JP2010272288A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改質部および燃料電池を覆う断熱材料で形成された断熱壁を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a heat insulating wall formed of a heat insulating material that covers a reforming section and a fuel cell.
特許文献1には、燃料電池から排出される燃料ガスでバルブや配管等を加熱して凍結を防止する燃料電池システムが開示されている。更に特許文献1には、燃料電池から排出されたカソードオフガスの流路を、通常の排気経路から、凍結するおそれがある部品に導くように切り替え、その部品の凍結を防止する技術が開示されている。
特許文献2には、固体高分子形の燃料電池システムが運転を停止しているとき、生成水が凍結するおそれがある温度になると、メタノールの燃焼で発生した排気ガスの流路を、通常の排気流路から、生成水循環経路に切り替え、生成水循環経路の凍結を防止する燃料電池システムが開示されている。
In
しかしながら上記したシステムといえども、寒冷地や冬季等においては、貯水タンクや水精製器といった水を保持し得る凍結部位が凍結するおそれがある。この場合、燃料電池の次回の起動に支障をきたすおそれがある。 However, even in the above-described system, there is a risk of freezing sites that can hold water, such as water storage tanks and water purifiers, in cold regions and in winter. In this case, there is a risk of hindering the next start-up of the fuel cell.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池を覆う断熱壁の放熱で暖められた空気を有効利用し、水を保持し得る凍結部位の過剰凍結を寒冷地や冬季等において低減させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and effectively uses air heated by heat radiation of a heat insulating wall covering a fuel cell, and over-freezing a frozen part capable of holding water is performed in a cold district or winter season. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that is advantageous for reduction.
本発明に係る燃料電池システムは、(i)燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、(ii)改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、(iii)改質部および燃料電池を覆う断熱材料で形成された断熱壁と、(iv)システムで使用される水が保持され得る凍結部位と、(v)改質部、燃料電池、断熱壁および凍結部位を収容する収容室と、収容室と外部とを連通させる排気口とをもつ筐体と、(vi)筐体の収容室に配置され外部の空気を吸引して収容室の空気を排気口から外部に排出させる換気装置と、(vii)凍結部位の水の凍結に関する物理量を検知する凍結センサと、(viii)凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているときには、換気装置の作動を制御することにより、断熱壁で暖められた空気を凍結部位に供給して凍結部位の凍結を抑制する凍結抑制制御を実行する制御部とを具備する。 A fuel cell system according to the present invention includes: (i) a reforming unit that reforms a fuel material to generate an anode gas; and (ii) a fuel cell that generates electric power using the anode gas and the cathode gas generated in the reforming unit. (Iii) a heat insulating wall formed of a heat insulating material covering the reforming section and the fuel cell, (iv) a freezing portion where water used in the system can be held, (v) the reforming section, the fuel cell, A housing having a housing chamber for housing the heat insulating wall and the frozen portion, an exhaust port for communicating the housing chamber with the outside, and (vi) the housing chamber is disposed in the housing chamber to suck outside air A ventilator that discharges air from the exhaust port to the outside, (vii) a freezing sensor that detects a physical quantity related to freezing of water at the frozen site, and (viii) when the frozen site is likely to freeze, or the frozen site is frozen When ventilating By controlling the operation, and a control unit for executing suppressing antifreezing control freezing of the frozen portion to supply the air warmed by the heat insulating wall freezing site.
燃料電池が発電運転しているときには、燃料電池および改質部の温度は外気に対して高温である。断熱壁は、燃料電池および改質部の温度を維持する。断熱壁の周辺の空気の温度は高温となり、収容室において熱こもりを発生させるおそれがある。そこで制御部は換気装置の作動を制御し、収容室の空気(殊に、断熱壁の周辺の高温の空気)を排気口から筐体の外部に排出させる。これにより収容室における熱こもりが抑えられる。 When the fuel cell is in a power generation operation, the temperature of the fuel cell and the reforming unit is high with respect to the outside air. The heat insulating wall maintains the temperature of the fuel cell and the reforming section. The temperature of the air around the heat insulating wall becomes high, and there is a risk of generating heat in the accommodation chamber. Therefore, the control unit controls the operation of the ventilation device, and discharges the air in the accommodation chamber (particularly, high-temperature air around the heat insulating wall) from the exhaust port to the outside of the housing. Thereby, the heat-up in a storage chamber is suppressed.
凍結部位は水を保持するため、寒冷地や冬季等では凍結するおそれがある。殊に、燃料電池が発電運転していないときには、凍結部位は凍結するおそれがある。または凍結部位が凍結していることがある。凍結センサは、凍結部位の水の凍結に関する物理量(例えば温度)を検知する。代表的な凍結センサとしては、筐体の収容室内、凍結部位または外気の温度を検知するセンサが挙げられる。凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているとき、制御部は換気装置の作動を制御することにより、断熱壁で暖められた空気を温風または熱風として凍結部位に供給し、凍結部位の凍結を抑制する凍結抑制制御を実行する。これにより凍結部位の凍結が抑制される。または凍結部位の過剰凍結が抑制される。 Since the frozen part retains water, there is a risk of freezing in cold regions and in winter. In particular, when the fuel cell is not in a power generation operation, the frozen portion may freeze. Or the frozen part may be frozen. A freezing sensor detects the physical quantity (for example, temperature) regarding freezing of the water of a frozen site. As a typical freezing sensor, there is a sensor that detects the temperature of the housing chamber of the housing, the frozen part, or the outside air. When there is a possibility that the frozen part is frozen, or when the frozen part is frozen, the control unit controls the operation of the ventilator so that the air heated by the heat insulating wall is turned into the frozen part as hot air or hot air. Supply and execute freeze suppression control that suppresses freezing of frozen sites. Thereby, freezing of a frozen part is suppressed. Alternatively, excessive freezing of the frozen site is suppressed.
ここで、燃料電池の発電運転中はもちろんのこと、発電運転が停止されているときであっても、待機しているときであっても、断熱壁は高い断熱性を有するため、余熱を有する。そのため断熱壁は、燃料電池および改質部の温度を長時間にわたり凍結開始温度以上の高温領域に維持することができる。従って、発電運転中はもちろんのこと、発電運転が停止されたときであっても、余熱を有する断熱壁周辺の空気は暖かい。従って、凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているとき、制御部は換気装置の作動を制御することにより、断熱壁で暖められた空気を凍結部位に供給し、凍結部位の過剰凍結を抑制することができる。 Here, not only during the power generation operation of the fuel cell, but also when the power generation operation is stopped or when it is waiting, the heat insulating wall has high heat insulating properties and therefore has residual heat. . Therefore, the heat insulating wall can maintain the temperature of the fuel cell and the reforming portion in a high temperature region that is equal to or higher than the freezing start temperature for a long time. Therefore, not only during the power generation operation but also when the power generation operation is stopped, the air around the heat insulating wall having the remaining heat is warm. Therefore, when there is a possibility that the frozen part is frozen or when the frozen part is frozen, the control unit controls the operation of the ventilator to supply the air heated by the heat insulating wall to the frozen part. Excessive freezing of the frozen site can be suppressed.
本発明によれば、燃料電池の発電運転中はもちろんのこと、発電停止後であったとしても、待機中であったとしても、燃料電池および改質部を包囲する断熱壁の余熱により、断熱壁の周辺の空気の温度を凍結開始温度以上に長時間にわたり維持することができる。このため制御部は換気装置の作動を制御することにより、断熱壁で暖められた空気を凍結部位に供給し、凍結部位の凍結を抑制することができる。このため凍結部位の過剰凍結を抑制することができる。従って、燃料電池の再起動を良好に実施することができる。 According to the present invention, not only during the power generation operation of the fuel cell, but also after the power generation is stopped, even if it is in standby, the heat insulation is performed by the residual heat of the heat insulation wall surrounding the fuel cell and the reforming section. The temperature of the air around the wall can be maintained for a long time above the freezing start temperature. For this reason, the control unit can control the operation of the ventilator to supply the air heated by the heat insulating wall to the freezing portion, thereby suppressing freezing of the freezing portion. For this reason, the excessive freezing of a frozen site can be suppressed. Therefore, the fuel cell can be restarted satisfactorily.
本発明によれば、筐体は、排気口を有するほかに吸気口を有することが好ましい。但し、筐体の壁間の隙間または柱間の隙間から外気を収容室に吸引させても良い。燃料電池の作動温度は70℃以上、または、200℃以上が好ましい。殊に、500℃以上が好ましい。燃料電池としては固体酸化物形、リン酸形、溶融炭酸塩形が例示される。作動温度の上限は1200℃、1000℃、900℃が例示される。作動温度とは、燃料電池が定格発電運転するときにおける電解質の温度をいう。改質部は、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる。断熱壁は、改質部および燃料電池を覆う断熱材料で形成されている。断熱壁は、改質部および燃料電池を高温状態に維持でき、改質部の改質効率および燃料電池の発電効率を高めるものの、収容室における熱こもりの要因となる。換気装置は、筐体の収容室に配置されており、外部の空気を吸引して収容室の空気を排気口から外部に排出させ、収容室の熱こもりを抑制する。 According to this invention, it is preferable that a housing | casing has an inlet port other than having an exhaust port. However, outside air may be sucked into the accommodation chamber from the gap between the walls of the housing or the gap between the columns. The operating temperature of the fuel cell is preferably 70 ° C. or higher, or 200 ° C. or higher. In particular, 500 ° C. or higher is preferable. Examples of the fuel cell include a solid oxide form, a phosphoric acid form, and a molten carbonate form. Examples of the upper limit of the operating temperature are 1200 ° C, 1000 ° C, and 900 ° C. The operating temperature refers to the temperature of the electrolyte when the fuel cell performs rated power generation operation. The reforming unit reforms the fuel material to generate anode gas. The heat insulating wall is formed of a heat insulating material that covers the reforming portion and the fuel cell. The heat insulating wall can maintain the reforming section and the fuel cell in a high temperature state, and improves the reforming efficiency of the reforming section and the power generation efficiency of the fuel cell, but becomes a factor of heat accumulation in the accommodation chamber. The ventilation device is disposed in the housing chamber of the housing, and sucks outside air to discharge the air in the housing chamber to the outside through the exhaust port, thereby suppressing the heat accumulation in the housing chamber.
凍結部位はシステムで使用される水を溜める部位である。凍結部位としては、システムで発生した凝縮水を溜めるタンク、凝縮水を精製させる水精製材を有するタンク、改質水を溜めるタンク、これらに繋がるバルブ、ポンプ、配管等が例示される。凍結センサは、凍結部位の水が凍結するおそれがあることを検知する。凍結センサとしては、外気、凍結部位または筐体内部の温度を検知する温度センサが例示される。 The freezing area is the area where water used in the system is stored. Examples of the frozen portion include a tank for storing condensed water generated in the system, a tank having a water purification material for purifying condensed water, a tank for storing reformed water, valves connected to these, pumps, piping, and the like. The freezing sensor detects that there is a possibility that the water at the frozen site may freeze. Examples of the freezing sensor include a temperature sensor that detects the temperature of the outside air, the frozen site, or the inside of the housing.
本発明の好ましい形態によれば、制御部は、凍結部位が凍結するおそれがないとき、換気装置を一方向に作動させ、外部の空気を収容室に吸引すると共に、断熱壁周辺の暖められた空気を排気口から外部に排出させる操作を実行する。好ましくは、制御部は、凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているとき、換気装置を他方向に作動させ、排気口から外部の空気を収容室に吸引しつつ、断熱壁周辺の暖められた空気を凍結部位に向けて流す操作を実行する。これにより凍結部位の凍結が抑制される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the control unit operates the ventilator in one direction to suck outside air into the storage chamber and warms the periphery of the heat insulating wall when there is no risk that the frozen part is frozen. Execute the operation to exhaust air to the outside through the exhaust port. Preferably, the control unit operates the ventilator in the other direction when there is a risk that the frozen part is frozen or when the frozen part is frozen, and sucks external air from the exhaust port into the storage chamber. Then, an operation of flowing the warmed air around the heat insulation wall toward the frozen part is executed. Thereby, freezing of a frozen part is suppressed.
本発明の好ましい形態によれば、換気装置は、作動により外部の空気を収容室に吸引すると共に、断熱壁周辺の暖められた空気を排気口から外部に排出させる第1換気装置と、断熱壁周辺の暖められた空気を凍結部位に向けて流す第2換気装置とを備えており、制御部は、凍結部位が凍結するおそれがないとき、第1換気装置を作動させ、外部の空気を収容室に吸引すると共に、断熱壁周辺の暖められた空気を排気口から外部に排出させる操作を実行し、且つ、制御部は、凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているとき、第2換気装置を作動させ、断熱壁周辺の暖められた空気を凍結部位に向けて流す操作を実行する。これにより凍結部位の凍結が抑制される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the ventilation device sucks external air into the accommodation chamber by operation, and exhausts the warmed air around the heat insulation wall to the outside from the exhaust port, and the heat insulation wall. And a second ventilation device that flows warm air in the vicinity toward the freezing site, and the control unit activates the first ventilation device and accommodates external air when the freezing site is not likely to freeze. The control unit performs the operation of sucking into the chamber and discharging the warmed air around the heat insulation wall to the outside from the exhaust port, and the control unit may freeze the frozen part or the frozen part may be frozen. When it is, the second ventilation device is actuated, and an operation of flowing the warmed air around the heat insulation wall toward the frozen part is executed. Thereby, freezing of a frozen part is suppressed.
本発明の好ましい形態によれば、筐体は、凍結部位を収容する第1収容室と、改質器、燃料電池および断熱壁を収容すると共に燃料電池の発電運転時に第1収容室よりも高温に維持される第2収容室と、第1収容室および第2収容室を仕切る仕切壁と、仕切壁に形成され第1収容室および第2収容室を連通させる空気供給口とを有する。この場合、凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているとき、制御部は換気装置を作動させ、断熱壁周辺の暖められた空気を空気供給口を通過させて凍結部位に向けて流す操作を実行することが好ましい。これにより凍結部位の凍結が抑制される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the housing houses the first housing chamber that houses the frozen portion, the reformer, the fuel cell, and the heat insulation wall, and has a higher temperature than the first housing chamber during the power generation operation of the fuel cell. The second storage chamber, the partition wall partitioning the first storage chamber and the second storage chamber, and the air supply port formed in the partition wall and communicating with the first storage chamber and the second storage chamber. In this case, when there is a possibility that the frozen part is frozen, or when the frozen part is frozen, the control unit operates the ventilator and passes the warmed air around the heat insulating wall through the air supply port and freezes it. It is preferable to perform an operation of flowing toward the part. Thereby, freezing of a frozen part is suppressed.
本発明の好ましい形態によれば、筐体は、凍結部位を収容する第1収容室と、改質器、燃料電池および断熱壁を収容する第2収容室と、第1収容室および第2収容室を仕切る仕切壁と、仕切壁に形成され第1収容室および第2収容室を連通させる空気供給口と、空気供給口の開口面積を調整する蓋部とを有することが好ましい。この場合、制御部は、凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、凍結部位が凍結しているとき、蓋部の作動により空気供給口の開口面積を増加させると共に、換気装置を作動させ、断熱壁周辺の暖められた空気を空気供給口を通過させて凍結部位に向けて流す操作を実行する。これにより凍結部位の凍結が抑制される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the housing includes a first storage chamber that stores the frozen portion, a second storage chamber that stores the reformer, the fuel cell, and the heat insulating wall, and the first storage chamber and the second storage chamber. It is preferable to have a partition wall that partitions the chamber, an air supply port that is formed in the partition wall and communicates with the first storage chamber and the second storage chamber, and a lid that adjusts the opening area of the air supply port. In this case, the control unit increases the opening area of the air supply port by the operation of the lid when the frozen part is likely to freeze or when the frozen part is frozen, and operates the ventilator, An operation of allowing the warmed air around the heat insulating wall to flow through the air supply port toward the frozen portion is executed. Thereby, freezing of a frozen part is suppressed.
(実施形態1)
図1〜図3は実施形態1の概念を示す。本実施形態に係る燃料電池システムは、(i)改質水を水蒸気化させる蒸発部20と、(ii)蒸発部20に連通するように設けられ、蒸発部20で生成された水蒸気により燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる改質部22と、(iii)改質部22で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池で形成されたスタック1と、(iv)蒸発部20に改質水を供給する改質水供給通路41を形成する改質水供給配管410と、(v)水蒸気改質される燃料原料を蒸発部20を介して改質部22に供給する燃料原料供給通路51を形成する燃料原料供給配管510と、(vi)スタック1、および蒸発部20の外側を断熱のため覆う断熱材料で形成された断熱壁30とを有する。
(Embodiment 1)
1 to 3 show the concept of the first embodiment. The fuel cell system according to the present embodiment is provided with (i) an
図3はスタック1の概念図に模式的に示す。図3に模式的に示すように、スタック1は、複数の燃料電池10を列状に並設することにより形成されている。燃料電池10は、アノード11と、カソードガスに対面するカソード12と、固体酸化物形の電解質膜15と、アノード11に供給するアノードガスを流す通路11rをもちアノード11に隣接する多孔質導電部11wと、緻密性および導電性をもつコネクタ10xを備えている。
FIG. 3 is a schematic diagram of the
図1に示すように、断熱壁30、スタック1、改質部22および蒸発部20は、一体的に組み付けられており、ユニット化されており、燃料電池モジュール3とも呼ばれる。改質部22は、改質触媒を担持するセラミックス担体を有する。断熱壁30は箱形状をなしており、断熱材料で形成されている壁部30a,30b,30c,30dを有する。断熱材料は石綿、セラミックス等の耐火材料で形成されている。耐火材料は煉瓦であっても良い。断熱壁30としては、繊維状、面状またはブロック状の断熱材料を被覆させて形成しても良く、要するに断熱性を有すれば良い。断熱壁30は高い断熱性を有するため、蓄熱材としても機能できる。
As shown in FIG. 1, the
改質水系4は、改質部22における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部22に供給するものである。改質水系4は、水精製器40(水溜部)と、水精製器40と改質器2とを結ぶ改質水通路41と、水精製器40で精製された水を改質水として溜める貯水タンク44(水溜部)と、改質水ポンプ42(改質水搬送源)と、給水バルブ43とを有する。水精製器40は、システムの凝縮器で凝縮された凝縮水を溜め、溜めた凝縮水を精製させて浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材40aを有する。改質水通路41には、水精製器40、貯水タンク44、改質水ポンプ42、給水バルブ43が設けられている。水精製器40、貯水タンク44、改質水ポンプ42、給水バルブ43等は水の凍結開始温度以下になると、水が凍結し得る水凍結部位49を形成する。
The reforming
図1に示すように、スタック1、蒸発部20、改質部22、断熱壁30、水凍結部位49を収容する収容室201を有する筐体200が設けられている。筐体200は、(i)スタック1、蒸発部20、改質部22および断熱壁30を収容すると共にスタック1、蒸発部20、改質部22および断熱壁30からの放熱を受ける上室部分と、(ii)スタック1の発電運転に関連する補機(例えば水精製器40、貯水タンク44、改質水ポンプ42、給水バルブ43等)を収容すると共に発電運転停止時において上室部分よりも温度が低くなる下室部分とを有する。この筐体200は、収容室201と外部とを連通させる吸気口204と、収容室201と外部とを連通させる排気口206とを有する。吸気口204は下室部分に対面するように筐体200の下部に形成されている。排気口206は上室部分に対面するように筐体200の上部において、断熱壁30に対向する位置に形成されている。収容室201の下室部分には、吸気口204から外気を吸入しやすいように換気装置600が配置されている。換気装置600は送風ファンを有しており、凍結部位49と断熱壁30との間に設けられていることが好ましい。
As shown in FIG. 1, a
また凍結部位49の付近には温度センサ102が設けられている。温度センサ102は、外気の温度を検知することができ、ひいては凍結部位49において水の凍結が発生するか否かを検知する凍結センサとして機能できる。一般的には、外気または凍結部位49が0℃付近になると、水が凍結するおそれがある。温度センサ102の信号は制御部100に入力される。制御部100は、入力処理回路とCPUとメモリと出力処理回路とを有しており、改質水ポンプ42、燃料原料ポンプ55、カソードガスポンプ62、バルブ43,52、換気装置600の作動を制御する指令を出力する。
A
スタック1の発電運転時には、制御部100によりバルブ52が開放し、燃料原料ポンプ55が駆動し、燃料源50の燃料原料が燃料原料供給通路51を介して改質器2の蒸発部20に供給され、蒸発部20を介して改質部22に供給される。また改質水ポンプ42が駆動し、貯水タンク44の改質水が改質水通路41を介して蒸発部20に供給される。ここで、蒸発部20は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部22に供給される。改質部22は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。
During the power generation operation of the
生成されたアノードガスは、アノードガス通路14およびアノードガスマニホルド13を介して、スタック1のアノードに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ62が駆動しているため、カソードガスとしてカソードガス供給通路60を介してスタック1のカソードに供給される。これによりスタック1は発電する。
The generated anode gas is supplied to the anode of the
発電反応後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、スタック1の上方の燃焼部23に排出され、燃焼火炎24を燃焼部23において形成する。燃焼火炎24を形成するように燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなり、図略の熱交換器を経て排気通路から外部に放出される。燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器から導出される凝縮水通路(図略)から水精製器40に供給され、水精製器40で精製される。精製された水は、貯水タンク44に改質水として貯留される。
The anode off-gas and cathode off-gas after the power generation reaction are discharged to the
上記したスタック1の発電運転中において、換気装置600が一方向(正方向)に正作動すれば、外部の空気は吸気口204から収容室201に向けて矢印A1方向に吸引されると共に、断熱壁30周辺の暖められた空気は排気口206から矢印A8方向に筐体200の外部に排出される。この場合の空気の流れは、図1の矢印A1〜矢印A8として示される。これにより発電運転中において断熱壁30周辺の熱こもりが抑制され、各部品の熱劣化が抑制される。更に、万一、アノードガスが断熱壁30の外部に流出しているときであっても、そのガスを排気口206から外部に排出でき、ガス溜まりを防止できる。
If the
スタック1が発電運転を停止するときには、スタック1および改質部22の温度は、発電運転時の高温状態(例えば500〜900℃の範囲内)から次第に低下する。しかし断熱壁30は高い断熱性を有する。このためスタック1および改質部22の温度は、発電運転時の温度よりも低下するものの、断熱壁30は自身の余熱により、高温状態(例えば凍結開始温度以上)に長時間(システムの種類によるが、例えば、1時間〜240時間の範囲内、3時間〜100時間の範囲内、3時間〜10時間の範囲内)にわたり維持される。
When the
この場合、スタック1の発電運転が停止されているときにおいて、断熱壁30の温度も発電運転時の温度から次第に低下するものの、断熱壁30の温度は外気温度よりも高い状態が長い間維持される。このため、スタック1の発電停止から長時間経過したとしても、断熱壁30は余熱を有する。この余熱により、断熱壁30の周辺の空気は凍結開始温度(例えば0℃)よりも高温状態(燃料電池の種類にもよるが、例えば600〜50℃)に長時間にわたり維持される。例えば、夜間においてスタック1の発電運転を停止させたときであっても、翌朝の次回の起動時まで、断熱壁30の余熱により、断熱壁30の周辺の空気は、凍結開始温度以上に長時間にわたり維持される。
In this case, when the power generation operation of the
さて本実施形態によれば、発電運転中はもちろんのこと、発電運転が停止されたときであっても、待機中(起動指示待ち状態)であっても、温度センサ102の温度信号は制御部100に入力される。制御部100は、温度センサ102の温度信号に基づいて、凍結部位49が凍結するおそれがあるか否か、または凍結しているか否かを判定する。温度センサ102が0℃以下であるとき、凍結のおそれがあると判定する。凍結と判定するときには、制御部100は、換気装置600の作動を制御することにより、断熱壁30の壁部30a,30b,30c,30dで暖められた断熱壁30の周辺の空気を温風または熱風として、矢印B7方向(図2参照)に凍結部位49(水精製器40および貯水タンク44、改質水ポンプ42、給水バルブ43、これらに繋がる配管等)に供給する。よって凍結部位49の凍結を抑制する凍結抑制制御を実行する。この場合における空気の流れを矢印B1〜矢印B8(図2参照)として示す。
Now, according to the present embodiment, the temperature signal of the
すなわち本実施形態によれば、制御部100は、凍結部位49が凍結するおそれがないとき、換気装置600を一方向に正作動させ、吸気口204から外部の空気を収容室201に吸引すると共に、断熱壁30周辺の暖められた空気を排気口206から外部に排出させる。これにより断熱壁30周辺の熱こもりと、収容室201におけるガス溜まりとが抑制される。
That is, according to the present embodiment, the
しかしながらスタック1の発電運転が停止されている状態、あるいは、スタック1が待機している状態(起動指示を待つ状態)においては、筐体200の収容室201の下部空間の温度が低下するため、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49が凍結するおそれがある。温度センサの温度信号に基づいて、制御部100が凍結部位49の凍結のおそれがあると判定するとき、制御部100は、換気装置600を他方向に逆作動させるように換気装置600の作動を切り替える。これにより排気口206から外部の空気を矢印B1方向に収容室201に吸引しつつ、断熱壁30周辺の暖められた空気を水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49に向けて流す凍結抑制制御を実行する。
However, in the state where the power generation operation of the
この場合、断熱壁30周辺の暖められた空気は、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49の付近に流れた後に、吸気口204から矢印B8方向に筐体200の外部に向けて排出される。これによりスタック1の発電運転が停止されているときであっても、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49の凍結が長時間にわたり抑制される。断熱壁30が凍結開始温度以上の余熱を有する限り、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49の凍結が効果的に抑制される。上記したように凍結抑制制御では、吸気口204は排気口として機能し、排気口206は吸気口として機能することができる。
In this case, the warmed air around the
発電運転が停止されている状態のとき、凍結するおそれが解除された場合には、換気装置600を停止させても良いし、弱作動とさせても良い。この場合、暖められた温風が水精製器40に吹き付けられないため、水精製器40の水精製材40aの熱劣化が抑制され、イオン交換材等の水精製材40aの長寿命化を図り得る。なお、凍結部位49が再び凍結するおそれがあるときには、前述同様に凍結抑制制御を実行する。
When the possibility of freezing is canceled when the power generation operation is stopped, the
上記したように換気装置600を他方向に逆作動させて凍結部位49の凍結を防止する凍結抑制制御を実行しているときには、換気装置600の単位時間あたりの回転数をN2とする。凍結抑制制御を実行せずにスタック1が発電運転しているときにおける換気装置600の単位時間あたりの回転数をN1とする。この場合、N2=N1でも良いし、N2≒N1でも良いし、N2<N1でも良い。N2<N1であれば、換気装置60の送風量が制限され、断熱壁30の急冷が抑えられるため、断熱壁30の余熱を長時間にわたり維持させることができ、凍結抑制制御を長時間にわたり実行させ易い。場合によってはN2>N1でも良い。この場合、換気装置60の送風量が確保され、凍結部位49の昇温速度を増加させるのに有利である。もちろん、スタック1の発電運転中においても、外気温度が非常に低温であり、凍結部位49が凍結するおそれがあると制御部100が判定するときには、制御部100は、換気装置600を他方向に逆作動させ凍結抑制制御を実行することが好ましい。
As described above, when the freezing suppression control for preventing the freezing
(実施形態2)
図4および図5は実施形態2を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。筐体200の収容室201は、第1収容室201fと、第2収容室201sと、第1収容室201fおよび第2収容室201sを仕切る仕切壁203と、仕切壁203に形成された空気供給口208とを有する。第1収容室201fは、スタック1の発電運転に関連する補機(水精製器40、貯水タンク44、改質水ポンプ42、給水バルブ43)を収容する補機室として機能すると共に、発電運転停止時において第2収容室201sよりも温度が低くなる。第2収容室201sはスタック1を収容する発電室として機能し、スタック1、蒸発部20、改質部22および断熱壁30からの放熱を受ける。なお、第1収容室201fは第2収容室201sよりも相対的に高温となり易い。図4に示すように、この筐体200は、第1収容室201fと外部とを連通させる吸気口204と、第2収容室201sと外部とを連通させる排気口206とを有する。第1収容室201fには、換気装置600が仕切壁203の空気供給口208に対面するように仕切壁203の下面側に配置されている。第1収容室201fにおいて、換気装置600が逆動するときにおける送風経路に、凍結部位49が配置されている。具体的には換気装置600の重力方向の下方に、つまり空気供給口208の重力方向の下方に、凍結部位49が配置されている。断熱壁30は仕切壁203の上面に脚30kを介して載せられている。
(Embodiment 2)
4 and 5 show the second embodiment. This embodiment has the same configuration and the same function and effect as the above-described embodiment. The
本実施形態によれば、外気の温度が0℃よりも高温であるとき、あるいは、スタック1が発電運転しているとき等のように、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49が凍結するおそれがないとき、制御部100は換気装置600を正方向に正作動させる。これにより吸気口204から外部の空気を矢印A1方向に第1収容室201fに吸引すると共に、吸引した空気を仕切壁203の空気供給口208を介して矢印A2方向に第2収容室201sに向けて流し、更に、断熱壁30周辺の暖められた空気を排気口206から矢印A8方向に筐体200の外部に向けて排出させる。この場合の空気の流れは、図4において矢印A1〜矢印A8として示される。これによりスタック1が発電運転しているとき、断熱壁30周辺の熱こもりが抑制されると共に、万一、アノードガスが第2収容室201sに流出するときであっても、筐体200の外部に放出される。
According to the present embodiment, when the outside air temperature is higher than 0 ° C. or when the
しかしながら寒冷地や冬季等において、スタック1の発電運転が停止されている場合、あるいは、スタック1が待機している場合(起動指示を待つ状態)においては、温度センサ102の温度信号に基づいて制御部100が凍結部位49が凍結するおそれがあると判定されるとき、制御部100は、換気装置600を他方向に逆作動させるように換気装置600の回転方向を切り替える。これにより外部の空気を排気口206から矢印B1方向(図5参照)に収容室201に向けて吸引しつつ、断熱壁30周辺の暖められた空気を仕切壁203の空気供給口208を介して、矢印B7方向(図5参照)に沿って、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49に向けて流す操作を実行する。
However, when the power generation operation of the
この場合、断熱壁30周辺の暖められた空気は、仕切壁203の空気供給口208を集中的に通過し、水精製器40および貯水タンク44等の凍結部位49に流れた後に、吸気口204から筐体200の外部に排出される。これにより凍結部位49の凍結が長時間にわたり抑制される。凍結抑制制御における空気の流れは、図5において矢印B1〜矢印B8(図5参照)として示される。
In this case, the warmed air around the
本実施形態によれば、図4および図5に示すように、第1収容室201fおよび第2収容室201sは仕切壁203で仕切られており、空気供給口208により互いに連通している。そして、凍結部位49が凍結するおそれがあり、凍結抑制制御が実行されるときには、換気装置600が断熱壁30周辺の暖められた空気を矢印B7方向(図5参照)に沿って仕切壁203の空気供給口208に集中的に通過させ、凍結部位49に向けて集中的に流すことができる。このため凍結防止に一層有利である。
According to this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
もちろん、スタック1の発電運転中においても、凍結部位49が凍結するおそれがあると判定されるときには、制御部100は、換気装置600を他方向に逆作動させる凍結抑制制御を実行し、断熱壁30周辺の暖められた空気を仕切壁203の空気供給口208に集中的に通過させ、凍結部位49に向けて集中的に流す操作を実行する。なお、換気装置600を他方向に逆作動させて凍結抑制制御を実行しているとき、換気装置600の回転数をN2とする。凍結抑制制御を実行せずにスタック1が発電運転しているときにおける換気装置600の回転数をN1とする。この場合、N2=N1でも良いし、N2=N1でも良いし、N2<N1でも良い。N2<N1であれば、断熱壁30の余熱を長時間にわたり維持させ易い。外気温度が急激に低下する等、凍結部位49を急激に昇温させたいときには、N2>N1としても良い。
Of course, when it is determined that the
(実施形態3)
図6および図7は実施形態3を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。換気装置600は、収容室201において互いに独立する第1換気装置600fと第2換気装置600sとを有する。第2換気装置600sが送風する送風経路に、凍結部位49が配置されている。具体的には、凍結部位49に対面するように第2換気装置600sが凍結部位49の上方に配置されている。
(Embodiment 3)
6 and 7 show the third embodiment. This embodiment has the same configuration and the same function and effect as the above-described embodiment. The
スタック1が発電運転するとき、第1換気装置600fが作動するため、外部の空気は吸気口204から矢印A1方向(図6参照)に沿って収容室201に吸引されると共に、断熱壁30周辺の暖められた空気は排気口206から矢印A8方向(図6参照)に沿って筐体200の外部に排出される。この場合、第2換気装置600sを停止させておくことが好ましいが、作動させておいても良い。この場合の空気の流れは、矢印A1〜矢印A8(図6参照)として示される。これにより断熱壁30周辺の熱こもりおよびガス溜まりが抑制される。
Since the
温度センサ102の温度信号に基づいて、凍結部位49が凍結するおそれがないと判定されるときには、制御部100は、第1換気装置600fを正方向に作動させ、吸気口204から外部の空気を矢印A1方向に収容室201に吸引すると共に、断熱壁30周辺の暖められた空気を排気口206から矢印A8方向に筐体200の外部に排出させる。
When it is determined that the
スタック1が発電運転を停止させている場合、凍結部位49が凍結し易い。温度センサ102の信号に基づいて、凍結部位49が凍結するおそれがあると制御部100が判定するときには、制御部100は第2換気装置600sを正方向に作動させ、断熱壁30の余熱で暖められた断熱壁30周辺の暖められた空気を、その送風流路に存在する凍結部位49に向けて矢印B7方向に流す凍結抑制制御を実行することができる。これにより凍結部位49の凍結が長時間にわたり抑制される。なお、第1換気装置600fを停止させた状態で、第2換気装置600sを作動させたときにおける空気の流れを、図7において矢印B1〜矢印B8として示す。
When the
なお、第2換気装置600sを作動させて凍結抑制制御を実行するとき、第1換気装置600fを停止させても良いし、作動状態に維持させても良い。第2換気装置600sを作動させて凍結抑制制御を実行するときには、制御部100は、第1換気装置600fの単位時間あたりの回転数(作動量)を、凍結防止操作しないときに比較して低下させても良い。この場合、第2換気装置600sによる送風が優先され、凍結部位49の凍結防止に有利となる。
In addition, when operating the
なお、第2換気装置600sを作動させて凍結抑制制御を実行するとき、第2換気装置600sの回転数をN2とする。スタック1が発電運転(例えば定格運転で凍結抑制操作が実行されていないとき)しているときにおける第1換気装置600fの回転数をN1とする。この場合、N2=N1でも良いし、N2=N1でも良いし、N2<N1でも良い。N2<N1であれば、第2換気装置600sは低回転数であるため、断熱壁30の余熱が長時間にわたり維持され、凍結抑制制御が長時間にわたり維持される。凍結可能性が極めて高い場合等には、暖かい温風の送風量を増加させるべく、N2>N1でも良い。
In addition, when operating the
(実施形態4)
図8および図9は実施形態4を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。筐体200の収容室201は、凍結部位49を収容すると共に発電運転停止時において第2収容室201sよりも温度が低くなる第1収容室201fと、スタック1、蒸発部20、改質部22および断熱壁30からの放熱を受ける第2収容室201sと、第1収容室201fおよび第2収容室201sを仕切る仕切壁203と、仕切壁203にこれを貫通するように形成された第1空気供給口208fおよび第2空気供給口208sとを有する。第1空気供給口208fおよび第2空気供給口208sは断熱壁30に対面する。
(Embodiment 4)
8 and 9 show the fourth embodiment. This embodiment has the same configuration and the same function and effect as the above-described embodiment. The
図8に示すように、この筐体200は、第1収容室201sと外部とを連通させる吸気口204と、第2収容室201sと外部とを連通させる排気口206とを有する。第1収容室201fには、第1換気装置600fが仕切壁203の第1空気供給口208fに対面するように仕切壁203の下面に配置されている。また、第2換気装置600sが仕切壁203の第2空気供給口208sに対面するように仕切壁203の下面に配置されている。第2換気装置600sの送風経路には凍結部位49が配置されている。なお、断熱壁30は仕切壁203の上面に脚30kを介して載せられている。
As shown in FIG. 8, the
本実施形態によれば、スタック1が発電運転するとき等のように、凍結部位49が凍結するおそれがないときには、制御部100は、第1換気装置600fを正方向に正作動させ、外部の空気を吸気口204から矢印A1方向(図8参照)に収容室201に吸引すると共に、吸引した空気を矢印A2方向(図8参照)に沿って第1空気供給口208fを介して第2収容室201sに流し、更に、断熱壁30の余熱で暖められた断熱壁30周辺の暖められた空気を、矢印A8方向に(図8参照)に沿って排気口206から筐体200の外部に排出させる。この場合の空気の流れは、図8において矢印A1〜矢印A8として示される。これにより断熱壁30周辺の熱こもりおよびガス溜まりが抑制される。この場合、第2換気装置600sの回転は停止されており、排気口206からの排気性が良好に確保される。
According to the present embodiment, when there is no possibility that the
しかしながら発電運転が停止されている状態においては、あるいは、スタック1が待機している状態(起動指示を待つ状態)においては、筐体200の第1収容室201fが低温化するおそれがある。この場合、寒冷地や冬季等では、凍結部位49が凍結するおそれがあることがある。このようなときには、制御部100は第2換気装置600sを正方向に作動させる。これにより断熱壁30の余熱で暖められた断熱壁30周辺の空気を、仕切壁203の第2空気供給口208sを介して矢印B7方向(図9参照)に凍結部位49に向けて流す凍結抑制制御を実行する。
However, when the power generation operation is stopped or when the
この場合、断熱壁30で暖められた空気は、仕切壁203の第2空気供給口208sを矢印B7方向に通過し、凍結部位49に流れて凍結部位49を暖めた後、吸気口204から矢印B8方向に沿って外部に排出される。これにより凍結部位49の凍結が長時間にわたり抑制される。このように第2換気装置600sを作動させて凍結抑制制御を実行する場合には、第1換気装置600sを停止させても良いし、低回転で回転させても良い。なお、第2換気装置600sを作動させつつ第1換気装置600sを停止させている場合における空気の流れを、図9において矢印B1〜矢印B8として示す。
In this case, the air heated by the
本実施形態によれば、図8および図9に示すように、第1収容室201fおよび第2収容室201sは仕切壁203で仕切られており、第1空気供給口208fおよび第2空気供給口208sで連通している。そして、凍結部位49が凍結するおそれがあるときには、断熱壁30の余熱で断熱壁30周辺の暖められた空気を仕切壁203の第2空気供給口208sに矢印B7方向に集中的に通過させ、凍結部位49に集中的に向けて流すことができ、凍結防止に一層有利である。
According to the present embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the
もちろん、スタック1の発電運転中においても、凍結部位49が凍結するおそれがあるときには、制御部100は、第2換気装置600sを作動させ、断熱壁30周辺の暖められた空気を矢印B7方向に沿って仕切壁203の第2空気供給口208sに集中的に通過させ、凍結部位49に向けて流す凍結抑制制御を実行する。この場合、第1換気装置600fの作動を停止させても良いし、低回転状態とさせておいても良い。
Of course, even during the power generation operation of the
(実施形態5)
図10は実施形態5を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。図10に示すように、筐体200の収容室201は、凍結部位49を収容する第1収容室201fと、スタック1、蒸発部20、改質部22および断熱壁30からの放熱を受ける第2収容室201sと、第1収容室201fおよび第2収容室201sを仕切る仕切壁203と、仕切壁203に形成された第1空気供給口208fおよび第2空気供給口208sとを有する。第1空気供給口208fは断熱壁30に対面する。第2空気供給口208sは断熱壁30に対面しつつ、第1収容室201fの空気を第2収容室201sに向けて案内させる風案内部208rをもつ。図10に示すように、換気装置600は、第1空気供給口208fに対面するように仕切壁203の下面部に取り付けられている。凍結部位49は、第2空気供給口208sに対面するように第1収容室201fに通路201xを介して設けられている。
(Embodiment 5)
FIG. 10 shows a fifth embodiment. This embodiment has the same configuration and the same function and effect as the above-described embodiment. As illustrated in FIG. 10, the
本実施形態によれば、スタック1が発電運転するとき等のように、凍結部位49が凍結するおそれがないときには、制御部100は換気装置600を正方向に正作動させ、外部の空気を吸気口204から矢印A1方向(図10参照)に沿って収容室201に吸引すると共に、吸引した空気を第1空気供給口208fを介して矢印A2方向(図10参照)に第2収容室201sに流し、更に、断熱壁30の余熱で暖められた断熱壁30周辺の暖められた空気を、排気口206から矢印A8方向(図10参照)に筐体200の外部に排出させる。この場合の空気の流れは、図10において矢印A1〜矢印A8として示される。これにより断熱壁30周辺の熱こもりおよびガス溜まりが抑制される。
According to the present embodiment, when there is no possibility that the
寒冷地や冬季等において凍結部位49が凍結するおそれがあることがある。凍結のおそれは、温度センサ102の温度信号に基づいて判定される。このようなときには、スタック1の発電運転が停止されているとき(待機中も含む)であっても、制御部100は換気装置600を作動させる。これにより断熱壁30の余熱で暖められた空気は、風案内部208rの案内作用により第2空気供給口208sに案内され、第2空気供給口208sを介して凍結部位49に集中的に流れる。この場合、暖められた空気は、仕切壁203の第2空気供給口208sおよび通路201xを通過し、凍結部位49を集中的に暖める。これによりスタック1の発電運転が停止されているときであっても、凍結部位49の凍結が長時間にわたり抑制される。
There is a possibility that the
換気装置600を作動させて凍結抑制制御を実行しているときにおける換気装置600の回転数をN2とする。凍結抑制制御を実行せずにスタック1が発電運転(例えば定格運転)しているときにおける換気装置600の回転数をN1とする。この場合、N2=N1でも良いし、N2≒N1でも良いし、N2<N1でも良い。N2<N1であれば、断熱壁30の余熱を長時間にわたり維持させ易い。N2>N1であれば、既に凍結している凍結部位49の急速解凍に貢献できる。
The number of rotations of the
本実施形態においては、第2収容室201sを開閉させるように風案内部208rは可動式であっても良い。夏季等のように凍結のおそれがないときには、第2収容室201sを閉鎖させるように風案内部208rをアクチュエータで作動させることが好ましい。また凍結のおそれがあるときには、第2収容室201sを開放させるように風案内部208rをアクチュエータで作動させることが好ましい。
In the present embodiment, the
(実施形態6)
図11は実施形態6を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。図11に示すように、筐体200の収容室201は、凍結部位49を収容する第1収容室201fと、スタック1、蒸発部20、改質部22および断熱壁30からの放熱を受ける第2収容室201sと、第1収容室201fおよび第2収容室201sを仕切る仕切壁203と、仕切壁203に形成された第1空気供給口208fおよび第2空気供給口208sと、第2空気供給口208sの開口面積を可変に調整させる蓋部209とを有する。
(Embodiment 6)
FIG. 11 shows a sixth embodiment. This embodiment has the same configuration and the same function and effect as the above-described embodiment. As shown in FIG. 11, the
換気装置600は、第1空気供給口208fに対面するように仕切壁203の下面部に取り付けられている。凍結部位49は、第2空気供給口208sに対面するように第1収容室201fに通路201xを介して設けられている。
The
本実施形態によれば、スタック1が発電運転するとき等のように凍結部位49が凍結するおそれがないときには、制御部100は、蓋209を閉鎖方向に作動させて第2空気供給口208sを閉鎖させることが好ましい。この状態で制御部100は、換気装置600を正方向に作動させ、外部の空気を吸気口204から矢印A1方向(図11参照)に第1収容室201fに吸引すると共に、吸引した空気を第1空気供給口208fを介して矢印A2方向(図11参照)に第2収容室201sに流し、更に、断熱壁30の余熱で暖められた断熱壁30周辺の暖められた空気を、排気口206から矢印A8方向に筐体200の外部に排出させる。この場合の空気の流れは、図11において矢印A1〜矢印A8として示される。これにより断熱壁30周辺の熱こもりやガス溜まりが抑制される。
According to the present embodiment, when there is no possibility that the
なお、夏季等のように凍結するおそれがないときには、排気口206からの排気性を良好に確保するため、第2空気供給口208sを閉鎖させておくことが好ましい。この場合、凍結部位49における水精製器の水精製材料の過剰加熱が抑制されるため、水精製材料の熱劣化が抑制される。
When there is no risk of freezing, such as in the summer, it is preferable to close the second
しかしながらスタック1の発電運転が停止されている状態においては、寒冷地や冬季等では、制御部100が凍結部位49が凍結するおそれがあると判定することがある。このようなときには、制御部100は、蓋部209を開放方向に作動させて第2空気供給口208sの開口面積を増加させるようにアクチュエータを作動させる。この状態で、制御部100は換気装置600を正方向に作動させる。これにより断熱壁30の余熱で暖められた断熱壁30周辺の空気を、開放状態の第2空気供給口208sを介して凍結部位49に向けて矢印B7方向(図11参照)に流す。この場合、断熱壁30の余熱で暖められた空気は、仕切壁203の第2空気供給口208sおよび通路201xを通過し、凍結部位49に流れて凍結部位49を暖める。これにより凍結部位49の凍結が長時間にわたり抑制される。
However, in a state where the power generation operation of the
なお、凍結部位49の凍結を抑制するにあたり、凍結部位49の周辺温度、外気の温度、温度センサ102で検知した温度等に応じて、制御部100は、蓋209の開放方向の移動量を制御し、第2空気供給口208sの開口面積を調整させても良い。例えば、凍結部49の凍結可能性が高いときには、第2空気供給口208sの開口面積を増加させ、凍結部49の凍結可能性が低いときには、第2空気供給口208sの開口面積を減少させことが好ましい。
In order to suppress freezing of the
換気装置600を作動させて凍結を防止するときには、換気装置600の回転数をN2とし、スタック1が発電運転しているときにおける換気装置600の回転数をN1とするとき、N2=N1でも良いし、N2=N1でも良いし、N2<N1でも良い。N2<N1であれば、断熱壁30の余熱を長時間にわたり維持させ易い。
When the
(実施形態7)
図12は実施形態7を示す。本実施形態は、固体酸化物形の燃料電池システムに適用している。
(Embodiment 7)
FIG. 12 shows a seventh embodiment. This embodiment is applied to a solid oxide fuel cell system.
燃料電池システムは、図12に示すように、基本的には、固体酸化物形のスタック1と、改質器2と、制御部100と、筐体200とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体200の内部において、改質水系4と、燃料原料供給系5、カソードガス供給糸6、貯湯系7とを有する。
As shown in FIG. 12, the fuel cell system basically includes a
図12に示すように、スタック1は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノードと、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソードと、アノードおよびカソードで挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜(図略)とを有する。固体酸化物は、酸素イオン(O2−)を伝導させる性質性をもつものであり、YSZ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノードは、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソードは、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック1の下部には、アノードガスをスタック1に案内するアノードガスマニホルド13が配置されている。なお、スタック1の温度を検知する第1温度センサ101の信号は制御部100に入力される。
As shown in FIG. 12, the
図12に示すように、改質器2は、蒸発部20と、燃料原料が供給される改質部22とを備えている。蒸発部20は、改質水系4から蒸発部20に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部22は蒸発部20の下流に設けられており、蒸発部20で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。
As shown in FIG. 12, the
燃料電池モジュール3は、筐体200の内部に収容されており、断熱材で形成された容器状の断熱壁30を有しており、断熱壁30の内部にスタック1および改質器2を燃焼部23を介して収容して形成されている。断熱壁30は殻状をなしており、壁部30a,30b,30c,30dを有する。断熱壁30としては、繊維状、面状またはブロック状の断熱材料を被覆させて形成しても良く、要するに断熱性を有すれば良い。
The
燃料電池モジュール3では、スタック1の上側には改質器2(改質部22および蒸発部20)が配置されている。燃料電池モジュール3では、スタック1と改質器2(改質部22および蒸発部20)との間には、燃焼部23が形成されている。殊に、スタック1の上部と改質器2(改質部22および蒸発部20)の下部との間には、燃焼部23が形成されている。スタック1のアノード11から発電反応後のアノードオフガスが燃焼部23に排出される。スタック1のカソード12から発電反応後のカソードオフガスが燃焼部23に排出される。アノードオフガスはアノードガスを発電させた後のガスであり、未反応の水素(可燃成分)を含有して燃焼可能である。カソードオフガスはカソードガスを発電させた後のガスであり、未反応の酸素を含有している。
In the
燃焼部23に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガス(燃焼用空気に相当)により燃焼され、燃焼火炎24を燃焼部23において形成する。燃焼部23において燃焼火炎24を形成したアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなる。燃焼部23における燃焼火炎24は改質部22および蒸発部20の双方を加熱させ、改質部22の温度を改質反応温度領域に維持させる。
The anode off gas discharged to the
図12に示すように、改質水系4は、改質部22における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部22に供給するものであり、水精製器40と改質器2とを結ぶ改質水通路41と、改質水ポンプ42(改質水搬送源)と、給水バルブ43とを有する。水精製器40は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材40aを有する。改質水通路41には、貯水タンク44、改質水ポンプ42、給水バルブ43が設けられている。
As shown in FIG. 12, the reforming
図12に示すように、燃料原料供給系5は、炭化水素系の燃料原料を改質器2に供給させるために燃料源50に繋がる燃料原料供給通路51と、入口バルブ52と、流量計53、脱硫器54と、燃料原料ポンプ55(燃料原料搬送源)とを有する。燃料原料供給通路51には、入口バルブ52、流量計53、脱硫器54および燃料原料ポンプ55が設けられている。カソードガス供給糸6は、空気であるカソードガスをスタック1のカソード12に供給するカソードガス供給通路60と、除塵フィルタ61と、カソードガスポンプ62(カソードガス搬送源)と、流量計63とを有する。カソードガス供給通路60には、除塵フィルタ61、カソードガスポンプ62および流量計63が配置されている。除塵フィルタ61は、筐体200の収容室91に配置されている。
As shown in FIG. 12, the fuel raw
カソードガスポンプ62が駆動すると、外気は吸気口204から収容室91に流入し、除塵フィルタ61およびカソードガス供給通路60を介してカソードガスとしてカソード12に供給される。吸気口204から取り込まれる外気(カソードガス)の温度を検知する第2温度センサ102が、筐体200の吸気口204付近において設けられている。第2温度センサ102は、スタック1のカソード12に供給される前のカソードガスの温度を検知しており、実質的には筐体200の外部の外気温度を検知する。第2温度センサ102の信号は制御部100に入力される。
When the
図12に示すように、貯湯系7は、熱交換器74および貯湯タンク70を循環する循環通路71と、循環通路71に設けられた貯湯ポンプ72(貯湯用水の搬送源)とを有する。貯湯ポンプ72が作動すると、貯湯タンク72の水は、循環通路71から熱交換器74に供給され、熱交換器74における燃焼排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は貯湯タンク70に戻る。これにより貯湯タンク70は温水を貯留させる。燃料電池モジュール3の近傍には熱交換器74が設けられている。熱交換器74は、燃料電池モジュール3から排出される燃焼排気ガスが通過するガス通路74gと、貯湯系7の循環通路71の水が通過する水通路74wとをもつ。そして、熱交換器74を流れる燃焼排気ガスの熱は、貯湯系7の循環通路71の水に伝達される。熱交換器74のガス通路74gから排気通路75が筐体200の排気口76に向けて延設されており、燃焼排気ガスは排気通路75を介して排気口76から排出される。熱交換器74のガス通路74gから凝縮水通路77が水精製器40に向けて延設されている。従って燃焼排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器74において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路77から水精製器40に供給される。
As shown in FIG. 12, the hot water storage system 7 includes a
さてスタック1の発電運転時には、燃料原料ポンプ55が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路51を介して改質器2の蒸発部20に供給される。また改質水ポンプ42が駆動し、貯水タンク44の改質水が改質水通路41を介して蒸発部20に供給される。ここで、蒸発部20は加熱されているため、蒸発部20は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部22に供給される。改質部22は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の(1)式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック1では、H2他にCOも燃料となりうる。
During the power generation operation of the
(1)…CH4+2H2O→4H2+CO2
CH4+H2O→3H2+CO
生成されたアノードガスは、アノードガス通路14およびアノードガスマニホルド13を介して、スタック1のアノードに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ62が駆動しているため、筐体200の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ61およびカソードガス供給通路60を介してスタック1のカソードに供給される。これによりスタック1は発電する。
(1) ... CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
The generated anode gas is supplied to the anode of the
発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノードでは基本的には(2)の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソードでは基本的には(3)の反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン(O2−)がカソードからアノードに向けて電解質を伝導する。 In the power generation reaction, it is considered that the reaction (2) basically occurs at the anode supplied with the hydrogen-containing gas. It is considered that the reaction (3) basically occurs at the cathode to which oxygen is supplied. Oxygen ions (O 2− ) generated at the cathode conduct the electrolyte from the cathode toward the anode.
(2)…H2+O2−→H2O+2e−
COが含まれている場合には、CO+O2−→CO2+2e−
(3)…1/2O2+2e−→O2−
発電反応後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、スタック1の上方の燃焼部23に排出され、燃焼火炎24を燃焼部23において形成する。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなり、熱交換器74および逃がし弁78を経て排気通路75の先端の排気口76から筐体200の外部に放出される。燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器74から導出される凝縮水通路77から水精製器40に供給され、水精製器40で精製される。精製された水は、貯水タンク44に改質水44wとして貯留される。
(2) ... H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
When CO is contained, CO + O 2− → CO 2 + 2e −
(3)... 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
The anode off-gas and cathode off-gas after the power generation reaction are discharged to the
上記したようにスタック1のアノードの上部からアノードオフガスが燃焼部23に吐出され、カソードから吐出されたカソードオフガスが燃焼部23に吐出され、アノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼されて燃焼火炎24を形成し、改質部22および蒸発部20を加熱させる。
As described above, the anode off-gas is discharged from the upper part of the anode of the
従って、アノードガス(燃料原料)の流量としては、スタック1のアノードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼部23においてアノードオフガスが燃焼火炎24を形成する流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、スタック1のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼部23においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎24を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。なお、固体酸化物形のスタック1を搭載するシステムによれば、定格運転におけるスタック1の作動温度は400〜1100℃の範囲内、500〜800℃の範囲内である。
Accordingly, the flow rate of the anode gas (fuel material) is set to a flow rate obtained by adding the flow rate used in the power generation reaction at the anode of the
本実施形態においても、前記した各実施形態と同様に、凍結部位49の凍結のおそれがあるとき、または、既に凍結しているとき、スタック1の発電停止中、待機中においても、換気装置600の逆回転により、断熱壁30の余熱により改質水供給配管410を凍結開始温度以上に長時間にわたり保温することができる。例えば、夜間においてスタック1の発電運転を停止させたときであっても、翌朝の次回の起動時まで、断熱壁30の余熱は維持される。
Also in the present embodiment, as in each of the above-described embodiments, the
(その他)
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池の電解質は固体酸化物形に限定されず、リン酸形、溶融炭酸塩形でも良い。凍結センサとして機能する温度センサ102は収容室201の内部に設けられているが、これに限らず、外気温度を検知するように筐体200の外部に設けられていてもよいし、凍結部位49そのものに設けられていても良いし、温度ばかりでなく、凍結に起因する水の体積膨張を検知して凍結を検知しても良い。断熱壁30は箱形状をなしており、壁部30a,30b,30c,30dを有するが、これに限らず、円筒形状、疑似円筒形状でも良い。
(Other)
The present invention is not limited only to the embodiment described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist. The electrolyte of the fuel cell is not limited to the solid oxide form, but may be a phosphoric acid form or a molten carbonate form. Although the
本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の燃料電池システムに利用することができる。 The present invention can be used in, for example, fuel cell systems for stationary use, vehicles, electronic equipment, and electrical equipment.
1はスタック、2は改質器、20は蒸発部、22は改質部、23は燃焼部、24は燃焼火炎、29は空気配管、3は燃料電池モジュール、30は断熱壁、31は内側表面、33は外側表面、4は改質水系、40は水精製器(凍結部位,水溜部)、41は改質水供給通路、42は改質水ポンプ(凍結部位)、44は給水タンク(凍結部位,水溜部)、49は凍結部位、5は燃料原料供給系、51は燃料原料供給通路、510は燃料原料供給配管、55は燃料原料ポンプ、6はカソードガス供給系、60はカソードガス供給通路、62はカソードガスポンプ、7は貯湯系、70は貯湯タンク、71は循環通路、72は貯湯ポンプ、74は熱交換器、75は排気通路、100は制御部、102は温度センサ(凍結センサ)、200は筐体、201は収容室、201fは第1収容室、201sは第2収容室、203は仕切壁、204は吸気口、206は排気口、208fは第1空気供給口、208sは第2空気供給口、209は蓋部を示す。 1 is a stack, 2 is a reformer, 20 is an evaporation section, 22 is a reforming section, 23 is a combustion section, 24 is a combustion flame, 29 is an air pipe, 3 is a fuel cell module, 30 is a heat insulation wall, and 31 is an inner side Surface, 33 is an outer surface, 4 is a reforming water system, 40 is a water purifier (freezing part, water reservoir), 41 is a reforming water supply passage, 42 is a reforming water pump (freezing part), and 44 is a water supply tank ( (Freezing part, water reservoir), 49 is a freezing part, 5 is a fuel raw material supply system, 51 is a fuel raw material supply passage, 510 is a fuel raw material supply pipe, 55 is a fuel raw material pump, 6 is a cathode gas supply system, and 60 is a cathode gas Supply passage, 62 is a cathode gas pump, 7 is a hot water storage system, 70 is a hot water storage tank, 71 is a circulation passage, 72 is a hot water storage pump, 74 is a heat exchanger, 75 is an exhaust passage, 100 is a control unit, 102 is a temperature sensor (freezing Sensor), 200 is a housing, 201 is 201 f is the first storage chamber, 201 s is the second storage chamber, 203 is the partition wall, 204 is the intake port, 206 is the exhaust port, 208 f is the first air supply port, 208 s is the second air supply port, and 209 is The lid is shown.
Claims (5)
前記改質部で生成された前記アノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、
前記改質部および前記燃料電池を覆う断熱材料で形成された断熱壁と、
システムで使用される水が保持され得る凍結部位と、
前記改質部、前記燃料電池、前記断熱壁および前記凍結部位を収容する収容室と、前記収容室と外部とを連通させる排気口とをもつ筐体と
前記筐体の前記収容室に配置され外部の空気を前記収容室に吸引して前記収容室の空気を前記排気口から外部に排出させる換気装置と、
前記凍結部位の水の凍結に関する物理量を検知する凍結センサと、
前記凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、前記凍結部位が凍結しているときには、前記換気装置の作動を制御することにより、前記断熱壁で暖められた空気を前記凍結部位に供給して前記凍結部位の凍結を抑制する凍結抑制制御を実行する制御部とを具備する燃料電池システム。 A reforming section for reforming the fuel material to generate anode gas;
A fuel cell that generates electricity with the anode gas and the cathode gas generated in the reforming section;
A heat insulating wall formed of a heat insulating material covering the reforming part and the fuel cell;
A freezing site where water used in the system can be retained;
A housing having the reforming unit, the fuel cell, the heat insulating wall, and the freezing portion; a housing having an exhaust port communicating the housing chamber with the outside; and the housing in the housing. A ventilation device for sucking outside air into the housing chamber and discharging the air in the housing chamber to the outside from the exhaust port;
A freezing sensor for detecting a physical quantity related to freezing of water at the freezing site;
When the frozen part is likely to freeze or when the frozen part is frozen, the air heated by the heat insulating wall is supplied to the frozen part by controlling the operation of the ventilation device. A fuel cell system comprising: a control unit that executes freeze suppression control that suppresses freezing of the frozen site.
前記制御部は、前記凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、前記凍結部位が凍結しているとき、前記換気装置を他方向に作動させ、前記排気口から外部の空気を前記収容室に吸引しつつ、前記断熱壁周辺の暖められた空気を前記凍結部位に向けて流す操作を実行する燃料電池システム。 2. The control unit according to claim 1, wherein when there is no possibility that the frozen portion is frozen, the control unit operates the ventilation device in one direction, sucks external air into the storage chamber, and warms around the heat insulating wall. An operation of discharging the exhausted air from the exhaust port to the outside, and
The control unit operates the ventilator in the other direction when there is a possibility that the frozen part is frozen or when the frozen part is frozen, and external air is supplied from the exhaust port to the storage chamber. A fuel cell system that performs an operation of flowing warmed air around the heat insulating wall toward the frozen portion while sucking.
前記制御部は、前記凍結部位が凍結するおそれがないとき、前記第1換気装置を作動させ、外部の空気を前記収容室に吸引すると共に、前記断熱壁周辺の暖められた空気を前記排気口から外部に排出させる操作を実行し、且つ、
前記制御部は、前記凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、前記凍結部位が凍結しているとき、前記第2換気装置を作動させ、前記断熱壁周辺の暖められた空気を前記凍結部位に向けて流す操作を実行する燃料電池システム。 2. The first ventilator according to claim 1, wherein the ventilator sucks external air into the accommodation chamber by operation and exhausts warmed air around the heat insulating wall to the outside from the exhaust port; A second ventilator for flowing warm air around the wall toward the frozen site;
The controller activates the first ventilation device when the frozen portion is not likely to freeze, sucks outside air into the housing chamber, and discharges warmed air around the heat insulating wall to the exhaust port. An operation of ejecting to the outside, and
The control unit activates the second ventilation device when the frozen part is likely to freeze or when the frozen part is frozen, and causes the warmed air around the heat insulating wall to move to the frozen part. A fuel cell system that performs an operation to flow toward the vehicle.
前記制御部は、前記凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、前記凍結部位が凍結しているとき、前記換気装置を作動させ、前記断熱壁周辺の暖められた空気を前記空気供給口を通過させて前記凍結部位に向けて流す操作を実行する燃料電池システム。 2. The first housing chamber according to claim 1, wherein the housing houses the first housing chamber that houses the frozen portion, the reformer, the fuel cell, and the heat insulation wall, and at the time of power generation operation of the fuel cell. A second storage chamber that is maintained at a higher temperature, a partition wall that partitions the first storage chamber and the second storage chamber, and the first storage chamber and the second storage chamber that are formed on the partition wall and communicate with each other. An air supply port,
The control unit activates the ventilator when there is a possibility that the frozen part is frozen or when the frozen part is frozen, and the warmed air around the heat insulating wall is supplied to the air supply port. A fuel cell system that performs an operation of passing the flow toward the frozen site.
前記制御部は、前記凍結部位が凍結するおそれがあるとき、または、前記凍結部位が凍結しているとき、前記蓋部の作動により前記空気供給口の開口面積を増加させると共に、前記換気装置を作動させ、前記断熱壁周辺の暖められた空気を前記空気供給口を通過させて前記凍結部位に向けて流す操作を実行する燃料電池システム。 2. The housing according to claim 1, wherein the housing includes a first storage chamber that stores the frozen portion, a second storage chamber that stores the reformer, the fuel cell, and the heat insulating wall, the first storage chamber, and the first storage chamber. A partition wall that partitions the second storage chamber; an air supply port that is formed in the partition wall and communicates with the first storage chamber and the second storage chamber; and a lid that adjusts an opening area of the air supply port. And
When the frozen part is likely to freeze or when the frozen part is frozen, the control unit increases the opening area of the air supply port by operating the lid, and A fuel cell system which is operated and performs an operation of passing warmed air around the heat insulating wall through the air supply port and flowing toward the frozen portion.
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