JP5813469B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池としては、例えば、固体酸化物形燃料電池がある。燃料電池は、電解質体を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスが供給されて、電気化学反応によって発電する。   In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. An example of such a fuel cell is a solid oxide fuel cell. A fuel cell has a basic structure in which an electrolyte body is disposed between a fuel electrode and an air electrode. An electrochemical reaction is performed by supplying a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode and an oxidant gas containing oxygen to the air electrode. To generate electricity.

燃料電池で用いられる燃料ガスは、例えば灯油、天然ガス、LPG、ナフサ等の炭化水素系原燃料またはメタノール等のアルコール類原燃料と水蒸気とを混合して、改質装置で水蒸気改質することで得られる。改質により得られた燃料ガス(改質ガス)は燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。原燃料の水蒸気改質に用いられる水蒸気は、改質用水を加熱して生成される。   The fuel gas used in the fuel cell is, for example, a mixture of a hydrocarbon-based raw fuel such as kerosene, natural gas, LPG, or naphtha or an alcohol-based raw fuel such as methanol and steam, and steam reforming with a reformer. It is obtained with. Fuel gas (reformed gas) obtained by reforming is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and used for power generation. Steam used for steam reforming of the raw fuel is generated by heating the reforming water.

また、燃料電池で発電するとともに、発電にともなって生じた熱を利用して水を加熱し、加熱された水を貯湯槽に貯える燃料電池システムが開発されている(例えば、特許文献1〜4参照)。この燃料電池システムでは、貯湯槽に貯えられた熱回収水が燃料電池から排出された高温の排ガス、あるいはこの排ガス等と熱交換した熱回収水と熱交換することで加熱される。   Further, a fuel cell system has been developed that generates power by a fuel cell, heats water using heat generated by power generation, and stores the heated water in a hot water tank (for example, Patent Documents 1 to 4). reference). In this fuel cell system, heat recovery water stored in a hot water tank is heated by exchanging heat with high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell, or heat recovery water heat-exchanged with the exhaust gas.

特開2004−199920号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-199920 特開2006−24430号公報JP 2006-24430 A 特開2008−135356号公報JP 2008-135356 A 特開2010−33880号公報JP 2010-33880 A

上述の状況において、本発明者は以下の課題を認識するに至った。すなわち、上述した燃料電池システムにおいて、原燃料の水蒸気改質に用いられる改質用水には、熱回収水との熱交換による排ガスの冷却によって回収される凝縮水を利用することができる。改質用水の全てを凝縮水で補うことができれば、外部から市水を取り込む必要がなくなるため、市水中に含まれるカルシウムやシリカの析出を回避することができる。また、改質用水として用いられる水はイオン交換樹脂を通過させて利用するため、市水を取り込まないことでイオン交換樹脂にかかる負荷も軽減することができる。その結果、燃料電池システムの長寿命化が可能となる。そのため、固体酸化物形燃料電池を有する燃料電池システムでは、水自立が強く望まれている。   In the above situation, the present inventor has come to recognize the following problems. That is, in the fuel cell system described above, condensed water recovered by cooling the exhaust gas by heat exchange with the heat recovery water can be used as the reforming water used for steam reforming of the raw fuel. If all the reforming water can be supplemented with condensed water, it is not necessary to take in city water from the outside, so that precipitation of calcium and silica contained in the city water can be avoided. Moreover, since the water used as the reforming water is used through the ion exchange resin, the load on the ion exchange resin can be reduced by not taking in city water. As a result, the life of the fuel cell system can be extended. Therefore, in the fuel cell system having a solid oxide fuel cell, water independence is strongly desired.

水自立を維持すべく凝縮水の回収量を増大させたい場合、1つの方法として、熱交換器を通過する熱回収水の熱交換器入口における温度(以下、適宜この温度を「熱回収水入口温度」と称する)を下げることが考えられる。これにより排ガスをより低い温度にまで下げることができるため、凝縮水の生成量を増大させることができる。特に固体酸化物形燃料電池は、固体高分子形燃料電池等に比べて運転温度が高いため排ガスも高温である。したがって、凝縮水の生成に必要な排ガス温度の下げ量が大きい。そのため、固体酸化物形燃料電池を有する燃料電池システムでは、水自立の維持に必要な量の凝縮水を回収するために、熱回収水の熱回収水入口温度を下げることが有効である。   When it is desired to increase the amount of condensed water recovered in order to maintain water independence, as one method, the temperature at the heat exchanger inlet of the heat recovery water passing through the heat exchanger (hereinafter, this temperature is appropriately referred to as “heat recovery water inlet (Referred to as “temperature”). Thereby, since exhaust gas can be lowered | hung to lower temperature, the production amount of condensed water can be increased. In particular, since solid oxide fuel cells have a higher operating temperature than solid polymer fuel cells and the like, exhaust gas is also hot. Therefore, the amount of reduction in exhaust gas temperature necessary for the generation of condensed water is large. Therefore, in a fuel cell system having a solid oxide fuel cell, it is effective to lower the heat recovery water inlet temperature of the heat recovery water in order to recover the amount of condensed water necessary for maintaining water self-sustainability.

一方で、燃料電池システムが熱回収水を貯湯槽に貯える構成を有する場合、貯湯層内の温度成層を保つために、熱回収水は一定温度で回収されることが望ましい。したがって、上述のように熱回収水入口温度を下げて排ガスを冷却する場合、熱回収水の熱交換器出口における温度(以下、適宜この温度を「熱回収水出口温度」と称する)を一定に保つために、熱交換器を通過する熱回収水の流速を低減させる必要がある。しかしながら、熱回収水の流速を低減させた場合、熱交換器の熱回収水流路の内壁にカルシウムなどの堆積物であるスケールが発生しやすくなる。また、燃料電池システム全体の小型化の要請から貯湯槽にも当然に小型化が求められており、貯湯槽を小型化した場合は貯湯層に貯える熱回収水の温度を高くする必要がある。よって、排ガスとの熱交換に用いられる熱回収水の量を減らすことが求められる。そのため、スケールがさらに発生しやすくなる。   On the other hand, when the fuel cell system has a configuration in which the heat recovery water is stored in the hot water storage tank, the heat recovery water is desirably recovered at a constant temperature in order to maintain temperature stratification in the hot water storage layer. Therefore, when the exhaust gas is cooled by lowering the heat recovery water inlet temperature as described above, the temperature at the heat exchanger outlet of the heat recovery water (hereinafter, this temperature is appropriately referred to as “heat recovery water outlet temperature”) is kept constant. In order to maintain, it is necessary to reduce the flow rate of the heat recovery water passing through the heat exchanger. However, when the flow rate of the heat recovery water is reduced, scale that is a deposit such as calcium is likely to be generated on the inner wall of the heat recovery water flow path of the heat exchanger. Further, downsizing of hot water storage tanks is naturally required due to the demand for downsizing of the entire fuel cell system, and when the hot water storage tank is downsized, it is necessary to increase the temperature of the heat recovery water stored in the hot water storage layer. Therefore, it is required to reduce the amount of heat recovery water used for heat exchange with exhaust gas. Therefore, the scale is more likely to occur.

スケールが発生すると、スケールによって熱交換器における熱交換有効面積が減少し、熱交換器の機能が低下する。そのため、排ガス温度が高温のままとなって凝縮水の生成量が減少し、また熱回収効率も低下する。スケールの発生を抑えるためには、熱交換器内を通過する熱回収水の流速を増大させることが考えられるが、その場合は熱回収水出口温度が低下して貯湯槽の貯留温度が低下してしまうため、貯湯槽の小型化の妨げとなる。   When a scale occurs, the effective heat exchange area in the heat exchanger decreases due to the scale, and the function of the heat exchanger decreases. For this reason, the exhaust gas temperature remains high, the amount of condensed water generated decreases, and the heat recovery efficiency also decreases. In order to suppress the generation of scale, it is conceivable to increase the flow rate of the heat recovery water passing through the heat exchanger. In that case, the temperature of the heat recovery water outlet decreases and the storage temperature of the hot water storage tank decreases. This hinders the miniaturization of the hot water tank.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、水自立の維持を図りながら、スケールの発生を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。   This invention is made | formed in view of such a condition, The objective is to provide the fuel cell system which can suppress generation | occurrence | production of a scale, aiming at maintenance of water independence.

本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、アノードおよびカソードを含む燃料電池を有する発電部と、発電部から排出される排ガスが流れる排ガス流路と、排ガスの熱を回収するための熱媒体を貯蔵する貯蔵槽と、排ガス流路を流れる排ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部と、貯蔵槽内の熱媒体を熱交換部に供給するための循環往路、熱交換部を通過した熱媒体を貯蔵槽に送出する循環復路、および熱交換部を通過した熱媒体を貯蔵槽を介さずに循環往路に合流させるバイパス流路を有する熱媒体循環流路と、熱媒体循環流路内の熱媒体を循環させて、熱媒体の流速を調節する循環装置と、熱媒体の流量の循環復路およびバイパス流路への分配割合を調節するための分配割合調節部と、熱交換部を通過した排ガスから回収された凝縮水を収容するタンクと、タンク内の水量に関する状態を検出して状態信号を送信するための検出部と、状態信号に基づいて、排ガスから回収される凝縮水の量を所定範囲に維持するように分配割合調節部を制御し、熱交換部で熱交換が行われた熱媒体の温度が所定範囲となるように循環装置を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。   One embodiment of the present invention is a fuel cell system. The fuel cell system includes a power generation unit having a fuel cell including an anode and a cathode, an exhaust gas passage through which exhaust gas discharged from the power generation unit flows, a storage tank that stores a heat medium for recovering heat of the exhaust gas, Stores the heat exchange part that exchanges heat between the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path and the heat medium, the circulation path for supplying the heat medium in the storage tank to the heat exchange part, and the heat medium that has passed through the heat exchange part A circulation return path to be sent to the tank, a heat medium circulation flow path having a bypass flow path for joining the heat medium that has passed through the heat exchange section to the circulation forward path without passing through the storage tank, and a heat medium in the heat medium circulation flow path. It is recovered from the exhaust gas that has passed through the heat exchange unit, the circulation device that circulates and adjusts the flow rate of the heat medium, the distribution rate adjustment unit for adjusting the distribution rate of the flow rate of the heat medium to the circulation return path and the bypass flow path, and To store the condensed water And a detection unit for detecting a state relating to the amount of water in the tank and transmitting a state signal, and based on the state signal, adjusting the distribution ratio so as to maintain the amount of condensed water recovered from the exhaust gas within a predetermined range And a control unit for controlling the circulation device so that the temperature of the heat medium subjected to heat exchange in the heat exchange unit falls within a predetermined range.

この態様によれば、水自立の維持を図りながら、スケールの発生を抑制することができる。   According to this aspect, generation of scale can be suppressed while maintaining water independence.

上記態様において、発電部は、改質部および燃焼部をさらに有し、改質部は、原燃料を改質して燃料電池に供給する改質ガスを生成し、燃焼部は、燃料およびアノードオフガスの少なくとも1つを燃焼用酸素含有ガスおよびカソードオフガスの少なくとも1つと混合して燃焼させ、改質部を加熱してもよい。   In the above aspect, the power generation unit further includes a reforming unit and a combustion unit, the reforming unit generates reformed gas to reform the raw fuel and supply the fuel cell, and the combustion unit includes the fuel and the anode. At least one of the off-gas may be mixed with at least one of the combustion oxygen-containing gas and the cathode off-gas and burned to heat the reforming unit.

上記態様において、燃料電池システムの状態がタンク内水量を増大させるべき状態である場合に、制御部は、循環復路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を低下させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させてもよい。   In the above aspect, when the state of the fuel cell system is a state in which the amount of water in the tank is to be increased, the control unit increases the distribution ratio to the circulation return path to lower the heat exchange unit inlet temperature of the heat medium and heat. The flow rate of the heat medium passing through the exchange unit may be reduced.

上記態様において、制御部は、循環復路への分配割合が最大である場合に、燃料電池の発電出力を低減させてもよい。   In the above aspect, the control unit may reduce the power generation output of the fuel cell when the distribution ratio to the circulation return path is the maximum.

上記いずれかの態様において、燃料電池システムの状態がタンク内水量を減少させるべき状態である場合に、制御部は、燃料電池の発電出力を増大させてもよい。   In any one of the above aspects, when the state of the fuel cell system is a state in which the amount of water in the tank is to be decreased, the control unit may increase the power generation output of the fuel cell.

上記態様において、制御部は、燃料電池の発電出力が最大である場合に、バイパス流路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を上昇させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させてもよい。   In the above aspect, when the power generation output of the fuel cell is the maximum, the control unit increases the distribution ratio to the bypass flow path to increase the heat exchange unit inlet temperature of the heat medium and heat passing through the heat exchange unit. The flow rate of the medium may be increased.

上記いずれかの態様において、検出部は、タンク内の水位を検出し、水位が所定の下限値を下回った場合に、制御部は、循環復路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を低下させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させてもよい。   In any one of the above aspects, the detection unit detects the water level in the tank, and when the water level falls below a predetermined lower limit, the control unit increases the distribution ratio to the circulation return path to perform heat exchange of the heat medium. The flow rate of the heat medium passing through the heat exchange part may be reduced while lowering the part inlet temperature.

上記いずれかの態様において、検出部は、タンク内の水位を検出し、水位が所定の上限値を上回った場合に、制御部は、バイパス流路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を上昇させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させてもよい。   In any one of the above aspects, the detection unit detects the water level in the tank, and when the water level exceeds a predetermined upper limit, the control unit increases the distribution ratio to the bypass flow path to increase the heat medium heat. The flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit may be increased while raising the temperature at the exchange unit inlet.

上記いずれかの態様において、検出部は、排ガスの温度を検出し、凝縮水の回収量とタンク内の水の使用量との差は、排ガスの温度に応じて決まり、排ガスの温度が、前記差が所定の下限値を下回る温度である場合に、制御部は、循環復路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を低下させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させてもよい。   In any one of the above aspects, the detection unit detects the temperature of the exhaust gas, and the difference between the collected amount of condensed water and the amount of water used in the tank is determined according to the temperature of the exhaust gas, and the temperature of the exhaust gas is When the difference is a temperature lower than a predetermined lower limit value, the control unit increases the distribution ratio to the circulation return path to lower the heat exchange unit inlet temperature of the heat medium and the flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit. May be reduced.

上記いずれかの態様において、検出部は、排ガスの温度を検出し、凝縮水の回収量とタンク内の水の使用量との差は、排ガスの温度に応じて決まり、排ガスの温度が、前記差が所定の上限値を上回る温度である場合に、制御部は、バイパス流路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を上昇させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させてもよい。   In any one of the above aspects, the detection unit detects the temperature of the exhaust gas, and the difference between the collected amount of condensed water and the amount of water used in the tank is determined according to the temperature of the exhaust gas, and the temperature of the exhaust gas is When the difference is a temperature exceeding a predetermined upper limit value, the control unit increases the distribution ratio to the bypass flow path to increase the heat exchange unit inlet temperature of the heat medium and the heat medium passing through the heat exchange unit. The flow rate may be increased.

上記いずれかの態様において、検出部は、タンク内の水圧を検出し、水圧が所定の下限値を下回った場合に、制御部は、循環復路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を低下させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させてもよい。   In any of the above aspects, the detection unit detects the water pressure in the tank, and when the water pressure falls below a predetermined lower limit value, the control unit increases the distribution ratio to the circulation return path to exchange heat of the heat medium. The flow rate of the heat medium passing through the heat exchange part may be reduced while lowering the part inlet temperature.

上記いずれかの態様において、検出部は、タンク内の水圧を検出し、水圧が所定の上限値を上回った場合に、制御部は、バイパス流路への分配割合を増大させて熱媒体の熱交換部入口温度を上昇させるとともに熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させてもよい。   In any one of the above aspects, the detection unit detects the water pressure in the tank, and when the water pressure exceeds a predetermined upper limit value, the control unit increases the distribution ratio to the bypass flow path to increase the heat medium heat. The flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit may be increased while raising the temperature at the exchange unit inlet.

上記いずれかの態様において、燃料電池システムは、燃料電池の上流に配置され、原燃料を改質するための改質部を備えてもよい。   In any one of the above aspects, the fuel cell system may include a reforming unit that is disposed upstream of the fuel cell and reforms the raw fuel.

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。   A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.

本発明によれば、水自立の維持を図りながら、スケールの発生を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can suppress generation | occurrence | production of a scale can be provided, aiming at the maintenance of water independence.

実施形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す流路図である。1 is a flow diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る燃料電池システムの動作制御のフローチャートである。3 is a flowchart of operation control of the fuel cell system according to Embodiment 1. 実施形態1に係る燃料電池システムの他の動作制御のフローチャートである。5 is a flowchart of another operation control of the fuel cell system according to Embodiment 1. 実施形態2に係る燃料電池システムの概略構成を示す流路図である。FIG. 5 is a flow diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2. 排ガスの温度と水収支との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature of waste gas, and a water balance. 実施形態2に係る燃料電池システムの動作制御のフローチャートである。5 is a flowchart of operation control of the fuel cell system according to Embodiment 2. 実施形態3に係る燃料電池システムの概略構成を示す流路図である。FIG. 5 is a flow diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3. 実施形態3に係る燃料電池システムの動作制御のフローチャートである。10 is a flowchart of operation control of the fuel cell system according to Embodiment 3.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す流路図である。なお、図1の流路図は、主に各構成の機能やつながりを模式的に示した図であり、各構成の位置関係または配置を限定するものではない。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a flow chart showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1. In addition, the flow path diagram of FIG. 1 is a diagram schematically showing mainly the functions and connections of each component, and does not limit the positional relationship or arrangement of each component.

本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池100、改質部110およびオフガス燃焼部112(燃焼部)を有する発電部2と、排ガス流路120と、貯湯槽130(貯蔵槽)と、熱交換器140(熱交換部)と、熱回収水循環流路150(熱媒体循環流路)と、分配割合調節弁160(分配割合調節部)と、タンク170と、水位センサ180(検出部)と、制御部190とを備える。また、燃料電池システム1は、改質ガス流路200と、凝縮水分離器210と、改質用水流路220と、循環ポンプ230(循環装置)と、温度センサ240とを備える。なお、上述した各構成は、1つの筐体内に収容されてもよいし、例えば発電系統と蓄熱系統とを別個の筐体内に収める等、機能に応じて複数の筐体に分けて収容されてもよい。また、発電部2についても、燃料電池100、改質部110およびオフガス燃焼部112が同一筐体内に収容されてもよいし、複数の筐体に分けて収容されてもよい。以下、各構成について説明する。   The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 100, a power generation unit 2 having a reforming unit 110 and an off-gas combustion unit 112 (combustion unit), an exhaust gas flow channel 120, a hot water storage tank 130 (storage tank), Heat exchanger 140 (heat exchange unit), heat recovery water circulation channel 150 (heat medium circulation channel), distribution ratio adjustment valve 160 (distribution ratio adjustment unit), tank 170, and water level sensor 180 (detection unit) And a control unit 190. The fuel cell system 1 also includes a reformed gas channel 200, a condensate separator 210, a reforming water channel 220, a circulation pump 230 (circulation device), and a temperature sensor 240. In addition, each structure mentioned above may be accommodated in one housing | casing, for example, accommodating a power generation system and a thermal storage system in a separate housing | casing, and is accommodated in several housing | casing according to a function. Also good. As for the power generation unit 2, the fuel cell 100, the reforming unit 110, and the off-gas combustion unit 112 may be housed in the same housing, or may be housed in a plurality of housings. Each configuration will be described below.

燃料電池100は、例えば固体酸化物形燃料電池である。燃料電池100は、アノード102(燃料極)とカソード104(空気極)との間に、固体酸化物を含む電解質体106が設けられたセルが複数直列に接続された燃料電池スタック(図示せず)からなる。燃料電池100は、燃料として水素含有ガスを用いるとともに、酸化剤として酸素含有ガスを用いて発電を行う。例えば、燃料としては、都市ガス、LPG、灯油、アルコール等の水素原子を含む原燃料を改質して得られる水素富化ガス(以下、適宜この水素富化ガスを「改質ガス」と称する)や、純水素等を用いることができる。また、酸化剤としては、取り扱いが容易な空気の他、酸素富化空気、純酸素等を用いることができる。   The fuel cell 100 is, for example, a solid oxide fuel cell. The fuel cell 100 includes a fuel cell stack (not shown) in which a plurality of cells each provided with an electrolyte body 106 containing a solid oxide are connected in series between an anode 102 (fuel electrode) and a cathode 104 (air electrode). ). The fuel cell 100 generates power using a hydrogen-containing gas as a fuel and an oxygen-containing gas as an oxidant. For example, as a fuel, a hydrogen-enriched gas obtained by reforming a raw fuel containing hydrogen atoms such as city gas, LPG, kerosene, and alcohol (hereinafter, this hydrogen-enriched gas is referred to as “reformed gas” as appropriate). ), Pure hydrogen, or the like can be used. As the oxidant, oxygen-enriched air, pure oxygen, or the like can be used in addition to air that is easy to handle.

本実施形態では、燃料として改質ガスが用いられる。この改質ガスは、後述する改質部110からアノード102に供給される。すなわち、改質部110で生成された改質ガスが改質ガス流路200を通ってアノード102に供給され、改質ガスに含まれる水素が燃料として用いられる。なお、改質ガスには少量の一酸化炭素が含まれる場合があるが、この一酸化炭素も燃料として用いることができる。   In this embodiment, reformed gas is used as fuel. This reformed gas is supplied to the anode 102 from a reforming unit 110 described later. That is, the reformed gas generated in the reforming unit 110 is supplied to the anode 102 through the reformed gas channel 200, and hydrogen contained in the reformed gas is used as fuel. The reformed gas may contain a small amount of carbon monoxide, and this carbon monoxide can also be used as a fuel.

また、本実施形態では、酸化剤として空気が用いられる。この空気は、燃料電池システム1の外部から燃料電池システム1に取り込まれる。燃料電池システム1に取り込まれた空気は、フィルタにより塵や浮遊物が除去され、加温されてカソード104に供給される。   In the present embodiment, air is used as the oxidizing agent. This air is taken into the fuel cell system 1 from the outside of the fuel cell system 1. The air taken into the fuel cell system 1 is filtered to remove dust and suspended matters, heated, and supplied to the cathode 104.

改質ガスおよび空気が供給されると、燃料電池100の各セルのアノード102で以下の式(1)、(2)および(3)で示す電極反応が起きる。一方、カソード104で以下の式(4)で示す電極反応が起きる。各セルでの電極反応は、約600℃〜約1000℃の温度範囲で行われる。
アノード:H+O2−→HO+2e (1)
CO+O2−→CO+2e (2)
CH+3O2−→CO+2HO+6e (3)
カソード:1/2O+2e→O2− (4)
When the reformed gas and air are supplied, electrode reactions represented by the following formulas (1), (2), and (3) occur at the anode 102 of each cell of the fuel cell 100. On the other hand, an electrode reaction represented by the following formula (4) occurs at the cathode 104. The electrode reaction in each cell is performed in a temperature range of about 600 ° C to about 1000 ° C.
Anode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (1)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (2)
CH 4 + 3O 2− → CO 2 + 2H 2 O + 6e (3)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (4)

アノード102では、上記式(1)に示されるように、供給された改質ガスに含まれる水素が電子を放出するとともに、カソード104から電解質体106中を移動してきた酸素イオンと反応して水が生成される。あるいは、上記式(2)に示されるように、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が電子を放出するとともに、カソード104から電解質体106中を移動してきた酸素イオンと反応して二酸化炭素が生成される。あるいは、上記式(3)に示されるように、供給された改質ガスに含まれる炭化水素であるメタンが電子を放出するとともに、カソード104から電解質体106中を移動してきた酸素イオンと反応して水および二酸化炭素が生成される。電子は、外部回路を通ってカソード104に移動する。一方、カソード104では、上記式(4)に示されるように、供給された空気中に含まれる酸素がアノード102側から移動してきた電子と反応して酸素イオンとなる。酸素イオンは電解質体106の内部をアノード102に向かって移動する。このように、外部回路ではアノード102からカソード104に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。   In the anode 102, as shown in the above formula (1), hydrogen contained in the supplied reformed gas releases electrons and reacts with oxygen ions that have moved from the cathode 104 through the electrolyte body 106 to form water. Is generated. Alternatively, as shown in the above formula (2), carbon monoxide contained in the supplied reformed gas emits electrons and reacts with oxygen ions that have moved from the cathode 104 through the electrolyte body 106 to form carbon dioxide. Carbon is produced. Alternatively, as shown in the above formula (3), methane, which is a hydrocarbon contained in the supplied reformed gas, emits electrons and reacts with oxygen ions that have moved through the electrolyte body 106 from the cathode 104. Water and carbon dioxide are produced. The electrons travel to the cathode 104 through an external circuit. On the other hand, at the cathode 104, as shown in the above formula (4), oxygen contained in the supplied air reacts with electrons that have moved from the anode 102 side to become oxygen ions. Oxygen ions move inside the electrolyte body 106 toward the anode 102. In this manner, in the external circuit, electrons move from the anode 102 toward the cathode 104, so that electric power is taken out.

燃料電池100で発生した直流電力は、コンバータ(図示せず)により所定電圧(たとえば350V)の直流電力に変換された後、インバータ(図示せず)によって交流電力(たとえば100V)に変換される。インバータで変換された交流電力は系統(図示せず)へ出力される。また、コンバータで変換された所定電圧の直流電力は、制御部190等の電源として利用される。また、本実施形態では、燃料電池システム1は負荷追従運転を行う。すなわち、燃料電池システム1は、電力需要の変動に合わせて燃料電池100の発電量を変化させる運転を行う。   The DC power generated in the fuel cell 100 is converted into DC power having a predetermined voltage (eg, 350V) by a converter (not shown), and then converted to AC power (eg, 100V) by an inverter (not shown). The AC power converted by the inverter is output to a system (not shown). The DC power of a predetermined voltage converted by the converter is used as a power source for the control unit 190 and the like. In the present embodiment, the fuel cell system 1 performs load following operation. That is, the fuel cell system 1 performs an operation of changing the power generation amount of the fuel cell 100 in accordance with fluctuations in power demand.

改質部110は、原燃料を水蒸気改質して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する装置である。改質部110には、灯油、天然ガス、LPG等の原燃料が供給される。改質部110は、例えば、アルミナ等の担体に金属粒子としてルテニウム(Ru)が担持されたRu系の改質触媒を有する改質触媒層(図示せず)を備える。   The reforming unit 110 is a device that generates reformed gas mainly containing hydrogen gas by steam reforming the raw fuel. The reforming unit 110 is supplied with raw fuel such as kerosene, natural gas, and LPG. The reforming unit 110 includes, for example, a reforming catalyst layer (not shown) having a Ru-based reforming catalyst in which ruthenium (Ru) is supported as metal particles on a support such as alumina.

改質部110には原燃料と水蒸気とが供給され、改質触媒の存在下で原燃料の水蒸気改質が行われる。この水蒸気改質では、以下の式(5)で示すように、例えば原燃料中のメタンと水蒸気が反応して水素と一酸化炭素が生じる改質反応が起こる。当該改質反応は、例えば、約600℃〜約700℃の範囲で行われる。
CH+HO→3H+CO (5)
The raw fuel and steam are supplied to the reforming unit 110, and steam reforming of the raw fuel is performed in the presence of the reforming catalyst. In this steam reforming, as shown by the following formula (5), for example, a reforming reaction occurs in which methane and steam in the raw fuel react to generate hydrogen and carbon monoxide. The reforming reaction is performed, for example, in the range of about 600 ° C to about 700 ° C.
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (5)

改質反応に必要な水蒸気は、改質用水を気化させることで生成される。例えば、燃料電池システム1には、改質用水を気化する気化部(図示せず)が発電部2内の改質部110の上流側に配置され、気化部において、後述するオフガス燃焼部112による加熱により改質用水が気化されて改質部110に供給される。改質用水は、改質用水ポンプ(図示せず)によって後述するタンク170から供給される。改質用水の供給量は、改質用水ポンプの吐出量を制御することで調節することができる。   Steam necessary for the reforming reaction is generated by vaporizing the reforming water. For example, in the fuel cell system 1, a vaporization unit (not shown) that vaporizes the reforming water is disposed on the upstream side of the reforming unit 110 in the power generation unit 2, and the vaporization unit uses an off-gas combustion unit 112 described later. The water for reforming is vaporized by heating and supplied to the reforming unit 110. The reforming water is supplied from a tank 170 described later by a reforming water pump (not shown). The supply amount of the reforming water can be adjusted by controlling the discharge amount of the reforming water pump.

発電部2内には、オフガス燃焼部112が設けられている。オフガス燃焼部112は、燃料電池100のアノード102およびカソード102の下流側に位置し、アノード出口から排出されたアノードオフガス、および燃料電池システム1の外部より取り込んだ原燃料の少なくとも1つと、カソード出口から排出されたカソードオフガス、および燃焼用酸素含有ガス(たとえば、燃料電池システム1の外部より取り込んだ空気)の少なくとも1つとを混合して燃焼させる。オフガス燃焼部112による混合ガスの燃焼によって発電部2全体が加熱される。この加熱によって燃料電池100および改質部110は、それぞれの反応に好適な温度に調節される。改質部110での改質反応によって生成された改質ガスは、改質ガス流路200を通って燃料電池100のアノード102に供給される。   An off-gas combustion unit 112 is provided in the power generation unit 2. The off-gas combustion unit 112 is located on the downstream side of the anode 102 and the cathode 102 of the fuel cell 100, and at least one of the anode off-gas discharged from the anode outlet and the raw fuel taken from the outside of the fuel cell system 1, and the cathode outlet The cathode off-gas discharged from the gas and at least one of combustion oxygen-containing gas (for example, air taken in from the outside of the fuel cell system 1) are mixed and burned. The entire power generation unit 2 is heated by the combustion of the mixed gas by the off-gas combustion unit 112. By this heating, the fuel cell 100 and the reforming unit 110 are adjusted to temperatures suitable for the respective reactions. The reformed gas generated by the reforming reaction in the reforming unit 110 is supplied to the anode 102 of the fuel cell 100 through the reformed gas channel 200.

オフガス燃焼部112で発生した高温の排ガスは、オフガス燃焼部112から排ガス流路120に排出される。排ガス流路120は、熱交換前排ガス流路122と、熱交換後排ガス流路123とを有する。熱交換前排ガス流路122は、一端がオフガス燃焼部112の排ガス出口に接続され、他端が熱交換器140の排ガス入口141に接続されている。熱交換後排ガス流路123は、一端が熱交換器140の排ガス出口142に接続され、他端が凝縮水分離器210の排ガス入口に接続されている。オフガス燃焼部112から排出された排ガスは、熱交換前排ガス流路122を通って熱交換器140に供給される。熱交換器140を通過した排ガスは、熱交換後排ガス流路123を通って凝縮水分離器210に供給される。   High-temperature exhaust gas generated in the off-gas combustion unit 112 is discharged from the off-gas combustion unit 112 to the exhaust gas flow channel 120. The exhaust gas channel 120 includes an exhaust gas channel 122 before heat exchange and an exhaust gas channel 123 after heat exchange. One end of the pre-heat exchange exhaust gas flow path 122 is connected to the exhaust gas outlet of the off-gas combustion unit 112, and the other end is connected to the exhaust gas inlet 141 of the heat exchanger 140. One end of the heat exchange exhaust gas passage 123 is connected to the exhaust gas outlet 142 of the heat exchanger 140, and the other end is connected to the exhaust gas inlet of the condensed water separator 210. The exhaust gas discharged from the off-gas combustion unit 112 is supplied to the heat exchanger 140 through the exhaust gas passage 122 before heat exchange. The exhaust gas that has passed through the heat exchanger 140 is supplied to the condensed water separator 210 through the exhaust gas passage 123 after heat exchange.

凝縮水分離器210は、排ガス中から凝縮水を分離する。凝縮水が分離された排ガスは、排気管124を通って外気に開放される。排ガスから回収された凝縮水は、凝縮水流路125を通ってタンク170に収容される。タンク170と改質部110との間には改質用水流路220が接続されており、タンク170に収容された凝縮水は、改質用水流路220を通って改質部110に供給され、改質用水として用いられる。改質用水は、イオン交換樹脂等の水処理装置(図示せず)において水処理が行われる。水処理装置としてイオン交換樹脂が用いられる場合、イオン交換樹脂は、凝縮水分離器210またはタンク170と一体化されてもよいし、凝縮水流路125または改質用水流路220の流路系内に配置されてもよい。   The condensed water separator 210 separates condensed water from the exhaust gas. The exhaust gas from which the condensed water has been separated is released to the outside air through the exhaust pipe 124. The condensed water recovered from the exhaust gas passes through the condensed water channel 125 and is stored in the tank 170. A reforming water channel 220 is connected between the tank 170 and the reforming unit 110, and the condensed water accommodated in the tank 170 is supplied to the reforming unit 110 through the reforming water channel 220. Used as reforming water. The reforming water is subjected to water treatment in a water treatment device (not shown) such as an ion exchange resin. When an ion exchange resin is used as the water treatment apparatus, the ion exchange resin may be integrated with the condensed water separator 210 or the tank 170, or within the flow path system of the condensed water flow path 125 or the reforming water flow path 220. May be arranged.

タンク170内には、水位センサ180が設けられている。水位センサ180は、制御部190と信号ケーブルで接続されており、タンク170内の水量に関する状態としてタンク170内の水位を検出して、状態信号を制御部190に送信する。具体的には、水位センサ180は、タンク170内に収容された凝縮水の所定の下限水位および所定の上限水位を検出する2点水位検知型のセンサであり、タンク170内の水位が所定の下限値を下回った場合に水位が下限値を下回ったことを示す状態信号を制御部190に送信し、水位が所定の上限値を上回った場合に水位が上限値を上回ったことを示す状態信号を制御部190に送信する。なお、コストダウンの観点から、水位センサ180は、1点の水位のみを検出する1点水位検知型のセンサであってもよい。   A water level sensor 180 is provided in the tank 170. The water level sensor 180 is connected to the control unit 190 through a signal cable, detects the water level in the tank 170 as a state relating to the amount of water in the tank 170, and transmits a state signal to the control unit 190. Specifically, the water level sensor 180 is a two-point water level detection type sensor that detects a predetermined lower limit water level and a predetermined upper limit water level of the condensed water stored in the tank 170, and the water level in the tank 170 is a predetermined level. A state signal indicating that the water level has fallen below the lower limit value when it falls below the lower limit value is transmitted to the control unit 190, and a state signal indicating that the water level has exceeded the upper limit value when the water level has exceeded the predetermined upper limit value Is transmitted to the control unit 190. From the viewpoint of cost reduction, the water level sensor 180 may be a one-point water level detection type sensor that detects only one water level.

貯湯槽130は、排ガスの熱を回収するための熱回収水(熱媒体)を貯蔵する。貯湯槽130には、熱回収水として、例えば水道管を通じて市水が供給される。貯湯槽130と熱交換器140とは熱回収水循環流路150によって連結されており、貯湯槽130に貯蔵されている熱回収水は、循環ポンプ230によって熱交換器140に供給される。   The hot water tank 130 stores heat recovery water (heat medium) for recovering the heat of the exhaust gas. City water is supplied to the hot water tank 130 as heat recovery water through, for example, a water pipe. The hot water storage tank 130 and the heat exchanger 140 are connected by a heat recovery water circulation channel 150, and the heat recovery water stored in the hot water storage tank 130 is supplied to the heat exchanger 140 by the circulation pump 230.

熱交換器140は、排ガス流路120を流れる排ガスと、熱回収水循環流路150を流れる熱回収水との間で熱交換を行う。具体的には、熱交換前排ガス流路122を通過して熱交換器140に供給された排ガスと、熱回収水循環流路150の第2流路152を通過して熱交換器140に供給された熱回収水との間で熱交換を行う。これにより、発電部2で生じた熱エネルギーによって熱回収水が加熱され、貯湯槽130に湯水が貯留される。このように、発電部2で発生した熱エネルギーを湯水として貯湯槽130に貯留することができるため、発電部2の排熱を無駄なく回収することができる。   The heat exchanger 140 performs heat exchange between the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 120 and the heat recovery water flowing through the heat recovery water circulation passage 150. Specifically, the exhaust gas that has passed through the pre-heat exchange exhaust gas flow path 122 and supplied to the heat exchanger 140 and the second flow path 152 of the heat recovery water circulation flow path 150 are supplied to the heat exchanger 140. Heat exchange with the recovered heat water. Thus, the heat recovery water is heated by the heat energy generated in the power generation unit 2, and hot water is stored in the hot water storage tank 130. Thus, since the heat energy generated in the power generation unit 2 can be stored as hot water in the hot water storage tank 130, the exhaust heat of the power generation unit 2 can be recovered without waste.

熱回収水循環流路150は、第1流路151〜第5流路155を有する。第1流路151は、一端が貯湯槽130の出口に接続され、他端が循環ポンプ230の吸水口に接続されている。第2流路152は、一端が循環ポンプ230の送水口に接続され、他端が熱交換器140の熱回収水入口143に接続されている。第3流路153は、一端が熱交換器140の熱回収水出口144に接続され、他端が分配割合調節弁160の入口161に接続されている。第4流路154は、一端が分配割合調節弁160の第1出口162に接続され、他端が貯湯槽130の入口に接続されている。第5流路155は、一端が分配割合調節弁160の第2出口163に接続され、他端が第1流路151の中間部に連結されている。   The heat recovery water circulation channel 150 includes a first channel 151 to a fifth channel 155. One end of the first channel 151 is connected to the outlet of the hot water tank 130, and the other end is connected to the water inlet of the circulation pump 230. One end of the second flow path 152 is connected to the water supply port of the circulation pump 230, and the other end is connected to the heat recovery water inlet 143 of the heat exchanger 140. The third flow path 153 has one end connected to the heat recovery water outlet 144 of the heat exchanger 140 and the other end connected to the inlet 161 of the distribution ratio adjustment valve 160. The fourth channel 154 has one end connected to the first outlet 162 of the distribution ratio adjusting valve 160 and the other end connected to the inlet of the hot water storage tank 130. One end of the fifth flow path 155 is connected to the second outlet 163 of the distribution ratio adjusting valve 160, and the other end is connected to an intermediate portion of the first flow path 151.

第1流路151および第2流路152によって、貯湯槽130内の熱回収水を熱交換器140に供給するための巡回往路が形成されている。また、第3流路153および第4流路154によって、熱交換器140を通過した熱回収水を貯湯槽130に送出する循環復路が形成されている。また、第3流路153および第5流路155によって、熱交換器140を通過した熱回収水を貯湯槽130を介さずに循環往路に合流させるバイパス流路が形成されている。   The first flow path 151 and the second flow path 152 form a circulation path for supplying the heat recovery water in the hot water storage tank 130 to the heat exchanger 140. Further, the third flow path 153 and the fourth flow path 154 form a circulation return path for sending the heat recovery water that has passed through the heat exchanger 140 to the hot water storage tank 130. Further, the third flow path 153 and the fifth flow path 155 form a bypass flow path that joins the heat recovery water that has passed through the heat exchanger 140 to the circulation forward path without passing through the hot water storage tank 130.

分配割合調節弁160は、第1出口162の開度と第2出口163の開度を連続的または段階的に調節可能である。分配割合調節弁160は、制御部190と信号ケーブルで接続されており、制御部190からの制御信号を受信して、第1出口162および第2出口163の開度を変化させる。これにより、分配割合調節弁160は、熱交換器140から排出された熱回収水の流量の循環復路およびバイパス流路への分配割合を調節することができる。また、分配割合調節弁160は、第1出口162および第2出口163の開度を信号として制御部190に送信する。これにより、制御部190は、熱回収水の分配割合を把握することができる。   The distribution ratio adjusting valve 160 can adjust the opening degree of the first outlet 162 and the opening degree of the second outlet 163 continuously or stepwise. The distribution ratio adjusting valve 160 is connected to the control unit 190 via a signal cable, receives a control signal from the control unit 190, and changes the opening degrees of the first outlet 162 and the second outlet 163. Thereby, the distribution ratio adjustment valve 160 can adjust the distribution ratio of the flow rate of the heat recovery water discharged from the heat exchanger 140 to the circulation return path and the bypass flow path. In addition, the distribution ratio adjustment valve 160 transmits the opening degrees of the first outlet 162 and the second outlet 163 to the control unit 190 as signals. Thereby, the control part 190 can grasp | ascertain the distribution ratio of heat recovery water.

本実施形態では、分配割合調節弁160は第3流路153、第4流路154および第5流路155の合流点に配置されているが、分配割合調節弁160の配置はこれに限定されない。例えば、分配割合調節弁160は、第1流路151、第2流路152および第5流路155の合流点に設置してもよい。また、熱回収水の分配割合を調節しない状態で熱回収水の流入量が第4流路154(循環復路)よりも第5流路155(バイパス流路)の方が多い構造である場合には、2方弁からなる分配割合調節弁160を第5流路155の途中に設置して、分配割合調節弁160の開度を調節することで熱回収水の流量の循環復路およびバイパス流路への分配割合を調節してもよい。また、熱回収水の分配割合を調節しない状態で熱回収水の流入量が第5流路155(バイパス流路)よりも第4流路154(循環復路)の方が多い構造である場合には、2方弁からなる分配割合調節弁160を第4流路154の途中に設置して、分配割合調節弁160の開度を調節することで熱回収水の分配割合を調節してもよい。   In the present embodiment, the distribution ratio adjustment valve 160 is arranged at the junction of the third flow path 153, the fourth flow path 154, and the fifth flow path 155, but the arrangement of the distribution ratio adjustment valve 160 is not limited to this. . For example, the distribution ratio adjustment valve 160 may be installed at the junction of the first flow path 151, the second flow path 152, and the fifth flow path 155. In the case where the flow rate of the heat recovery water is larger in the fifth flow path 155 (bypass flow path) than in the fourth flow path 154 (circulation return path) without adjusting the distribution ratio of the heat recovery water. The distribution ratio adjusting valve 160 composed of a two-way valve is installed in the middle of the fifth flow path 155, and the opening degree of the distribution ratio adjusting valve 160 is adjusted to return the heat recovery water flow circulation return path and bypass flow path. You may adjust the distribution ratio to. In the case where the flow rate of the heat recovery water is larger in the fourth flow path 154 (circulation return path) than in the fifth flow path 155 (bypass flow path) without adjusting the distribution ratio of the heat recovery water. May adjust the distribution ratio of the heat recovery water by installing a distribution ratio adjusting valve 160 comprising a two-way valve in the middle of the fourth flow path 154 and adjusting the opening of the distribution ratio adjusting valve 160. .

本実施形態の分配割合調節弁160は、第1出口162の開度を増大させると第2出口163の開度が低減し、第1出口162の開度を低減させると第2出口163の開度が増大する弁である。第1出口162の開度が増大されると、熱交換器140で加熱された後、貯湯槽130へ送出される熱回収水の量が増大する。反対に、第2出口163の開度が増大されると、熱交換器140で加熱された後、貯湯槽130へ戻されずに再び熱交換器140へ供給される熱回収水の量が増大する。   In the distribution ratio adjusting valve 160 of the present embodiment, when the opening degree of the first outlet 162 is increased, the opening degree of the second outlet 163 is reduced, and when the opening degree of the first outlet 162 is reduced, the second outlet 163 is opened. It is a valve that increases in degree. When the opening degree of the first outlet 162 is increased, the amount of heat recovery water that is heated by the heat exchanger 140 and then sent to the hot water tank 130 increases. On the other hand, when the opening degree of the second outlet 163 is increased, the amount of heat recovery water that is heated by the heat exchanger 140 and then supplied to the heat exchanger 140 without being returned to the hot water tank 130 increases. .

循環ポンプ230は、熱回収水循環流路150内の熱回収水を循環させるポンプであり、熱回収水の送出量を連続的または段階的に調節可能である。循環ポンプ230による熱回収水の送出量を調節することで、熱交換器140を通過する熱回収水の流速を変化させることができる。循環ポンプ230は、制御部190と信号ケーブルで接続されており、制御部190からの制御信号を受信して、熱回収水循環流路150内を循環する熱回収水の流速を変化させる。   The circulation pump 230 is a pump that circulates the heat recovery water in the heat recovery water circulation flow path 150, and can adjust the amount of heat recovery water delivered continuously or stepwise. The flow rate of the heat recovery water passing through the heat exchanger 140 can be changed by adjusting the amount of heat recovery water delivered by the circulation pump 230. The circulation pump 230 is connected to the control unit 190 through a signal cable, receives the control signal from the control unit 190, and changes the flow rate of the heat recovery water circulating in the heat recovery water circulation channel 150.

熱交換器140の熱回収水出口144の近傍には、熱交換器140を通過した熱回収水の温度を検出するための温度センサ240が設けられている。温度センサ240は、制御部190と信号ケーブルで接続されており、検出した熱回収水の温度を信号として制御部190に送信する。   A temperature sensor 240 for detecting the temperature of the heat recovery water that has passed through the heat exchanger 140 is provided in the vicinity of the heat recovery water outlet 144 of the heat exchanger 140. The temperature sensor 240 is connected to the control unit 190 through a signal cable, and transmits the detected temperature of the heat recovery water to the control unit 190 as a signal.

制御部190は、ハードウェア構成としては各種演算処理を実行するCPU、各種制御プログラムを格納するROM、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるRAMなどで実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。制御部190は、水位センサ180から状態信号を受信し、受信した状態信号に基づいて分配割合調節弁160を制御する。また、制御部190は、温度センサ240から温度信号を受信し、熱交換器140の熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように、循環ポンプ230を制御して熱回収水の流速を調節する。さらに、制御部190は、必要に応じて燃料電池100の発電出力を調節する。   The control unit 190 is realized by a CPU that executes various arithmetic processes as a hardware configuration, a ROM that stores various control programs, a RAM that is used as a work area for data storage and program execution, and the software configuration is It is realized by a computer program or the like. The control unit 190 receives the state signal from the water level sensor 180 and controls the distribution ratio adjusting valve 160 based on the received state signal. The control unit 190 receives the temperature signal from the temperature sensor 240 and controls the circulation pump 230 so that the temperature of the heat recovery water at the heat recovery water outlet 144 of the heat exchanger 140 falls within a predetermined range. Adjust the water flow rate. Furthermore, the control unit 190 adjusts the power generation output of the fuel cell 100 as necessary.

次に、上述の構成を備えた燃料電池システム1の動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 1 having the above-described configuration will be described.

制御部190は、水位センサ180から受信した状態信号に基づいて、排ガスから回収される凝縮水の量を所定範囲に維持するように、分配割合調節弁160を制御する。具体的には、制御部190は、タンク170内の水量に関する状態が水量を増大させるべき状態である場合に、循環復路、すなわち第4流路154への分配割合を増大させる。また、制御部190は、タンク170内の水量に関する状態が水量を減少させるべき状態である場合に、バイパス流路、すなわち第5流路155への分配割合を増大させる。本実施形態では、タンク170内の水位が所定の下限値を下回った場合を水量を増大させるべき状態とし、タンク170内の水位が所定の上限値を上回った場合を水量を減少させるべき状態としている。   Based on the state signal received from the water level sensor 180, the control unit 190 controls the distribution ratio adjustment valve 160 so as to maintain the amount of condensed water recovered from the exhaust gas within a predetermined range. Specifically, the control unit 190 increases the distribution ratio to the circulation return path, that is, the fourth flow path 154 when the state relating to the water amount in the tank 170 is a state in which the water amount should be increased. Further, when the state relating to the amount of water in the tank 170 is a state where the amount of water should be reduced, the control unit 190 increases the distribution ratio to the bypass flow path, that is, the fifth flow path 155. In the present embodiment, when the water level in the tank 170 falls below a predetermined lower limit value, the water amount should be increased, and when the water level in the tank 170 exceeds a predetermined upper limit value, the water amount should be reduced. Yes.

タンク170内の水位の低下が続いた場合、いずれは改質部110に供給される改質用水が不足することになるため、凝縮水分離器210で排ガスから回収される凝縮水の量を増大させることが望まれる。そこで、制御部190は、タンク170内の水位が所定の下限値を下回った場合に、上述のように熱回収水の流量の第4流路154への分配割合を増大させる。これにより、貯湯槽130に戻される熱回収水の量が増大するため、貯湯槽130から熱交換器140に供給される熱回収水の量が増大する。その結果、熱交換器140の熱回収水入口143には、循環流路への分配割合を増大させる前に比べてより低温の熱回収水が供給される。熱交換器140に供給される熱回収水の温度が低いほど熱回収水が排ガスから回収する熱量は増えるため、熱交換器140を通過する排ガスをより低温にすることができる。これにより、より大量の凝縮水を生成することができ、凝縮水の回収量を増大させることができる。   If the water level in the tank 170 continues to drop, the reforming water supplied to the reforming unit 110 will eventually become insufficient, so the amount of condensed water recovered from the exhaust gas by the condensed water separator 210 is increased. It is hoped that Therefore, when the water level in the tank 170 falls below a predetermined lower limit value, the control unit 190 increases the distribution ratio of the flow rate of the heat recovery water to the fourth flow path 154 as described above. Thereby, since the amount of heat recovery water returned to the hot water tank 130 increases, the amount of heat recovery water supplied from the hot water tank 130 to the heat exchanger 140 increases. As a result, the heat recovery water inlet 143 of the heat exchanger 140 is supplied with lower temperature heat recovery water than before increasing the distribution ratio to the circulation flow path. As the temperature of the heat recovery water supplied to the heat exchanger 140 is lower, the amount of heat recovered from the exhaust gas by the heat recovery water increases, so that the exhaust gas that passes through the heat exchanger 140 can be made lower in temperature. Thereby, a larger amount of condensed water can be produced | generated and the collection amount of condensed water can be increased.

また、制御部190は、温度センサ240からの温度信号に基づいて、熱回収水出口144近傍の熱回収水の温度を一定に保つように循環ポンプ230を制御する。上述のように熱回収水入口143における熱回収水の温度を低くした場合は、熱回収水入口143から熱回収水出口144に到達するまでの熱回収水の温度上昇幅が大きくなるため、制御部190は循環ポンプ230を制御して熱回収水の流速を低減させる。   Further, the control unit 190 controls the circulation pump 230 based on the temperature signal from the temperature sensor 240 so as to keep the temperature of the heat recovery water near the heat recovery water outlet 144 constant. As described above, when the temperature of the heat recovery water at the heat recovery water inlet 143 is lowered, the temperature rise width of the heat recovery water from the heat recovery water inlet 143 to the heat recovery water outlet 144 increases, so that the control is performed. The unit 190 controls the circulation pump 230 to reduce the flow rate of the heat recovery water.

このように、タンク170内の水位が所定の下限値を下回った場合、熱回収水の流量の量循環流路への分配割合を増やして凝縮水の生成量を増大させることで、改質部110での改質反応に必要な改質用水を確保することができる。   As described above, when the water level in the tank 170 falls below a predetermined lower limit, the amount of heat recovery water flow is increased by increasing the distribution ratio to the circulation flow path to increase the amount of condensed water generated, thereby improving the reforming unit. Reforming water necessary for the reforming reaction at 110 can be secured.

一方、タンク170内の水位の上昇が続いた場合、いずれは余剰分の凝縮水をタンク170から排出することになるため、凝縮水分離器210で排ガスから回収される凝縮水の量を低減させることが望まれる。そこで、制御部190は、タンク170内の水位が所定の上限値を上回った場合に、上述のように熱回収水の流量の第5流路155への分配割合を増大させる。これにより、貯湯槽130に戻されることなく熱交換器140に再供給される熱回収水の量が増大するため、熱交換器140の熱回収水入口143には、バイパス流路への分配割合を増大させる前に比べてより高温の熱回収水が供給される。熱交換器140に供給される熱回収水の温度が高いほど熱回収水が排ガスから回収する熱量は減るため、排ガスの温度低下量は小さくなる。これにより、凝縮水の生成量を低減させることができ、凝縮水の回収量を低減させることができる。   On the other hand, if the water level in the tank 170 continues to rise, any excess condensed water will be discharged from the tank 170, so the amount of condensed water recovered from the exhaust gas by the condensed water separator 210 is reduced. It is hoped that. Therefore, when the water level in the tank 170 exceeds a predetermined upper limit value, the control unit 190 increases the distribution ratio of the flow rate of the heat recovery water to the fifth flow path 155 as described above. As a result, the amount of heat recovery water re-supplied to the heat exchanger 140 without being returned to the hot water storage tank 130 increases, so that the heat recovery water inlet 143 of the heat exchanger 140 has a distribution ratio to the bypass channel. Heat recovery water having a higher temperature than that before the increase is supplied. The higher the temperature of the heat recovery water supplied to the heat exchanger 140, the smaller the amount of heat recovered from the exhaust gas by the heat recovery water, so the temperature decrease of the exhaust gas becomes smaller. Thereby, the production amount of condensed water can be reduced and the collection amount of condensed water can be reduced.

また、上述のように熱回収水入口143における熱回収水の温度を高くした場合は、熱回収水入口143から熱回収水出口144に到達するまでの熱回収水の温度上昇幅が小さくなるため、制御部190は、循環ポンプ230を制御して熱回収水の流速を増大させる。   Further, when the temperature of the heat recovery water at the heat recovery water inlet 143 is increased as described above, the temperature rise width of the heat recovery water from the heat recovery water inlet 143 to the heat recovery water outlet 144 is reduced. The control unit 190 controls the circulation pump 230 to increase the flow rate of the heat recovery water.

このように、タンク170内の水位が所定の上限値を上回った場合、熱回収水の流量のバイパス流路への分配割合を増やして凝縮水の生成量を低減させることで、過剰な凝縮水の回収を回避できるため、イオン交換樹脂等の水処理装置にかかる負荷を軽減することができる。これにより、水処理装置の長寿命化を図ることができ、ひいては燃料電池システム1の長寿命化を図ることができる。また、余剰分の凝縮水の排出を回避することができるため、タンク170から凝縮水を排出するための構造を省略することができる。これにより、燃料電池システム1の小型化を図ることができる。また、凝縮水の生成量を低減させている間は熱回収水の流速を上げているため、熱交換器の熱回収水流路の内壁にカルシウムなどの堆積物であるスケールが発生することを抑制することができる。   As described above, when the water level in the tank 170 exceeds the predetermined upper limit value, the distribution ratio of the flow rate of the heat recovery water to the bypass channel is increased to reduce the generation amount of the condensed water, thereby reducing the excess condensed water. Therefore, it is possible to reduce the load on the water treatment apparatus such as an ion exchange resin. As a result, the life of the water treatment apparatus can be extended, and as a result, the life of the fuel cell system 1 can be extended. Moreover, since the discharge of excess condensed water can be avoided, the structure for discharging condensed water from the tank 170 can be omitted. Thereby, size reduction of the fuel cell system 1 can be achieved. In addition, since the flow rate of heat recovery water is increased while reducing the amount of condensed water generated, it is possible to suppress the generation of scales such as calcium deposits on the inner wall of the heat recovery water flow path of the heat exchanger. can do.

なお、前記「所定の下限値」は、例えば燃料電池100のアノード102への改質ガスの供給を維持することができる凝縮水の最低量にマージンを付加して、当該最低量よりも高く設定した値である。また、前記「所定の上限値」は、例えばタンク170の収容限界量からマージンを差し引いて、当該収容限界量よりも低く設定した値である。「所定の下限値」および「所定の上限値」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。なお、水位センサ180が1点水位検知型のセンサである場合は、前記「所定の下限値」は水位センサ180の検出水位を下回った状態であり、前記「所定の上限値」は水位センサ180の検出水位を上回った状態である。   The “predetermined lower limit value” is set higher than the minimum amount by adding a margin to the minimum amount of condensed water that can maintain the supply of reformed gas to the anode 102 of the fuel cell 100, for example. It is the value. The “predetermined upper limit value” is a value set lower than the accommodation limit amount by subtracting a margin from the accommodation limit amount of the tank 170, for example. The “predetermined lower limit value” and the “predetermined upper limit value” can be appropriately set based on experiments and simulations by the designer. When the water level sensor 180 is a one-point water level detection type sensor, the “predetermined lower limit value” is below the detected water level of the water level sensor 180, and the “predetermined upper limit value” is the water level sensor 180. It is in a state of exceeding the detected water level.

以下に、燃料電池システム1の動作制御のフローを詳細に説明する。図2は、実施形態1に係る燃料電池システムの動作制御のフローチャートである。本フローチャートは、水位センサ180が2点水位検知型である場合の例である。このフローは、制御部190により実行され、例えば、燃料電池システム1の起動とともに開始され、燃料電池システム1の停止とともに終了する。   Hereinafter, the flow of operation control of the fuel cell system 1 will be described in detail. FIG. 2 is a flowchart of operation control of the fuel cell system according to the first embodiment. This flowchart is an example when the water level sensor 180 is a two-point water level detection type. This flow is executed by the control unit 190, and is started when the fuel cell system 1 is started, and is ended when the fuel cell system 1 is stopped, for example.

制御フローがスタートすると、制御部190は、タンク170内の水位が所定範囲内にあるか判断する(ステップ101:以下S101と略記する。他のステップも同様)。制御部190は、水位が所定の上限値以下かつ所定の下限値以上である場合に、水位が所定範囲にあると判断する。水位が所定範囲内にある場合(S101のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S102)。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S102のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させて(S103)、ステップ101に戻る。燃料電池100の発電出力が最大である場合(S102のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させることなくステップ101に戻る。   When the control flow starts, the control unit 190 determines whether or not the water level in the tank 170 is within a predetermined range (step 101: hereinafter abbreviated as S101. The same applies to other steps). The control unit 190 determines that the water level is within the predetermined range when the water level is equal to or lower than the predetermined upper limit value and equal to or higher than the predetermined lower limit value. When the water level is within the predetermined range (Y in S101), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is maximum (S102). When the power generation output of the fuel cell 100 is not the maximum (N in S102), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 (S103) and returns to Step 101. When the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (Y in S102), the control unit 190 returns to Step 101 without increasing the power generation output of the fuel cell 100.

このように、タンク170内の水位が所定範囲内にある場合は、燃料電池100の発電出力を増大させて、燃料電池システム1による電力供給量を増大させるように制御する。なお、燃料電池システム1が電力需要に応じて発電出力を増減させる負荷追従運転を行う場合は、制御部190は、燃料電池100の発電出力が電力需要に対して所定の好適範囲にあるか判断し、発電出力がこの好適範囲から外れている場合に、燃料電池100の発電出力を調整するように制御してもよい。前記「好適範囲」とは、負荷追従運転における負荷である電力負荷に対して、一定の値だけ下回った値を指すが、電力系統側に逆潮しなければ、燃料電池100の発電出力は発電負荷と同じ値であってもよい。この場合、制御部190により好適範囲に発電出力を制御しつつ、ステップ101で水位が所定範囲内にあると判断された場合は、発電最大出力(許容できる最大発電出力)を上げていく。許容できる最大発電出力を上昇させることにより、水位が下限値未満となり発電出力低減フラグがオンに設定され(詳細は後述する)これにより抑制されていた許容最大発電出力を増大させることとなる。   As described above, when the water level in the tank 170 is within the predetermined range, the power generation output of the fuel cell 100 is increased so that the amount of power supplied by the fuel cell system 1 is increased. When the fuel cell system 1 performs a load following operation that increases or decreases the power generation output according to the power demand, the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is within a predetermined preferable range with respect to the power demand. However, when the power generation output is out of this preferable range, the power generation output of the fuel cell 100 may be controlled to be adjusted. The “preferable range” refers to a value that is lower by a certain value than the power load that is the load in the load following operation. It may be the same value as the load. In this case, while the power generation output is controlled within the preferred range by the control unit 190, if it is determined in step 101 that the water level is within the predetermined range, the power generation maximum output (maximum allowable power generation output) is increased. By increasing the allowable maximum power generation output, the water level becomes less than the lower limit value, and the power generation output reduction flag is set to ON (details will be described later), thereby increasing the allowable maximum power generation output that has been suppressed.

水位が所定範囲内にない場合(S101のN)、制御部190は、タンク170内の水位が所定の下限値未満であるか判断する(S104)。水位が所定の下限値未満である場合(S104のY)、制御部190は、熱回収水の循環流路への分配割合が最大であるか判断する(S105)。循環流路への分配割合が最大でない場合(S105のN)、制御部190は、第1出口162の開度を所定量だけ増大させて循環復路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を低減させる(S106)。   When the water level is not within the predetermined range (N in S101), the control unit 190 determines whether the water level in the tank 170 is less than the predetermined lower limit (S104). When the water level is less than the predetermined lower limit (Y in S104), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the circulation channel is the maximum (S105). When the distribution ratio to the circulation channel is not the maximum (N in S105), the control unit 190 increases the distribution ratio to the circulation return path by increasing the opening degree of the first outlet 162 by a predetermined amount, and the heat recovery water outlet The flow rate of the heat recovery water is reduced so that the temperature of the heat recovery water at 144 falls within a predetermined range (S106).

燃料電池100の発電出力を同一とし、熱回収水の分配割合を制御して熱回収水入口温度を異ならせた場合における、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量の比較と燃料電池システム1での水収支(g/分)とを表1および表2に示す。   Comparison of the amount of condensed water per unit volume of exhaust gas and water in the fuel cell system 1 when the power generation output of the fuel cell 100 is the same, the distribution ratio of the heat recovery water is varied by controlling the distribution ratio of the heat recovery water, and the water in the fuel cell system 1 The balance (g / min) is shown in Tables 1 and 2.

Figure 0005813469
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表1および表2に示すように、循環流路への分配割合を増大させて熱回収水入口温度を下げるほど、排ガス出口142における排ガス温度(排ガス出口温度)が低下し、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量と水収支とがともに増大する。したがって、循環流路への分配割合を増大させて、熱回収水入口143における熱回収水の温度を下げることで、タンク170内の水位を上昇させることができる。言い換えれば、熱回収水入口143における熱回収水の温度を上げることで、タンク170内の水位を低下させることができる。   As shown in Tables 1 and 2, the exhaust gas temperature (exhaust gas outlet temperature) at the exhaust gas outlet 142 decreases as the heat recovery water inlet temperature is decreased by increasing the distribution ratio to the circulation flow path, and the exhaust gas per unit volume of exhaust gas. Both the amount of condensed water and the water balance increase. Therefore, the water level in the tank 170 can be raised by increasing the distribution ratio to the circulation channel and lowering the temperature of the heat recovery water at the heat recovery water inlet 143. In other words, the water level in the tank 170 can be lowered by increasing the temperature of the heat recovery water at the heat recovery water inlet 143.

第1出口162の開度の増大量は、適宜設定することができる。また、熱交換器の熱回収水流路の内壁へのスケール発生を抑制する観点から、予め熱回収水の最低流速を任意に定めておき、熱回収水の熱交換器出口温度を所定範囲に収めるべく低減させた流速がこの最低流速を下回らないように、循環復路への分配割合を増大させてもよい。例えば、本実施形態では、第1流路151の熱回収水温度が10℃で、熱回収水の分配割合をバイパス流路:循環流路=0:100〜61:39の範囲で変更できるように設定している。また、この分配割合の範囲で取り得る熱回収水入口温度を10℃〜50℃としている。なお、熱回収水の分配割合および熱回収水入口温度がこの範囲に限定されないことはもちろんである。   The amount of increase in the opening degree of the first outlet 162 can be set as appropriate. Also, from the viewpoint of suppressing the generation of scale on the inner wall of the heat recovery water flow path of the heat exchanger, a minimum flow rate of heat recovery water is arbitrarily determined in advance, and the heat recovery water heat exchanger outlet temperature is kept within a predetermined range. The distribution ratio to the circulation return path may be increased so that the flow rate reduced as much as possible does not fall below this minimum flow rate. For example, in this embodiment, the heat recovery water temperature of the first flow path 151 is 10 ° C., and the distribution ratio of the heat recovery water can be changed in the range of bypass flow path: circulation flow path = 0: 100 to 61:39. Is set. Moreover, the heat recovery water inlet temperature which can be taken in the range of this distribution ratio is 10 to 50 degreeC. Of course, the distribution ratio of the heat recovery water and the temperature of the heat recovery water inlet are not limited to this range.

熱回収水の循環流路への分配割合が最大である場合(S105のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最小であるか判断する(S107)。燃料電池100の発電出力が最小でない場合(S107のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を低減させる(S108)。例えば、制御部190は、燃料電池100の最大発電出力の設定値(発電出力上限値)を下げることで、燃料電池100の発電出力を低減させる。燃料電池システム1が負荷追従運転を行っている場合、制御部190が燃料電池100の最大発電出力の設定値を低減させることで、燃料電池100の発電出力を減らすことができる。なお、発電出力の低減は、所定値まで低減させてもよいし、所定量だけ低減させてもよい。制御部190は、燃料電池100の発電出力を低減させるとともに、発電出力低減フラグをオンに設定する。   When the distribution ratio of the heat recovery water to the circulation channel is the maximum (Y in S105), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is the minimum (S107). When the power generation output of the fuel cell 100 is not minimum (N in S107), the control unit 190 reduces the power generation output of the fuel cell 100 (S108). For example, the control unit 190 reduces the power generation output of the fuel cell 100 by lowering the set value (power generation output upper limit value) of the maximum power generation output of the fuel cell 100. When the fuel cell system 1 is performing the load following operation, the control unit 190 can reduce the power generation output of the fuel cell 100 by reducing the set value of the maximum power generation output of the fuel cell 100. Note that the power generation output can be reduced to a predetermined value or by a predetermined amount. The control unit 190 reduces the power generation output of the fuel cell 100 and sets the power generation output reduction flag to ON.

熱回収水入口温度を同一とし燃料電池100の発電出力を異ならせた場合における、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量の比較と燃料電池システム1での水収支(g/分)とを表3に示す。   Table 3 shows the comparison of the amount of condensed water per unit volume of exhaust gas and the water balance (g / min) in the fuel cell system 1 when the heat recovery water inlet temperature is the same and the power generation output of the fuel cell 100 is varied. Show.

Figure 0005813469
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表3に示すように、燃料電池100の発電出力を低減させると、排ガス出口温度が低下し、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量と水収支とがともに増大する。すなわち、燃料電池100の発電出力を低減させた場合、改質用水の流量と投入される原燃料および空気の流量とが低減されるため、燃料電池100から排出される排ガス流量が減る。これにより、熱交換器140を通過する排ガスの流速が小さくなるため、より排ガスと熱回収水との熱交換が進み、熱交換後の排ガス温度が熱回収水入口温度に漸近する。その結果、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量が増大する。また、燃料電池100に供給される改質ガスの量が減るため、タンク170内の凝縮水の使用量が減少する。よって、燃料電池システム1における水収支が増大する。したがって、燃料電池100の発電出力を低減させることで、タンク170内の水位を上昇させることができる。   As shown in Table 3, when the power generation output of the fuel cell 100 is reduced, the exhaust gas outlet temperature decreases, and both the amount of condensed water per unit volume of the exhaust gas and the water balance increase. That is, when the power generation output of the fuel cell 100 is reduced, the flow rate of reforming water and the flow rates of raw fuel and air to be input are reduced, so that the exhaust gas flow rate discharged from the fuel cell 100 is reduced. Thereby, since the flow rate of the exhaust gas passing through the heat exchanger 140 is reduced, the heat exchange between the exhaust gas and the heat recovery water proceeds further, and the exhaust gas temperature after the heat exchange gradually approaches the heat recovery water inlet temperature. As a result, the amount of condensed water per unit volume of exhaust gas increases. Further, since the amount of reformed gas supplied to the fuel cell 100 is reduced, the amount of condensed water in the tank 170 is reduced. Therefore, the water balance in the fuel cell system 1 increases. Therefore, the water level in the tank 170 can be raised by reducing the power generation output of the fuel cell 100.

なお、ステップ104で水位が下限値未満(S104のY)であると判断されるのは、ステップ101〜103が繰り返されて燃料電池100が高出力運転された結果である。そのため、水位が下限値未満であると判断される状況では、貯湯槽130内の湯水の通常使用により比較的低温の市水が供給されることを考慮しても、貯湯槽130内の湯水は比較的高温になっている。したがって、ステップ105,106が繰り返されて循環流路への分配割合が最大となった状態でも熱回収水入口温度の低下量は比較的小さい。そのため、表3では、例として第1流路151の熱回収水温度および熱回収水入口温度をともに40℃としている。   Note that it is determined in step 104 that the water level is less than the lower limit (Y in S104) as a result of the fuel cell 100 being operated at a high output by repeating steps 101 to 103. Therefore, in a situation where the water level is determined to be less than the lower limit value, the hot water in the hot water storage tank 130 is considered even if relatively low temperature city water is supplied by normal use of the hot water in the hot water storage tank 130. It is relatively hot. Therefore, even when Steps 105 and 106 are repeated and the distribution ratio to the circulation channel is maximized, the amount of decrease in the heat recovery water inlet temperature is relatively small. Therefore, in Table 3, both the heat recovery water temperature and the heat recovery water inlet temperature of the first flow path 151 are set to 40 ° C. as an example.

燃料電池100の発電出力が最小である場合(S107のY)、制御部190は、第1出口162の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。第1出口162の開度および燃料電池100の発電出力を維持した場合、貯湯槽130内の湯水の使用等によって時間の経過とともに第1流路151の熱回収水温度が低下し、これにより熱回収水入口温度が低下して凝縮水の回収量が増大し、その結果、タンク170内の水位が徐々に上昇していくことが見込まれる。なお、制御部190は、所定時間が経過してもタンク170内の水位が下限値以上にならない場合に、燃料電池システム1を停止させたり、操作パネル(図示せず)を介して管理者や使用者に改質用水の不足を通知する等の制御を実施してもよい。   When the power generation output of the fuel cell 100 is minimum (Y in S107), the control unit 190 maintains the opening degree of the first outlet 162 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are. When the opening degree of the first outlet 162 and the power generation output of the fuel cell 100 are maintained, the temperature of the heat recovery water in the first flow path 151 decreases with the passage of time due to the use of hot water in the hot water storage tank 130 and the like. The recovered water inlet temperature decreases and the amount of condensed water recovered increases, and as a result, the water level in the tank 170 is expected to gradually increase. Note that the control unit 190 stops the fuel cell system 1 when the water level in the tank 170 does not exceed the lower limit value even after a predetermined time has elapsed, or the administrator or the like via an operation panel (not shown). Control such as notifying the user of the lack of reforming water may be performed.

水位が所定の下限値未満でない場合(S104のN)、この場合は水位が所定の上限値を上回っている状態であり、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S109)。制御部190は、例えば、発電出力低減フラグがオンに設定されているか否かを判定することにより、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断することができる。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S109のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させる(S110)。例えば、燃料電池100の最大発電出力の設定値を上げることで、燃料電池100の発電出力を増大させる。なお、発電出力の増大は、所定値まで増大させてもよいし、所定量だけ増大させてもよい。また、燃料電池システム1が負荷追従運転を行っている場合、制御部190は、ステップ109において燃料電池100の発電出力が電力需要未満であるか判断し、発電出力が電力需要未満である場合に、ステップ110において電力需要に合わせて燃料電池100の発電出力を調整するように制御してもよい。   When the water level is not less than the predetermined lower limit (N in S104), in this case, the water level is higher than the predetermined upper limit, and the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is maximum. (S109). The control unit 190 can determine whether the power generation output of the fuel cell 100 is maximum, for example, by determining whether or not the power generation output reduction flag is set to ON. When the power generation output of the fuel cell 100 is not the maximum (N in S109), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 (S110). For example, the power generation output of the fuel cell 100 is increased by increasing the set value of the maximum power generation output of the fuel cell 100. Note that the increase in the power generation output may be increased to a predetermined value, or may be increased by a predetermined amount. When the fuel cell system 1 is performing the load following operation, the control unit 190 determines in step 109 whether the power generation output of the fuel cell 100 is less than the power demand, and when the power generation output is less than the power demand. In step 110, control may be performed so as to adjust the power generation output of the fuel cell 100 in accordance with the power demand.

熱回収水入口温度を同一とし燃料電池100の発電出力を異ならせた場合における、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量の比較と燃料電池システム1での水収支(g/分)とを表4および表5に示す。   Table 4 shows the comparison of the amount of condensed water per unit volume of exhaust gas and the water balance (g / min) in the fuel cell system 1 when the heat recovery water inlet temperature is the same and the power generation output of the fuel cell 100 is varied. Table 5 shows.

Figure 0005813469
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表4および表5に示すように、燃料電池100の発電出力を増大させると、排ガス出口温度が上昇し、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量と水収支とがともに低下する。表3からも同様のことがいえる。すなわち、燃料電池100の発電出力を増大させた場合、燃料電池100から排出される排ガス流量が大きくなるため、熱交換器140を通過する排ガスの流速が大きくなる。そのため、排ガスと熱回収水との熱交換量が減る。その結果、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量が減少する。また、燃料電池100に供給される改質ガスの量が増えるため、タンク170内の凝縮水の使用量が増大する。よって、燃料電池システム1における水収支が減少する。したがって、燃料電池100の発電出力を増大させることで、タンク170内の水位を低減させることができる。   As shown in Tables 4 and 5, when the power generation output of the fuel cell 100 is increased, the exhaust gas outlet temperature increases, and both the amount of condensed water per unit volume of the exhaust gas and the water balance decrease. The same can be said from Table 3. That is, when the power generation output of the fuel cell 100 is increased, the flow rate of the exhaust gas discharged from the fuel cell 100 increases, so that the flow rate of the exhaust gas passing through the heat exchanger 140 increases. Therefore, the amount of heat exchange between the exhaust gas and the heat recovery water is reduced. As a result, the amount of condensed water per unit volume of exhaust gas decreases. Further, since the amount of the reformed gas supplied to the fuel cell 100 increases, the amount of condensed water in the tank 170 increases. Therefore, the water balance in the fuel cell system 1 is reduced. Therefore, the water level in the tank 170 can be reduced by increasing the power generation output of the fuel cell 100.

なお、例えば表1および表2のそれぞれにおける熱回収水入口温度が10℃の場合を比較すると、燃料電池100の発電出力を増大させると水収支が増大する。しかしながら、燃料電池100の発電出力を増大させるステップ110は、タンク170内の水位が所定範囲の上限値を上回ったと判断された場合(S104のN)、すなわち既に燃料電池100がある程度の時間運転された後に実行される。そのため、貯湯槽130内の湯水は比較的高温になっていることがほとんどであり、熱回収水入口温度が10℃となることは稀である。すなわち、燃料電池100の発電出力の増大により水収支が増大する状況は少ない。また、仮に、熱回収水入口温度が10℃となる状況、言い換えれば燃料電池100の発電出力の増大が水収支を増大させる状況であっても、その後のバイパス流路への分配割合増大制御によって水収支が低下していく。したがって、燃料電池100の発電出力の増大により水収支が大きくなる状況は一時的である。そのため、燃料電池システム1による電力供給量を増大できるというメリットも考慮して、燃料電池100の発電出力の増大を優先的に実施する。   For example, comparing the cases where the heat recovery water inlet temperature in each of Table 1 and Table 2 is 10 ° C., increasing the power generation output of the fuel cell 100 increases the water balance. However, in step 110 for increasing the power generation output of the fuel cell 100, when it is determined that the water level in the tank 170 has exceeded the upper limit of the predetermined range (N in S104), that is, the fuel cell 100 has already been operated for a certain period of time. Will be executed after. Therefore, the hot water in the hot water storage tank 130 is almost always relatively high, and the heat recovery water inlet temperature is rarely 10 ° C. That is, there are few situations where the water balance increases due to an increase in the power generation output of the fuel cell 100. Even if the heat recovery water inlet temperature is 10 ° C., in other words, even if the increase in the power generation output of the fuel cell 100 increases the water balance, the subsequent distribution ratio increase control to the bypass channel Water balance will decline. Therefore, the situation where the water balance increases due to an increase in the power generation output of the fuel cell 100 is temporary. Therefore, in consideration of the merit that the power supply amount by the fuel cell system 1 can be increased, the power generation output of the fuel cell 100 is preferentially increased.

燃料電池100の発電出力が最大である場合(S109のY)、制御部190は、熱回収水のバイパス流路への分配割合が最大であるか判断する(S111)。バイパス流路への分配割合が最大でない場合(S111のN)、制御部190は、第2出口163の開度を所定量だけ増大させてバイパス流路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を増大させる(S112)。   When the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (Y in S109), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the bypass flow path is the maximum (S111). When the distribution ratio to the bypass flow path is not the maximum (N of S111), the control unit 190 increases the distribution ratio to the bypass flow path by increasing the opening degree of the second outlet 163 by a predetermined amount, and heat recovery water The flow rate of the heat recovery water is increased so that the temperature of the heat recovery water at the outlet 144 falls within a predetermined range (S112).

表1および表2に示すように、バイパス流路への分配割合を増大させて熱回収水入口温度を上げるほど、排ガスの単位体積当たりの凝縮水量と水収支とがともに低下する。したがって、バイパス流路への分配割合を増大させて、熱回収水入口143における熱回収水の温度を上げることで、タンク170内の水位を低下させることができる。なお、第2出口163の開度の増大量は、適宜設定することができる。   As shown in Tables 1 and 2, the amount of condensed water per unit volume of exhaust gas and the water balance both decrease as the heat recovery water inlet temperature is increased by increasing the distribution ratio to the bypass channel. Therefore, the water level in the tank 170 can be lowered by increasing the distribution ratio to the bypass flow path and increasing the temperature of the heat recovery water at the heat recovery water inlet 143. In addition, the increase amount of the opening degree of the 2nd exit 163 can be set suitably.

バイパス流路への分配割合が最大である場合(S111のY)、制御部190は、第2出口163の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。表1に示すように、燃料電池100の発電出力を増大させた状態(700Wの状態)で、バイパス流路への分配割合が最大の状態では、燃料電池システム1での水収支(g/分)は負の値をとっている。したがって、バイパス流路への分配割合および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持することで、タンク170内の水位が徐々に低下していくことが見込まれる。   When the distribution ratio to the bypass channel is the maximum (Y in S111), the control unit 190 maintains the opening degree of the second outlet 163 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are. As shown in Table 1, when the power generation output of the fuel cell 100 is increased (700 W state) and the distribution ratio to the bypass channel is maximum, the water balance in the fuel cell system 1 (g / min) ) Is negative. Therefore, it is expected that the water level in the tank 170 gradually decreases by maintaining the distribution ratio to the bypass channel and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

続いて、燃料電池システム1の他の動作制御のフローを説明する。図3は、実施形態1に係る燃料電池システムの他の動作制御のフローチャートである。本フローチャートは、水位センサ180が1点水位検知型である場合の例である。このフローは、制御部190により実行され、例えば、燃料電池システム1の起動とともに開始され、燃料電池システム1の停止とともに終了する。以下の説明では、上述した水位センサ180が2点水位検知型である場合の動作制御と同様の点は適宜省略する。   Next, another operation control flow of the fuel cell system 1 will be described. FIG. 3 is a flowchart of another operation control of the fuel cell system according to the first embodiment. This flowchart is an example when the water level sensor 180 is a one-point water level detection type. This flow is executed by the control unit 190, and is started when the fuel cell system 1 is started, and is ended when the fuel cell system 1 is stopped, for example. In the following description, the same points as the operation control when the above-described water level sensor 180 is a two-point water level detection type will be omitted as appropriate.

制御フローがスタートすると、制御部190は、タンク170内の水位が所定の下限値未満であるか判断する(S201)。水位が所定の下限値未満である場合(S201のY)、制御部190は、熱回収水の循環流路への分配割合が最大であるか判断する(S202)。循環流路への分配割合が最大でない場合(S202のN)、制御部190は、第1出口162の開度を所定量だけ増大させて循環復路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を低減させる(S203)。   When the control flow starts, the control unit 190 determines whether the water level in the tank 170 is less than a predetermined lower limit value (S201). When the water level is less than the predetermined lower limit (Y in S201), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the circulation channel is the maximum (S202). When the distribution ratio to the circulation channel is not the maximum (N in S202), the control unit 190 increases the distribution ratio to the circulation return path by increasing the opening degree of the first outlet 162 by a predetermined amount, and the heat recovery water outlet The flow rate of the heat recovery water is reduced so that the temperature of the heat recovery water at 144 falls within a predetermined range (S203).

熱回収水の循環流路への分配割合が最大である場合(S202のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最小であるか判断する(S204)。燃料電池100の発電出力が最小でない場合(S204のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を低減させる(S205)。燃料電池100の発電出力が最小である場合(S204のY)、制御部190は、第1出口162の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。   When the distribution ratio of the heat recovery water to the circulation channel is the maximum (Y in S202), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is the minimum (S204). When the power generation output of the fuel cell 100 is not minimum (N in S204), the control unit 190 reduces the power generation output of the fuel cell 100 (S205). When the power generation output of the fuel cell 100 is minimum (Y in S204), the control unit 190 maintains the opening degree of the first outlet 162 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

水位が所定の下限値未満でない場合(S201のN)、この場合は水位が所定の上限値を上回っている状態であり、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S206)。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S206のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させ、ステップ201に戻る(S207)。燃料電池100の発電出力が最大である場合(S206のY)、制御部190は、熱回収水のバイパス流路への分配割合が最大であるか判断する(S208)。   When the water level is not less than the predetermined lower limit (N in S201), in this case, the water level is higher than the predetermined upper limit, and the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is maximum. (S206). When the power generation output of the fuel cell 100 is not maximum (N in S206), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 and returns to Step 201 (S207). When the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (Y in S206), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the bypass flow path is the maximum (S208).

このように、タンク170内の水位が上限値を上回っている場合、すなわち、改質用水が不足していない場合は、燃料電池100の発電出力を増大させて、使用者の電力需要を満たすように制御する。なお、燃料電池システム1が負荷追従運転を行っている場合、制御部190は、燃料電池100の発電出力が電力需要を満たしているか判断し、発電出力が電力需要を満たしていない場合に、燃料電池100の発電出力を調整するように制御してもよい。   As described above, when the water level in the tank 170 exceeds the upper limit value, that is, when the reforming water is not insufficient, the power generation output of the fuel cell 100 is increased to satisfy the user's power demand. To control. In addition, when the fuel cell system 1 performs the load following operation, the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 satisfies the power demand, and when the power generation output does not satisfy the power demand, You may control so that the electric power generation output of the battery 100 may be adjusted.

バイパス流路への分配割合が最大でない場合(S208のN)、制御部190は、第2出口163の開度を所定量だけ増大させてバイパス流路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を増大させる(S209)。バイパス流路への分配割合が最大である場合(S208のY)、制御部190は、第2出口163の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。   When the distribution ratio to the bypass flow path is not the maximum (N in S208), the control unit 190 increases the distribution ratio to the bypass flow path by increasing the opening degree of the second outlet 163 by a predetermined amount, and the heat recovery water The flow rate of the heat recovery water is increased so that the temperature of the heat recovery water at the outlet 144 falls within a predetermined range (S209). When the distribution ratio to the bypass channel is maximum (Y in S208), the control unit 190 maintains the opening degree of the second outlet 163 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム1おいて、熱回収水循環流路150は、熱交換器140を通過した熱回収水を貯湯槽130に戻す循環復路と、熱交換器140を通過した熱回収水を貯湯槽130を介さずに熱交換器140に再供給するバイパス流路を有する。また、制御部190は、水位センサ180から受信したタンク170内の水量に関する情報に基づいて、排ガスから回収される凝縮水の量を所定範囲に維持するように、分配割合調節弁160を制御している。また、制御部190は、分配割合調節弁160の制御とともに循環ポンプ230を制御して熱回収水の流速を調節している。   As described above, in the fuel cell system 1 according to this embodiment, the heat recovery water circulation channel 150 includes the circulation return path for returning the heat recovery water that has passed through the heat exchanger 140 to the hot water storage tank 130, and the heat exchanger 140. The heat recovery water that has passed through is supplied to the heat exchanger 140 without passing through the hot water storage tank 130. Further, the control unit 190 controls the distribution ratio adjustment valve 160 so as to maintain the amount of condensed water recovered from the exhaust gas within a predetermined range based on the information regarding the amount of water in the tank 170 received from the water level sensor 180. ing. In addition, the control unit 190 controls the circulation pump 230 together with the control of the distribution ratio adjustment valve 160 to adjust the flow rate of the heat recovery water.

このように、燃料電池システム1は、タンク170内の凝縮水の残量が所定の上限値を超える場合は、熱交換器140に供給される熱回収水の温度を上げることで、凝縮水の生成量を減らしている。また、燃料電池システム1は、タンク170内の凝縮水の残量が所定の下限値を下回ると、熱交換器140に供給される熱回収水の温度を下げて凝縮水の回収量を増大させている。   Thus, the fuel cell system 1 raises the temperature of the heat recovery water supplied to the heat exchanger 140 when the remaining amount of condensed water in the tank 170 exceeds a predetermined upper limit value, thereby The amount of production is reduced. Further, when the remaining amount of condensed water in the tank 170 falls below a predetermined lower limit value, the fuel cell system 1 decreases the temperature of the heat recovery water supplied to the heat exchanger 140 and increases the amount of condensed water recovered. ing.

そのため、本実施形態に係る燃料電池システム1は、水自立の維持を図ることができる。これにより改質用水として外部から市水を取り込む必要がなくなるため、市水中に含まれるカルシウムやシリカの析出を回避することができ、またイオン交換樹脂等の水処理装置にかかる負荷を軽減することができる。また、凝縮水の過剰生成を回避することができることからも、水処理装置にかかる負荷を軽減することができる。その結果、燃料電池システム1の長寿命化が可能となる。また、過剰な凝縮水の排出に必要な構造を省略することができるため、燃料電池システム1の小型化が可能となる。   Therefore, the fuel cell system 1 according to the present embodiment can maintain water independence. This eliminates the need to take in city water from the outside as reforming water, so that precipitation of calcium and silica contained in the city water can be avoided, and the load on the water treatment device such as ion exchange resin can be reduced. Can do. Moreover, since the excessive production | generation of condensed water can be avoided, the load concerning a water treatment apparatus can be reduced. As a result, the life of the fuel cell system 1 can be extended. In addition, since a structure necessary for discharging excessive condensed water can be omitted, the fuel cell system 1 can be downsized.

また、凝縮水の残量に余裕がある状態では熱回収水の流速を増大させているため、スケールの発生を抑制することができる。これにより、燃料電池システム1の長寿命化を図ることができる。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1は、熱回収水循環流路150にバイパス流路を設けて熱交換器140に供給する熱回収水の温度を調節している。そのため、例えば燃料電池システム1の使用環境温度が下がった場合に、熱交換水の流速を落とすことによってではなく、熱交換器140に供給する熱回収水の温度を上昇させることで、熱回収水出口144における熱回収水の温度を目標温度まで上昇させることができる。すなわち、燃料電池システム1の使用環境温度が変化した場合においても、熱交換器140を流れる熱交換水の流速を担保することができるため、スケールの発生を抑制することができる。   Moreover, since the flow rate of the heat recovery water is increased in a state where there is a surplus in the remaining amount of condensed water, the generation of scale can be suppressed. Thereby, the lifetime of the fuel cell system 1 can be extended. In the fuel cell system 1 according to this embodiment, a bypass flow path is provided in the heat recovery water circulation path 150 to adjust the temperature of the heat recovery water supplied to the heat exchanger 140. Therefore, for example, when the operating environment temperature of the fuel cell system 1 is lowered, not by reducing the flow rate of the heat exchange water but by increasing the temperature of the heat recovery water supplied to the heat exchanger 140, The temperature of the heat recovery water at the outlet 144 can be raised to the target temperature. That is, even when the use environment temperature of the fuel cell system 1 changes, the flow rate of the heat exchange water flowing through the heat exchanger 140 can be ensured, so that the generation of scale can be suppressed.

(実施形態2)
実施形態2に係る燃料電池システム1は、タンク170内の水量に関する状態として排ガスの温度を検出する。以下、本実施形態について説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1の主な構成は実施形態1と同一であり、実施形態1と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
(Embodiment 2)
The fuel cell system 1 according to Embodiment 2 detects the temperature of the exhaust gas as a state relating to the amount of water in the tank 170. Hereinafter, this embodiment will be described. The main configuration of the fuel cell system 1 according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment. The same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.

図4は、実施形態2に係る燃料電池システムの概略構成を示す流路図である。図4に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、タンク170内の水量に関する状態を検出する検出部として、実施形態1の水位センサ180に代えて、熱交換器140を通過した排ガスの温度を検出する排ガス温度センサ250(検出部)を備える。排ガス温度センサ250は、例えば熱交換後排ガス流路123に設けられ、熱交換器140で熱交換が行われた後の排ガスの温度を検出する。また、排ガス温度センサ250は、制御部190と信号ケーブルで接続されており、検出した排ガスの温度を状態信号として制御部190に送信する。   FIG. 4 is a flow diagram illustrating a schematic configuration of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the fuel cell system 1 according to the present embodiment has passed through the heat exchanger 140 instead of the water level sensor 180 of the first embodiment as a detection unit that detects a state relating to the amount of water in the tank 170. An exhaust gas temperature sensor 250 (detection unit) for detecting the temperature of the exhaust gas is provided. The exhaust gas temperature sensor 250 is provided, for example, in the exhaust gas passage 123 after heat exchange, and detects the temperature of the exhaust gas after heat exchange is performed by the heat exchanger 140. The exhaust gas temperature sensor 250 is connected to the control unit 190 via a signal cable, and transmits the detected exhaust gas temperature to the control unit 190 as a state signal.

図5は、排ガスの温度と水収支との関係を示す図である。図5において、縦軸が水収支(g)であり、横軸が排ガス温度(℃)である。図5に示すように、排ガス温度センサ250によって検出される排ガスの温度と、凝縮水の回収量とタンク170内の水の使用量との差である水収支とは反比例の関係を有する。すなわち、水収支は、排ガスの温度に応じて決まる。具体的には、例えば排ガスの温度が約37℃であるときに、水収支が毎分1.5gであり、排ガスの温度が約45℃まで上昇すると水収支が毎分0gとなる。排ガスの温度が約45℃を上回ると、水収支は負の値となり、タンク170の水位は時間経過とともに低下する。排ガス温度と水収支との関係は、原燃料および改質用水の改質部110への供給量と、酸化剤である空気の燃料電池100への供給量およびその露点に基づいて計算で求めることができる。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature of exhaust gas and the water balance. In FIG. 5, the vertical axis is the water balance (g), and the horizontal axis is the exhaust gas temperature (° C.). As shown in FIG. 5, the temperature of the exhaust gas detected by the exhaust gas temperature sensor 250 and the water balance, which is the difference between the amount of condensed water recovered and the amount of water used in the tank 170, have an inversely proportional relationship. That is, the water balance is determined according to the temperature of the exhaust gas. Specifically, for example, when the temperature of the exhaust gas is about 37 ° C., the water balance is 1.5 g / min, and when the temperature of the exhaust gas rises to about 45 ° C., the water balance becomes 0 g / min. When the temperature of the exhaust gas exceeds about 45 ° C., the water balance becomes a negative value, and the water level in the tank 170 decreases with time. The relationship between the exhaust gas temperature and the water balance is obtained by calculation based on the supply amount of raw fuel and reforming water to the reforming unit 110, the supply amount of oxidant air to the fuel cell 100, and the dew point thereof. Can do.

制御部190は、排ガス温度センサ250で検知される排ガスの温度と水収支とを対応付けた複数の変換テーブルを予め記憶している。この複数の変換テーブルは、設計者による実験やシミュレーションに基づいて、原燃料、改質用水および空気の供給量を取り得る範囲で変化させて作成されたものである。また、空気の露点については、空気露点を測定する機器を取り付け、その信号によるデータを用いてもよいし、露点分に余裕を持たせた変換テーブルを作成してもよい。制御部190は、排ガス温度センサ250から温度信号を受信し、変換テーブルを用いて温度信号から水収支を取得する。   The control unit 190 stores in advance a plurality of conversion tables in which the exhaust gas temperature detected by the exhaust gas temperature sensor 250 is associated with the water balance. The plurality of conversion tables are created by changing the supply amounts of raw fuel, reforming water, and air within a possible range based on experiments and simulations by the designer. As for the air dew point, a device for measuring the air dew point may be attached, and data based on the signal may be used, or a conversion table having a margin for the dew point may be created. The control unit 190 receives a temperature signal from the exhaust gas temperature sensor 250, and acquires a water balance from the temperature signal using a conversion table.

制御部190は、排ガス温度センサ250から受信した状態信号に基づいて、排ガスから回収される凝縮水の量を所定範囲に維持するように、分配割合調節弁160を制御する。制御部190は、排ガスの温度が、水収支が所定の下限値を下回る温度である場合に、タンク170内の水量に関する状態が水量を増大させるべき状態にあるとして、循環復路への分配割合を増大させるとともに熱回収水の流速を減少させる。また、制御部190は、排ガスの温度が、水収支が所定の上限値を上回る温度である場合に、タンク170内の水量に関する状態が水量を減少させるべき状態にあるとして、バイパス流路への分配割合を増大させるとともに熱回収水の流速を増大させる。   Based on the state signal received from the exhaust gas temperature sensor 250, the control unit 190 controls the distribution ratio adjustment valve 160 so as to maintain the amount of condensed water recovered from the exhaust gas within a predetermined range. When the temperature of the exhaust gas is a temperature at which the water balance falls below a predetermined lower limit value, the control unit 190 assumes that the state relating to the amount of water in the tank 170 is to increase the amount of water, and determines the distribution ratio to the circulation return path. Increase and reduce the flow rate of heat recovery water. In addition, the control unit 190 determines that the state relating to the amount of water in the tank 170 is to reduce the amount of water when the temperature of the exhaust gas is a temperature at which the water balance exceeds a predetermined upper limit value. Increase distribution rate and increase heat recovery water flow rate.

例えば、前記「所定の下限値」は毎分0gに設定され、制御部190は、排ガスの温度が、水収支が毎分0gになるときの温度である45℃を上回ったときに、循環復路への分配割合を増大させる。排ガスの温度が45℃を上回ると、すなわち水収支が毎分0gを下回るとタンク170内の水量は減少していくため、循環復路への分配割合を増大させて凝縮水の回収量を増大させる。   For example, the “predetermined lower limit value” is set to 0 g per minute, and the control unit 190 causes the circulation return path when the temperature of the exhaust gas exceeds 45 ° C., which is the temperature at which the water balance becomes 0 g per minute. Increase the distribution ratio to. When the temperature of the exhaust gas exceeds 45 ° C., that is, when the water balance falls below 0 g per minute, the amount of water in the tank 170 decreases, so the distribution ratio to the circulation return path is increased and the amount of condensed water recovered is increased. .

また、前記「所定の上限値」は例えば毎分1.5gに設定され、制御部190は、排ガスの温度が、水収支が毎分1.5gになるときの温度である37℃を下回ったときに、バイパス流路への分配割合を増大させる。排ガスの温度が37℃未満になると、すなわち水収支が毎分1.5gを越えると凝縮水の回収量が過剰になるため、バイパス流路への分配割合を増大させて凝縮水の回収量を低減させる。なお、「所定の下限値」および「所定の上限値」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。   Further, the “predetermined upper limit value” is set to, for example, 1.5 g / min, and the control unit 190 has the temperature of the exhaust gas lower than 37 ° C., which is the temperature when the water balance is 1.5 g / min. Sometimes the distribution rate to the bypass channel is increased. If the temperature of the exhaust gas is less than 37 ° C., that is, if the water balance exceeds 1.5 g per minute, the amount of condensed water recovered becomes excessive, so the distribution ratio to the bypass channel is increased to reduce the amount of condensed water recovered. Reduce. Note that the “predetermined lower limit value” and the “predetermined upper limit value” can be set as appropriate based on experiments and simulations by the designer.

以下に、燃料電池システム1の動作制御のフローを詳細に説明する。図6は、実施形態2に係る燃料電池システムの動作制御のフローチャートである。以下の説明では、実施形態1と同様の点は適宜省略する。   Hereinafter, the flow of operation control of the fuel cell system 1 will be described in detail. FIG. 6 is a flowchart of operation control of the fuel cell system according to the second embodiment. In the following description, the same points as in the first embodiment are omitted as appropriate.

制御フローがスタートすると、制御部190は、排ガスの温度が所定範囲内にあるか判断する(S301)。制御部190は、排ガスの温度が所定の上限値以下かつ所定の下限値以上である場合(図5の斜線で示す範囲にある場合)に、排ガスの温度が所定範囲にあると判断する。ここで、排ガス温度の所定の上限値は、水収支が所定の下限値(図5における毎分0g)となる温度(図5における45℃)であり、排ガス温度がこの上限値を超えると、水収支が所定の下限値を下回る。また、排ガス温度の所定の下限値は、水収支が所定の上限値(図5における毎分1.5g)となる温度(図5における37℃)であり、排ガス温度がこの下限値を下回ると、水収支が所定の上限値を上回る。   When the control flow starts, the control unit 190 determines whether the temperature of the exhaust gas is within a predetermined range (S301). The control unit 190 determines that the temperature of the exhaust gas is within the predetermined range when the temperature of the exhaust gas is equal to or lower than the predetermined upper limit value and equal to or higher than the predetermined lower limit value (when the exhaust gas temperature is within the range indicated by the oblique lines in FIG. 5). Here, the predetermined upper limit value of the exhaust gas temperature is a temperature (45 ° C. in FIG. 5) at which the water balance becomes a predetermined lower limit value (0 g per minute in FIG. 5), and when the exhaust gas temperature exceeds this upper limit value, The water balance is below the specified lower limit. Further, the predetermined lower limit value of the exhaust gas temperature is a temperature (37 ° C. in FIG. 5) at which the water balance becomes a predetermined upper limit value (1.5 g / min in FIG. 5), and the exhaust gas temperature falls below this lower limit value. The water balance exceeds the specified upper limit.

排ガスの温度が所定範囲内にある場合(S301のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S302)。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S302のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させて(S303)、ステップ301に戻る。燃料電池100の発電出力が最大である場合(S302のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させることなくステップ301に戻る。   When the temperature of the exhaust gas is within the predetermined range (Y in S301), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (S302). When the power generation output of the fuel cell 100 is not the maximum (N in S302), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 (S303) and returns to Step 301. When the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (Y in S302), the control unit 190 returns to step 301 without increasing the power generation output of the fuel cell 100.

排ガスの温度が所定範囲内にない場合(S301のN)、制御部190は、排ガスの温度が所定の上限値を上回るか判断する(S304)。排ガスの温度が所定の上限値を上回る場合(S304のY)、制御部190は、熱回収水の循環流路への分配割合が最大であるか判断する(S305)。循環流路への分配割合が最大でない場合(S305のN)、制御部190は、第1出口162の開度を所定量だけ増大させて循環復路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を低減させる(S306)。   When the temperature of the exhaust gas is not within the predetermined range (N in S301), the control unit 190 determines whether the temperature of the exhaust gas exceeds a predetermined upper limit value (S304). When the temperature of the exhaust gas exceeds the predetermined upper limit value (Y in S304), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the circulation channel is the maximum (S305). When the distribution ratio to the circulation channel is not the maximum (N in S305), the control unit 190 increases the distribution ratio to the circulation return path by increasing the opening degree of the first outlet 162 by a predetermined amount, and the heat recovery water outlet The flow rate of the heat recovery water is reduced so that the temperature of the heat recovery water in 144 falls within a predetermined range (S306).

循環流路への分配割合が最大である場合(S305のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最小であるか判断する(S307)。燃料電池100の発電出力が最小でない場合(S307のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を低減させる(S308)。燃料電池100の発電出力が最小である場合(S307のY)、制御部190は、第1出口162の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。   When the distribution ratio to the circulation channel is the maximum (Y in S305), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is the minimum (S307). When the power generation output of the fuel cell 100 is not minimum (N in S307), the control unit 190 reduces the power generation output of the fuel cell 100 (S308). When the power generation output of the fuel cell 100 is minimum (Y in S307), the control unit 190 maintains the opening degree of the first outlet 162 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

排ガスの温度が所定の上限値を上回らない場合(S304のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S309)。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S309のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させる(S310)。燃料電池100の発電出力が最大である場合(S309のY)、制御部190は、熱回収水のバイパス流路への分配割合が最大であるか判断する(S311)。   When the temperature of the exhaust gas does not exceed the predetermined upper limit (N in S304), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (S309). When the power generation output of the fuel cell 100 is not the maximum (N in S309), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 (S310). When the power generation output of the fuel cell 100 is maximum (Y in S309), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the bypass channel is maximum (S311).

バイパス流路への分配割合が最大でない場合(S311のN)、制御部190は、第2出口163の開度を所定量だけ増大させてバイパス流路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を増大させる(S312)。バイパス流路への分配割合が最大である場合(S311のY)、制御部190は、第2出口163の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。   When the distribution ratio to the bypass flow path is not the maximum (N in S311), the control unit 190 increases the opening ratio of the second outlet 163 by a predetermined amount to increase the distribution ratio to the bypass flow path, and heat recovery water The flow rate of the heat recovery water is increased so that the temperature of the heat recovery water at the outlet 144 falls within a predetermined range (S312). When the distribution ratio to the bypass channel is the maximum (Y in S311), the control unit 190 maintains the opening degree of the second outlet 163 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、水収支の指標となる排ガスの温度に基づいて、凝縮水の回収量を所定範囲に維持するように分配割合調節弁160を制御している。このような制御によっても、実施形態1に係る燃料電池システム1と同様の効果を奏することができる。   As described above, the fuel cell system 1 according to the present embodiment controls the distribution ratio adjusting valve 160 so as to maintain the recovered amount of condensed water within a predetermined range based on the temperature of the exhaust gas that is an indicator of the water balance. doing. Even by such control, the same effects as the fuel cell system 1 according to Embodiment 1 can be obtained.

(実施形態3)
実施形態3に係る燃料電池システム1は、タンク170内の水量に関する状態としてタンク170内の水圧を検出する。以下、本実施形態について説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1の主な構成は実施形態1と同一であり、実施形態1と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
(Embodiment 3)
The fuel cell system 1 according to Embodiment 3 detects the water pressure in the tank 170 as a state relating to the amount of water in the tank 170. Hereinafter, this embodiment will be described. The main configuration of the fuel cell system 1 according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment. The same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.

図7は、実施形態3に係る燃料電池システムの概略構成を示す流路図である。図7に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、タンク170内の水量に関する状態を検出する検出部として、実施形態1の水位センサ180に代えて、タンク170内の水圧を検出する水圧センサ260(検出部)を備える。水圧センサ260は、制御部190と信号ケーブルで接続されており、検出した水圧を状態信号として制御部190に送信する。   FIG. 7 is a flow chart showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3. As shown in FIG. 7, the fuel cell system 1 according to the present embodiment detects the water pressure in the tank 170 instead of the water level sensor 180 of the first embodiment as a detection unit that detects a state relating to the amount of water in the tank 170. A water pressure sensor 260 (detection unit) is provided. The water pressure sensor 260 is connected to the control unit 190 via a signal cable, and transmits the detected water pressure to the control unit 190 as a state signal.

制御部190は、水圧センサ260から受信した状態信号に基づいて、排ガスから回収される凝縮水の量を所定範囲に維持するように、分配割合調節弁160を制御する。制御部190は、水圧が所定の下限値を下回った場合に、タンク170内の水量に関する状態が水量を増大させるべき状態にあるとして、循環復路への分配割合を増大させるとともに熱回収水の流速を減少させる。また、制御部190は、水圧が所定の上限値を上回った場合に、タンク170内の水量に関する状態が水量を減少させるべき状態にあるとして、バイパス流路への分配割合を増大させるとともに熱回収水の流速を増大させる。   Based on the state signal received from the water pressure sensor 260, the control unit 190 controls the distribution ratio adjustment valve 160 so as to maintain the amount of condensed water recovered from the exhaust gas within a predetermined range. When the water pressure falls below a predetermined lower limit, the control unit 190 assumes that the state relating to the amount of water in the tank 170 is to increase the amount of water and increases the distribution ratio to the circulation return path and the flow rate of the heat recovery water. Decrease. In addition, when the water pressure exceeds a predetermined upper limit value, the control unit 190 assumes that the state relating to the water amount in the tank 170 is a state in which the water amount should be reduced, and increases the distribution ratio to the bypass channel and heat recovery. Increase water flow rate.

前記「所定の下限値」は、例えば改質部110への改質ガスの供給を維持することができる凝縮水の最低量にマージンを付加して、当該最低量よりも高く設定した水量で検出される水圧値である。また、前記「所定の上限値」は、例えばタンク170の収容限界量にマージンを付加して、当該収容限界量よりも低く設定した水量で検出される水圧値である。「所定の下限値」および「所定の上限値」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。   The “predetermined lower limit value” is detected, for example, by adding a margin to the minimum amount of condensed water that can maintain the supply of reformed gas to the reforming unit 110 and setting the amount of water higher than the minimum amount. Is the water pressure value to be applied. The “predetermined upper limit value” is, for example, a water pressure value detected by a water amount set lower than the accommodation limit amount by adding a margin to the accommodation limit amount of the tank 170. The “predetermined lower limit value” and the “predetermined upper limit value” can be appropriately set based on experiments and simulations by the designer.

以下に、燃料電池システム1の動作制御のフローを詳細に説明する。図8は、実施形態3に係る燃料電池システムの動作制御のフローチャートである。以下の説明では、実施形態1と同様の点は適宜省略する。   Hereinafter, the flow of operation control of the fuel cell system 1 will be described in detail. FIG. 8 is a flowchart of operation control of the fuel cell system according to Embodiment 3. In the following description, the same points as in the first embodiment are omitted as appropriate.

制御フローがスタートすると、制御部190は、水圧が所定範囲内にあるか判断する(S401)。制御部190は、水圧が所定の上限値以下かつ所定の下限値以上である場合に、水圧が所定範囲にあると判断する。水圧が所定範囲内にある場合(S401のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S402)。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S402のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させて(S403)、ステップ301に戻る。燃料電池100の発電出力が最大である場合(S402のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させることなくステップ301に戻る。   When the control flow starts, the control unit 190 determines whether the water pressure is within a predetermined range (S401). The control unit 190 determines that the water pressure is within a predetermined range when the water pressure is equal to or lower than a predetermined upper limit value and equal to or higher than a predetermined lower limit value. When the water pressure is within the predetermined range (Y in S401), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is maximum (S402). When the power generation output of the fuel cell 100 is not the maximum (N in S402), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 (S403) and returns to Step 301. When the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (Y in S402), the control unit 190 returns to step 301 without increasing the power generation output of the fuel cell 100.

水圧が所定範囲内にない場合(S401のN)、制御部190は、水圧が所定の下限値未満であるか判断する(S404)。水圧が所定の下限値未満である場合(S404のY)、制御部190は、熱回収水の循環流路への分配割合が最大であるか判断する(S405)。循環流路への分配割合が最大でない場合(S405のN)、制御部190は、第1出口162の開度を所定量だけ増大させて循環復路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を低減させる(S406)。   When the water pressure is not within the predetermined range (N in S401), the control unit 190 determines whether the water pressure is less than a predetermined lower limit (S404). When the water pressure is less than the predetermined lower limit (Y in S404), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the circulation flow path is the maximum (S405). When the distribution ratio to the circulation flow path is not the maximum (N in S405), the control unit 190 increases the distribution ratio to the circulation return path by increasing the opening degree of the first outlet 162 by a predetermined amount, and the heat recovery water outlet The flow rate of the heat recovery water is reduced so that the temperature of the heat recovery water at 144 falls within a predetermined range (S406).

循環流路への分配割合が最大である場合(S405のY)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最小であるか判断する(S407)。燃料電池100の発電出力が最小でない場合(S407のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を低減させる(S408)。燃料電池100の発電出力が最小である場合(S407のY)、制御部190は、第1出口162の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。   When the distribution ratio to the circulation channel is the maximum (Y in S405), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is the minimum (S407). When the power generation output of the fuel cell 100 is not minimum (N in S407), the control unit 190 reduces the power generation output of the fuel cell 100 (S408). When the power generation output of the fuel cell 100 is minimum (Y in S407), the control unit 190 maintains the opening degree of the first outlet 162 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

水圧が所定の下限値未満でない場合(S404のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力が最大であるか判断する(S409)。燃料電池100の発電出力が最大でない場合(S409のN)、制御部190は、燃料電池100の発電出力を増大させる(S410)。燃料電池100の発電出力が最大である場合(S409のY)、制御部190は、熱回収水のバイパス流路への分配割合が最大であるか判断する(S411)。   When the water pressure is not less than the predetermined lower limit (N in S404), the control unit 190 determines whether the power generation output of the fuel cell 100 is maximum (S409). When the power generation output of the fuel cell 100 is not the maximum (N in S409), the control unit 190 increases the power generation output of the fuel cell 100 (S410). When the power generation output of the fuel cell 100 is the maximum (Y in S409), the control unit 190 determines whether the distribution ratio of the heat recovery water to the bypass flow path is the maximum (S411).

バイパス流路への分配割合が最大でない場合(S411のN)、制御部190は、第2出口163の開度を所定量だけ増大させてバイパス流路への分配割合を増大させ、熱回収水出口144における熱回収水の温度が所定範囲となるように熱回収水の流速を増大させる(S412)。バイパス流路への分配割合が最大である場合(S411のY)、制御部190は、制御部190は、第2出口163の開度および燃料電池100の発電出力を現状のまま維持する。   When the distribution ratio to the bypass flow path is not the maximum (N in S411), the control unit 190 increases the distribution ratio to the bypass flow path by increasing the opening degree of the second outlet 163 by a predetermined amount, and the heat recovery water The flow rate of the heat recovery water is increased so that the temperature of the heat recovery water at the outlet 144 falls within a predetermined range (S412). When the distribution ratio to the bypass channel is the maximum (Y in S411), the control unit 190 maintains the opening degree of the second outlet 163 and the power generation output of the fuel cell 100 as they are.

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、タンク170内の水圧に基づいて、凝縮水の回収量を所定範囲に維持するように分配割合調節弁160を制御している。このような制御によっても、実施形態1に係る燃料電池システム1と同様の効果を奏することができる。   As described above, the fuel cell system 1 according to the present embodiment controls the distribution ratio adjusting valve 160 so as to maintain the recovered amount of condensed water within a predetermined range based on the water pressure in the tank 170. Even by such control, the same effects as the fuel cell system 1 according to Embodiment 1 can be obtained.

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれる。上述した各実施形態の変形例としては、たとえば以下のものを挙げることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art, and the embodiments to which such modifications are added are also possible. It is included in the scope of the present invention. As modifications of each embodiment mentioned above, the following can be mentioned, for example.

上述した各実施形態では、燃料電池システムの発電工程における排ガスと熱回収水との熱交換によって、水自立の維持とスケール発生の抑制とを図る場合を例に説明したが、燃料電池システムの停止工程においても、同様の制御によって水自立の維持とスケール発生の抑制とを図ることができる。例えば、燃料電池システムの停止工程では、オフガス燃焼部での燃焼と燃料電池の発電とが停止され、発電部に空気が供給されて発電部内が冷却される。発電部内の冷却に用いられた空気は、発電部から高温の排ガスとして熱交換器に送出される。そして、この排ガスに対して上述した制御が実施される。この場合、需要電力および発電電力はともに0Wであるため、発電電力が最大または最小であることを判定するステップ(たとえば、図2に示すフローのS102、S107、S111)においては、常にYが選択される。   In each of the embodiments described above, an example has been described in which water self-sustainment and scale generation are suppressed by heat exchange between exhaust gas and heat recovery water in the power generation process of the fuel cell system. However, the fuel cell system is stopped. Also in the process, it is possible to maintain water independence and suppress scale generation by the same control. For example, in the stop process of the fuel cell system, combustion in the off-gas combustion unit and power generation of the fuel cell are stopped, and air is supplied to the power generation unit to cool the inside of the power generation unit. The air used for cooling in the power generation unit is sent from the power generation unit to the heat exchanger as high-temperature exhaust gas. And the control mentioned above is implemented with respect to this waste gas. In this case, since both the demand power and the generated power are 0 W, Y is always selected in the step of determining whether the generated power is maximum or minimum (for example, S102, S107, S111 in the flow shown in FIG. 2). Is done.

1 燃料電池システム、 2 発電部、 100 燃料電池、 110 改質部、 112 オフガス燃焼部、 120 排ガス流路、 130 貯湯槽、 140 熱交換器、 150 熱回収水循環流路、 160 分配割合調節弁、 170 タンク、 180 水位センサ、 190 制御部、 230 循環ポンプ、 240 温度センサ、 250 排ガス温度センサ、 260 水圧センサ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system, 2 Power generation part, 100 Fuel cell, 110 Reforming part, 112 Off-gas combustion part, 120 Exhaust gas flow path, 130 Hot water storage tank, 140 Heat exchanger, 150 Heat recovery water circulation flow path, 160 Distribution ratio adjustment valve, 170 tank, 180 water level sensor, 190 control unit, 230 circulation pump, 240 temperature sensor, 250 exhaust gas temperature sensor, 260 water pressure sensor.

Claims (11)

アノードおよびカソードを含む燃料電池を有する発電部と、
前記発電部から排出される排ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガスの熱を回収するための熱媒体を貯蔵する貯蔵槽と、
前記排ガス流路を流れる排ガスと前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部と、
前記貯蔵槽内の熱媒体を前記熱交換部に供給するための循環往路、前記熱交換部を通過した熱媒体を前記貯蔵槽に送出する循環復路、および前記熱交換部を通過した熱媒体を前記貯蔵槽を介さずに前記循環往路に合流させるバイパス流路を有する熱媒体循環流路と、
前記熱媒体循環流路内の熱媒体を循環させ、前記熱媒体の流速を調節する循環装置と、
前記熱媒体の流量の前記循環復路および前記バイパス流路への分配割合を調節するための分配割合調節部と、
前記熱交換部を通過した排ガスから回収された凝縮水を収容するタンクと、
前記タンク内の水量に関する状態を検出して状態信号を送信するための検出部と、
前記状態信号に基づいて、前記排ガスから回収される凝縮水の量を所定範囲に維持するように前記分配割合調節部を制御し、前記熱交換部で熱交換が行われた熱媒体の温度が所定範囲となるように前記循環装置を制御する制御部と、
を備え
前記状態が前記水量を増大させるべき状態である場合に、前記制御部は、前記循環復路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させることを特徴とする燃料電池システム。
A power generation unit having a fuel cell including an anode and a cathode;
An exhaust gas flow path through which exhaust gas discharged from the power generation unit flows;
A storage tank for storing a heat medium for recovering heat of the exhaust gas;
A heat exchanging section for exchanging heat between the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage and the heat medium;
A circulation forward path for supplying the heat medium in the storage tank to the heat exchange section, a circulation return path for sending the heat medium that has passed through the heat exchange section to the storage tank, and a heat medium that has passed through the heat exchange section A heat medium circulation flow path having a bypass flow path that merges with the circulation forward path without passing through the storage tank;
A circulation device that circulates the heat medium in the heat medium circulation flow path and adjusts the flow rate of the heat medium;
A distribution ratio adjusting unit for adjusting a distribution ratio of the flow rate of the heat medium to the circulation return path and the bypass flow path;
A tank for storing condensed water recovered from the exhaust gas that has passed through the heat exchange section;
A detection unit for detecting a state relating to the amount of water in the tank and transmitting a state signal;
Based on the state signal, the distribution ratio adjusting unit is controlled to maintain the amount of condensed water recovered from the exhaust gas within a predetermined range, and the temperature of the heat medium subjected to heat exchange in the heat exchanging unit is determined. A control unit for controlling the circulation device to be within a predetermined range;
Equipped with a,
When the state is a state where the amount of water should be increased, the control unit increases a distribution ratio to the circulation return path and reduces a flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit. Fuel cell system.
前記発電部は、改質部および燃焼部をさらに有し、
前記改質部は、原燃料を改質して前記燃料電池に供給する改質ガスを生成し、
前記燃焼部は、燃料およびアノードオフガスの少なくとも1つを燃焼用酸素含有ガスおよびカソードオフガスの少なくとも1つと混合して燃焼させ、前記改質部を加熱する請求項1に記載の燃料電池システム。
The power generation unit further includes a reforming unit and a combustion unit,
The reforming unit reforms raw fuel to generate reformed gas to be supplied to the fuel cell,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustion unit mixes and combusts at least one of a fuel and an anode off gas with at least one of a combustion oxygen-containing gas and a cathode off gas, and heats the reforming unit.
前記制御部は、前記循環復路への分配割合が最大である場合に、前記燃料電池の発電出力を低減させる請求項に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the control unit reduces the power generation output of the fuel cell when a distribution ratio to the circulation return path is maximum. 3. 前記状態が前記水量を減少させるべき状態である場合に、前記制御部は、前記燃料電池の発電出力を増大させる請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 If the state is a condition to reduce the water volume, the control unit, the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 increase the power output of the fuel cell. 前記制御部は、前記燃料電池の発電出力が最大である場合に、前記バイパス流路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させる請求項に記載の燃料電池システム。 Wherein, when the power generation output of the fuel cell is at a maximum, according to claim 4 to increase the flow rate of the heat medium passing through the heat exchanging portion with increasing the distribution ratio to the bypass channel Fuel cell system. 前記検出部は、前記タンク内の水位を検出し、
前記水位が所定の下限値を下回った場合に、前記制御部は、前記循環復路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させる請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The detection unit detects a water level in the tank,
6. The control unit according to any one of claims 1 to 5 , wherein when the water level falls below a predetermined lower limit value, the control unit increases a distribution ratio to the circulation return path and reduces a flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit. The fuel cell system according to claim 1.
前記検出部は、前記タンク内の水位を検出し、
前記水位が所定の上限値を上回った場合に、前記制御部は、前記バイパス流路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させる請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The detection unit detects a water level in the tank,
When the water level exceeds a predetermined upper limit value, the control unit, of claims 1 to 6 to increase the flow rate of the heat medium passing through the heat exchanging portion with increasing the distribution ratio to the bypass channel The fuel cell system according to any one of claims.
前記検出部は、前記排ガスの温度を検出し、
前記凝縮水の回収量と前記タンク内の水の使用量との差は、前記排ガスの温度に応じて決まり、
前記排ガスの温度が、前記差が所定の下限値を下回る温度である場合に、前記制御部は、前記循環復路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させる請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The detection unit detects the temperature of the exhaust gas,
The difference between the amount of condensed water recovered and the amount of water used in the tank is determined according to the temperature of the exhaust gas,
When the temperature of the exhaust gas is a temperature at which the difference is less than a predetermined lower limit value, the control unit increases the distribution ratio to the circulation return path and reduces the flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7 .
前記検出部は、前記排ガスの温度を検出し、
前記凝縮水の回収量と前記タンク内の水の使用量との差は、前記排ガスの温度に応じて決まり、
前記排ガスの温度が、前記差が所定の上限値を上回る温度である場合に、前記制御部は、前記バイパス流路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させる請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The detection unit detects the temperature of the exhaust gas,
The difference between the amount of condensed water recovered and the amount of water used in the tank is determined according to the temperature of the exhaust gas,
When the temperature of the exhaust gas is a temperature at which the difference exceeds a predetermined upper limit value, the control unit increases the distribution ratio to the bypass flow path and sets the flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit. the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8 to increase.
前記検出部は、前記タンク内の水圧を検出し、
前記水圧が所定の下限値を下回った場合に、前記制御部は、前記循環復路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を低減させる請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The detection unit detects water pressure in the tank,
10. The control unit according to any one of claims 1 to 9 , wherein when the water pressure falls below a predetermined lower limit, the control unit increases a distribution ratio to the circulation return path and reduces a flow rate of the heat medium passing through the heat exchange unit. The fuel cell system according to claim 1.
前記検出部は、前記タンク内の水圧を検出し、
前記水圧が所定の上限値を上回った場合に、前記制御部は、前記バイパス流路への分配割合を増大させるとともに前記熱交換部を通過する熱媒体の流速を増大させる請求項1乃至10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The detection unit detects water pressure in the tank,
If the water pressure exceeds a predetermined upper limit value, the control unit, of claims 1 to 10 to increase the flow rate of the heat medium passing through the heat exchanging portion with increasing the distribution ratio to the bypass channel The fuel cell system according to any one of claims.
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