサ８７と、熱交換器７３に導入される水の温度を測定する第３温度センサ８９と、熱交換器７３から排出される熱交換後の水（湯）の温度を測定する第４温度センサ９１と、熱交換器７３に導入される水の流量を測定する第４流量計９３を備えている。
Further, a
特に本実施例では、熱交換器７３に導入された排ガス中の水分を凝縮させた凝縮水を凝縮水タンク（凝縮水回収装置）９５に貯留するとともに、凝縮水タンク９５に貯留された凝縮水の水量を検出する水量センサ９７（例えば満水になった場合にＯＮとなるセンサ）を備えている。なお、凝縮水タンク９５が満水に対応する重量となることにより、満水を判定してもよい。
In particular, in the present embodiment, the condensed water obtained by condensing the moisture in the exhaust gas introduced into the
本実施例では、凝縮水タンク９５にて実際に回収される実凝縮水回収量（ここでは実凝縮水回収量に対応した実際に回収にかかる時間）と、理論的に算出される理論凝縮水回収量（ここでは理論凝縮水回収量に対応した回収にかかる時間）とに基づいて、ガスリークを検出する。 In this embodiment, the actual condensed water recovery amount actually recovered in the condensed water tank 95 (here, the actual recovery time corresponding to the actual condensed water recovery amount) and theoretically calculated theoretical condensed water are calculated. The gas leak is detected based on the recovery amount (here, the time required for recovery corresponding to the theoretical condensed water recovery amount).
具体的には、前記実施例１の図３のステップ１７０で求めた凝縮水量（Ｈ2Ｏ（残２）−Ｈ2Ｏ（残３））を運転時間分積算し、このタンク容量から考えられる満水になる時間（理論満水時間）を求めるとともに、実際に水量センサ９７によって測定された満水になるまでの時間（運転開始から水量センサ９７がＯＮとなるまでの時間：実満水時間）とを求め、その比からガスリーク率を求めてガスリーク判定を行うものである。
Specifically, the amount of condensed water (H 2 O (remaining 2) −H 2 O (remaining 3)) obtained in step 170 of FIG. In addition to obtaining the time for full water (theoretical full time), the time until the water is actually measured by the water amount sensor 97 (time from the start of operation until the
詳しくは、前記実施例１のステップ１１０〜１７０の処理の後に、下記式により、理論満水時間と実満水時間とを求めてから、ガスリーク率を求める。
理論満水時間＝タンク容量／（（Ｈ2Ｏ（残２）−Ｈ2Ｏ（残３））＊運転時間の積算）
実満水時間＝実際にタンクが満水になるまでの時間
ガスリーク率＝１００−（実満水時間／理論満水時間）＊１００
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
Specifically, after the processing of Steps 110 to 170 of the first embodiment, the gas leak rate is obtained after obtaining the theoretical full time and the actual full time by the following formula.
Theoretical full time = tank capacity / ((H 2 O (remaining 2)-H 2 O (remaining 3)) * accumulated operation time)
Actual full time = time until the tank is actually full Gas leak rate = 100-(actual full time / theoretical full time) * 100
Also according to this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図６に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１と同様に、燃料電池１０１と熱交換器１０３と電子制御装置１０５と出力装置１０７等を備えている。
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 6, the fuel cell system of this embodiment includes a
また、燃料電池セルの温度（セル温度Ｔ0）を検出する第５温度センサ１０９と、燃料電池１０１から排出されて熱交換器１０３に導入される排ガスの温度（Ｔ1）を測定する第１温度センサ１１１とを備えている。
Further, a
ここで、燃料電池１０１の発電量が一定（例えば最大又は最小電力固定）で、且つ、セル温度が一定であれば、（ガスが受領する熱量が一定なので）燃料電池１０１から出てくる排ガスの温度が一定であるはずである。
Here, if the amount of power generated by the
ところが、ガスリークが発生した場合には、この温度条件にズレが発生することになる。従って、本実施例では、この温度のズレを検出することにより、ガスリークを検出することができる。 However, when a gas leak occurs, a deviation occurs in this temperature condition. Therefore, in this embodiment, the gas leak can be detected by detecting this temperature deviation.
詳しくは、下記式により、ガスリーク率を求めることができる。
理論排ガス温度＝セル温度＊受熱率
リーク率＝１００−（実際の排ガス温度／理論排ガス温度）＊１００
（なお、受熱率とはセル内のガスが周囲から受ける熱量の割合であり、実験等により求めることができる値である）
本実施例では、ガスリークの判定に必要な流量計やセンサの数が少なく、システム構成を簡易化できるという利点がある。
Specifically, the gas leak rate can be obtained by the following formula.
Theoretical exhaust gas temperature = cell temperature * heat receiving rate Leak rate = 100− (actual exhaust gas temperature / theoretical exhaust gas temperature) * 100
(The heat receiving rate is the ratio of the amount of heat that the gas in the cell receives from the surroundings, and is a value that can be obtained through experiments, etc.)
This embodiment has the advantage that the number of flow meters and sensors necessary for determining gas leaks is small and the system configuration can be simplified.
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、本発明は、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、炭酸溶融形燃料電池等、排気ガスとの熱交換手段を持つ全ての燃料電池に適用できる。
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
For example, the present invention can be applied to all fuel cells having a means for exchanging heat with exhaust gas, such as a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a carbonic acid fusion fuel cell.
１、４１、７１、１０１…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１３、４５、７５、１０５…電子制御装置
１５…断熱容器
１７、４３、７３、１０３…熱交換器
１９、４９、７９…第１流量計
２１、５１、８１…第２流量計
２３、５３、８３…第３流量計
２９、９３…第４流量計
２５、５５、８５、１１１…第１温度センサ
２７、５７、８７…第２温度センサ
３１、５９、…第３温度センサ
３３、６１、９１…第４温度センサ
９５…凝縮水タンク
１０９…第５温度センサ
1, 41, 71, 101... Solid oxide fuel cell (fuel cell)
13, 45, 75, 105 ...
Claims (9)
前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置を備え、
前記排ガス熱交換装置において前記熱交換媒体によって実際に回収される実回収熱量を計測するとともに、前記排ガス熱交換装置において前記排ガスから回収可能な理論回収熱量を少なくとも前記燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づいて算出し、前記実回収熱量と前記理論回収熱量との比である熱回収率又は前記実回収熱量と前記理論回収熱量との差分を求め、前記熱回収率又は前記差分の変化に基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that supplies fuel gas and oxidant gas to a fuel cell to generate power, burns exhaust gas generated by power generation of the fuel cell, and then discharges the fuel cell outside the fuel cell,
An exhaust gas heat exchange device that performs heat exchange between the exhaust gas and the heat exchange medium,
The actual recovery heat amount actually recovered by the heat exchange medium in the exhaust gas heat exchange device, and at least the theoretical recovered heat amount recoverable from the exhaust gas in the exhaust gas heat exchange device is supplied to the fuel cell. Calculated based on the supply amount of gas, find the heat recovery rate that is the ratio of the actual recovery heat amount and the theoretical recovery heat amount or the difference between the actual recovery heat amount and the theoretical recovery heat amount, the heat recovery rate or the difference A fuel cell system that detects a gas leak based on the change of the fuel cell.
前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度と、前記排ガス熱交換装置に流れる前記熱交換媒体の流量とに基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the actual recovered heat amount is obtained based on an inlet / outlet temperature of a heat exchange medium in the exhaust gas heat exchange device and a flow rate of the heat exchange medium flowing in the exhaust gas heat exchange device.
前記排ガス熱交換装置から排出される前記熱交換媒体の流量が一定の場合に、
前記排ガス熱交換装置における熱交換媒体の出入口温度に基づいて、前記実回収熱量を求めることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
When the flow rate of the heat exchange medium discharged from the exhaust gas heat exchange device is constant,
The fuel cell system characterized in that the actual recovered heat amount is obtained based on an inlet / outlet temperature of a heat exchange medium in the exhaust gas heat exchanger.
前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度とに基づいて、前記理論回収熱量を求めることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The theoretical recovery heat quantity is obtained based on the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell, the component of the exhaust gas discharged from the fuel cell, and the inlet / outlet temperature of the exhaust gas in the exhaust gas heat exchange device. A fuel cell system.
前記理論回収熱量をある一定の値になるように、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料電池から排出される排ガスの成分と、前記排ガス熱交換装置における前記排ガスの出入口温度と、を制御することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell, the exhaust gas component discharged from the fuel cell, and the exhaust gas inlet / outlet temperature in the exhaust gas heat exchange device so that the theoretical recovery heat amount becomes a certain value. And a fuel cell system.
前記排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行う排ガス熱交換装置と、
前記排ガス熱交換装置において排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を回収し水量を測定する凝縮水回収装置と、
を備え、
前記凝縮水回収装置にて実際に回収される実凝縮水回収量と、理論的に少なくとも前記燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づいて算出される理論凝縮水回収量とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell and generating power, and combusting the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell and then discharging it outside the fuel cell,
An exhaust gas heat exchange device for exchanging heat between the exhaust gas and the heat exchange medium;
A condensed water recovery device that recovers condensed water in which moisture in the exhaust gas is condensed in the exhaust gas heat exchanger and measures the amount of water;
With
Based on the actual condensate recovery amount actually recovered by the condensate recovery device, and theoretically the condensate recovery amount calculated based on at least the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell. And detecting a gas leak.
前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、前記排ガスの成分とに基づいて、前記理論凝縮水回収量を算出することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6, wherein
A fuel cell system, wherein the theoretical condensed water recovery amount is calculated based on an actual temperature of exhaust gas discharged from the fuel cell and a component of the exhaust gas.
前記燃料電池から排出される排ガスの実際の温度と、少なくとも前記燃料電池に供給された前記燃料ガスの供給量に基づく前記燃料電池セルの温度及び前記燃料電池セルにおける受熱率に基づいて理論的に算出される前記排ガスの温度とに基づいて、ガスリークを検出することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell and generating power, and combusting the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell and then discharging it outside the fuel cell,
Theoretically based on the actual temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell, at least the temperature of the fuel cell based on the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and the heat receiving rate in the fuel cell. A fuel cell system that detects a gas leak based on the calculated temperature of the exhaust gas.
固体電解質体と燃料極と空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池セルを複数接続した固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物形燃料電池を収容する断熱機能を有する容器と、
を備え、
前記固体酸化物形燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行うとともに、該固体酸化物形燃料電池セルの発電により発生する排ガスを燃焼させてから前記容器外に排出する構成を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8,
A solid oxide fuel cell in which a plurality of solid oxide fuel cells each having a solid electrolyte body, a fuel electrode, and an air electrode are connected;
A container having a heat insulating function for housing the solid oxide fuel cell;
With
Fuel gas and oxidant gas are supplied to the solid oxide fuel cell to generate power, and exhaust gas generated by the power generation of the solid oxide fuel cell is burned and then discharged outside the container. A fuel cell system comprising the configuration.
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