JP7134897B2

JP7134897B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7134897B2
Application number: JP2019026980A
Authority: JP
Inventors: 優作永田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: NO20200180A1; JP2020136041A; CN111584898B; CN111584898A

Description

実施形態は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素との電気的化学反応により発電する装置である。燃料電池は、電気的化学反応を発生させる際に発熱する。燃料電池の発電を継続するには、燃料電池を所定の温度に維持する必要があり、冷却水を供給することで燃料電池の冷却を行っている。

換言すると、燃料電池は、電気エネルギー、熱エネルギーを取り出すことのできる装置である。この燃料電池は、小型なものでも高効率の運用が可能である。また、小型の燃料電池を複数台連結し、大型の燃料電池システムとして大きな熱や電力を取り出すことが可能である。

特開２０１０－０２７３６６号公報

燃料電池を複数台連結して運転する場合には、それぞれの燃料電池で放熱器を有し、各燃料電池システムで余分な熱を排熱していた。そのため、連結した燃料電池の数と同数の放熱器が必要であった。また、放熱器に接続する放熱用の配管も必要であるため、放熱器が燃料電池の数と同数必要となると、大きな設置スペースが必要であった。また、放熱器の数が多くなるため、放熱器単体では問題とならなかった騒音も問題となっていた。

本実施形態の燃料電池システムは、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、複数の燃料電池で発生した排熱を単純な構成により効率よく利用可能とする燃料電池システムを提供する。

本実施形態に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池を備える燃料電池システムであって、各燃料電池に対して冷却水を供給し、各燃料電池から排熱を回収する冷却水ラインと、前記冷却水ライン内の冷却水を各燃料電池へ供給するヘッダー管と、前記冷却水ラインの圧力の調整を行う循環ポンプと、前記ヘッダー管内の冷却水の圧力を一定以上に保つように前記循環ポンプを駆動させる制御部と、を備え、前記各燃料電池は、前記ヘッダー管内から供給される前記冷却水の流速を調整する流調弁を、当該燃料電池の上流側に備えることを特徴とする。

本実施形態の構成を示す配管図である。本実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本実施形態の燃料電池システムの冷却水ラインの態様を示す配管図である。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。

［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２ａ～ｎ、冷却水ライン３、ヘッダー管３１ａ、循環ポンプ４、圧力計５、熱交換器６、及び制御部７を備える。

燃料電池２ａ～ｎは複数の燃料電池であり、水素と酸素との電気的化学反応により発電する装置である。燃料電池２ａ～ｎは、複数であれば良くその数は問わない。燃料電池２ａ～ｎには、冷却水ライン３と接続され、冷却水が流れる冷却路２０ａ～ｎがある。冷却路２０ａ～ｎには、流調弁２１ａ～ｎが設けられる。燃料電池２ａ～ｎ内で発生した熱は、冷却路２０ａ～ｎを流れる冷却水に伝える。排熱を効率良く行うためには、冷却路２０ａ～ｎを流れる冷却水の流速を調整する必要がある。燃料電池２ａ～ｎは、冷却水ライン３の冷却水の圧力が上下した場合においても、流量制御が可能な流調弁２１ａ～ｎにより冷却路２０ａ～ｎの流速を調整している。

冷却路２０ａ～ｎの入口は、冷却水供給ライン３ａと接続される。この接続部分には、手動弁２２ａ～ｎが配置される。一方、冷却路２０ａ～ｎの出口は、排熱回収ライン３ｂと接続される。この接続部分には、手動弁２３ａ～ｎが配置される。

冷却水ライン３は、燃料電池２ａ～ｎに対して冷却水を供給し、燃料電池２ａ～ｎから冷却水を回収する。冷却水ライン３は、燃料電池２ａ～ｎと熱交換器６との間で冷却水を循環させる。冷却水ライン３は、冷却水供給ライン３ａと、排熱回収ライン３ｂとを備える。

冷却水供給ライン３ａは、熱交換器６と燃料電池２ａ～ｎとを接続する管より構成される。冷却水供給ライン３ａは、冷却路２０ａ～ｎの入口側に接続される。冷却水供給ライン３ａは、熱交換器６で冷却された冷却水を燃料電池２ａ～ｎに対して供給する。冷却水供給ライン３ａは、ライン内の冷却水を燃料電池２ａ～ｎに分配するヘッダー管３１ａを備える。ヘッダー管３１ａは、循環ポンプ４及び圧力計５を備える。

循環ポンプ４は、内蔵するモータにより冷却水供給ライン３ａ内の冷却水に対して圧力を加える。循環ポンプ４は、モータの回転数を可変させることで、冷却水の吐出量を可変させ、冷却水供給ライン３ａ内の冷却水に対して圧力を加える。圧力計５は、ヘッダー管３１ａ内の冷却水の圧力を計測する。

排熱回収ライン３ｂは、燃料電池２ａ～ｎと熱交換器６とを接続する管より構成される。排熱回収ライン３ｂは、冷却路２０ａ～ｎの出口側に接続される。燃料電池２ａ～ｎから排出される冷却水の圧力により、冷却水を熱交換器６まで循環させる。

熱交換器６は、冷却水から熱を回収し、冷却水ライン３内の冷却水の温度を低下させる。熱交換器６は、熱交換器に限らず空冷ファン、ラジエターなどの冷却水ライン３内の冷却水の熱を回収する公知の放熱手段を適宜使用することができる。

制御部７は、ヘッダー管３ａ内の冷却水の圧力を一定以上に保つように循環ポンプ４を駆動させる。制御部７は、圧力検出部７１、記憶部７２、ポンプ制御部７３、ポンプ動作指示部７４を備える。

圧力検出部７１は、圧力計５から周期的にヘッダー管３１ａ内の圧力値を受信する。記憶部７２には、保つべきヘッダー管３１ａ内の圧力である設定圧力値Ｐｓが記憶される。制御部７は、図示しない入力インターフェースを介して、ユーザからの設定圧力値Ｐｓの入力を受け付ける。

ポンプ制御部７３は、ヘッダー管３１ａ内の圧力値が設定圧力値Ｐｓと同じになるような循環ポンプ４の回転数を算出する。循環ポンプ４の回転数の算出は、比例制御と積分制御を用いたフィードバック制御（ＰＩ制御）により行う。ＰＩ制御は、ＰとＩとのそれぞれの制御により、検出したヘッダー管３１ａ内の圧力値を設定圧力値Ｐｓに一致させる循環ポンプの回転数を算出する。ポンプ動作指示部７４は、算出した循環ポンプ４の回転数に基づいて、循環ポンプ４を動作させる。

［１－２．作用］
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池システム１では、ヘッダー管３１ａ内の圧力が設定圧力値Ｐｓとなるように循環ポンプ４を動作させる。図３は、本実施形態の燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。

燃料電池システム１の運転が開始される前に、予め設定圧力値Ｐｓを設定しておく。そして、燃料電池システム１において、発電が開始されると、圧力検出部７１は、圧力計５の検出結果を周期的に受信する（Ｓ１）。

そして、ポンプ制御部７３は、ヘッダー管３１ａ内の圧力値が設定圧力値Ｐｓと同じになるようフィードバック制御を行い循環ポンプ４の回転数を算出する。そして、ポンプ動作指示部は、算出結果に基づいて循環ポンプを駆動させる。これにより、ヘッダー管３１ａ内の冷却水の圧力を一定に保たれる（Ｓ２）。

以上のＳ１～Ｓ２の動作を、燃料電池システム１において発電が停止するまで継続する（Ｓ３）。

［１－３．効果］
（１）以上の構成を備える燃料電池システム１では、複数の燃料電池を連結した場合に、冷却水ライン３を１本とすることができ、冷却水ライン３に設置する放熱器６、循環ポンプ４は１台ずつの設置で済む。また、燃料電池２ａ～ｎの運転状態が異なった場合に、ヘッダー管３１ａ内の圧力を設定圧力値Ｐｓに保つように循環ポンプ４を駆動させることにより、燃料電池２ａ～ｎに供給される冷却水の圧力を一定とすることが可能となる。

燃料電池２ａ～ｎは、供給先の電力需要に応じて、効率の良い定格の中間出力付近で運転を行う制御を行っている。例えば、１０台１００ｋＷの燃料電池２ａ～ｎを連結する場合、高効率化のため各燃料電池２ａ～ｎの発電出力は異なる。その場合、各燃料電池２ａ～ｎで必要な排熱回収水流量は異なり、燃料電池２ａ～ｎ内の流調弁２１ａ～ｎで制御される冷却水の流速も異なる。また、１台の燃料電池で発電出力を変更した場合など排熱回収水流量を変更する場合など１つの流調弁の開度を変更することで、ヘッダー管３１ａ内の圧力が変動し、他の燃料電池での流量制御に影響がでる可能性があった。

本実施形態では、ヘッダー管３１ａ内の圧力を設定圧力値Ｐｓに保つように循環ポンプを駆動させることで、システム内の燃料電池２ａ～ｎのいずれかで流調弁の開度が変わったとしても、ヘッダー管３１ａ内の圧力は一定に保たれるため、各燃料電池２ａ～ｎでの冷却水の流量制御を円滑に行うことが可能となる。

（２）本実施形態の燃料電池システム１では、ヘッダー管内に冷却水の圧力を測定する圧力計５を備える。これにより、直接的にヘッダー管３１ａ内の圧力を測定することができるため、各燃料電池２ａ～ｎでの冷却水の流量制御を円滑に行うことが可能となる。

（３）本実施形態の燃料電池システム１の各燃料電池２ａ～ｎには、流速を一定にする流調弁を介してヘッダー管内から冷却水が供給される。これにより、ヘッダー管内の冷却水の圧力制御にタイムラグが生じ、ヘッダー管内の圧力が設定値よりズレた場合にでも、流調弁の性能の範囲において冷却水の流量制御を円滑に行うことが可能となる。

（４）本実施形態の燃料電池システム１は循環ポンプ４、冷却水供給ライン３ａを備える。冷却水供給ライン３ａでは、循環ポンプ４はヘッダー管３１ａすぐ上流に配置される。そのため、循環ポンプ４の回転数を変更した場合に、すぐにヘッダー管３１ａ内の圧力に影響ができるため、圧力制御のタイムラグが生じにくい。このため、各燃料電池２ａ～ｎでの冷却水の流量制御を円滑に行うことが可能となる。

（５）本実施形態の燃料電池システム１では、図１に示すように、冷却水供給ライン３ａ及び排熱回収ライン３ｂは、分岐がない１本の管で構成された。しかしながら、各燃料電池２ａ～ｎに対して冷却水を供給及び回収することができるならば、これに限らない。例えば、図４に示すように、４台の燃料電池２ａ～ｄに対して冷却水を供給及び回収する場合には、２つの分岐の有する冷却水供給ライン３ａ及び排熱回収ライン３ｂを用いても良い。この場合、冷却水供給ライン３ａにおいては、循環ポンプの下流のヘッダー管３１ａに分岐を設けることで、ヘッダー管内の圧力を一定に保つことができ、各燃料電池２ａ～ｎでの冷却水の流量制御を円滑に行うことが可能となる。

（６）本実施形態の燃料電池２ａ～ｎでは、燃料電池２ａ～ｎの冷却路の出口に、冷却路２０ａ～ｎを排熱回収ライン３ｂから切り離すための手動弁２３ａ～ｎを設ける。他の燃料電池で発電中に、ある燃料電池の運転を停止する場合、流調弁２１ａ～ｎが動作しなくなる可能性がある。その場合、ヘッダー管３１ａ内の冷却水は、停止中の燃料電池内の冷却路２０を経由して、圧力損失なく排熱回収ライン３ｂに流れる。そのため、循環ポンプの回転数を上げても、ヘッダー管３１ａ内の圧力が上昇しなくなる。この現象を回避するため、停止中の燃料電池に対して冷却水の供給を遮断することが好ましい。故に、燃料電池２ａ～ｎの冷却路の出口に冷却路を排熱回収ライン３ｂから切り離すための手動弁２３ａ～ｎを設けることで、手動弁２３ａ～ｎを閉じることで冷却路２０ａ～ｎを冷却水が損失なく流すことができる。

停止中の燃料電池への冷却水の供給を遮断するためには、冷却路２０ａ～ｎと排熱回収ライン３ｂとの間に手動弁２３ａ～ｎをもうけることが好ましいが、冷却水供給ライン３ａと冷却路２０ａ～ｎとの間に手動弁２２ａ～ｎを設け、この手動弁２２ａ～ｎにより冷却水供給ライン３ａからの冷却水の供給を遮断しても良い。手動弁２２ａ～ｎ、及び手動弁２３ａ～ｎは、片方だけでなく、両方を備えても良いのは言うまでもない。

［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…燃料電池システム
２ａ～ｎ…燃料電池
２０ａ～ｎ…冷却路
２１ａ～ｎ…流調弁
２２ａ～ｎ…手動弁
２３ａ～ｎ…手動弁
３…冷却水ライン
３ａ…冷却水供給ライン
３１ａ…ヘッダー管
３ｂ…排熱回収ライン
４…循環ポンプ
５…圧力計
６…熱交換器
７…制御部
７１…圧力検出部
７２…記憶部
７３…ポンプ制御部
７４…ポンプ動作指示部

Claims

複数の燃料電池を備える燃料電池システムであって、
各燃料電池に対して冷却水を供給し、各燃料電池から排熱を回収する冷却水ラインと、
前記冷却水ライン内の冷却水を各燃料電池へ供給するヘッダー管と、
前記冷却水ラインの圧力の調整を行う循環ポンプと、
前記ヘッダー管内の冷却水の圧力を予め設定された設定圧力値に保つように前記循環ポンプを駆動させる制御部と、
を備え、
前記各燃料電池は、前記ヘッダー管内から供給される前記冷却水の流速を調整する流調弁を、当該燃料電池の上流側に備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記ヘッダー管は、前記ヘッダー管内の冷却水の圧力を測定する圧力計を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記冷却水ラインは、
前記ヘッダー管を含み各燃料電池に対して冷却水を供給する冷却水供給ラインと、
各燃料電池から冷却水を回収する排熱回収ラインと、
を備え、
前記循環ポンプは、前記冷却水供給ラインに備えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記冷却水供給ラインは複数に分岐し、
各燃料電池に対して冷却水を分配することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記各燃料電池は、前記排熱回収ラインとの離接を切替える弁を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。