JP6637805B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、燃料電池部の出力電力に余剰が発生するとその余剰電力を電気ヒーター装置で消費するタイプの燃料電池システムでは、電気ヒーター装置で生じた熱も蓄熱装置に蓄えることになる。その結果、余剰電力が発生すると、蓄熱装置に蓄えられている熱量が増え過ぎるという問題も生じる。
前記回収水タンクに貯えられている回収水の量を検出する水量検出部を備え、
前記制御装置は、前記回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされないとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行うように構成され、
前記制御装置は、前記水量減少条件が満たされないとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が第1水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記通常管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされるとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が前記第1水量よりも少ない第2水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記特別管理処理を行う点にある。
加えて、制御装置は、通常管理処理では、水量検出部が検出した回収水タンクに貯えられている回収水の量が第1水量未満になると水量減少エラーを報知する。その結果、回収水の量の低下を引き起こした原因を解消するためのメンテナンスなどを必要に応じて行うことができる。また、制御装置は、水量検出部が検出した回収水タンクに貯えられている回収水の量が上記第1水量未満になっただけでは水量減少エラーを報知せず、その第1水量よりも少ない第2水量未満になったときに水量減少エラーを報知する。これにより、水量減少エラーが頻発されることを回避できる。
従って、回収水を適切に管理できる燃料電池システムを提供できる。
そこで本特徴構成では、水回収部で空気極排ガスに対する冷却が十分に行われない状態を、回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされる状態と判定して特別管理処理を行う。
以下に図面を参照して本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
図1は、燃料電池システムの構成を示す図である。図2は、発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、燃料電池部12と、燃料改質部13と、複合熱交換器39(本発明の水回収部の一例)と、回収水タンク36と、制御装置Cとを備える。
本実施形態において、熱と電気とを併せて発生する熱電併給部としての燃料電池部12は、水素などの燃料ガスが供給される燃料極33と酸素(空気)が供給される空気極32とを有するセルが複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部12は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、本実施形態の発電ユニット10は、燃料電池部12に対して、炭化水素等の水蒸気改質によって生成した燃料ガス(水素等)を供給するための燃料改質部13を併せて備えている。
排熱回収ユニット20は、発電ユニット10からの排熱を回収するように構成されている。例えば、排熱回収ユニット20は、発電ユニット10の燃料電池部12を運転しているとき、発電ユニット10と貯湯タンク21(蓄熱装置21の一例)との間で熱媒としての湯水を循環させながら、発電ユニット10で発生された熱の回収と、貯湯タンク21への蓄熱とを行わせるように構成されている。そのため、排熱回収ユニット20は、熱を蓄えるための貯湯タンク21、及び、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプ及び電磁弁などの付属機器23で構成される。従って、排熱回収ユニット20では、燃料電池部12のセルスタックを冷却するために、発電ユニット10の連系運転が行われている間及び自立運転が行なわれている間の何れにおいても、排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として上記付属機器23において電力が消費されることになる。排熱回収ユニット20への電力供給は、切替スイッチ6に接続される内部電力線17を介して行われる。
発電ユニット10の主要な構成部分として、燃料改質部13と燃料電池部12とがある。
燃料改質部13は、供給される蒸発用水を蒸発させる蒸気生成器41と、供給される炭化水素を含む原燃料ガスをその蒸気生成器41から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して、燃料ガスとしての水素を含む水素含有ガスを生成する改質器30とを有する。具体的には、燃料改質部13では、原燃料流路L1を通って改質器30へ原燃料が供給され、改質器30で生成された改質ガスが改質ガス流路L2を通って燃料電池部12の燃料極33に供給される。燃料電池部12の空気極32には、発電用空気流路L8を通って酸素(空気)が供給される。そして、燃料電池部12で発電が行われる。
空気極32に供給する酸素の量は、制御装置CがブロアB2の動作を制御することで調節される。
冷却部34を流れる回収水の量は、制御装置CがポンプP4の動作を制御することで調節される。
改質器30に供給する原燃料の量は、制御装置CがブロアB3の動作を制御することで調節され、及び、改質器30に供給する水蒸気の量は、制御装置CがポンプP6の動作を制御することで調節され、それにより燃料極33に供給される改質ガスの量が調節される。
燃焼室31に供給する空気の量は、制御装置CがブロアB1の動作を制御することで調節される。また、上記説明において、燃料極排ガス流路L3及び燃焼排ガス流路L4は、本発明の「燃料極33の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路」に対応し、空気極排ガス流路L5は、本発明の「空気極32の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路」に対応する。
このように、複合熱交換器39は、本発明の「燃料極33の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路、及び、空気極32の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部」として機能する。
回収水流路L7を流れる回収水の量、即ち、イオン交換樹脂37で処理される回収水の量は、制御装置CがポンプP3の動作を制御することで調節される。
排熱回収流路L10を流れる湯水の量は、制御装置CがポンプP2の動作を制御することで調節される。
制御装置Cは、回収水タンク36への単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとき、回収水タンク36に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行い、水量減少条件が満たされないとき、回収水タンク36に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行う。
具体例を挙げると、通常管理処理では、制御装置Cは、水量検出部43の検出結果に基づいて、回収水タンク36に貯えられている回収水の量が所定量未満になったと判定すると、水補給路L14に設けられているバルブ42を所定の通常開弁期間だけ開くことで、回収水タンク36への給水を行う。
これに対して、特別管理処理では、制御装置Cは、水量検出部43の検出結果に基づいて、回収水タンク36に貯えられている回収水の量が上記所定量未満になったと判定すると、水補給路L14に設けられているバルブ42を、上記通常開弁期間よりも長い特別開弁期間だけ開くことで、回収水タンク36への給水を行う。つまり、特別管理処理では、回収水タンク36に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で、1回の給水により通常管理処理よりも多い水が回収水タンク36に供給される。
本実施形態では、制御装置Cは、燃料電池部12での酸素利用率が設定値未満になると、回収水タンク36への単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされると判定する。例えば、制御装置Cは、燃料電池部12から出力される電流値と空気極32への酸素供給量とから、燃料電池部12での酸素利用率を導出できる。そして、燃料電池部12での酸素利用率が低くなって設定値未満になっていれば、複合熱交換器39での凝縮水発生量が減少し、その結果、回収水タンク36へ回収される水の量が減少する。従って、通常管理処理を行って水の補給を行っていたとしても、回収水タンク36に貯えられる回収水の水量減少が進行すると考えられる。ここで、制御装置Cは、空気極32への酸素供給量を、制御装置C自身が動作制御を行っている発電用空気を供給するためのブロアB2の動作状態、或いは、発電用空気流路L8の途中に設けた流量計(図示せず)の検出値などから知ることができる。
第2実施形態の燃料電池システムは、通常管理処理及び特別管理処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第2実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
具体例を挙げると、通常管理処理では、制御装置Cは、前回の給水から所定期間が経過すると通常給水タイミングになったと判定して給水を行う。例えば、通常管理処理では、制御装置Cは、1時間に1回などの所定の通常給水タイミングになると、水補給路L14に設けられているバルブ42を所定の開弁期間だけ開くことで、回収水タンク36への給水を行う。
これに対して、特別管理処理では、制御装置Cは、30分に1回などの所定の特別給水タイミングになると、水補給路L14に設けられているバルブ42を所定の開弁期間だけ開くことで、回収水タンク36への給水を行う。つまり、1回の給水での給水量は、通常管理処理と特別管理処理とでは同じであるが、特別管理処理の方が給水頻度が高くなるため、特別管理処理では、単位時間当たりに通常管理処理よりも多い水が回収水タンク36に供給される。
第3実施形態の燃料電池システムは、通常管理処理及び特別管理処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第3実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
第4実施形態の燃料電池システムは、通常管理処理及び特別管理処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第4実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
<1>
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、燃料極下流側ガス流路(燃料極排ガス流路L3及び燃焼排ガス流路L4)及び空気極下流側ガス流路(空気極排ガス流路L5)の少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部の例として複合熱交換器39を挙げたが、他の装置によって水を回収してもよい。
また、上記実施形態では、回収水タンク36への単位時間当たりの水の回収水を増加させる特別管理処理を行うために、制御装置Cは、排熱回収流路L10における湯水の流速を調節するポンプP2の動作を制御する例を記載したが、他の装置の動作を制御して、回収水タンク36への単位時間当たりの水の回収水を増加させる特別管理処理を行ってもよい。
上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。
13 燃料改質部
18 報知装置
32 空気極
33 燃料極
36 回収水タンク
39 複合熱交換器(水回収部)
43 水量検出部
C 制御装置
L3 燃料極排ガス流路(燃料極下流側ガス流路)
L4 燃焼排ガス流路(燃料極下流側ガス流路)
L5 空気極排ガス流路(空気極下流側ガス流路)
Claims (4)
- 燃料ガスが供給される燃料極と酸素が供給される空気極とを有する燃料電池部、及び、
供給される蒸発用水を蒸発させる蒸気生成器と、供給される炭化水素を含む原燃料ガスを、前記蒸気生成器から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して、前記燃料ガスとしての水素を含む水素含有ガスを生成する改質器とを有する燃料改質部、及び、
前記燃料極の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路と、前記空気極の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路との少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部、及び、
前記水回収部で得た回収水を貯える回収水タンク、及び、
制御装置を備え、
前記回収水タンクで回収した水が前記蒸発用水として前記蒸気生成器に供給される燃料電池システムであって、
前記回収水タンクに貯えられている回収水の量を検出する水量検出部を備え、
前記制御装置は、
前記回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行い、
前記水量減少条件が満たされないとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行うように構成され、
前記制御装置は、前記水量減少条件が満たされないとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が第1水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記通常管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされるとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が前記第1水量よりも少ない第2水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記特別管理処理を行う燃料電池システム。 - 前記制御装置は、
前記水量減少条件が満たされないとき、通常給水タイミングになると前記回収水タンクへ外部から給水する前記通常管理処理を行い、
前記水量減少条件が満たされるとき、前記通常管理処理よりも前記回収水タンクへの給水頻度及び前記回収水タンクへの一回の給水での給水量の少なくとも何れか一方が多くなる前記特別管理処理を行う請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、
前記水量減少条件が満たされないとき、前記水回収部で前記燃料極下流側ガス流路及び前記空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方を冷却するための冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を基準量に設定する前記通常管理処理を行い、
前記水量減少条件が満たされるとき、前記冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を、前記基準量よりも多くする前記特別管理処理を行う請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記燃料電池部での酸素利用率が設定値未満になると、前記水量減少条件が満たされると判定する請求項1〜3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
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