JP2008226810A - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池の温度を短時間に適正範囲内に安定させ、発電効率および排熱回収効率を高める。
【解決手段】 この燃料電池発電システム1は、燃料電池2を冷却する冷却水の循環回路3と、貯湯槽8に接続された排熱回収回路4と、両方の回路3,4を接続する熱交換器5とを備える。冷却水循環回路3上に冷却水槽11と冷却水ポンプ12とを設置し、冷却水槽11に給水バルブ13と排水バルブ14とを設ける。熱交換器5の冷却水入口側に燃料電池2の温度を検出する温度センサ23を設け、温度センサ23の出力に基づき、制御部24が給・排水バルブ13,14と冷却水ポンプ12とを制御する。
【選択図】 図1
【解決手段】 この燃料電池発電システム1は、燃料電池2を冷却する冷却水の循環回路3と、貯湯槽8に接続された排熱回収回路4と、両方の回路3,4を接続する熱交換器5とを備える。冷却水循環回路3上に冷却水槽11と冷却水ポンプ12とを設置し、冷却水槽11に給水バルブ13と排水バルブ14とを設ける。熱交換器5の冷却水入口側に燃料電池2の温度を検出する温度センサ23を設け、温度センサ23の出力に基づき、制御部24が給・排水バルブ13,14と冷却水ポンプ12とを制御する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池の冷却水循環回路と排熱回収回路とを熱交換器を介して接続した燃料電池発電システムに関する。
この種のシステムでは、燃料電池の温度が上昇すると、セルに設けられた触媒の劣化が進み、冷却用ラジエータが作動して、排熱回収効率が低下する。一方、燃料電池の温度が低下すると、化学反応効率が悪化し、発電効率が低下する。このため、従来、燃料電池を流れる冷却水の量を調節することで、燃料電池の温度を一定範囲内に制御する技術が提案されている。
例えば、特許文献1には、熱交換器と貯湯槽との間の排熱回収回路上に循環ポンプを設け、循環ポンプの出力を制御することで、熱交換器を介して燃料電池側の冷却水温度を調節し、燃料電池の運転温度を安定化させるシステムが記載されている。
特開2006−228606号公報
ところが、従来の燃料電池発電システムによると、排熱回収回路側の循環ポンプを制御しているので、熱交換器より燃料電池側の冷却水温度に応答遅れが生じやすい。特に、家庭用発電システムの場合は、排熱回収回路上に設けられた貯湯槽の水量が温水利用機器の需要によって常に変動するので、燃料電池を流れる冷却水の温度を適正範囲内に安定させるのに長時間を要する。この間、冷却水は燃料電池と熱交換器との間の回路を継続的に循環するため、燃料電池が効率の悪い温度条件下で運転され、発電効率と排熱回収効率が共に低下するという問題点があった。
本発明の目的は、上記課題を解決し、燃料電池の温度を短時間に適正範囲内に安定させ、発電効率および排熱回収効率を高めることができる燃料電池発電システムを提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に冷却水槽とポンプとを設置し、冷却水槽に給水バルブと排水バルブとを設け、給・排水バルブおよびポンプを燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
ここで、制御手段は、システムの運転開始時に、燃料電池の単位時間当たり温度変化量が予め定めた基準値内に収まるように、給・排水バルブおよびポンプを制御して、冷却水循環回路を流れる冷却水の温度を調整する。また、制御手段は、システムの通常運転時に、燃料電池の温度が予め定めた適正温度範囲内に収まり、かつ単位時間当たりの温度変化量が予め定めた基準値内で推移するように、給・排水バルブおよびポンプを制御して、冷却水循環回路を流れる冷却水の温度を調整する。
また、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路が冷却水を燃料電池から熱交換器を通さずに燃料電池に還流させる第一循環経路と、冷却水を燃料電池から熱交換器を通して燃料電池に還流させる第二循環経路とを備え、第一循環経路上に燃料電池へ向う冷却水の流量を調節可能な第一循環ポンプを設け、第二循環経路上に熱交換器へ向う冷却水の流量を調節可能な第二循環ポンプを設け、第一および第二循環ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
ここで、制御手段は、システムの運転中に、単位時間当たりの温度変化量に基づいて電池温度が上昇傾向にあるか下降傾向にあるかを判断し、判断結果に応じて第一循環ポンプおよび第二循環ポンプの回転数を段階的に制御し、第一循環経路および第二循環経路を流れる冷却水の流量をステップ状に増減させる。
さらに、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路と熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に燃料電池から熱交換器に向う冷却水の流量を調節可能な第一ポンプを設け、冷却水循環回路と排熱回収回路との間に熱交換器を迂回するバイパス管路を接続し、バイパス管路上に冷却水循環回路から排熱回収回路に向う冷却水の流量を調節可能な第二ポンプを設け、第一および第二ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
ここで、制御手段は、システムの運転中に、燃料電池の現在温度と予め定められた最適運転温度との差を求め、該温度差に応じて第一ポンプおよび第二ポンプの回転数をそれぞれ段階的に制御し、熱交換器に流入する冷却水量と排熱回収回路に流入する冷却水量との比率を調整する。
本発明の燃料電池発電システムによれば、冷却水循環回路上に設けたバルブまたはポンプを制御することにより、燃料電池を流れる冷却水の温度を排熱回収回路側の温度変動による影響を受けることなく適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。このため、冷却水を無駄に循環させる必要がなくなり、燃料電池を常に最適な温度条件下で運転できて、発電効率および排熱回収効率を高めることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1〜図3は実施例1の燃料電池発電システムを示し、図4〜図6は実施例2の燃料電池発電システムを示し、図7、図8は実施例3の燃料電池発電システムを示す。
まず、本発明の実施例1について説明する。図1は実施例1の燃料電池発電システムの全体的な構成を示す。図2は発電システムの運転開始時に燃料電池の温度を制御する方法を示す。図3は発電システムの通常運転時に燃料電池の温度を制御する方法を示す。
図1に示すように、この燃料電池発電システム1は、水素と酸素を用いて発電する燃料電池2と、燃料電池2を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環回路3と、燃料電池2の排熱を回収する排熱回収回路4と、冷却水循環回路3と排熱回収回路4とを接続する第一熱交換器5と、排熱回収回路4と熱負荷回路6との間に介在する第二熱交換器7とを備えている。そして、排熱回収回路4上に貯湯槽8が設けられ、熱負荷回路6上に家庭内で使用する温水利用機器が設けられている。なお、燃料電池発電システム1の用途は、家庭に限定されず、工場や店舗等の事業所に適用することも可能である。
燃料電池2には水素を含む燃料ガスの改質器9と、酸素を含む空気を燃料電池2に供給するブロア10とが接続されている。冷却水循環回路3は燃料電池2と第一熱交換器5との間に配管され、この循環回路3上に冷却水を貯留する冷却水槽11と、冷却水槽11の冷却水を燃料電池2と第一熱交換器5とに循環させる冷却水ポンプ12とが設置されている。そして、冷却水槽11に冷却水を外部から循環回路3に取り入れる給水バルブ13と、冷却水を水槽11から外部に取り出す排水バルブ14とが設けられている。
排熱回収回路4は第一熱交換器5と貯湯槽8とを接続する温水配管16と、貯湯槽8と第二熱交換器7とを接続する給湯配管17とを備えている。温水配管16上には貯湯槽8の温水を第一熱交換器5に循環させる循環ポンプ18が設けられ、給湯配管17上に貯湯槽8の温水を第二熱交換器7に通して熱負荷回路6に供給する給湯ポンプ19が設けられている。なお、燃料電池2のオーバーフロー管20は第二熱交換器7に接続され、水道配管21が貯湯槽8に接続されている。
第一熱交換器5の冷却水入口には、燃料電池2の運転温度(詳しくは、燃料電池2から流出した冷却水の温度)を検出する温度センサ23が設置され、温度センサ23の出力が制御部24に送信される。制御部24は発電システム1の全体を電気的に制御する手段であって、温度センサ23の出力に基づいて冷却水循環回路3上の冷却水ポンプ12と冷却水槽9の給水バルブ13と排水バルブ14とを制御するように構成されている。なお、温度センサ23の設置位置は、第一熱交換器5に限定されず、燃料電池2内部の電極部や冷却水路上であってもよい。
上記システム1において運転が開始されると、制御部24は燃料電池2の単位時間当たりの温度変化量が予め定めた基準値内に収まるように、循環回路3の冷却水温度を調整する。具体的には、1分間ごとに温度センサ23から電池温度を読み込み、図2において、温度変化の傾きA(|A|=|Tx/Δt|)が基準値(例えば、最大適正温度TH/30分)以上となった場合に、冷却水槽11の給水バルブ13を開き、冷却水ポンプ12の出力を上げる。また、温度変化の傾きAが基準値以下になった場合は、排水バルブ14を開き、冷却水ポンプ12の出力を下げる。そして、電池温度が適正温度範囲になるまでの期間、温度変化の傾きAを常に基準値内で推移させる。
一方、システム1の通常運転時には、制御部24は電池温度が予め定めた適正温度範囲内に収まり、かつ単位時間当たりの温度変化量が予め定めた基準値内で推移するように、循環回路3の冷却水温度を調整する。具体的には、1分間ごとに温度センサ23から電池温度を読み込み、図3において、最大適正温度TH>電池温度T>最小適正温度TLの条件を満たすように、冷却水ポンプ12と給・排水バルブ13,14を制御する。同時に、tn分目とtn+1分目の温度差ΔTが基準値内に収まるように、冷却水ポンプ12と給・排水バルブ13,14を制御する。この場合の基準値には、例えば、熱交換器5の冷却水入口側における単位時間当たりの温度変化が5℃以下となるような範囲を指定できる。
この実施例1の燃料電池発電システム1によれば、冷却水循環回路3上に冷却水槽11を設置したので、冷却水槽11の給・排水バルブ13,14と冷却水ポンプ12とを制御することにより、燃料電池2を流れる冷却水の温度を、排熱回収回路4側の温度変動による影響を受けることなく、適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。このため、従来とは異なり、冷却水を循環回路3で無駄に循環させる必要がなくなり、燃料電池2を常に最適な温度条件下で運転でき、もって、システム1の発電効率および排熱回収効率を高めることができる。
次に、本発明の実施例2について説明する。図4は実施例2の燃料電池発電システム31の全体的な構成を示す。図5は電池温度の変化に応じて二つの循環ポンプ34,35を制御する方法を示す。図6は出力負荷電流の変化に応じて二つの循環ポンプ34,35を制御する方法を示す。
実施例2の燃料電池発電システム31は、冷却水循環回路3の構成において実施例1と相違する。図4に示すように、冷却水循環回路3は、冷却水を燃料電池2から第一熱交換器5を通さずに燃料電池2に還流させる第一循環経路32と、冷却水を燃料電池2から第一熱交換器5を通して燃料電池2に還流させる第二循環経路33とから構成されている。第一循環経路32上には、燃料電池2から水槽11を通って燃料電池2に向う冷却水の流量を調節可能な第一循環ポンプ34が設けられている。第二循環経路33上には、燃料電池2から第一熱交換器5に向う冷却水の流量を調節可能な第二循環ポンプ35が設けられている。なお、この実施例2では、水槽11が燃料電池2の温度を安定させるための冷却水タンクとして機能する。
燃料電池2の内部には、燃料電池2の運転温度を検出する温度センサ36が設置され、温度センサ36の出力が制御部24に送信される。制御部24は発電システム31の全体を電気的に制御する手段であって、温度センサ36の出力に基づいて冷却水循環回路3上の第一循環ポンプ34と第二循環ポンプ35の回転数を制御するように構成されている。
具体的には、図5に示すように、制御部24は、単位時間当たりの温度変化量に基づき、電池温度が上昇傾向(傾き:正)にあるか下降傾向(傾き:負)にあるかを判断する。そして、判断結果に応じ、第一循環ポンプ34と第二循環ポンプ35の回転数を段階的(例えば高低5段階)に切り替え、第一循環経路32および第二循環経路33を流れる冷却水の流量をステップ状に増減させる。
例えば、電池温度が上昇傾向にあるときに、第二循環ポンプ35の回転数を段階的に高くし、第二循環経路33を通って第一熱交換器5に流入する冷却水の流量をステップ状に増加させる。同時に、第一循環ポンプ34の回転数を段階的に低くし、第一循環経路32を通って燃料電池2に戻る冷却水の流量をステップ状に減少させる。そして、各ステップにおいて一定時間同じ流量を保ち、その時間が経過した時点で電池温度がなお上昇傾向にあれば、第二循環ポンプ35の回転数レベルを前回よりも一段階高くし(+1)、第一循環ポンプ34の回転数レベルを前回よりも一段階低くする(−1)。これにより、電池温度の上昇期間中は、比較的多量の冷却水を第一熱交換器5で効率よく冷却して、燃料電池2の急激な温度上昇を防止することができる。
一方、電池温度が下降傾向にあるときは、第二循環ポンプ35の回転数を段階的に低くし、第二循環経路33を流れる冷却水の流量をステップ状に減少させる。同時に、第一循環ポンプ34の回転数を段階的に高くし、第一循環経路32を通って燃料電池2に戻る冷却水の流量をステップ状に増加させる。そして、各ステップにおいて一定時間同じ流量を保ち、その時間が経過した時点で電池温度がなお下降傾向にあれば、第二循環ポンプ35の回転数レベルを前回よりも一段階低くし(−1)、第一循環ポンプ34の回転数レベルを前回よりも一段階高くする(+1)。これにより、電池温度の下降期間中に、第一熱交換器5に流入する冷却水量を少なくし、燃料電池2の急激な温度低下を防止することができる。
なお、第一循環ポンプ34と第二循環ポンプ35の回転数は、常に一定量の冷却水が循環回路3を循環するように、第一循環ポンプ34が低レベル(0)〜高レベル(5)のとき、第二循環ポンプ35は高レベル(5)〜低レベル(0)となるように対応している。また、燃料電池2の運転温度は、燃料電池2に要求される出力負荷電流から予測することも可能である。この場合は、出力負荷電流がどのレベルにあるかに応じて第一循環ポンプ34と第二循環ポンプ35の回転数を決定する。例えば、図6に示すように、出力負荷電流が定格最大レベル「I」であるときに、第一循環ポンプ34の回転数を最低レベル(0)、第二循環ポンプ35の回転数を最高レベル(5)に設定する。逆に、出力負荷電流が最低レベル「VI」であるときは、第一循環ポンプ34の回転数を最高レベル(5)、第二循環ポンプ35の回転数を最低レベル(0)に設定する。そして、電池温度が安定するのを待って、通常の制御に移行する。
この実施例2の燃料電池発電システム31によれば、第一熱交換器5を通らない第一循環経路32上に第一循環ポンプ34を設け、第一熱交換器5を通る第二循環経路33上に第二循環ポンプ35を設置したので、二つのポンプ34,35を制御することにより、排熱回収回路4側の温度変動による影響を受けることなく、電池温度を適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。特に、二つの循環ポンプ34,35の回転数を段階的に制御し、循環経路32,33を流れる冷却水の流量をステップ状に増減させるので、冷却水温度の急激な変動を防止して、燃料電池2を常に安定した温度条件下で運転できるという利点がある。
続いて、本発明の実施例3について説明する。図7は実施例3の燃料電池発電システム51の全体的な構成を示す。図8は電池温度の変化に応じて二つのポンプ55,56を制御する方法を示す。
実施例3の燃料電池発電システム51は、冷却水循環回路3の構成において実施例1および実施例2と相違する。図7に示すように、冷却水循環回路3は、冷却水を燃料電池2から第一熱交換器5を通さずに燃料電池2に還流させる第一循環管路52と、冷却水を燃料電池2から第一熱交換器5を通して燃料電池2に還流させる第二循環管路53と、冷却水を第二循環管路53から第一熱交換器5を迂回させて排熱回収回路4へ導くバイパス管路54とから構成されている。
第一循環管路52上には当該管路52を開閉する第一電磁バルブ57が設けられ、第二循環管路53上に当該管路53を開閉する第二電磁バルブ58が設けられている。第二電磁バルブ58より下流側の第二循環管路53上には、燃料電池2から第一熱交換器5に向う冷却水の流量を調節可能な第一ポンプ55が設けられている。バイパス管路54は第一ポンプ55の吸入側と第一熱交換器5の2次側出口近傍との間に接続され、このバイパス管路54上に冷却水循環回路3から排熱回収回路4側に向う冷却水の流量を調節可能な第二ポンプ56が設けられている。そして、制御部24が温度センサ36の出力に基づいて二つの電磁バルブ57,58のON,OFFと二つのポンプ55,56の回転数とを制御するように構成されている。
具体的には、図8に示すように、制御部24は、温度センサ36で検出された電池温度Tが予め定められた最適運転温度(最も高い発電効率が得られる温度)Taより何℃離れているかを算出し、双方の温度差に応じて第一ポンプ55および第二ポンプ56の回転数を高低6段階(0〜5レベル)で制御し、第一熱交換器5に流入する冷却水量と排熱回収回路4に流入する冷却水量の比率を調整する。例えば、燃料電池2の適正な温度範囲をT-X<Ta<T+Xとすると、T+Xを上限値「TH5」と定め、最適運転温度Taから上限値「TH5」までを5等分し、5段階の温度条件Ta<TH1<TH2<TH3<TH4<TH5を設定する。そして、各温度条件に制御モード「I」〜「V」を割り当て、それぞれの制御モードにおいて第一ポンプ55および第二ポンプ56を異なる回転数レベルで制御する。
また、制御部24は、Ta<T<T+Xのときに、第一電磁バルブ57をOFFして第一循環管路52を閉じ、第二電磁バルブ58をONして第二循環管路53を開き、冷却水を燃料電池2から第一熱交換器5または排熱回収回路4へ導く。この状態で、例えば、温度センサ36により検出された電池温度TがTa<T<TH1のとき、制御モード「I」において、第一ポンプ55の回転数を最小レベル「1」で、第二ポンプ56の回転数を停止レベル「0」でそれぞれ制御する。これにより、ごく少量の冷却水を第一熱交換器5で冷却し、電池温度Tを発電効率の高い最適運転温度Taの近くで安定的に維持することができる。
電池温度Tがより高い条件下にあるとき、例えばTH2<T<TH3にあるときは、制御モード「III」において、第一ポンプ55の回転数を比較的高いレベル「3」で、第二ポンプ56の回転数も比較的高いレベル「2」でそれぞれ制御する。これにより、比較的多量の冷却水を第一熱交換器5と排熱回収回路4の両方に流入させ、冷却水循環回路3側の冷却水温度を効率よく低下させることができる。一方、T-X<T<Taのときには、燃料電池2の温度を適正温度範囲内に速やかに上昇させるために、第一電磁バルブ57をONして第一循環管路52を開き、第二電磁バルブ58をOFFして第二循環管路53を閉じ、冷却水を燃料電池5から第一熱交換器5に導くことなく水槽11を通して燃料電池2へ還流させる。
この実施例3の燃料電池発電システム51は、電池温度Tに応じて第一ポンプ55と第二ポンプ56の回転数を制御することで、第一熱交換器5に流入する冷却水量と排熱回収回路4に流入する冷却水量の比率を調整する。このため、第一熱交換器5を通る冷却水の流量を相対的に少なくし、熱交換に伴う冷却水の急激な温度変動を抑えて、燃料電池2の温度を適正温度範囲内に短時間で安定させることができる。
なお、上記実施形態では、二つの熱交換器5,7を備えた発電システム1,31,51を例示したが、第二熱交換器7を省略して実施することもでき、給湯配管17と給湯ポンプ19を排熱回収回路4から切り離して貯湯槽8に接続することも可能である。その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の構成を適宜変更して実施することもできる。
1 燃料電池発電システム(実施例1)
2 燃料電池
3 冷却水循環回路
4 排熱回収回路
5 第一熱交換器
7 第二熱交換器
8 貯湯槽
11 冷却水槽
12 冷却水ポンプ
13 給水バルブ
14 排水バルブ
23 温度センサ
24 制御部
31 燃料電池発電システム(実施例2)
32 第一循環経路
33 第二循環経路
34 第一循環ポンプ
35 第二循環ポンプ
36 温度センサ
51 燃料電池発電システム(実施例3)
52 第一循環管路
53 第二循環管路
54 バイパス管路
55 第一ポンプ
56 第二ポンプ
57 第一電磁バルブ
58 第二電磁バルブ
2 燃料電池
3 冷却水循環回路
4 排熱回収回路
5 第一熱交換器
7 第二熱交換器
8 貯湯槽
11 冷却水槽
12 冷却水ポンプ
13 給水バルブ
14 排水バルブ
23 温度センサ
24 制御部
31 燃料電池発電システム(実施例2)
32 第一循環経路
33 第二循環経路
34 第一循環ポンプ
35 第二循環ポンプ
36 温度センサ
51 燃料電池発電システム(実施例3)
52 第一循環管路
53 第二循環管路
54 バイパス管路
55 第一ポンプ
56 第二ポンプ
57 第一電磁バルブ
58 第二電磁バルブ
Claims (3)
- 燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に冷却水槽とポンプとを設置し、冷却水槽に給水バルブと排水バルブとを設け、給・排水バルブおよびポンプを燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路とを熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路が冷却水を燃料電池から熱交換器を通さずに燃料電池に還流させる第一循環経路と、冷却水を燃料電池から熱交換器を通して燃料電池に還流させる第二循環経路とを備え、第一循環経路上に燃料電池へ向う冷却水の流量を調節可能な第一循環ポンプを設け、第二循環経路上に熱交換器へ向う冷却水の流量を調節可能な第二循環ポンプを設け、第一および第二循環ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料電池を冷却する冷却水を循環させる回路と燃料電池の排熱を回収する回路と熱交換器を介して接続したシステムにおいて、冷却水循環回路上に燃料電池から熱交換器に向う冷却水の流量を調節可能な第一ポンプを設け、冷却水循環回路と排熱回収回路との間に熱交換器を迂回するバイパス管路を接続し、バイパス管路上に冷却水循環回路から排熱回収回路に向う冷却水の流量を調節可能な第二ポンプを設け、第一および第二ポンプの回転数を燃料電池の温度に基づいて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
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JP2015215238A (ja) * | 2014-05-09 | 2015-12-03 | アルプス電気株式会社 | 地磁気検出装置 |
KR101792761B1 (ko) | 2017-07-28 | 2017-11-20 | (주)엘케이에너지 | 연료전지 시스템의 운전방법 |
CN114335601A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-04-12 | 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 | 一种储能电站用燃料电池冷却***及冷却方法 |
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2007
- 2007-06-21 JP JP2007163834A patent/JP2008226810A/ja active Pending
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CN114517715A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-05-20 | 武汉理工大学 | 一种氨燃料发动机船舶的液氨冷能多级利用*** |
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