JP2010257644A - Method of controlling fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system enhancing water taking-in efficiency and covering the whole amount of water necessary for operation. <P>SOLUTION: A method of controlling the fuel cell system includes a first step detecting the amount of water stored in a water container 22; a second step detecting any one of the amount of water supplied to a fuel cell module 16, the flow rate, temperature, humidity of at least oxidant gas, or the flow rate of fuel gas; a third step calculating the whole amount of water based on the detected result in the second step; a fourth step calculating the amount of water condensed from steam in exhaust gas exhausted from the fuel cell module 16; a fifth step calculating temperature of the exhaust gas after heat exchange, exhausted from at least a condenser 24 or temperature of a coolant after heat exchange, exhausted from the condenser 24, based on the calculated result in the fourth step; and a sixes step adjusting the flow rate of the coolant supplied to the condenser 24, based on the calculated result in the fifth step. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池モジュール、制御装置、水供給装置、水容器及び凝縮器を備える燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a control method for a fuel cell system including a fuel cell module, a control device, a water supply device, a water container, and a condenser.

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte. An electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。   As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, after obtaining a reforming raw material gas from a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuel such as methane or LNG, the reforming raw material gas is subjected to, for example, steam reforming. The reformed gas (fuel gas) is generated.

上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。このため、外部から必要な水量の水を供給する方式に代えて、燃料電池の発電により発生した排ガスを凝縮させることにより、改質に必要な水を完全循環（水自立）させる水回収方式が注目されている。   In the steam reforming described above, it is necessary to replenish water corresponding to the amount of steam used for the reforming reaction. For this reason, instead of a system that supplies the required amount of water from the outside, a water recovery system that completely circulates the water necessary for reforming (water self-sustained) by condensing exhaust gas generated by power generation of the fuel cell Attention has been paid.

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システム及び燃料ガス供給方法が知られている。この特許文献１では、図７に示すように、固体酸化物形燃料電池１ａの空気極２ａには、熱交換器４ａを通って加熱された空気が供給されるとともに、燃料極３ａには、熱交換器５ａ及び改質器６ａを通って改質された燃料が供給されている。   For example, a fuel cell system and a fuel gas supply method disclosed in Patent Document 1 are known. In Patent Document 1, as shown in FIG. 7, air heated through a heat exchanger 4a is supplied to the air electrode 2a of the solid oxide fuel cell 1a, and the fuel electrode 3a has The reformed fuel is supplied through the heat exchanger 5a and the reformer 6a.

燃料極３ａからの燃料排ガスは、排ガス流路７ａに排出されるとともに、前記排ガス流路７ａには、分配弁８ａを設けて分配管路９ａが分配されている。この分配管路９ａは、分配された燃料排ガスを改質器６ａ、熱交換器４ａ及び熱交換器５ａに供給している。   Fuel exhaust gas from the fuel electrode 3a is discharged to the exhaust gas passage 7a, and a distribution valve 8a is provided in the exhaust gas passage 7a to distribute the distribution pipe passage 9a. The distribution pipe 9a supplies the distributed fuel exhaust gas to the reformer 6a, the heat exchanger 4a, and the heat exchanger 5a.

また、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムは、図８に示すように、固体酸化物形燃料電池セル１ｂ及び改質器２ｂが発電室３ｂに配置された発電モジュール４ｂと、前記発電室３ｂから排出された排ガスを、内部空間５ｂに流通させるとともに、前記内部空間５ｂに循環水配管６ｂを挿通させた排熱回収用熱交換器７ｂとを有している。   In addition, in the exhaust heat recovery system for a solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 2, as shown in FIG. 8, a solid oxide fuel cell 1b and a reformer 2b are arranged in a power generation chamber 3b. The power generation module 4b, and the exhaust gas discharged from the power generation chamber 3b circulate in the internal space 5b, and the exhaust heat recovery heat exchanger 7b in which the circulating water pipe 6b is inserted into the internal space 5b. ing.

排熱回収用熱交換器７ｂの下面には、凝縮水の出口が設けられ、この出口に水貯留タンク８ｂが配置されている。水貯留タンク８ｂに貯留されている水は、水ポンプ９ｂを介して発電モジュール４ｂの改質器２ｂに供給されている。   An outlet of condensed water is provided on the lower surface of the heat exchanger for exhaust heat recovery 7b, and a water storage tank 8b is disposed at the outlet. The water stored in the water storage tank 8b is supplied to the reformer 2b of the power generation module 4b via the water pump 9b.

特開２００６−１５６０１５号公報JP 2006-156015 A 特開２００７−２３４３７４号公報JP 2007-234374 A

しかしながら、上記の特許文献１では、排ガス流路７ａから分配管路９ａが分岐されるため、システム全体が大型化するとともに、放熱量が増加するという問題がある。しかも、部品点数が増加し、製造コストが高騰するおそれがある。しかも、分配弁８ａは、発電直後の高温の燃料排ガスに曝されるため、前記分配弁８ａの耐熱性及び耐久性が求められている。これにより、分配弁８ａのコストが高騰するという問題がある。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the distribution pipe 9a is branched from the exhaust gas flow path 7a, there is a problem that the whole system is increased in size and the heat radiation amount is increased. In addition, the number of parts increases and the manufacturing cost may increase. Moreover, since the distribution valve 8a is exposed to high-temperature fuel exhaust gas immediately after power generation, the heat resistance and durability of the distribution valve 8a are required. Thereby, there exists a problem that the cost of the distribution valve 8a rises.

また、上記の特許文献２では、排熱回収用熱交換器７ｂにより排ガス中の水分を凝縮水として水貯留タンク８ｂに取り出しているが、この凝縮水の回収量を調整することができない。従って、水貯留タンク８ｂに貯留される水が大幅に減少したり、この水貯留タンク８ｂから水が溢れ出すおそれがある。   Moreover, in said patent document 2, although the water | moisture content in waste gas is taken out to the water storage tank 8b as condensed water with the heat exchanger 7b for waste heat collection | recovery, the collection | recovery amount of this condensed water cannot be adjusted. Therefore, there is a possibility that the water stored in the water storage tank 8b is significantly reduced or the water overflows from the water storage tank 8b.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、採水効率を向上させることができ、運転に必要な水の全量を賄うことが可能な燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and it is possible to improve the water collection efficiency with a simple and compact configuration, and to control the fuel cell system that can cover the total amount of water required for operation. The purpose is to provide.

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記水供給装置に水を供給する水容器と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと外部から供給される冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。   The present invention includes a fuel cell module that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a control device that controls the amount of power generated by the fuel cell module, and a water supply device that supplies water to the fuel cell module. The water vapor in the exhaust gas is condensed and condensed by heat exchange between the water container for supplying water to the water supply device, the exhaust gas discharged from the fuel cell module and the refrigerant body supplied from the outside. The present invention relates to a control method for a fuel cell system including a condenser for supplying water to the water container.

この制御方法は、水容器内の貯水量を検出する第１の工程と、燃料電池モジュールに供給される水の量、及び少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は前記燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの流量のいずれかを検出する第２の工程と、前記第２の工程の検出結果に基づき、前記燃料電池モジュールに供給される全水量を算出する第３の工程と、前記第１の工程の検出結果に基づき、前記第３の工程で算出された前記全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第４の工程と、前記第４の工程の算出結果に基づき、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第５の工程と、前記第５の工程の算出結果に基づき、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を調整する第６の工程とを有している。   This control method includes a first step of detecting the amount of water stored in the water container, the amount of water supplied to the fuel cell module, and at least the flow rate, temperature, and humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell module. Alternatively, the second step of detecting either the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell module and the first step of calculating the total amount of water supplied to the fuel cell module based on the detection result of the second step. And water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module with the total water amount calculated in the third step as an upper limit based on the detection result of the step 3 and the first step Based on the fourth step of calculating the amount and the calculation result of the fourth step, at least the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser, or after heat exchange discharged from the condenser A fifth step of calculating one of the temperatures of the refrigerant body, and a sixth step of adjusting a flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser based on a calculation result of the fifth step. is doing.

また、この制御方法では、第４の工程は、水容器内の貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して行うことが好ましい。このため、水容器内に最適な水量を確保することができ、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことが可能になる。   In this control method, it is preferable that the fourth step is performed by comparing the amount of water stored in the water container with a preset range of the amount of stored water. For this reason, an optimal amount of water can be secured in the water container, and the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system.

従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システムの水自立運転が遂行される。ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。   Accordingly, it is not necessary to supply water from the outside, and water self-sustained operation of the fuel cell system is performed. Here, water self-supporting means that the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is supplied from within the fuel cell system without being supplied from the outside.

さらに、この制御方法では、第４の工程は、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲未満であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第２の工程における前記燃料電池モジュールに供給される水の量を超過する量に設定されることが好ましい。   Further, in this control method, the fourth step is condensing from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when it is determined that the amount of water stored in the water container is less than the range of the amount of stored water. The amount of water is preferably set to an amount that exceeds the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step.

これにより、水容器内の貯水量が少ない場合に、採水効率（燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量／燃料電池モジュールに供給される水量）＞１００％となり、凝縮水量が燃料電池モジュールへの供給水量を上回るため、前記水容器内には、最適な水量が確保される。このため、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。   As a result, when the amount of water stored in the water container is small, the water collection efficiency (the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module / the amount of water supplied to the fuel cell module)> 100%. Since the amount of water exceeds the amount of water supplied to the fuel cell module, an optimal amount of water is secured in the water container. For this reason, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system, and water supply operation of the fuel cell system is performed without the need for external water supply.

さらにまた、この制御方法では、第４の工程は、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲超過であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第２の工程における前記燃料電池モジュールに供給される水の量未満の量に設定されることが好ましい。従って、水容器内の貯水量が多い場合に、採水効率＜１００％にすることにより、凝縮水量が燃料電池モジュールへの供給水量を下回るため、前記水容器内には、最適な水量が確保される。これにより、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。   Furthermore, in this control method, in the fourth step, the water storage amount in the water container is condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when it is determined that the water storage amount exceeds the range of the water storage amount. It is preferable to set the amount of water to be less than the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. Therefore, when the amount of water stored in the water container is large, the amount of condensed water is less than the amount of water supplied to the fuel cell module by setting the water collection efficiency <100%, so that an optimal amount of water is secured in the water container. Is done. As a result, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system, and the water cell autonomous operation of the fuel cell system is performed without the need for external water supply.

また、この制御方法では、第４の工程は、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲内であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第２の工程における前記燃料電池モジュールに供給される水の量と同量に設定されることが好ましい。このため、採水効率＝１００％にすることにより、水容器内には、最適な水量が確保され、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システムの水自立運転が遂行される。   In this control method, the fourth step is to condense from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when it is determined that the amount of water stored in the water container is within the range of the amount of stored water. The amount of water is preferably set to the same amount as the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. For this reason, by setting the water collection efficiency to 100%, an optimal amount of water is secured in the water container, and the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system. Accordingly, it is not necessary to supply water from the outside, and water self-sustained operation of the fuel cell system is performed.

さらに、この制御方法では、第６の工程は、少なくとも凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度と、第５の工程で算出された前記排ガスの温度、又は凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度と、第５の工程で算出された前記冷媒体の温度とのいずれかを比較して行うことが好ましい。これにより、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。   Further, in this control method, the sixth step includes at least the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser, the temperature of the exhaust gas calculated in the fifth step, or the heat discharged from the condenser. It is preferable to compare the temperature of the refrigerant body after replacement with the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. Thus, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. The For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.

さらにまた、この制御方法では、第６の工程は、凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度が、第５の工程で算出された前記排ガスの温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される冷媒体の流量を増加させることが好ましい。従って、排ガスの温度が高い場合に、凝縮器に供給される冷媒体の流量が増加されて前記排ガスの温度を低下させる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。   Furthermore, in this control method, in the sixth step, the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser exceeds the set range of the exhaust gas temperature calculated in the fifth step. When determined, it is preferable to increase the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is high, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser is increased, and the temperature of the exhaust gas is lowered. Thereby, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and water shortage is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.

また、この制御方法では、第６の工程は、凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度が、前記第５の工程で算出された前記排ガスの温度の設定範囲以下であると判断された際、凝縮器に供給される冷媒体の流量を減少又は維持させることが好ましい。従って、排ガスの温度が低い場合に、凝縮器に供給される冷媒体の流量が減少又は維持されて前記排ガスの温度を高く又は維持させる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。   Further, in this control method, in the sixth step, it is determined that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser is equal to or less than the set range of the exhaust gas temperature calculated in the fifth step. In this case, it is preferable to reduce or maintain the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is low, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser is reduced or maintained to increase or maintain the temperature of the exhaust gas. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and the surplus water is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.

さらに、この制御方法では、第６の工程は、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第５の工程で算出された前記冷媒体の温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が高い場合に、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が増加されて排ガスの温度を低くさせる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。   Further, in this control method, in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser exceeds the setting range of the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. When it is determined, it is preferable to increase the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the refrigerant body is high, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is increased to lower the temperature of the exhaust gas. Thereby, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and water shortage is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.

さらにまた、この制御方法では、第６の工程は、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第５の工程で算出された前記冷媒体の温度の設定範囲未満であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が低い場合に、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が減少されて排ガスの温度を高くさせる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。   Furthermore, in this control method, in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser is less than the setting range of the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. When the determination is made, it is preferable to reduce the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Therefore, when the temperature of the refrigerant body is low, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is reduced to increase the temperature of the exhaust gas. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and the surplus water is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.

また、この制御方法では、第６の工程は、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第５の工程で算出された前記冷媒体の温度の設定範囲内であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を維持させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が最適であるため、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が維持され、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量を、常に、最適に確保することができる。   Further, in this control method, in the sixth step, it is determined that the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser is within the setting range of the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. When this is done, it is preferable to maintain the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser. Accordingly, since the temperature of the refrigerant body is optimum, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is maintained, and the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas can always be ensured optimally.

しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。これにより、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is recovered well, the exhaust gas is discharged outside the fuel cell system. . Thereby, the thermal efficiency of the fuel cell system can be easily improved.

さらに、この制御方法では、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。   Further, in this control method, the fuel cell module includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are provided. In order to produce a fuel cell stack to be stacked, a heat exchanger for heating before supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and a mixed fuel of raw fuel and steam mainly composed of hydrocarbons, water is used. It is preferable to include an evaporator for evaporating and a reformer for reforming the mixed fuel to generate fuel gas.

このため、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に適用することができ、良好な効果が得られる。   Therefore, it can be optimally applied to a fuel cell module that performs steam reforming in particular, and a good effect can be obtained.

さらにまた、この制御方法では、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。   Furthermore, in this control method, the fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. Therefore, it can be optimally used for a high temperature fuel cell system, and a good effect can be obtained.

本発明によれば、水容器内の貯水量の検出結果に基づき、燃料電池モジュールに供給される全水量を算出し、この全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量が算出されている。これにより、水容器内は、常に、最適な水量を確保することができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システムの採水効率（燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量／燃料電池モジュールに供給される水量）を向上させることが可能になる。   According to the present invention, the total amount of water supplied to the fuel cell module is calculated based on the detection result of the amount of water stored in the water container, and the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module with the total water amount as the upper limit. The amount of water to be condensed is calculated. As a result, the inside of the water container can always ensure an optimal amount of water, and with a simple and compact configuration, the water sampling efficiency of the fuel cell system (condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module) It is possible to improve the amount of water / the amount of water supplied to the fuel cell module.

このため、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。   For this reason, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system can be covered in the fuel cell system, and water supply operation of the fuel cell system is performed without the need for external water supply. Here, water self-supporting means that the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is supplied from within the fuel cell system without being supplied from the outside.

本発明の第１の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system for carrying out a control method according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムの回路図である。It is a circuit diagram of the fuel cell system. 前記第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control method which concerns on the said 1st Embodiment. 水容器の水位と係数αとの説明図である。It is explanatory drawing of the water level and coefficient (alpha) of a water container. 本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control method which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献１の燃料電池システムの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell system of Patent Document 1. FIG. 特許文献２の排熱回収システムの説明図である。It is explanatory drawing of the waste heat recovery system of patent document 2. FIG.

本発明の第１の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。   The fuel cell system 10 for carrying out the control method according to the first embodiment of the present invention is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use.

燃料電池システム１０は、図１に概略的に示すように、発電ユニット１２と貯湯ユニット１４とを備える。発電ユニット１２は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１６と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置１８と、前記燃料電池モジュール１６に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記水供給装置２０に水を供給する水容器２２と、前記燃料電池モジュール１６から排出される排ガスと外部から供給される冷媒体（例えば、水）との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器２２に供給する凝縮器２４とを備える。   The fuel cell system 10 includes a power generation unit 12 and a hot water storage unit 14 as schematically shown in FIG. The power generation unit 12 includes a fuel cell module 16 that generates power by an electrochemical reaction between fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (air), a control device 18 that controls the amount of power generated by the fuel cell module, and the fuel cell. A water supply device (including a water pump) 20 for supplying water to the module 16, a water container 22 for supplying water to the water supply device 20, and exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 are supplied from the outside. A condenser 24 is provided that condenses the water vapor in the exhaust gas by heat exchange with a refrigerant body (for example, water) and supplies the condensed water to the water container 22.

貯湯ユニット１４は、貯湯タンク２６を備える。この貯湯タンク２６内には、冷媒体が貯湯されており、ポンプ２８を介して凝縮器２４に前記冷媒体を循環させる。貯湯タンク２６には、市水が供給される一方、前記貯湯タンク２６から家庭内等に温水が給湯される。   The hot water storage unit 14 includes a hot water storage tank 26. A refrigerant body is stored in the hot water storage tank 26, and the refrigerant body is circulated through the condenser 24 via the pump 28. City water is supplied to the hot water storage tank 26, while hot water is supplied from the hot water storage tank 26 to the home.

発電ユニット１２は、より具体的には、図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１６と、前記燃料電池モジュール１６に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）３２と、前記燃料電池モジュール１６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）３４と、水供給装置２０と、水容器２２と、凝縮器２４と、前記燃料電池モジュール１６で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置３６とを備える。電力変換装置３６には、例えば、商用電源３８（又は、負荷や２次電池等）が接続される（図２参照）。   More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the power generation unit 12 includes a fuel cell module 16 and a fuel gas supply device (fuel) that supplies raw fuel (for example, city gas) to the fuel cell module 16. 32), an oxidant gas supply device (including an air pump) 34 for supplying an oxidant gas to the fuel cell module 16, a water supply device 20, a water container 22, a condenser 24, and the fuel. And a power converter 36 that converts DC power generated in the battery module 16 into required specification power. For example, a commercial power source 38 (or a load, a secondary battery, or the like) is connected to the power conversion device 36 (see FIG. 2).

燃料電池モジュール１６は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体４２とセパレータ４４とが積層される固体酸化物形の燃料電池４６を設けるとともに、複数の前記燃料電池４６が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック４８を備える（図２参照）。   Although not shown, the fuel cell module 16 is, for example, an electrolyte / electrode joint configured by sandwiching a solid electrolyte (solid oxide) composed of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia between an anode electrode and a cathode electrode. A solid oxide fuel cell 46 in which the body 42 and the separator 44 are stacked is provided, and a solid oxide fuel cell stack 48 in which the plurality of fuel cells 46 are stacked in the vertical direction is provided (see FIG. 2). ).

燃料電池スタック４８の積層方向上端側（又は下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック４８に供給する前に加熱する熱交換器５０と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器５２と、前記混合燃料を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器５４とが配設される。   On the upper end side (or lower end side) of the fuel cell stack 48 in the stacking direction, a heat exchanger 50 that heats the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack 48, raw fuel mainly composed of hydrocarbons, and steam In order to generate the mixed fuel, an evaporator 52 that evaporates the water and a reformer 54 that reforms the mixed fuel to generate a fuel gas (reformed gas) are disposed.

燃料電池スタック４８の積層方向下端側（又は上端側）には、前記燃料電池スタック４８を構成する燃料電池４６に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構５６が配設される。   On the lower end side (or upper end side) of the fuel cell stack 48 in the stacking direction, a load applying mechanism 56 for applying a tightening load to the fuel cells 46 constituting the fuel cell stack 48 along the stacking direction (arrow A direction). Is disposed.

改質器５４は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The reformer 54 removes higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) contained in the city gas (fuel gas). , A pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH 4 ), and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

燃料電池４６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体４２では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。   The operating temperature of the fuel cell 46 is as high as several hundred degrees C. In the electrolyte / electrode assembly 42, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen, and this hydrogen is supplied to the anode electrode.

熱交換器５０は、燃料電池スタック４８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管６０に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック４８に供給される。   The heat exchanger 50 exchanges heat by flowing spent reaction gas (hereinafter also referred to as exhaust gas or combustion exhaust gas) discharged from the fuel cell stack 48 and air that is a fluid to be heated in opposite directions. The exhaust gas after the heat exchange is discharged to the exhaust pipe 60, while the air after the heat exchange is supplied to the fuel cell stack 48 as an oxidant gas.

蒸発器５２には、２重管が接続されるとともに、この２重管には、原燃料通路６２と水通路（水配管）６４とが形成される。蒸発器５２の出口は、改質器５４の入口に連結されるとともに、前記改質器５４の出口は、燃料電池スタック４８の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。蒸発器５２に供給された排ガスを排出するために、主排気管６５が設けられる。   A double pipe is connected to the evaporator 52, and a raw fuel passage 62 and a water passage (water pipe) 64 are formed in the double pipe. The outlet of the evaporator 52 is connected to the inlet of the reformer 54, and the outlet of the reformer 54 communicates with a fuel gas supply communication hole (not shown) of the fuel cell stack 48. In order to discharge the exhaust gas supplied to the evaporator 52, a main exhaust pipe 65 is provided.

燃料ガス供給装置３２には、原燃料通路６２が接続される。酸化剤ガス供給装置３４には、空気供給管６６が接続されるとともに、前記空気供給管６６は、熱交換器５０に接続される。   A raw fuel passage 62 is connected to the fuel gas supply device 32. An air supply pipe 66 is connected to the oxidant gas supply device 34, and the air supply pipe 66 is connected to the heat exchanger 50.

図１及び図２に示すように、凝縮器２４には、排気管６０及び主排気管６５が接続されるとともに、前記排気管６０及び前記主排気管６５の前記凝縮器２４からの出口側には、排気管６８が接続される。   As shown in FIGS. 1 and 2, an exhaust pipe 60 and a main exhaust pipe 65 are connected to the condenser 24, and on the outlet side of the exhaust pipe 60 and the main exhaust pipe 65 from the condenser 24. The exhaust pipe 68 is connected.

貯湯タンク２６には、ポンプ２８に接続される循環配管７０が設けられる。この循環配管７０は、凝縮器２４内に冷媒体を通して排ガスと熱交換させ、昇温された冷媒体（温水）を貯湯タンク２６の上部側に戻す。   The hot water storage tank 26 is provided with a circulation pipe 70 connected to the pump 28. The circulation pipe 70 exchanges heat with the exhaust gas through the refrigerant body in the condenser 24, and returns the heated refrigerant body (hot water) to the upper side of the hot water storage tank 26.

図１に示すように、水通路６４には、水供給装置２０の下流に位置して流量計７４ａが配設される。原燃料通路６２には、燃料ガス供給装置３２の下流に位置して流量計７４ｂが配設され、空気供給管６６には、酸化剤ガス供給装置３４の下流に位置して流量計７４ｃが配設される。   As shown in FIG. 1, the water passage 64 is provided with a flow meter 74 a located downstream of the water supply device 20. In the raw fuel passage 62, a flow meter 74b is disposed downstream of the fuel gas supply device 32, and in the air supply pipe 66, a flow meter 74c is disposed downstream of the oxidant gas supply device 34. Established.

酸化剤ガス供給装置３４の入口側には、温湿度計７６が配設される。水容器２２には、この水容器２２内の貯留水の水位を検出するための水位計７８が所定の高さ位置に配置される。   A temperature / humidity meter 76 is disposed on the inlet side of the oxidant gas supply device 34. A water level meter 78 for detecting the water level of the stored water in the water container 22 is disposed in the water container 22 at a predetermined height position.

凝縮器２４では、排気管６８に排気温度を検出するための熱電対８０ａが配設されるとともに、循環配管７０の前記凝縮器２４からの出口側には、昇温された冷媒体の温度を検出するための熱電対８０ｂが配設される。   In the condenser 24, a thermocouple 80 a for detecting the exhaust temperature is disposed in the exhaust pipe 68, and the temperature of the heated refrigerant body is set on the outlet side of the circulation pipe 70 from the condenser 24. A thermocouple 80b for detection is provided.

制御装置１８は、水供給装置２０、燃料ガス供給装置３２、酸化剤ガス供給装置３４及びポンプ２８を制御するとともに、前記制御装置１８には、流量計７４ａ〜７４ｃ、温湿度計７６、水位計７８及び熱電対８０ａ、８０ｂからそれぞれの検出信号が入力される。   The control device 18 controls the water supply device 20, the fuel gas supply device 32, the oxidant gas supply device 34, and the pump 28. The control device 18 includes flow meters 74a to 74c, a temperature / humidity meter 76, and a water level meter. Each detection signal is input from 78 and thermocouples 80a and 80b.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

燃料ガス供給装置３２の駆動作用下に、原燃料通路６２には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路６４には、水が供給されるとともに、空気供給管６６には、酸化剤ガス供給装置３４を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。 Under the driving action of the fuel gas supply device 32, raw fuel such as city gas (including CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 ) is supplied to the raw fuel passage 62. The On the other hand, under the driving action of the water supply device 20, water is supplied to the water passage 64, and oxidant gas is supplied to the air supply pipe 66 via the oxidant gas supply device 34, for example, air Is supplied.

蒸発器５２では、原燃料通路６２を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器５４の入口に供給される。混合燃料は、改質器５４内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質器５４の出口から燃料電池スタック４８に導入される。このため、燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。 In the evaporator 52, steam is mixed with the raw fuel flowing through the raw fuel passage 62 to obtain a mixed fuel, and this mixed fuel is supplied to the inlet of the reformer 54. The mixed fuel is subjected to steam reforming in the reformer 54, and C 2+ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a fuel gas mainly composed of methane. This fuel gas is introduced into the fuel cell stack 48 from the outlet of the reformer 54. Therefore, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen gas, and the fuel gas containing the hydrogen gas as a main component is supplied to an anode electrode (not shown).

一方、空気供給管６６から熱交換器５０に供給される空気は、この熱交換器５０に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器５０で加温された空気は、燃料電池スタック４８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。   On the other hand, when the air supplied from the air supply pipe 66 to the heat exchanger 50 moves along the heat exchanger 50, heat exchange is performed with exhaust gas described later, and the air is preheated to a desired temperature. Has been. The air heated by the heat exchanger 50 is introduced into the fuel cell stack 48 and supplied to a cathode electrode (not shown).

従って、電解質・電極接合体４２では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体４２の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器５０を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。   Therefore, in the electrolyte / electrode assembly 42, power generation is performed by an electrochemical reaction between fuel gas and air. The high-temperature (several hundred degrees Celsius) exhaust gas discharged to the outer periphery of each electrolyte / electrode assembly 42 exchanges heat with air through the heat exchanger 50, and heats the air to a desired temperature. A drop is triggered.

この排ガスは、水通路６４を通過する水を蒸発させる。蒸発器５２を通過した排ガスは、主排気管６５を介して凝縮器２４に送られて水蒸気が凝縮される一方、排ガス成分が排気管６８を介して外部に排出される。この凝縮器２４には、貯湯タンク２６から冷媒体が供給されており、この冷媒体と排ガスとが熱交換を行い、前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて水が得られる。   This exhaust gas evaporates the water passing through the water passage 64. The exhaust gas that has passed through the evaporator 52 is sent to the condenser 24 via the main exhaust pipe 65 to condense the water vapor, while the exhaust gas component is discharged outside via the exhaust pipe 68. The condenser 24 is supplied with a refrigerant body from the hot water storage tank 26, the refrigerant body and the exhaust gas exchange heat, and the water vapor in the exhaust gas is condensed to obtain water.

この水は、凝縮器２４の下流に配置される水容器２２に導入される。そして、水容器２２の下流に配置されている水供給装置２０が駆動されることにより、水容器２２内に貯留されている水は、水通路６４を介して燃料電池モジュール１６に供給される。   This water is introduced into a water container 22 arranged downstream of the condenser 24. Then, when the water supply device 20 disposed downstream of the water container 22 is driven, the water stored in the water container 22 is supplied to the fuel cell module 16 via the water passage 64.

次いで、第１の実施形態に係る制御方法について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。   Next, the control method according to the first embodiment will be described below along the flowchart shown in FIG.

この制御方法は、先ず、水位計７８により、水容器２２内に貯留されている貯留水量を検出する工程（第１の工程）を有する（ステップＳ１）。   This control method first has a step (first step) of detecting the amount of stored water stored in the water container 22 by the water level gauge 78 (step S1).

制御装置１８では、検出された水容器２２内の貯留水量、すなわち、水位に基づいて、係数αを設定する。この係数αは、後述するように、目標凝縮水量を演算するための係数であり、前記水容器２２の水位によって、図４に示す値に設定される。   The control device 18 sets the coefficient α based on the detected amount of stored water in the water container 22, that is, the water level. As will be described later, the coefficient α is a coefficient for calculating the target condensed water amount, and is set to a value shown in FIG. 4 depending on the water level of the water container 22.

例えば、検出水位が設定範囲内であれば、係数αは、０．９５≦α≦１．０５に設定される一方、設定範囲未満であると、前記係数αは、α＞１．０５に設定され、さらに、設定範囲超過であると、前記係数αは、α＜０．９５に設定される。なお、水容器２２内の貯留水を多めに維持する際には、係数αを大きな数値に選択すればよい。   For example, if the detected water level is within the set range, the coefficient α is set to 0.95 ≦ α ≦ 1.05, whereas if the detected water level is less than the set range, the coefficient α is set to α> 1.05. Further, if the set range is exceeded, the coefficient α is set to α <0.95. Note that when maintaining a large amount of stored water in the water container 22, the coefficient α may be selected to be a large numerical value.

ステップＳ２（第２の工程）では、燃料電池モジュール１６に供給される各水分量の算出が行われる。   In step S2 (second step), each water amount supplied to the fuel cell module 16 is calculated.

具体的には、水供給装置２０を介して燃料電池モジュール１６に供給される水の量は、流量計７４ａにより検出される。酸化剤ガス供給装置３４を介して燃料電池モジュール１６に供給される酸化剤ガスの流量は、流量計７４ｃにより検出されるとともに、前記酸化剤ガスの温度や湿度が温湿度計７６により検出される。燃料ガス供給装置３２を介して燃料電池モジュール１６に供給される燃料ガスの流量は、流量計７４ｂを介して検出される。なお、ステップＳ１（第１の工程）とステップＳ２（第２の工程）とは、逆の順序で行ってもよい。   Specifically, the amount of water supplied to the fuel cell module 16 via the water supply device 20 is detected by the flow meter 74a. The flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell module 16 via the oxidant gas supply device 34 is detected by the flow meter 74c, and the temperature and humidity of the oxidant gas are detected by the temperature and humidity meter 76. . The flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell module 16 via the fuel gas supply device 32 is detected via the flow meter 74b. Note that step S1 (first step) and step S2 (second step) may be performed in the reverse order.

そして、ステップＳ３（第３の工程）では、上記の第２の工程により検出された燃料電池モジュール１６に供給される水量、及び、少なくとも前記燃料電池モジュール１６に供給される酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は燃料ガスの流量のいずれかに基づいて、前記燃料電池モジュール１６に供給される全水量が算出される。   In step S3 (third step), the amount of water supplied to the fuel cell module 16 detected in the second step, and at least the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell module 16, The total amount of water supplied to the fuel cell module 16 is calculated based on any one of temperature, humidity, and fuel gas flow rate.

制御装置１８では、ステップＳ１で決定された係数αに基づき、ステップＳ３の工程で算出された全水量を上限として、燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量を算出する工程（第４の工程）を行う（ステップＳ４）。   The control device 18 calculates the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16, with the total water amount calculated in the step S3 as the upper limit, based on the coefficient α determined in step S1. A process (fourth process) is performed (step S4).

このステップＳ４では、排ガス中の水蒸気から凝縮される水量を目標凝縮水量とし、目標凝縮水量＝投入水量×αにより算出される。なお、投入水量とは、水供給装置２０を介して水容器２２から燃料電池モジュール１６に供給される水量をいう。   In this step S4, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is set as the target condensed water amount, and the target condensed water amount = the input water amount × α is calculated. The amount of input water refers to the amount of water supplied from the water container 22 to the fuel cell module 16 via the water supply device 20.

次に、ステップＳ５（第５の工程）に進んで、ステップＳ４の算出結果に基づき、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガス温度、すなわち、目標排ガス温度Ｔが設定される。そして、この目標排ガス温度Ｔに基づいて、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量を調整する第６の工程が行われる。   Next, it progresses to step S5 (5th process), and the exhaust gas temperature after the heat exchange discharged | emitted from the condenser 24, ie, the target exhaust gas temperature T, is set based on the calculation result of step S4. Then, based on the target exhaust gas temperature T, a sixth step of adjusting the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser 24 is performed.

この第６の工程では、凝縮器２４から排気管６８に排気される排ガスの温度が、熱電対８０ａを介して検出される（ステップＳ６）。ここで、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Ｔ以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、凝縮器２４による凝縮水量の減少・維持制御が行われる。一方、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Ｔを超過していると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、凝縮器２４による凝縮水量の増加制御が行われる。   In the sixth step, the temperature of the exhaust gas exhausted from the condenser 24 to the exhaust pipe 68 is detected via the thermocouple 80a (step S6). Here, if it is determined that the detected exhaust gas temperature is equal to or lower than the target exhaust gas temperature T (YES in step S6), the process proceeds to step S7, and the condensed water amount reduction / maintenance control by the condenser 24 is performed. . On the other hand, when it is determined that the detected exhaust gas temperature exceeds the target exhaust gas temperature T (NO in step S6), the process proceeds to step S8, and the increase control of the condensed water amount by the condenser 24 is performed.

この場合、第１の実施形態では、水容器２２内の貯水量の検出結果に基づき、燃料電池モジュール１６に供給される全水量を算出し、この全水量を上限として、前記燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量、すなわち、目標凝縮水量が算出されている。これにより、水容器２２内は、常に、最適な水量を確保することができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システム１０の採水効率を向上させることが可能になる。   In this case, in the first embodiment, the total amount of water supplied to the fuel cell module 16 is calculated based on the detection result of the amount of water stored in the water container 22, and the total amount of water is set as the upper limit from the fuel cell module 16. The amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged, that is, the target amount of condensed water is calculated. Thereby, the inside of the water container 22 can always ensure the optimal amount of water, and it becomes possible to improve the water collection efficiency of the fuel cell system 10 with a simple and compact configuration.

このため、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行されるという効果が得られる。   Therefore, the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 can be covered within the fuel cell system 10, and the water supply operation of the fuel cell system 10 is performed without the need for external water supply. The effect that it is done is acquired.

また、ステップＳ４（第４の工程）は、水容器２２内の貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して目標凝縮水量の算出が行われている。このため、水容器２２内に最適な水量を確保することができ、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことが可能になる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。   In step S4 (fourth process), the target amount of condensed water is calculated by comparing the amount of water stored in the water container 22 with a preset range of the amount of stored water. For this reason, an optimal amount of water can be secured in the water container 22, and the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 can be covered in the fuel cell system 10. Accordingly, it is not necessary to supply water from the outside, and the water self-sustaining operation of the fuel cell system 10 is performed.

その際、水容器２２内の貯水量が、設定範囲未満であると判断された際、係数αが、例えば、１．０５超過に決定されている（図４参照）。すなわち、燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量（目標凝縮水量）は、水供給装置２０を介して水容器２２から燃料電池モジュール１６に供給される水の量を超過する量に設定されている。   At that time, when it is determined that the amount of water stored in the water container 22 is less than the set range, the coefficient α is determined to exceed 1.05, for example (see FIG. 4). That is, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 (target condensed water amount) is the amount of water supplied from the water container 22 to the fuel cell module 16 via the water supply device 20. It is set to an amount that exceeds.

これにより、水容器２２内の貯水量が少ない場合に、採水効率＞１００％となって目標凝縮水量が燃料電池モジュール１６への供給水量を上回るため、前記水容器２２内には、最適な水量が確保される。このため、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。   As a result, when the amount of water stored in the water container 22 is small, the water collection efficiency is greater than 100% and the target condensed water amount exceeds the amount of water supplied to the fuel cell module 16. Water volume is secured. Therefore, the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 can be covered within the fuel cell system 10, and the water supply operation of the fuel cell system 10 is performed without the need for external water supply. Is done.

一方、ステップＳ４で、水容器２２内の貯水量が、設定範囲超過であると判断された際、目標凝縮水量は、水供給装置２０を介して燃料電池モジュール１６に供給される水の量未満の量に設定されている。従って、水容器２２内の貯留水が多い場合に、採水効率＜１００％とすることにより、目標凝縮水量が燃料電池モジュール１６への供給水量を下回るため、前記水容器２２内には最適な水量が確保される。これにより、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。   On the other hand, when it is determined in step S4 that the amount of water stored in the water container 22 exceeds the set range, the target condensed water amount is less than the amount of water supplied to the fuel cell module 16 via the water supply device 20. The amount is set. Therefore, when the amount of stored water in the water container 22 is large, the target condensed water amount is less than the amount of water supplied to the fuel cell module 16 by setting the water collection efficiency <100%. Water volume is secured. As a result, the entire amount of water required for the operation of the fuel cell system 10 can be covered within the fuel cell system 10, and the water supply operation of the fuel cell system 10 is performed without the need for external water supply. Is done.

また、ステップＳ４において、水容器２２内の貯水量が設定範囲内であると判断された際、目標凝縮水量は、燃料電池モジュール１６に供給される水の量と同量に設定される。このため、採水効率＝１００％にすることにより、水容器２２内には、最適な水量が確保され、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。   In step S4, when it is determined that the amount of water stored in the water container 22 is within the set range, the target amount of condensed water is set to the same amount as the amount of water supplied to the fuel cell module 16. For this reason, by setting the water sampling efficiency = 100%, an optimal amount of water is secured in the water container 22, and the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered in the fuel cell system 10. Can do. Accordingly, it is not necessary to supply water from the outside, and the water self-sustaining operation of the fuel cell system 10 is performed.

さらに、第６の工程では、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度と目標排ガス温度Ｔとが比較され、凝縮水量の増減が行われている。これにより、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。   Further, in the sixth step, the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser 24 is compared with the target exhaust gas temperature T, and the amount of condensed water is increased or decreased. Thereby, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 is recovered well, the exhaust gas is external to the fuel cell system 10. To be discharged. For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

その際、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Ｔ以下であると判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量を減少又は維持させている。従って、排ガスの温度が低い場合に、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が減少又は維持されて、前記排ガスの温度を高く又は維持させている。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて、水余りが確実に抑制される。   At that time, when it is determined that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser 24 is equal to or lower than the target exhaust gas temperature T (YES in step S6), the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 24 Is reduced or maintained. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is low, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 24 is reduced or maintained, and the temperature of the exhaust gas is increased or maintained. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and the surplus water is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 is recovered well, the exhaust gas is transferred to the outside of the fuel cell system 10. Discharged. For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

一方、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Ｔを超過していると判断された際（ステップＳ６中、ＮＯ）、前記凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加されている。従って、排ガスの温度が高い場合に、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加されて、前記排ガスの温度を低下させることができる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。   On the other hand, when it is determined that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser 24 exceeds the target exhaust gas temperature T (NO in step S6), the refrigerant supplied to the condenser 24 The flow rate has been increased. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is high, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 24 is increased, and the temperature of the exhaust gas can be lowered. Thereby, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and water shortage is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 is recovered well, the exhaust gas is transferred to the outside of the fuel cell system 10. Discharged. For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

さらに、燃料電池モジュール１６は、燃料電池スタック４８と、熱交換器５０と、蒸発器５２と、改質器５４とを備えている。このため、特に、水蒸気改質を行う燃料電池モジュール１６に最適に用いることができ、良好な効果が得られる。   Further, the fuel cell module 16 includes a fuel cell stack 48, a heat exchanger 50, an evaporator 52, and a reformer 54. Therefore, in particular, the fuel cell module 16 that performs steam reforming can be optimally used, and a good effect can be obtained.

さらにまた、燃料電池モジュール１６では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られている。その上、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも、好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。   Furthermore, the fuel cell module 16 is configured with a high-temperature fuel cell system, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) module, so that a good effect is obtained. Moreover, it can be suitably used for other high-temperature fuel cell modules and medium-temperature fuel cell modules instead of the solid oxide fuel cell modules. For example, a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) and the like can be favorably employed.

図５は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法を実施するためのフローチャートである。   FIG. 5 is a flowchart for carrying out the control method according to the second embodiment of the present invention.

なお、図３に示す第１の実施形態に係る制御方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。   In addition, the detailed description is abbreviate | omitted about the process same as the control method which concerns on 1st Embodiment shown in FIG.

この第２の実施形態では、先ず、ステップＳ１１〜ステップＳ１４（第１の工程〜第４の工程）が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ４と同様に行われる。   In the second embodiment, first, steps S11 to S14 (first process to fourth process) are performed in the same manner as steps S1 to S4 of the first embodiment.

次に、ステップＳ１５（第５の工程）に進んで、目標凝縮水量に基づき、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度、すなわち、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）及び下限温度（ＭＩＮ）が設定される。そして、この目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）及び下限温度（ＭＩＮ）に基づき、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が調整される（第６の工程）。   Next, it progresses to step S15 (5th process), and the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged | emitted from the condenser 24 based on the amount of target condensed water, ie, target refrigerant body upper limit temperature (MAX), and lower limit temperature (MIN) is set. And based on this target refrigerant body upper limit temperature (MAX) and lower limit temperature (MIN), the flow volume of the said refrigerant body supplied to the condenser 24 is adjusted (6th process).

具体的には、ステップＳ１６において、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が熱電対８０ｂにより検出され、この熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）とが比較される。熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）以下であると判断されると（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進んで、前記熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）とが比較される。   Specifically, in step S16, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser 24 is detected by the thermocouple 80b, and the refrigerant body temperature and the target refrigerant body upper limit temperature (MAX) after the heat exchange are detected. Are compared. When it is determined that the refrigerant body temperature after heat exchange is equal to or lower than the target refrigerant body upper limit temperature (MAX) (YES in step S16), the process proceeds to step S17, and the refrigerant body temperature after heat exchange and the target cooling temperature are increased. The lower limit temperature (MIN) of the medium is compared.

熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）以上であると判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、すなわち、前記熱交換後の冷媒体温度が設定範囲内であると判断されると、ステップＳ１８に進み、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が維持される。   When it is determined that the refrigerant body temperature after heat exchange is equal to or higher than the target refrigerant body lower limit temperature (MIN) (YES in step S17), that is, the refrigerant body temperature after heat exchange is within a set range. If judged, the process proceeds to step S18, and the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 24 is maintained.

一方、熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）未満であると判断されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ１９に進み、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が減少される。また、ステップＳ１６において、熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）を超過していると判断されると（ステップＳ１６中、ＮＯ）、ステップＳ２０に進み、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加される。   On the other hand, if it is determined that the temperature of the refrigerant body after the heat exchange is lower than the target refrigerant body lower limit temperature (MIN) (NO in step S17), the process proceeds to step S19, and the refrigerant body temperature supplied to the condenser 24 is increased. The flow rate is reduced. In Step S16, when it is determined that the refrigerant body temperature after heat exchange exceeds the target refrigerant body upper limit temperature (MAX) (NO in Step S16), the process proceeds to Step S20, and the condenser 24 is supplied. The flow rate of the supplied refrigerant is increased.

この場合、第２の実施形態では、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、冷媒体の目標温度範囲内（下限温度（ＭＩＮ）以上で、且つ上限温度（ＭＡＸ）以下）であると判断されると、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が維持されている。従って、冷媒体の温度が最適であるため、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が維持され、排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を、常に、最適に確保することができる。   In this case, in the second embodiment, the temperature of the refrigerant body after the heat exchange discharged from the condenser 24 is within the target temperature range of the refrigerant body (the lower limit temperature (MIN) or higher and the upper limit temperature (MAX) or lower). ), The flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 24 is maintained. Therefore, since the temperature of the refrigerant body is optimum, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser 24 is maintained, and the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas can always be ensured optimally. .

しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。これにより、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 is recovered well, the exhaust gas is transferred to the outside of the fuel cell system 10. Discharged. Thereby, the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

また、熱交換後の冷媒体温度が目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）、例えば、６０℃未満であると判断された際、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が減少される。従って、冷媒体の温度が低い場合に、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が減少されて、排ガスの温度が高く設定される。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。   Further, when it is determined that the temperature of the refrigerant body after the heat exchange is less than the target refrigerant body lower limit temperature (MIN), for example, less than 60 ° C., the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser 24 is decreased. Therefore, when the temperature of the refrigerant body is low, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser 24 is reduced and the temperature of the exhaust gas is set high. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and the surplus water is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 is recovered well, the exhaust gas is transferred to the outside of the fuel cell system 10. Discharged. For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

さらにまた、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）、例えば、８０℃を超過していると判断された際、前記凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が増加される。従って、冷媒体の温度が高い場合に、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が増加されて、排ガスの温度が低く設定される。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、常に、最適な水の量に維持されて水不足が確実に抑制される。   Furthermore, when it is determined that the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser 24 exceeds a target refrigerant body upper limit temperature (MAX), for example, 80 ° C., the refrigerant body 24 is supplied to the condenser 24. The flow rate of the refrigerant body is increased. Therefore, when the temperature of the refrigerant body is high, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser 24 is increased, and the temperature of the exhaust gas is set low. As a result, the amount of water condensed from the water vapor in the exhaust gas is always maintained at an optimal amount of water, and water shortage is reliably suppressed.

しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。   In addition, the total amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is covered, and after the heat contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 16 is recovered well, the exhaust gas is transferred to the outside of the fuel cell system 10. Discharged. For this reason, the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

図６は、本発明の第３の実施形態に係る制御方法を実施するためのフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart for carrying out the control method according to the third embodiment of the present invention.

なお、上記の第１及び第２の実施形態に係る制御方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。   In addition, the detailed description is abbreviate | omitted about the process same as the control method which concerns on said 1st and 2nd embodiment.

この第３の実施形態では、先ず、ステップＳ３１〜ステップＳ３５（第１の工程〜第５の工程）が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ５と同様に行われる。次いで、ステップＳ３６において、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Ｔ以下であると判断されると（ステップＳ３６中、ＹＥＳ）、ステップＳ３７に進んで、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が熱電対８０ｂにより検出され、この熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）とが比較される。そして、第２の実施形態のステップＳ１６〜ステップＳ２０と同様に、ステップＳ３７〜ステップＳ４１が行われる。   In the third embodiment, first, steps S31 to S35 (first process to fifth process) are performed similarly to steps S1 to S5 of the first embodiment. Next, when it is determined in step S36 that the detected exhaust gas temperature is equal to or lower than the target exhaust gas temperature T (YES in step S36), the process proceeds to step S37, and after the heat exchange exhausted from the condenser 24 is completed. The temperature of the refrigerant body is detected by the thermocouple 80b, and the refrigerant body temperature after the heat exchange is compared with the target refrigerant body upper limit temperature (MAX). And step S37-step S41 are performed similarly to step S16-step S20 of 2nd Embodiment.

一方、ステップＳ３６において、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Ｔを超過していると判断された際（ステップＳ３６中、ＮＯ）、ステップＳ４１に進んで、前記凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加されている。   On the other hand, when it is determined in step S36 that the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser 24 exceeds the target exhaust gas temperature T (NO in step S36), the process proceeds to step S41. The flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 24 is increased.

これにより、第３の実施形態では、水容器２２内は、常に、最適な水量を確保することができ、燃料電池システム１０の採水効率を向上させて前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行されるという効果が得られる。しかも、熱回収が良好に遂行され、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られるという利点がある。   Thereby, in the third embodiment, the water container 22 can always ensure an optimal amount of water, improve the water collection efficiency of the fuel cell system 10, and perform the water self-sustained operation of the fuel cell system 10. The effect of being carried out is obtained. In addition, there is an advantage that heat recovery is performed well and the thermal efficiency of the fuel cell system 10 can be easily improved.

１０…燃料電池システム １２…発電ユニット
１４…貯湯ユニット １６…燃料電池モジュール
１８…制御装置 ２０…水供給装置
２２…水容器 ２４…凝縮器
２６…貯湯タンク ３２…燃料ガス供給装置
３４…酸化剤ガス供給装置 ３６…電力変換装置
４６…燃料電池 ４８…燃料電池スタック
５０…熱交換器 ５２…蒸発器
５４…改質器 ６８…排気管
７０…循環配管 ７４ａ〜７４ｃ…流量計
７６…温湿度計 ７８…水位計
８０ａ、８０ｂ…熱電対 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Power generation unit 14 ... Hot water storage unit 16 ... Fuel cell module 18 ... Control device 20 ... Water supply device 22 ... Water container 24 ... Condenser 26 ... Hot water storage tank 32 ... Fuel gas supply device 34 ... Oxidant gas Supply device 36 ... Power conversion device 46 ... Fuel cell 48 ... Fuel cell stack 50 ... Heat exchanger 52 ... Evaporator 54 ... Reformer 68 ... Exhaust pipe 70 ... Circulating pipe 74a-74c ... Flow meter 76 ... Temperature and humidity meter 78 ... Water level gauges 80a, 80b ... thermocouple

Claims (13)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記水供給装置に水を供給する水容器と、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと外部から供給される冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記水容器内の貯水量を検出する第１の工程と、
前記燃料電池モジュールに供給される水の量、及び少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は前記燃料電池モジュールに供給される前記燃料ガスの流量のいずれかを検出する第２の工程と、
前記第２の工程の検出結果に基づき、前記燃料電池モジュールに供給される全水量を算出する第３の工程と、
前記第１の工程の検出結果に基づき、前記第３の工程で算出された前記全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第４の工程と、
前記第４の工程の算出結果に基づき、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第５の工程と、
前記第５の工程の算出結果に基づき、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を調整する第６の工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
A control device for controlling the power generation amount of the fuel cell module;
A water supply device for supplying water to the fuel cell module;
A water container for supplying water to the water supply device;
A condenser for condensing water vapor in the exhaust gas by heat exchange between the exhaust gas discharged from the fuel cell module and an externally supplied refrigerant, and supplying condensed water to the water container;
A control method for a fuel cell system comprising:
A first step of detecting the amount of water stored in the water container;
One of the amount of water supplied to the fuel cell module, and at least one of the flow rate, temperature and humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell module or the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell module. A second step of detecting;
A third step of calculating the total amount of water supplied to the fuel cell module based on the detection result of the second step;
Based on the detection result of the first step, the amount of water condensed from water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is calculated with the total water amount calculated in the third step as an upper limit. 4 steps,
Based on the calculation result of the fourth step, calculate at least one of the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser or the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser And a fifth step
A sixth step of adjusting the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser based on the calculation result of the fifth step;
A control method for a fuel cell system, comprising: 請求項１記載の制御方法において、前記第４の工程は、前記水容器内の前記貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   2. The control method according to claim 1, wherein the fourth step is performed by comparing the water storage amount in the water container with a preset range of the water storage amount. 3. Control method. 請求項２記載の制御方法において、前記第４の工程は、前記水容器内の前記貯水量が、前記貯水量の範囲未満であると判断された際、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、前記第２の工程における前記燃料電池モジュールに供給される水の量を超過する量に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   3. The control method according to claim 2, wherein in the fourth step, in the exhaust gas discharged from the fuel cell module when the water storage amount in the water container is determined to be less than the range of the water storage amount. The amount of water condensed from the water vapor is set to an amount that exceeds the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. 請求項２又は３記載の制御方法において、前記第４の工程は、前記水容器内の前記貯水量が、前記貯水量の範囲超過であると判断された際、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、前記第２の工程における前記燃料電池モジュールに供給される水の量未満の量に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   4. The control method according to claim 2, wherein in the fourth step, the water storage amount in the water container is discharged from the fuel cell module when it is determined that the water storage amount exceeds the range of the water storage amount. The method for controlling a fuel cell system, wherein the amount of water condensed from water vapor in the exhaust gas is set to an amount less than the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第４の工程は、前記水容器内の前記貯水量が、前記貯水量の範囲内であると判断された際、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、前記第２の工程における前記燃料電池モジュールに供給される水の量と同量に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   5. The control method according to claim 2, wherein when the water storage amount in the water container is determined to be within the range of the water storage amount, the fourth step The amount of water condensed from water vapor in the exhaust gas discharged from the battery module is set to be the same as the amount of water supplied to the fuel cell module in the second step. How to control the system. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第６の工程は、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度と、前記第５の工程で算出された前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度と、前記第５の工程で算出された前記冷媒体の温度とのいずれかを比較して行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   6. The control method according to claim 1, wherein the sixth step is calculated by at least the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser and the fifth step. The temperature of the exhaust gas or the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser is compared with the temperature of the refrigerant body calculated in the fifth step. A control method for a fuel cell system. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第６の工程は、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度が、前記第５の工程で算出された前記排ガスの温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   The control method according to any one of claims 1 to 6, wherein in the sixth step, the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser is calculated in the fifth step. A control method for a fuel cell system, comprising: increasing a flow rate of the refrigerant supplied to the condenser when it is determined that a temperature setting range of the exhaust gas is exceeded. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第６の工程は、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度が、前記第５の工程で算出された前記排ガスの温度の設定範囲以下であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少又は維持させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   The control method according to any one of claims 1 to 7, wherein in the sixth step, the temperature of the exhaust gas after heat exchange discharged from the condenser is calculated in the fifth step. A control method for a fuel cell system, wherein when it is determined that the temperature of the exhaust gas is equal to or less than a set range of the temperature of the exhaust gas, the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser is reduced or maintained. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第６の工程は、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度が、前記第５の工程で算出された前記冷媒体の温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   The control method according to any one of claims 1 to 8, wherein in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser is calculated in the fifth step. A control method for a fuel cell system, wherein the flow rate of the refrigerant supplied to the condenser is increased when it is determined that the set temperature range of the refrigerant is exceeded. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第６の工程は、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度が、前記第５の工程で算出された前記冷媒体の温度の設定範囲未満であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   The control method according to any one of claims 1 to 9, wherein in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser is calculated in the fifth step. A control method for a fuel cell system, wherein when it is determined that the temperature of the refrigerant body is lower than a set range, the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is decreased. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の制御方法において、前記第６の工程は、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度が、前記第５の工程で算出された前記冷媒体の温度の設定範囲内であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を維持させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   The control method according to any one of claims 1 to 10, wherein in the sixth step, the temperature of the refrigerant body after heat exchange discharged from the condenser is calculated in the fifth step. A control method for a fuel cell system, wherein the flow rate of the refrigerant body supplied to the condenser is maintained when it is determined that the temperature of the refrigerant body is within a set range. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 12. The control method according to claim 1, wherein the fuel cell module includes at least an electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator. A fuel cell stack provided with a fuel cell, and a plurality of the fuel cells stacked;
A heat exchanger that heats the oxidant gas before supplying it to the fuel cell stack;
An evaporator for evaporating the water in order to produce a mixed fuel of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and water vapor;
A reformer for reforming the mixed fuel to produce the fuel gas;
A control method for a fuel cell system, comprising: 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。   The control method according to any one of claims 1 to 12, wherein the fuel cell module is a solid oxide fuel cell module.
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