JP6591112B1 - 加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法 - Google Patents
加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機からの吐出空気と前記タービンから排気された排ガスとを熱交換する再生熱交換器と、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに供給される起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を含む流通空気を加熱する起動用加熱器と、
前記起動用加熱器で加熱された前記流通空気で燃料を燃焼させて生成した燃焼ガスを前記タービンに供給する触媒燃焼器と
を備える。
前記圧縮機を駆動するモータをさらに備え、
前記起動用空気は、前記モータによって駆動された前記圧縮機によって供給される。
この構成によれば、モータによって駆動された圧縮機からの吐出空気を起動用空気として使用することができるので、起動用ブロワと吐出空気の流量調節弁が不要にできる。起動用空気としての吐出空気は、再生熱交換器で加熱された後に起動用加熱器に供給されるので、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
前記モータは、増速機を介して前記圧縮機に接続されている。
この構成によれば、モータの回転を増速して圧縮機に伝達できるので、低廉な低速回転のモータを使用できるので、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストをさらに低減することができる。
前記圧縮機からの吐出空気の一部が前記再生熱交換器をバイパスするための再生熱交換器バイパスラインをさらに備える。
この構成によれば、圧縮機からの吐出空気の一部を再生熱交換器に流入させないようにすることができる。これにより、再生熱交換器に流入する吐出空気量を削減できることから、起動用加熱器に流入する流通空気をさらに昇温できる。これにより、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
またこの構成によれば、起動用燃焼器供給空気だけでなく、燃料電池供給空気も昇温できるため、燃料電池の暖機に要するコストも低減できる。
前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記触媒燃焼器に流入する前記流通空気に合流する。この排空気ラインに合流する再生熱交換器バイパスラインを吐出空気バイパスラインと称する。
この構成によれば、タービンを駆動する燃焼ガス流量を減じることなく、即ちターボチャージャの動作点を変えず、圧縮機吸気流量を減らすことなく、前記触媒燃焼器に供給する吐出空気を昇温できる。そのため、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
またこの構成によれば、起動用燃焼器供給空気だけでなく、燃料電池供給空気も昇温できるため、燃料電池の暖機に要するコストも低減できる。
前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記再生熱交換器から流出した前記排ガスに合流する。この排ガスラインに合流する再生熱交換器バイパスラインを抽気ブローラインと称する。
この構成によれば、燃焼ガス温度を上げなくても、ターボチャージャの圧力比が低下するため前記触媒燃焼器に供給される排ガスを昇温できる。そのため、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
またこの構成によれば、起動用燃焼器供給空気だけでなく、燃料電池供給空気も昇温できるため、燃料電池の暖機に要するコストも低減できる。
前記再生熱交換器で加熱された前記流通空気が流通する加圧空気ラインと、
前記加圧空気ラインから分岐して、前記起動用加熱器を流通した後に排空気ラインに合流する分岐ラインと、該分岐ラインの前記起動用加熱器の下流からさらに分岐して、該加圧空気ラインに再び合流する燃料電池加熱用バイパス空気ラインと
を備える。
前記起動用加熱器よりも上流側に、前記起動用加熱器に流入する前記流通空気の流量を調整する流量調整弁を備える。
この構成によれば、起動用加熱器よりも上流側に流量調整弁が設けられていることにより、流量調整弁として高温弁ではなく、より低コストの低温弁を使用することができるので、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
前記起動用加熱器は、
前記触媒燃焼器に供給される前記流通空気を加熱する第1加熱器と、
前記加圧空気ラインを流通する前記流通空気を加熱する第2加熱器と
を含む。
この構成によると、第1加熱器及び第2加熱器のそれぞれに流入する流通空気気の流量を調整するための流量調整弁を第1加熱器及び第2加熱器のそれぞれの上流側に設けることができるので、上記(8)による作用効果を得ることができる。
上記(1)乃至(9)のいずれかの加圧空気供給システムと、
空気極と燃料極とを有する燃料電池と
を備え、
前記加圧空気供給システムから供給された加圧空気が前記空気極に流入するように構成されている。
この構成によれば、燃料電池システムを起動するためのコストを低減することができる。
上記(1)乃至(9)のいずれかの加圧空気供給システムの起動方法であって、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに前記起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を供給するステップと、
前記起動用加熱器を起動して、前記流通空気を加熱するステップと、
加熱された前記流通空気によって前記触媒燃焼器の触媒温度が予め設定された温度以上に上昇した後、前記触媒燃焼器を起動して前記流通空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するステップと、
前記燃焼ガスによる前記タービンの回転によって前記圧縮機が駆動されるようになった後、前記起動用加熱器を停止又は前記起動用加熱器の負荷を低下させるステップと
を含む。
図1に示されるように、本開示の実施形態1に係る燃料電池システム1は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)である燃料電池2と、燃料電池2に加圧空気を供給するための加圧空気供給システム3とを備えている。燃料電池2は、空気極2aと、燃料極2bと、空気極2a及び燃料極2b間に設けられた固体電解質2cとを有している。
図1に示されるように、流量調整弁18,26,36,38,41をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機22を起動するとともに起動用加熱器16を起動する。そうすると、起動用空気圧縮機22から起動用空気が起動用空気供給ライン21を介して吐出空気ライン14に供給される。吐出空気ライン14に供給された起動用空気は、再生熱交換器13を通過した後、加圧空気ライン25を流通する。起動用空気は、加圧空気ライン25を流通する過程で起動用加熱器16によって加熱され、分岐ライン27を流通して、排空気ラインを通り触媒燃焼器17に流入する。
次に、実施形態2に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態2に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態1に対して、起動用空気供給装置15の構成を変更したものである。尚、実施形態2において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図2に示されるように、流量調整弁20,26,36,38,41をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、モータ51を起動すると、圧縮機11から空気が吐出され、この吐出空気は吐出空気ライン14を流通する。
次に、実施形態3に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態3に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態1又は2に対して、圧縮機11からの吐出空気の一部を排空気ライン42に供給できるように変更したものである。以下では、実施形態1の構成に対して、圧縮機11からの吐出空気の一部を排空気ライン42に供給できるようにした構成で実施形態3を説明するが、実施形態2の構成に対して、圧縮機11からの吐出空気の一部を排空気ライン42に供給できるようにして、実施形態3を構成してもよい。尚、実施形態3において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図3に示されるように、流量調整弁18,26,36,38,41,57をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機22を起動し、次いで起動用加熱器16を起動する。この後の動作については、加圧空気供給システム3から加圧空気を燃料電池2の空気極2aに流入させた後、流量調整弁28を全閉にし、起動用加熱器16を再起動又は起動用加熱器16の出力を増加するまでの動作は実施形態1と同じである。
次に、実施形態4に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態4に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態1乃至3に対して、起動用加熱器16を分岐ライン27上に置き、燃料電池加熱用バイパス空気ライン60を付加したものである。以下では、実施形態1の構成に対して、起動用加熱器バイパスラインを付加した構成で実施形態4を説明するが、実施形態2又は3の構成に対して、起動用加熱器バイパスラインを付加した構成で実施形態4を構成してもよい。尚、実施形態4において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図4に示されるように、流量調整弁18,26,36,38,41,61をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機22を起動し、次いで起動用加熱器16を起動する。この後の動作については、加圧空気供給システム3が起動して、流量調整弁26を開け、燃料電池2の空気極2aに加圧空気を供給するまでは実施形態1と同じである。
次に、実施形態5に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態5に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態4に対して、起動用加熱器16を2つの加熱器(触媒燃焼器17暖機用の第1加熱器71と燃料電池2暖機用の第2加熱器72)から構成されるように変更したものである。尚、実施形態5において、実施形態4の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図5に示されるように、流量調整弁18,26,36,38,41,61をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機22を起動し、次いで第1加熱器71を起動する。そうすると、起動用空気圧縮機22から起動用空気が起動用空気供給ライン21を介して吐出空気ライン14に供給され、吐出空気ライン14に供給された起動用空気は、再生熱交換器13を通過した後、加圧空気ライン25を流通し、分岐点Aにおいて分岐ライン27に流入して第1加熱器71によって加熱される。第1加熱器71によって加熱された起動用空気は、分岐ライン27を流通した後、排空気ライン42に流入して、触媒燃焼器17に流入する。
2 燃料電池
2a 空気極
2b 燃料極
2c 固体電解質
3 加圧空気供給システム
10 ターボチャージャ
11 圧縮機
12 タービン
13 再生熱交換器
14 吐出空気ライン
15 起動用空気供給装置
16 起動用加熱器
17 触媒燃焼器
18 流量調整弁
19 抽気ブローライン(再生熱交換器バイパスラインの一つ)
20 流量調整弁
21 起動用空気供給ライン
22 起動用空気圧縮機
23 流量調整弁
24 排ガスライン
25 加圧空気ライン
26 流量調整弁
27 分岐ライン
28 流量調整弁
30 燃料の供給源
31 燃料供給ライン
32 排燃料ライン
33 熱交換器
34 冷却器
35 再循環ブロワ
36 流量調整弁
37 再循環ライン
38 流量調整弁
39 流量調整弁
40 燃料供給ライン
41 流量調整弁
42 排空気ライン
51 モータ
52 増速機
53 圧縮機11の駆動軸(ロータ)
56 吐出空気バイパスライン(再生熱交換器バイパスラインの一つ)
57 流量調整弁
60 燃料電池加熱用バイパス空気ライン
61 流量調整弁
71 第1加熱器
72 第2加熱器
Claims (11)
- タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機からの吐出空気と前記タービンから排気された排ガスとを熱交換する再生熱交換器と、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに供給される起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を含む流通空気を加熱する起動用加熱器と、
前記起動用加熱器で加熱された前記流通空気で燃料を燃焼させて生成した燃焼ガスを前記タービンに供給する触媒燃焼器と
を備える加圧空気供給システム。 - 前記圧縮機を駆動するモータをさらに備え、
前記起動用空気は、前記モータによって駆動された前記圧縮機によって供給される、請求項1に記載の加圧空気供給システム。 - 前記モータは、増速機を介して前記圧縮機に接続されている、請求項2に記載の加圧空気供給システム。
- 前記圧縮機からの吐出空気の一部が前記再生熱交換器をバイパスするための再生熱交換器バイパスラインをさらに備える、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の加圧空気供給システム。
- 前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記触媒燃焼器に流入する前記流通空気に合流する、請求項4に記載の加圧空気供給システム。
- 前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記再生熱交換器から流出した前記排ガスに合流する、請求項4に記載の加圧空気供給システム。
- 前記再生熱交換器で加熱された前記流通空気が流通する加圧空気ラインと、
前記加圧空気ラインから分岐して、前記起動用加熱器を流通した後に排空気ラインに合流する分岐ラインと、該分岐ラインの前記起動用加熱器の下流からさらに分岐して、該加圧空気ラインに再び合流する燃料電池加熱用バイパス空気ラインと
を備える、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の加圧空気供給システム。 - 前記起動用加熱器よりも上流側に、前記起動用加熱器に流入する前記流通空気の流量を調整する流量調整弁を備える、請求項7に記載の加圧空気供給システム。
- 前記起動用加熱器は、
前記触媒燃焼器に供給される前記流通空気を加熱する第1加熱器と、
前記加圧空気ラインを流通する前記流通空気を加熱する第2加熱器と
を含む、請求項8に記載の加圧空気供給システム。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の加圧空気供給システムと、
空気極と燃料極とを有する燃料電池と
を備え、
前記加圧空気供給システムから供給された加圧空気が前記空気極に流入するように構成されている燃料電池システム。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の加圧空気供給システムの起動方法であって、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに前記起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を供給するステップと、
前記起動用加熱器を起動して、前記流通空気を加熱するステップと、
加熱された前記流通空気によって前記触媒燃焼器の触媒温度が予め設定された温度以上に上昇した後、前記触媒燃焼器を起動して前記流通空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するステップと、
前記燃焼ガスによる前記タービンの回転によって前記圧縮機が駆動されるようになった後、前記起動用加熱器を停止又は前記起動用加熱器の負荷を低下させるステップと
を含む、加圧空気供給システムの起動方法。
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