JP7325248B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素を含有する原燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて発電を行ない、電気を外部に供給する。また、燃料電池は、発電および余剰ガスの燃焼により生じた排ガス中の熱を回収して温水として貯留し、この温水を直接にまたは間接に外部に供給する、コジェネレーションシステムの一部を構成する。なお、システム全体を燃料電池装置と呼ぶ。

このような電気と温水とを供給する燃料電池装置について、特許文献１には、発電装置を熱媒体で冷却する冷却回路（第１の循環系）と、冷却回路の熱を熱交換により蓄熱部に回収する排熱回収回路（第２の循環系）と、排熱回収回路上の熱交換器の出口側に配設された温度検知器とを備える燃料電池装置において、温度検知器が測定する温度に基づいて、熱交換器出口の熱媒体の温度が目標温度になるように、排熱回収回路の流量、すなわち循環ポンプの吐出量を制御するとともに、熱交換器出口の熱媒体の温度が所定の温度以上になった場合には、燃料電池の運転を停止する構成が開示されている。

特開２００９－２８１７２４号公報

ところで、前述のような構成の燃料電池装置の場合、熱交換器に流れる排ガスの熱量によっては、循環ポンプの吐出量（流路の流量）が、少量に抑えられる場合がある。しかしながら、循環ポンプの吐出量が少ない場合、熱交換器またはその出口周辺で、熱媒体である水の突沸等が生じる場合があり、これにより、熱交換器の耐久性が低下する可能性があった。

本開示の目的は、熱交換器の耐久性の低下を抑制することのできる燃料電池装置を提供する。

本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの排熱と熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器と、前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと前記熱交換器との間で前記熱媒体を循環させる循環流路と、前記循環流路に配設されて前記熱媒体を循環させる循環ポンプと、前記熱交換器の出口の熱媒体温度を測定する第１温度測定部と、制御装置と、を備える。
前記制御装置は、
前記第１温度測定部が測定する熱媒体の温度が所定の第１温度以上になるように、前記循環ポンプの駆動を制御する第１ポンプ駆動制御と、
前記第１ポンプ駆動制御を実行中に、前記第１温度測定部が測定する熱媒体の温度が前記第１温度を下回った場合に、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第１条件を満たすか否かを確認する第１駆動状態確認制御と、
前記第１条件が満たされている場合は、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第１条件を継続して満たすように前記循環ポンプの駆動を制御する第２ポンプ駆動制御と、を実行するとともに、
前記制御装置は、前記第１ポンプ駆動制御を実行して所定の第１時間経過後に、
前記循環ポンプの駆動のオン／オフデューティ比を第２時間の間、所定の比率分増加させる第４ポンプ駆動制御を実行する。

本開示の燃料電池装置によれば、熱交換器の耐久性の低下を抑制することができる。

実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 燃料電池装置における熱媒循環系の拡大図である。 外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。 実施形態の循環ポンプの駆動制御に関する一例を示すフローチャートである。 実施形態の循環ポンプの駆動制御に関する他の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参考にしながら、実施形態を説明する。

図１は、実施形態の燃料電池装置の構成の概略を示すブロック図であり、図２は、図１の要部拡大図である。なお、燃料電池装置において汎用的な装置や機器等については、詳しい説明を行なわず、図中への符号の付与のみに留めているものもある。

図１に示す燃料電池装置１００は、収納容器１０内に収容された燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１に接続された熱交換器（第１熱交換器２）と、燃料電池モジュール１から排出される高温度の排ガスの熱および熱エネルギーを熱交換により回収し、温水として貯留する蓄熱タンク３と、排ガス中に含まれる水分が熱交換により凝縮して生成した凝縮水を改質水として貯留する改質水タンク６と、を備える。

また、燃料電池装置１００は、原燃料ポンプＢ１および原燃料流路等を含む原燃料供給装置と、空気ブロアＢ２および酸素含有ガス流路等を含む酸素含有ガス供給装置を備える。さらに、水自立運転を継続するための、凝縮水流路Ｃ、前述の改質水タンク６、改質水供給ポンプＰ３および改質水流路Ｒを含む改質水供給装置を含む。

そして、図２に示すように、燃料電池装置１００は、先に述べた第１熱交換器２、蓄熱タンク３、ラジエータ４、熱媒循環ポンプＰ１とこれらを環状に接続する熱媒循環流路ＨＣ１（図２では符号Ｑで表示）とからなる熱媒循環系（第１のヒートサイクル）を備えている。

なお、燃料電池装置１００は、外部に供給するための水道水（上水）を加温するための第２熱交換器５と、前述の蓄熱タンク３から高温の熱媒を取り出して循環させるための与熱ポンプＰ２および熱媒循環流路ＨＣ２等を含む、温水供給システム（第２のヒートサイクル）を備えている。

上記２つの熱交換器のうち、主熱交または潜熱熱交とも呼ばれる第１熱交換器２は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュール１の排熱と熱媒体（本例では、熱媒または冷媒としての水）との間で熱交換を行なうためのものであり、本開示の熱交換器に相当する。なお、燃料電池装置は、外部への温水供給を行なわないモノジェネレーションシステム、すなわち、第２熱交換器５を含む温水供給システム（第２のヒートサイクル）のない構成としてもよい。

また、図２の拡大図においては、蓄熱タンク３に水道水等の外部水を給水または補水する給水流路（配管）、タンクの満水状態を越えた水を排出するためのオーバーフロー流路や、外部給湯用の水道水のインレットＷｉｎおよび温水のアウトレットＷｏｕｔ等、実施形態では使用しない構成の図示を簡略化している。

なお、燃料電池装置１００は、図３に示すような、各フレーム３１と各外装パネル３２とからなるケース３０の中に配設されている。このケース３０の中の、燃料電池モジュール１および各補機の周りや、流路、配管等には、以下のような制御手段２０や、複数の計測機器やセンサ、または他の補機等が設けられている。

燃料電池装置１００は、前述の燃料電池モジュール１および各補機の動作を制御する手段として、電力調整装置（図示省略）と、この電力調整装置と連係して、燃料電池の発電運転を補助する各補機の動作を制御する制御装置２０と、この制御装置２０に付属または内蔵される記憶装置等を備える。

制御装置２０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置２０は、それに付属する記憶装置（図示省略）に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。

なお、燃料電池装置１００は、筐体内外の各部の温度を計測するための、温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計を、複数備える。

たとえば、図２に示すように、第１熱交換器２上側の熱媒体出口から導出された直後の熱媒体（水）の温度を測定するために、循環流路Ｑ（ＨＣ１）上にサーミスタＴＭ１が配設されている。

このサーミスタＴＭ１は、本開示における第１温度測定部の一例である。なお、第１温度測定部は、図２に示すサーミスタＴＭ４のように、熱媒循環流路Ｑのより下流側の、蓄熱タンク３の熱媒導入口の近傍に配設してもよい。また、図２のサーミスタＴＭ２にように、蓄熱タンク３上側の高温部（高温水の滞留部位）に配設されたサーミスタの測定値で、前述のサーミスタＴＭ１の指示値（温度）を代用してもよい。これらサーミスタＴＭ２，ＴＭ４も、本開示の第１温度測定部を構成または代替するものである。

前述の制御装置２０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置２０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。各図では、制御装置２０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。また、制御装置２０が行なう本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。

なお、後記の実施形態において、熱媒循環系（第１のヒートサイクル）に配設された循環ポンプＰ１は、その回転駆動がパルス駆動方式のものであり、制御装置２０は、パルス駆動のオン／オフデューティ比（以下、単にデューティ比という場合がある）を増減させて、循環ポンプＰ１の駆動を制御しているものとする。

また、実施形態において、循環ポンプＰ１は、ポンプの時間あたり回転数を計測して出力する回転センサ部を備えていてもよく、この回転センサ部の信号出力が制御装置２０に入力されていてもよい。すなわち、水流量計を備えていない熱媒循環流路Ｑ（ＨＣ１）において、循環ポンプＰ１の時間あたり回転数（回転／分）は、循環ポンプＰ１の時間あたり吐出量と熱媒循環流路の時間あたり循環流量とを代替することができる。

以上の構成の燃料電池装置１００において、たとえば燃料電池が発電運転を行なっている場合、制御装置２０は、燃料電池モジュールが排出する熱を回収する制御として、第１熱交換器２出口に配設されたサーミスタＴＭ１（第１温度測定部）が測定する熱媒体の温度ＴＨを基準に、この温度ＴＨが目標温度である第１温度Ｘ１（℃）付近になるように、循環ポンプＰ１を制御する。

具体的には、制御装置は、熱媒循環流路Ｑの水流量を決める循環ポンプＰ１の吐出量を、循環ポンプＰ１の回転駆動力の調整により、制御している。これは第１ポンプ駆動制御の一例である。

具体的には、循環ポンプＰ１の回転駆動力の調整が、ポンプ駆動のオン／オフデューティ比の増減（ＰＩＤ制御）によるものである場合を用いて、実施形態のフローチャートを説明する。

図４に示すフローチャートにおいて、制御装置２０は、〔ステップ１〕（以下、「ステップ」を「Ｓ」と略す）において、第１ポンプ駆動制御（ＰＩＤ制御）を実行すると、〔Ｓ２〕において熱交換器出口に配設されたサーミスタＴＭ１が測定する熱媒体の温度ＴＨが、予め定められた、第１温度Ｘ１未満であるか否かを確認する。

〔Ｓ２〕において、熱媒体の温度ＴＨが第１温度Ｘ１以上の［Ｎｏ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ３〕において循環ポンプＰ１の駆動を増加させる制御を行なう。具体的には循環ポンプＰ１のデューティ比を上げる調整を実施し、ポンプの吐出量および循環流路の流量を増やして、熱媒体の温度ＴＨを下げる制御を実行する。

つぎに、〔Ｓ２〕に戻って、ポンプ駆動のデューティ比の調整の結果を確認する。なお、この〔Ｓ３〕において、熱媒体の温度を複数設定してもよく、またポンプ駆動のデューティ比も、段階的に上げるほか、最大値に上げるなど複数のパターンを設けてもよい。

さらに、〔Ｓ３〕において、循環ポンプＰ１のデューティ比を上げる調整〔（＋）補正〕を実施した後、たとえば数秒から数十秒程度待機して安定を待った後、〔Ｓ２〕に戻って、ポンプ駆動のデューティ比の調整の結果を確認してもよい。

〔Ｓ２〕において、熱媒体の温度ＴＨが第１温度Ｘ１未満の［Ｙｅｓ］の場合、本実施形態の燃料電池装置１００の制御装置２０は、〔Ｓ４〕において、循環ポンプＰ１の状態が第１条件を満たしているか否かを確認する、第１駆動状態確認制御を実行する。

具体的には、〔Ｓ４〕において、第１条件である、循環ポンプＰ１の回転数Ｙ（回転／分）が第１回転数Ｙ１以上、第２回転数Ｙ２以下（以下、Ｙ１≦Ｙ≦Ｙ２と表現する）であるか否かを判定する。

〔Ｓ４〕において、循環ポンプＰ１の回転数Ｙが、Ｙ１≦Ｙ≦Ｙ２を満たす場合には、〔Ｓ５〕に進み、第２ポンプ駆動制御を実行する。なお、循環ポンプＰ１の回転数Ｙが、Ｙ１≦Ｙ≦Ｙ２を満たす場合とは、燃料電池の運転開始時等、燃料電池モジュール１から排出される排ガスの温度が充分に上昇していない場合等が想定される。

第２ポンプ駆動制御では、循環ポンプＰ１の回転数Ｙが、Ｙ１≦Ｙ≦Ｙ２を継続して満たすように循環ポンプＰ１を制御する。言い換えると、既にこの第１条件を満たしている状態であるため、循環ポンプＰ１を現状維持となるように制御する。

すなわち、たとえば循環ポンプＰ１がデューティ比にて制御している場合は、そのデューティ比の補正を行なわない、言い換えれば補正０にて制御する。それにより、循環ポンプの吐出量が少なくなることを抑制でき、熱交換器の耐久性が低下することを抑制することができる。また、〔Ｓ５〕に進んだ後は、〔Ｓ２〕に戻る。

なお、第１回転数Ｙ１、第２回転数Ｙ２は、実験や試運転等により予め設定されている「回転数」である。第１回転数Ｙ１としては、第１熱交換器２中での水の突沸を抑制できる最低限の吐出量（流量）を確保できる数値をしきい値として設定すればよく、たとえば、４００回転／分（ｒ．ｐ．ｍ．）以下の低回転の領域で設定することができる。また、第１回転数Ｙ１は、それを若干上回る回転数で設定すればよい。

一方、〔Ｓ４〕において、第１条件である、循環ポンプＰ１の回転数Ｙが、第１条件であるＹ１≦Ｙ≦Ｙ２を満たさない［Ｎｏ］の場合には、〔Ｓ６〕に進み、回転数Ｙが、第１回転数Ｙ１未満であるか否かを判定する（以下、Ｙ＜Ｙ１と表現する）。

〔Ｓ６〕にてＹ＜Ｙ１が満たされない場合、言い換えれば、回転数Ｙが第２回転数Ｙ２より大きい［Ｎｏ］の場合は、循環ポンプの吐出量が適度に確保できているため、第１ポンプ駆動制御（ＰＩＤ制御）を継続して、〔Ｓ２〕に戻る。

すわなち、ＰＩＤ制御により循環ポンプＰ１のデューティ比を下げ〔（－）補正〕、ポンプの吐出量および循環流路の流量を減らして、熱媒体の温度ＴＨを上げる制御を継続する。

なお、〔Ｓ２〕に戻るにあたり、循環ポンプＰ１のデューティ比を下げる調整を実施した後、たとえば数秒から数十秒程度待機して安定を待った後、ポンプ駆動のデューティ比の調整の結果を確認してから、〔Ｓ２〕に戻ってもよい。

一方、〔Ｓ６〕にてＹ＜Ｙ１が満たされる［Ｙｅｓ］の場合、突沸抑制のための最低限の回転数を維持するために、制御装置２０は、本開示の第３ポンプ駆動制御として、〔Ｓ７〕において、循環ポンプＰ１のデューティ比を若干上げる〔（＋）補正〕を実施して〔Ｓ２〕に戻る。

すなわち、ポンプの吐出量および循環流路の流量を増やして、最低限の回転数を維持するための調整を実行する。なお、〔Ｓ２〕に戻るにあたり、循環ポンプＰ１のデューティ比を上げる調整を実施した後、たとえば数秒から数十秒程度待機して安定を待った後、ポンプ駆動のデューティ比の調整の結果を確認してから、〔Ｓ２〕に戻ってもよい。

第２ポンプ駆動制御および第３ポンプ駆動制御は、〔Ｓ２〕に戻って、熱媒体の温度ＴＨが第１温度Ｘ１以上に上昇していれば、それぞれの制御を終了し、第１ポンプ駆動制御に復帰する。

なお、以上の第１ポンプ駆動制御、第２ポンプ駆動制御および第３ポンプ駆動制御は、燃料電池が継続して発電運転を行なっている間、ループ状に継続して実行されるものである。また、燃料電池の発電運転中、この第１ポンプ駆動制御、第２ポンプ駆動制御および第３ポンプ駆動制御と並行して、熱媒体である水の突沸抑制のための第４ポンプ駆動制御（図５）も実行されている。第４ポンプ駆動制御（図５）については後記で説明する。

以上の構成により、本実施形態の燃料電池装置１００は、排熱回収用の熱媒循環流路ＨＣ１（Ｑ）において、水の突沸を抑制するための流量、およびそれを維持するための循環ポンプＰ１の吐出量が、最低限として設定した量以上に維持される。したがって、本実施形態の燃料電池装置１００によれば、燃料電池モジュール１に接続された熱交換器（第１熱交換器２）の耐久性の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態の燃料電池装置１００は、通常の、燃料電池が継続して発電運転を行なっている、定常状態または定格運転状態である場合、前述の各突沸抑制手段の他にも、図５に示すような、水の突沸抑制用に、一定時間間隔で定期的に水の流量を短時間の間増量する、第４のポンプ駆動制御を実行するように構成してもよい。

図５に示すフローチャートは、燃料電池の運転開始と同時に、先に述べた第１，第２，第３ポンプ駆動制御から独立して実行されるものである。

実施形態のフローチャートにおいて、第４ポンプ駆動制御（定期的な突沸抑制制御）は、予め設定された第１時間（たとえば燃料電池の稼動１時間）ごとに一度、実行されるように設定されている。すなわち、〔Ｓ８〕にて第１駆動制御が開始されると、燃料電池の運転時間を、タイマー等を用いてカウントする。

続いて、〔Ｓ９〕にて燃料電池の運転時間が、たとえば３６００秒（１時間）程度の第１時間Ｔ１経過した後、〔Ｓ１０〕に進み、循環ポンプＰ１の駆動のデューティ比が、所定値以下であるか否かを確認する。所定値は循環ポンプＰ１の機能等に応じて適宜設定することができ、たとえば駆動のデューティ比で設定する場合には、２０～６０％の範囲で設定すればよい。

〔Ｓ１０〕において、駆動のデューティ比が所定値より高い場合には、熱交換器を流れる第１熱交換器２を流れる熱媒体の流量が適度にあり、第１熱交換器２内での突沸のおそれが少ないため、〔Ｓ１１〕に進んでタイマーをリセットして、再度〔Ｓ９〕に戻る。

一方、〔Ｓ１０〕において、駆動のデューティ比が所定値以下である場合には、続いて〔Ｓ１２〕に進み、第４ポンプ駆動制御として、現在稼動中の循環ポンプＰ１の最小デューティ比を、たとえば１～１０％程度の値で、所定の比率分増加させ、循環ポンプＰ１の吐出量と熱媒循環流路の流量を、所定時間である第２時間Ｔ２の間、増加させる。

そして、前述の、第２時間Ｔ２の吐出量（流量）増加が終了したら、〔Ｓ１３〕に進んで循環ポンプＰ１の最小デューティ比を元に戻し、〔Ｓ１４〕に進んでタイマーをリセットし、再度〔Ｓ９〕に戻り、以降、本フローチャートのループを継続して実行する。

以上の構成により、本実施形態の燃料電池装置１００は、定常状態または定格運転状態である場合も、熱交換器における水の突沸が抑制され、熱交換器の耐久性の低下を抑制することができる。

１ 燃料電池モジュール
２ 第１熱交換器
３ 蓄熱タンク
２０ 制御装置
１００ 燃料電池装置
Ｐ１ 循環ポンプ
Ｑ 熱媒循環流路
ＴＭ サーミスタ

Claims (4)

1. 燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールの排熱と熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器と、
   前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクと前記熱交換器との間で前記熱媒体を循環させる循環流路と、
   前記循環流路に配設されて前記熱媒体を循環させる循環ポンプと、
   前記熱交換器の出口の熱媒体温度を測定する第１温度測定部と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１温度測定部が測定する熱媒体の温度が所定の第１温度以上になるように、前記循環ポンプの駆動を制御する第１ポンプ駆動制御と、
   前記第１ポンプ駆動制御を実行中に、前記第１温度測定部が測定する熱媒体の温度が前記第１温度を下回った場合に、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第１条件を満たすか否かを確認する第１駆動状態確認制御と、
   前記第１条件が満たされている場合は、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第１条件を継続して満たすように前記循環ポンプの駆動を制御する第２ポンプ駆動制御と、を実行するとともに、
   前記制御装置は、前記第１ポンプ駆動制御を実行して所定の第１時間経過後に、
   前記循環ポンプの駆動のオン／オフデューティ比を第２時間の間、所定の比率分増加させる第４ポンプ駆動制御を実行する、燃料電池装置
2. 前記制御装置は、
   前記第１条件が満たされていない場合に、前記循環ポンプの駆動状態が前記第１条件を下回るか否かを確認する第２駆動状態確認制御を実行して、
   前記第１条件を下回る場合は、前記循環ポンプの駆動を増加させる第３ポンプ駆動制御を実行する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記循環ポンプがパルス駆動であり、
   前記制御装置は、前記パルス駆動のオン／オフデューティ比を基準として、前記循環ポンプを駆動しており、
   前記第１条件は、前記オン／オフデューティ比以外の基準に基づくものである、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記第１条件は、前記循環ポンプの駆動回転数に関連して設定されたしきい値である、請求項３に記載の燃料電池装置。