JP6561603B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
以下、本発明による燃料電池システムの第一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システム1の概要を示す概要図である。この燃料電池システム1は、発電ユニット10および貯湯槽21を備えている。
発電ユニット10は、筐体10a、燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、制御装置15を備えている。燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、制御装置15は、筐体10a内に収容されている。
蒸発部32には、改質用原料供給管11aの他端および水供給管11bの他端が接続されている。蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、水タンク14から水供給管11bを介して改質水として供給される凝縮水を蒸発させて水蒸気(改質用水蒸気)を生成して導出するものである。また、蒸発部32は、改質用原料供給管11aを介して供給された改質用原料を予熱するものである。そして、蒸発部32は、改質水(凝縮水)を蒸発させて生成された水蒸気(改質用水蒸気)と予熱された改質用原料を混合して改質部33へ導出するものである。改質用原料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
電流引出部材51dは、セル51a1,51b1の発電により生じる電流を引き出すものである。電流引出部材51dは、導電性材料にて、前後方向に延びる板状に形成されている。また、電流引出部材51dは、支持部材51cと一体的に形成されている。
連結部材51eは、導電性材料によって形成され、スタック51a,51bの前端部にそれぞれ設けられた電流引出部材51dを連結するものである。ここで、スタック51a,51bは、スタック51a,51bの同じ側の端部で、極性が逆となるように配設されている。これにより、連結部材51eは、スタック51a,51bを電気的に直列に連結する。
(化1)
H2+O2−→H2O+2e−
(化2)
CO+O2−→CO2+2e−
(化3)
1/2O2+2e−→O2−
第一温度センサ37は、第一燃焼部35aに配設され、配設された位置の温度を検出するものである。第一温度センサ37は、具体的には、第一燃焼部35aにおける第一スタック51aと蒸発部32との間に、燃焼ガス(火炎36)および第一点火ヒータ35cに接触しない位置に配設されている。また、第一温度センサ37は、第一点火ヒータ35cが熱を発生したときに、温度が上昇する位置に配設されている。第一温度センサ37は、その検出結果を制御装置15に送信する。
非着火発熱部15bは、燃料電池システム1の起動運転中において、燃焼部35に可燃性ガスを導入させないことにより燃焼部35を着火せずに発熱部35c1によって熱を発生させるものである。非着火発熱部15bは、具体的には、供給源Gsから改質用原料を燃料電池モジュール30に供給せずに、すなわち、原料ポンプ11a1をオフにして、第一点火ヒータ35cをオンにする。
着火判定部15eは、燃料電池システム1の起動運転中において、燃焼部35が着火されたか否かを判定するものである(後述する)。
起動運転が開始された場合、制御装置15は、ステップS102にて、カウンタiを初期値ゼロに設定する。カウンタiは、点火ヒータ35c,35dがオンされた場合においても、可燃性ガスが点火されずに燃焼部35が着火されない回数をカウントするカウンタである。制御装置15は、ステップS104にて、カソードエアブロワ11c1をオンにする。これにより、燃料電池51への空気の供給が開始される。そして、制御装置15は、ステップS106にて、燃料電池51に改質用原料が供給されていない状態にて第一点火ヒータ35cをオンする(非着火発熱部15b)。
燃料電池システム1の起動運転が開始され、第一点火ヒータ35cがオンされたとき(時刻t1;ステップS106)、第一点火ヒータ35cの熱の発生により第一検出温度Th1が上昇する。そして、第一所定時間Ts1が経過したとき(時刻t2;ステップS108)、その時点における温度差Thdに基づいて、温度上昇速度Vtを算出する(ステップS110)。さらに、このとき、制御装置15は、第二点火ヒータ35dおよび原料ポンプ11a1をオンにして可燃性ガスを燃焼部35に導出させることにより可燃性ガスの点火を開始し(時刻t2(点火開始時点Tk);ステップS112)、第一開始温度Thk1および温度上昇速度Vtから非着火温度Thnを推定するとともに(ステップS114)、第二開始温度Thk2を記憶する(ステップS116)。
燃焼部35が着火されたとき(時刻t3)、第一温度センサ37は、第一燃焼部35aに配設されていることにより火炎36と比較的近いため、第一検出温度Th1は、急激に上昇し、第一判定温度Ht1(=非着火温度Thn+所定温度Ths)より高くなる。また、この場合、第二燃焼部35bが改質部33を加熱しているが、第二温度センサ38が改質部33の内部に配設されているため、第二検出温度Th2は、徐々に上昇する。さらに、第二燃焼部35bが改質部33を加熱することにより、第二検出温度Th2と第二開始温度Thk2との温度差が判定温度差Htd以上となり(時刻t4)、第二検出温度Th2が第二判定温度Ht2以上となる(時刻t5)。このとき、点火開始時点Tkから第二所定時間Ts2が経過する時点(時刻t6)より前に、制御装置15は、燃焼部35が着火されたと判定するため(ステップS118〜126)、点火ヒータ35c,35dをオフにする(時刻t5;ステップS128)。
これによれば、第一温度センサ37が燃焼部35に配設され、第二温度センサ38が燃焼部35によって加熱される改質部33の内部に配設され、各温度センサ37,38は、それぞれ配設された位置の温度を検出する。そして、着火判定部15eは、燃料電池システム1の起動運転中において、異なる部位に配設された第一温度センサ37および第二温度センサ38の検出温度に基づいて、燃焼部35が着火されたか否かを判定する。したがって、燃焼部35が着火されたことを確実に判定することができる。
また、着火判定部15eは、燃焼部35によって加熱される改質部33の内部に配設された第二温度センサ38の検出温度(第二検出温度Th2)から、燃焼部35が着火されたか否かを判定する。蒸発部32および改質部33は、燃焼部35によって加熱されているため、燃焼部35が着火された場合、蒸発部32および改質部33の内部の温度が上昇する。よって、例えば、点火開始時点Tkから第二所定時間Ts2経過後に、第二検出温度Th2の上昇温度が比較的小さい場合、または、第二検出温度Th2が第二判定温度Ht2より低い場合、着火判定部15eは、燃焼部35が着火されていないと判定することができる。したがって、着火判定部15eは、第一検出温度Th1および第二検出温度Th2から燃焼部35が着火されたか否かを判定するため、燃焼部35の着火を確実に判定することができる。
これによれば、燃料電池51が二つのスタック51a,51bにより形成されている場合においても、本第一実施形態のように、第一温度センサ37が一方の第一スタック51aの上方に位置する第一燃焼部35aに、第二温度センサ38が他方の第二スタック51bの上方に位置する改質部33の内部に配設される。よって、着火判定部15eは、二つスタック51a,51bそれぞれの上方に位置する燃焼部35の上昇温度に基づいて、燃焼部35が着火されたか否かを判定する。したがって、着火判定部15eは、燃料電池51が二つのスタック51a,51bにより形成されている場合においても、燃焼部35の着火を確実に判定することができる。
次に、本発明による燃料電池システム1の第二実施形態について、主として上述した第一実施形態と異なる部分について説明する。上述した第一実施形態において、燃料電池51は、二つのスタック51a,51bにて構成されているが、本第二実施形態においては、図8に示すように、一つのスタック151cにて構成されている。スタック151cは、上述した第一実施形態におけるスタック51a,51bと同様に構成されている。また、本第二実施形態においては、上述した第一実施形態におけるハウジング40に代えて、ハウジング140を備えている。ハウジング140は、前後方向に延びる直方体状に形成され、スタック151cの上方に位置する。ハウジング140は、内部を空洞とする断面方形状に形成されている。ハウジング140の内部は、二つの部屋に流通可能に区画され、前側の第一の部屋141に蒸発部32が配設され、後側の第二の部屋142に改質部33が配設されている。改質ガス供給管154は、改質部33とマニホールド152とを後方にて接続している。
これによれば、着火判定部15eは、燃焼部135における異なる部位に位置する第一燃焼部135aおよび第二燃焼部135bそれぞれの上昇温度に基づいて、燃焼部135が着火されたか否かを判定する。よって、制御装置15は、燃焼部135が部分的に着火された場合に、燃焼部135が全体的に着火されていないと判定することができる。したがって、着火判定部15eは、燃焼部135の着火をより確実に判定することができる。
次に、本発明による燃料電池システム1の第三実施形態について、主として上述した第一実施形態とことなる部分について説明する。上述した実施形態において、燃料電池モジュール30は、一つの改質部33を備えているが、本第三実施形態においては、図9に示すように、二つの改質部233a,233bを備えている。さらに、本第三実施形態においては、燃料電池モジュール30は、脱硫部239をさらに備えている。
また、本第三実施形態において、第一温度センサ37は、上述した第一実施形態と同様に、第一燃焼部35aに配設されている。また、第二温度センサ38は、第二改質部233bの内部に配設されている。
また、上述した各実施形態において、燃料電池モジュール30は、各温度センサ37,38を複数備え、第一温度センサ37が各燃焼部35a,35bに、第二温度センサ38が蒸発部32および改質部33の内部にそれぞれ配設されるようにしても良い。すなわち、第二温度センサ38は、蒸発部32および改質部33の少なくともいずれか一方の内部に配設されている。
Claims (3)
- 改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
供給源から供給される改質用原料と、前記蒸発部から供給される前記水蒸気とから前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
前記蒸発部および前記改質部と前記燃料電池との間にて、前記燃料電池の燃料極から導出される可燃性ガスを前記酸化剤ガスで燃焼させ、前記蒸発部および前記改質部を加熱する燃焼部と、
熱を発生する発熱部を有し、前記燃焼部に導入された前記可燃性ガスを前記発熱部により加熱することによって点火して、前記燃焼部を着火する加熱装置と、
前記燃焼部に配設され、配設された位置の温度を検出する第一温度センサと、
前記蒸発部および前記改質部の少なくともいずれか一方の内部に配設され、配設された位置の温度を検出する第二温度センサと、
前記燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの起動運転中において、前記燃焼部に前記可燃性ガスを導入させないことにより前記燃焼部を着火せずに前記発熱部によって熱を発生させる非着火発熱部と、
前記非着火発熱部によって前記発熱部が熱を発生しているときに、前記第一温度センサの検出温度に基づいて、前記燃焼部が着火されていない場合における前記第一温度センサの検出温度が上昇する速度である温度上昇速度を算出する温度上昇速度算出部と、
前記燃料電池システムの起動運転中において、前記加熱装置によって前記可燃性ガスの点火が開始された場合、前記温度上昇速度算出部によって算出された前記温度上昇速度に基づいて、前記可燃性ガスの点火が開始された点火開始時点から所定時間経過した時点の前記燃焼部が着火されていない場合における前記第一温度センサの検出温度である非着火温度を推定する温度推定部と、
燃料電池システムの起動運転中において、前記燃焼部が着火されたか否かを判定する着火判定部と、を備え、
前記着火判定部は、
前記点火開始時点から前記所定時間以内に、前記第一温度センサの検出温度が、前記温度推定部によって推定された非着火温度に所定温度を加えた第一判定温度以上となり、前記第二温度センサの検出温度が、判定温度差以上上昇し、かつ、第二判定温度以上となった場合、前記燃焼部が着火されたと判定する燃料電池システム。 - 前記蒸発部および前記改質部は、前記燃料電池の上方に配設され、
前記燃焼部は、前記蒸発部を加熱する第一燃焼部および前記改質部を加熱する第二燃焼部を備え、
前記第一温度センサは、前記第一燃焼部および前記第二燃焼部の一方に配設され、
前記第二温度センサは、前記第一燃焼部および前記第二燃焼部の他方によって加熱される前記蒸発部および前記改質部の一方の内部に配設されている請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記蒸発部および前記改質部は、前記燃料電池の上方に配設され、
前記燃料電池は、前記燃料極を有するセルが積層された二つのスタックを並列に配設させて、電気的に接続することにより形成され、
前記第一温度センサは、二つの前記スタックのうち一方の上方に位置する前記燃焼部に配設され、
前記第二温度センサは、二つの前記スタックのうち他方の上方に配設された前記蒸発部および前記改質部の一方の内部に配設されている請求項1記載の燃料電池システム。
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