JP5569869B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
特許文献1に記載された燃料電池システムでは、水供給路において、燃料電池の入口と出口に圧力センサがそれぞれ設けられ、これら圧力センサによって通路内の気泡の混入を検出している。そして、この燃料電池システムは、気泡が検出された場合に流量を増加させて気泡を押し流すように構成されている。
このように構成された本発明によれば、気泡が所定位置に到達した時点から蒸発器に到達するまでの間に水供給量を増加させるので、気泡が蒸発器に到達する直前までに、一時的な水過剰状態としておくための必要最小限の水のみを供給することができる。
なお、気泡が所定位置及び蒸発器に到達したことは、気泡検知手段により気泡検知からの経過時間と水流量等から算出してもよいし、所定位置及び蒸発器近傍に設けられたそれぞれ別の気泡検知手段によって直接検知してもよい。
このように構成された本発明によれば、圧送ポンプが気泡検知手段よりも上流側に配置されているので、気泡検知手段で検知された気泡は、その後は圧送ポンプに噛み込むことなく蒸発器までスムーズに移動させることができる。したがって、気泡の到達による水不足を補うのに必要な量の水を、過不足無く正確に送ることができる。
このように構成された本発明によれば、気泡を検知した時点から所定時間の間、水供給量を増やした状態とするだけの制御となるため、気泡位置の推定誤差による水供給の過不足等の不具合を防止することができる。
このように構成された本発明によれば、気泡検知後の経過時間と圧送ポンプによる水流量を用いて気泡位置を推定するので、気泡検知手段の設置位置によらず、適切なタイミングで水供給量を増やすことができる。また、蒸発器に気泡が到達したことを検知するためのセンサを不要とすることができる。
このように構成された本発明によれば、ギヤ式流量センサを用いることにより、気泡が通過する際のギヤ回転量の低下に基づいて、適切に閾値を設定することにより、配管内の気泡を確実に検出することができる。
気泡は非常に微細な状態であるため、この微細な気泡を確実に検出するには非常に高精度な気泡検知手段が必要となるが、本発明においては、気泡集約手段を気泡検知手段の上流に設けていることから、気泡検知手段では比較的な大きな気泡を検出すればいいことになるため高精度な検出手段を必要とせずに確実に気泡を検出することができる。また、気泡が集約されるため改質器に微細な気泡がばらばらと離散的に到達することがなくなり、気泡が到達するタイミングに合わせて確実に水を増量させることが可能となる。
気泡検知手段で集約されて大きくなった気泡を検出する際又は検出した後に、例えば気泡検知手段などの検出過程で気泡を分断してしまうような状況があった場合、分断され小さくなった複数の気泡毎の浮力や配管との接触抵抗の違いなどによって、改質器に各気泡が到達するタイミングが異なってしまうが、本発明によれば気泡検知手段の下流でさらに第2気泡集約手段によって気泡が再集約されることから気泡が改質器に到達するタイミングを確実に狙った通りにすることができる。
このように構成された本発明によれば、配管の取り回しだけで配管の抵抗を形成することにより、気泡が上方に溜まるという特性を利用して確実に気泡の検出と水の増量タイミングを同期できるようにすることができる。
このように構成された本発明によれば、気泡検知手段の下流に一方向弁を設けたことによって、気泡検知手段に対する改質器側からの圧力変化影響を遮断できるため、気泡検知手段の検出精度を確実なものにすることができる。また、この一方向弁の抵抗によって一方向弁の上流側である気泡検知手段側で気泡を再集約できるため、別段の手段を設けることなく確実に気泡と水の増量タイミングを同期させることができる。
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)又は燃料電池システム1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。
さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒーター46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒーター48とを備えている。これらの第1ヒーター46と第2ヒーター48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、第1の貯水タンク26aと第2の貯水タンク(純水タンク)26bのそれぞれの水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
図9に示すように、純水を生成して改質器20に供給する水流量調整ユニット28は、上流側から順に、水供給源24からの水の流量を調整する流量調整弁152と、水供給源24からの水を一時的に貯蔵する第1の貯水タンク26aと、この第1の貯水タンク26a内の水を供給するポンプ154と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのRO膜(逆浸透膜)156と、生成された純水を一時的に貯蔵する第2の貯水タンク(純水タンク)26bと、この純水を燃料電池モジュール2の改質器20にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ(圧送ポンプ)158と、気泡集約手段163と、水流量センサ134と、一方向弁164を備えている。
また、熱交換器160や、水及び純水が凍結するのを防止するためのヒーター162や、第1の貯水タンク26aと第2の貯水タンク26bのそれぞれの水位を検出する水位センサ136も備えている。
また、一方向弁164は配管159c内の抵抗でもあるので、大きく集約された気泡が水流量センサ134で分断され微細化されても、一方向弁164で再集約させ、再び集約された気泡で改質器20へ向けて送り出すことができる。
図11は、気泡が混入した際に水流量センサ134によって得られる水流量(水供給量)の時間変化を示している。
図11では、時間t0〜t3の間、制御部110は、所定の水流量Q0を指示する流量指令値に基づいてパルスポンプ158を作動させており、これにより、パルスポンプ158は、単位時間当たりの水供給量が水流量Q0となるように継続的に作動する。また、このとき、水流量センサ134からの流量検出信号は、水流量Q0を示す(時間t0〜t1)。なお、このときの流量指令値に基づく水流量Q0は、改質器20内で水蒸気改質反応を行うのに適切な水供給量に設定されたものである。
なお、本実施形態では、気泡集約手段163により微細な気泡が検知し易い適切な大きさに集約され、この集約された気泡が水流量センサ134を通過するので、水流量センサ134によって確実に気泡検知することができる。また、気泡を集約する構成を採用することにより、水流量センサ134の精度が微細な気泡を検出できるような高精度なものでなくてもよくなり、ある程度の大きさの気泡を確実に検出可能であればよい。
時間t2以降、気泡の通過後は、再び、水流が水流量Q0で水流量センサ134を通過するので、水流量センサ134からの流量検出信号は水流量Q0に戻る(時間t2〜t3)。
また、気泡による水の不足分を厳密な正確さで補償しなくてよい場合は、経路距離D2及び増量分ΔQを共に固定値としてもよい。
しかしながら、本実施形態では、水流量センサ134の下流側に第2気泡集約手段である一方向弁164が設けられているので、集約された気泡が水流量センサ134で分断され、微細化された場合であっても、一方向弁164で再集約させることができる。これにより、水流量センサ134で検出された(集約された)気泡を、再集約させて、計算通りに正確に位置P及び改質器20へ送り出すことができ、気泡の到達に合わせてタイミング良く水を増量することが可能となる。
また、本実施形態では、水流量センサ134が、パルスポンプ158よりも下流側(蒸発器20a側)に配置されているが、これに限らず、水流量センサ134をパルスポンプ158よりも上流側に配置してもよい。
まず、この水供給量補償処理では、制御部110は、流量閾値Qthに基づき、水流量センサ134から受け取る流量検出信号に応じて、水流量センサ134を気泡が通過しているか否かを判定する(ステップS1)。
気泡が検出されなかった場合(ステップS1:No)、制御部110は、水供給量補償処理を終了し、所定時間後にステップS1の処理を再実行する。
一方、気泡が検出された場合(ステップS1:Yes)、制御部110は、タイマーをスタートする(ステップS2)。
制御部110は、上述のように算出された期間T2が経過するまでは待機し(ステップS6:No)、期間T2が経過すると(ステップS6:Yes)、水流量をΔQだけ減量し、元に戻した流量指令値に基づく駆動信号を、パルスポンプ158へ送出し(ステップS7)、処理を終了する。
上記実施形態では、気泡検知手段として、機械式(歯車式)の水流量センサを用いているが、これに限らず、電気式の水流量センサ又は気泡検知センサを用いてもよい。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
20a 蒸発部(蒸発器)
20b 改質部(改質器)
22 空気用熱交換器
28 水流量調整ユニット(水供給手段)
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部
134 水流量センサ(気泡検知手段)
158 パルスポンプ(圧送ポンプ)
159 配管
Claims (10)
- 燃料電池セルと、
水を供給する水供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記水供給手段から供給された水を気化する蒸発器と、
前記蒸発器から供給された水を用いて、前記燃料供給手段から供給された燃料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池セルに供給する改質器と、
を備えた凝縮水を利用した水自立型燃料電池システムにおいて、
前記水供給手段は、水を前記蒸発器へ供給する配管と、前記配管を通して水を圧送する圧送ポンプと、前記圧送ポンプの下流の配管に設けられた気泡検知手段と、を備え、
前記水供給手段は、前記気泡検知手段が前記配管中の気泡を検出したとき、前記気泡が前記蒸発器に到達する前に前記蒸発部への水供給が一時的に過剰な状態となるように、前記気泡が前記蒸発器に到達するまでの間に前記圧送ポンプによる水供給量を増加させ、前記気泡による水供給量の減少分を前記気泡より下流側の前記配管内の水によって予め補うように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記水供給手段は、検出された気泡が、前記蒸発器から所定距離離れた所定位置に到達した時点から前記蒸発器に到達するまでの間に、前記圧送ポンプによる水供給量を増加させるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記所定位置よりも上流側に前記圧送ポンプが配置され、前記圧送ポンプと前記所定位置との間に前記気泡検知手段が設けられたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記気泡検知手段は、前記所定位置に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記水供給手段は、前記気泡が検知されてからの経過時間と前記圧送ポンプによる水流量に基づいて、前記配管における前記気泡の位置を推定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記気泡検知手段は、ギヤ式流量センサであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記圧送ポンプと前記気泡検知手段との間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする気泡集約手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記気泡検知手段と前記改質器の間の配管に気泡を集約して大きな気泡にする第2気泡集約手段が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記圧送ポンプと前記気泡検知手段の間の配管を上方から下方に向くように屈曲させた屈曲部を気泡集約手段として構成したことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記気泡検知手段と前記改質器の配管途中に前記気泡検知手段から前記改質器へ向かう方向のみに水の供給を許容する一方向弁を設け、該一方向弁による配管抵抗を利用して前記第2気泡集約手段を構成したことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
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