JP2017183222A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
特許文献1には、「燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤の供給量を削減し、酸化剤の予熱に必要な燃料のエネルギーを減少させる」固体酸化物形の燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法が記載されている。
また、特許文献2には、「固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することが可能な燃料電池システム」およびその起動方法が記載されている(いずれも要約および発明の名称を参照)。
Patent Document 1 discloses a solid oxide fuel cell power generation system that “reduces the amount of oxidant supplied to the fuel cell for cooling the fuel cell and reduces the energy of the fuel required for preheating the oxidant”. A system and a fuel cell power generation method are described.
Patent Document 2 describes “a fuel cell system capable of raising the temperature of the fuel cell system while preventing the anode of the solid oxide fuel cell from being oxidized and deteriorated” and its starting method. (See summary and title of invention).
しかしながら、特許文献1または特許文献2に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電負荷を上げたときに、スタック温度が上昇して上限リミットを越えてしまう。
また、一般に空気流量は空気ブロワの出力に比例し所定であるため、空気ブロワの出力が最大値に到達すると、それ以上燃料電池の冷却ができず、発電出力が制限されてしまう。
また、燃料電池スタックのクーリングに多くの時間を要するため、点検・メンテナンス・修理などに着手するまでに長い時間がかかってしまう。
However, in the fuel cell system described in Patent Document 1 or Patent Document 2, when the power generation load of the fuel cell is increased, the stack temperature rises and exceeds the upper limit.
In general, since the air flow rate is predetermined in proportion to the output of the air blower, when the output of the air blower reaches the maximum value, the fuel cell cannot be cooled any more and the power generation output is limited.
Also, since it takes a lot of time to cool the fuel cell stack, it takes a long time to start inspection, maintenance and repair.
そこで、本発明は、燃料電池スタックを効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供することを課題とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can efficiently cool the fuel cell stack to maintain the power generation output and reduce the time required for cooling the fuel cell stack.
本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う燃料電池を複数積層させた燃料電池スタックと、少なくとも部分酸化改質器を介して炭化水素を含んでなる原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを排ガス燃焼器で燃焼させて生成される燃焼ガスと、前記酸化剤ガスとの熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器を経由して前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第1供給路と、前記熱交換器をバイパスして前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第2供給路と、を備えることを特徴とする。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, and hydrocarbons via at least a partial oxidation reformer. A reformer for reforming the raw fuel to be generated and generating the fuel gas supplied to the fuel cell stack, and a fuel exhaust gas and an oxidant exhaust gas exhausted from the fuel cell stack are combusted in an exhaust gas combustor A heat exchanger for exchanging heat between the combustion gas generated and the oxidant gas, and a supply path for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack via the heat exchanger. And a second supply path which is a supply path for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack by bypassing the heat exchanger.
このような構成によれば、燃料電池スタックに、第2供給路を介して、低温の酸化剤ガスを供給することができる。これによって、燃料電池スタックを冷却できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供できる。 According to such a configuration, the low-temperature oxidant gas can be supplied to the fuel cell stack via the second supply path. Accordingly, it is possible to provide a fuel cell system that can cool the fuel cell stack and shorten the time required for cooling the fuel cell stack.
また、本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度センサと、前記第2供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第2の流量調整弁と、前記第2の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、を備えていることを特徴とする。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a temperature sensor that measures the temperature of the fuel cell stack, a second flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of the oxidant gas in the second supply path, And a control device that adjusts the opening of the second flow rate adjustment valve.
また、本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、前記第1供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第1の流量調整弁と、前記第1の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、を備えていることを特徴とする。 The fuel cell system according to an aspect of the present invention adjusts the opening of the first flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of the oxidant gas in the first supply path and the first flow rate adjustment valve. And a control device.
また、本発明の一形態に係わる燃料電池システムは、前記第1供給路または前記第2供給路に前記酸化剤ガスを供給するブロワ装置と、前記ブロワ装置の出力制御を行う制御装置と、を備えていることを特徴とする。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes: a blower device that supplies the oxidant gas to the first supply passage or the second supply passage; and a control device that performs output control of the blower device. It is characterized by having.
これらの構成によれば、燃料電池スタックをさらにより一層効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供できる。 According to these configurations, it is possible to provide a fuel cell system that can further efficiently cool the fuel cell stack to maintain the power generation output and can reduce the time required for cooling the fuel cell stack.
本発明によれば、燃料電池スタックを効率的に冷却して発電出力を維持できるとともに、燃料電池スタックのクーリング所要時間を短縮できる燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to cool a fuel cell stack efficiently and maintaining a power generation output, the fuel cell system which can shorten the cooling required time of a fuel cell stack can be provided.
(実施形態の説明)
以下、本発明の一実施形態について説明する。以下では、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システム10が、固体酸化物形の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)である場合を例に挙げて説明する。また各図で重複する説明は適宜省略することがある。
(Description of Embodiment)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, a case where the
<システムの構成>
図1は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成説明図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10は、原燃料(例えば、都市ガス)を供給する原燃料供給装置(原燃料ポンプ12を含む)14と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(空気ブロワ16を含む)18とを備える。なお、空気ブロワ16はECU500(ECU:Electronic Control Unit)に接続される(図2で後述)。
また、燃料電池システム10は、後述する部分酸化改質器22aに空気を供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置(空気ポンプ102を含む)104を備える。
そして、部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置104は、空気を部分酸化改質器22aに供給する部分酸化改質用酸化剤ガス通路106を備えている。
<System configuration>
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a
The
The partial oxidation reforming oxidant
さらに燃料電池システム10は、平板積層型の燃料電池スタック20、改質器22、熱交換器(HEX)24、蒸発器(EVP)25、排ガス燃焼器26およびスタック用加熱器28を備える。燃料電池スタック20は、燃料ガス(水素ガスを主成分とする気体)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形の燃料電池30を備える。複数の燃料電池30は、鉛直方向(矢印A方向)に積層されるとともに、燃料電池積層方向(以下、単に積層方向という)両端には、エンドプレート31a、31bが配置される。なお、本実施形態では、燃料電池30を鉛直方向に積層しているが、特に限られることなく、水平方向に積層してよい。
The
燃料電池30は、例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極およびアノード電極が設けられた電解質・電極接合体(MEA)を備える。
The
燃料電池30は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ、この水素、COが電解質のアノード電極側に供給される。
The operating temperature of the
燃料電池スタック20には、各酸化剤ガス流路44の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔48aと、酸化剤ガス流路44の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔48bとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔48aおよび酸化剤ガス出口連通孔48bは、燃料電池スタック20内を積層方向(矢印A方向)に延在する。
In the
燃料電池スタック20には、各燃料ガス流路46の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔50aと、燃料ガス流路46の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔50bとが設けられる。燃料ガス入口連通孔50aおよび燃料ガス出口連通孔50bは、燃料電池スタック20内を積層方向(矢印A方向)に延在する。
The
改質器22は、一般的に炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスを生成する。本実施形態では、改質器22は、部分酸化改質器(POX)22aと水蒸気改質器(SR)22bとを備え、部分酸化改質器22aと水蒸気改質器22bとは、直列に接続される。
The
部分酸化改質器22aは、炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)と酸化剤ガスとの部分酸化反応により原燃料を改質し、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスを生成する。
The partial oxidation reformer 22a reforms the raw fuel by a partial oxidation reaction between a raw fuel mainly composed of hydrocarbons (for example, city gas) and an oxidant gas, and converts the fuel gas supplied to the
部分酸化改質器22aは、具体的には、原燃料中に含まれるメタン(CH4)のほか、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)およびブタン(C4H10)などの炭素数が2以上の高級炭化水素(C2+)を、主として水素、COを含む燃料ガスに部分酸化改質するための改質器である。部分酸化改質器22aは、約500℃〜1000℃の作動温度に設定される。部分酸化改質器22aは、Pt(白金)、Rh(ロジウム)またはPd(パラジウム)の少なくとも1種類の触媒金属を使用する。 Specifically, the partial oxidation reformer 22a includes methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), and butane (C 4 H 10 ) in addition to methane (CH 4 ) contained in the raw fuel. Is a reformer for partially oxidizing and reforming higher hydrocarbons (C 2+ ) having 2 or more carbon atoms such as fuel gas mainly containing hydrogen and CO. The partial oxidation reformer 22a is set to an operating temperature of about 500 ° C to 1000 ° C. The partial oxidation reformer 22a uses at least one catalyst metal of Pt (platinum), Rh (rhodium), or Pd (palladium).
水蒸気改質器22bは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスを生成する。水蒸気改質器22bは、Ru(ルテニウム)、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)またはFe(鉄)の少なくとも1種類の触媒金属を使用する。
The
熱交換器24は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック20に酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器26は、燃料電池スタック20から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させるとともに、熱交換器24に供給する。
The
蒸発器25は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、水蒸気を水蒸気通路70を介して改質器22の水蒸気改質器22bに供給する。この際、混合器を用いて、原燃料通路52(後述)を通流する原燃料と適宜混合してもよい。蒸発器25は、燃料電池スタック20の積層方向一端側(エンドプレート31a側)に、そして熱交換器24よりも燃焼ガス流れ方向下流側に配置される。
The
スタック用加熱器28は、燃料電池スタック20の昇温、降温または温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータや燃焼バーナーなどが使用される。
The
燃料電池スタック20の積層方向一端側(エンドプレート31a側)には、改質器(部分酸化改質器22aおよび水蒸気改質器22b)22、熱交換器24、蒸発器25および排ガス燃焼器26が配置される。燃料電池スタック20の積層方向他端側(エンドプレート31b側)には、スタック用加熱器28が配置される。
On one end side (
原燃料供給装置14は、原燃料を部分酸化改質器22aに供給する原燃料通路52を備える。酸化剤ガス供給装置18は、酸化剤ガスを熱交換器24に供給する酸化剤ガス通路となるメインライン54(第1供給路)を備える。また、酸化剤ガス供給装置18は、熱交換器24で熱交換された酸化剤ガスを燃料電池スタック20の酸化剤ガス入口連通孔48aに供給する酸化剤ガス供給通路55を備える。さらには、メインライン54から分岐する酸化剤ガス通路のバイパスライン57(第2供給路)を備える。このバイパスライン57は、熱交換器24を迂回して酸化剤ガス供給通路55の途上に接続され、酸化剤ガスである空気が熱交換器24を介さずに燃料電池スタック20へと供給される。
The raw
そして、酸化剤ガス供給通路55の途上のうちバイパスライン57との合流部よりも下流側の地点、例えば燃料電池スタック20の入口付近には、温度センサT2が設置される。そして、温度センサT2はECU500に接続され、温度Tsiが送信される。
In the middle of the oxidant gas supply passage 55, a temperature sensor T <b> 2 is installed at a point downstream of the junction with the
また、燃料電池システム10は、空気ブロワ16から熱交換器24までの間のメインライン54の途上において、流量調整弁V1(第1の流量調整弁)を備えている。流量調整弁V1は、ECU500に接続され、ECU500の指令に基いて例えば弁の開度の調整を実行する。このようにして、メインライン54を通流する酸化剤ガスである空気の流量調整を行う。
Further, the
また、燃料電池システム10は、バイパスライン57の途上において、流量調整弁V2(第2の流量調整弁)を備えている。流量調整弁V2は、ECU500に接続され、ECU500の指令に基いて例えば弁の開度の調整を実行する。このようにして、バイパスライン57を通流する酸化剤ガスである空気の流量調整を行う。
In addition, the
以上を換言すると、本実施形態に係わる燃料電池システム10は、メインライン54および熱交換器24をバイパスするバイパスライン57を備え、さらに流量調整弁V1,V2によって、流量比を調整可能にしている。これによって、熱交換器24後の高温の空気に熱交換器24をバイパスした低温の空気を混合させることができる。また、メインライン54とバイパスライン57の流量比を可変にできるので、燃料電池スタック20に入る空気温度(温度Tsi)、ひいては燃料電池スタック20の温度(温度Tso)を調整することができる。なお、流量調整弁V1,V2はいずれか一方が省略されていてもよい。
In other words, the
部分酸化改質器22aには、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック20の燃料ガス入口連通孔50aに供給する燃料ガス通路58が接続される。燃料ガス通路58には、部分酸化改質器22aと水蒸気改質器22bとが直列に接続される。具体的には、部分酸化改質器22aは、水蒸気改質器22bよりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置される。
A
燃料電池スタック20の酸化剤ガス出口連通孔48bには、燃料電池スタック20から排出される酸化剤排ガス(排空気)を排ガス燃焼器26に導入させる酸化剤排ガス通路(排ガス出口)60が接続される。
また、燃料電池スタック20の燃料ガス出口連通孔50bには、燃料電池スタック20から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器26に導入させる燃料排ガス通路(排ガス出口)62が接続される。さらには、燃料排ガス通路62の途上のうち、燃料電池スタック20の出口付近には温度センサT1が設置される。そして、温度センサT1はECU500に接続され、温度Tsoが送信される。なお、温度センサT1の設置場所は、燃料電池スタック20の内部の化学反応の温度を略検知することができる場所であれば、特にこの場所には限定されない。
An oxidant exhaust gas passage (exhaust gas outlet) 60 for introducing oxidant exhaust gas (exhaust air) discharged from the
Further, a fuel exhaust gas passage (exhaust gas outlet) 62 for introducing the fuel exhaust gas discharged from the
排ガス燃焼器26の出口側には、燃焼ガス通路64の一端が連通するとともに、燃焼ガス通路64の他端が熱交換器24に接続される。熱交換器24の出口側には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス(排ガス)を排出する排気通路66が接続される。排気通路66の途上には、蒸発器25が配置される。
One end of the combustion gas passage 64 communicates with the outlet side of the
蒸発器25の入口側には、水供給通路68が接続されるとともに、蒸発器25の出口側には、水蒸気通路70の一端が接続される。水蒸気通路70の他端は、部分酸化改質器22aを介して水蒸気改質器22bに接続される。
A
<システムの動作>
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。
燃料電池システム10の起動時には、酸化剤ガス供給装置18では、空気ブロワ16の駆動作用下に酸化剤ガス通路のメインライン54およびバイパスライン57に空気が供給される。そして、メインライン54の空気は、流量調整弁V1、熱交換器24を介して酸化剤ガス供給通路55に供給される。一方、バイパスライン57の空気は、流量調整弁V2を介して、熱交換器24を介さずに酸化剤ガス供給通路55に供給される。
また、部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置104では、空気ポンプ102の駆動作用下に部分酸化改質用酸化剤ガス通路106に空気が供給される。
<System operation>
The operation of the
At startup of the
Further, in the partial oxidation reforming oxidant
一方、原燃料供給装置14では、原燃料ポンプ12の駆動作用下に原燃料通路52に、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)などの原燃料が供給される。原燃料は、部分酸化改質器22a内に供給される。このため、部分酸化改質器22a内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、部分酸化改質が開始される。
On the other hand, in the raw
例えば、O2/C=0.5に設定されると、2CH4+O2→4H2+2COとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器22aから高温(約500℃〜1000℃)の還元ガス(燃料ガス)が発生する。 For example, when O 2 /C=0.5, a partial oxidation reaction of 2CH 4 + O 2 → 4H 2 + 2CO occurs. This partial oxidation reaction is an exothermic reaction, and a high-temperature (about 500 ° C. to 1000 ° C.) reducing gas (fuel gas) is generated from the partial oxidation reformer 22a.
高温の還元ガスは、水蒸気改質器22bを加温するとともに、燃料ガス通路58を介して燃料電池スタック20の燃料ガス入口連通孔50aに供給される。燃料電池スタック20では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路46を流通した後、燃料ガス出口連通孔50bから燃料排ガス通路62に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路62に連通する排ガス燃焼器26内に導入される。
The hot reducing gas heats the
排ガス燃焼器26には、後述するように、空気(酸化剤排ガス)が供給されており、空気と還元ガスとが、自己着火され、または着火手段(図示せず)により着火され、燃焼される。排ガス燃焼器26内に発生した燃焼ガスは、熱交換器24に供給される。熱交換器24では、供給された空気が燃焼ガスにより昇温される。燃焼ガスは、排気通路66を介して蒸発器25内に導入されて排気される。
As will be described later, air (oxidant exhaust gas) is supplied to the
昇温された空気は、酸化剤ガス供給通路55を通って燃料電池スタック20の酸化剤ガス入口連通孔48aに供給される。この空気は、各酸化剤ガス流路44を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔48bから酸化剤排ガス通路60に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器26に導入されて、燃焼処理に使用される。このため、排ガス燃焼器26では、燃焼により燃料電池スタック20をエンドプレート31a側から輻射または伝熱加熱するとともに、改質器22を加熱する。
The heated air is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 48 a of the
上記の酸化剤ガス供給装置18および原燃料供給装置14の駆動と同時に、スタック用加熱器28が駆動される。従って、燃料電池スタック20は、エンドプレート31b側からも加熱される。
Simultaneously with the driving of the oxidant
そこで、蒸発器25、燃料電池スタック20および水蒸気改質器22bが、水凝縮温度以上に昇温された際、水が蒸発器25に供給され、水蒸気が得られる。この水蒸気は、水蒸気通路70を通って部分酸化改質器22aから水蒸気改質器22bに送られる。
Therefore, when the
部分酸化改質器22aおよび水蒸気改質器22bでは、空気の供給が停止されており、不図示の混合器を介すなどして原燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。混合ガスは、部分酸化改質器22aで部分酸化改質、および水蒸気改質器22b内で水蒸気改質され、メタン(CH4)などの炭化水素が改質されて水素を主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、燃料電池スタック20に供給される。そして、発電時には、部分酸化改質器22aおよび水蒸気改質器22bで改質された燃料ガスが、燃料電池スタック20に供給されて、空気との化学反応により発電が行われる。
In the partial oxidation reformer 22a and the
燃料電池スタック20の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路44を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路46を流通する。これにより、各燃料電池30のカソード電極に空気が供給されるとともに、アノード電極に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
At the time of power generation of the
改質器22は、原燃料と酸化剤ガスとの部分酸化反応により原燃料を改質し、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスを生成する部分酸化改質器22aを備えている。また、改質器22は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器22bを備えている。部分酸化改質器22aと水蒸気改質器22bとは、直列に接続されている。
The
このため、起動時には、部分酸化改質器22aにより燃料電池スタック20の昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器22bにより改質効率に優れた改質が促進され、発電効率および熱効率が良好に向上する。
For this reason, at the time of start-up, the temperature increase of the
また、燃料ガスを燃料電池スタック20に供給する燃料ガス通路58には、部分酸化改質器22aが、水蒸気改質器22bよりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されている。従って、起動時には、部分酸化改質器22aにより燃料電池スタック20および水蒸気改質器22bの昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器22bにより改質効率に優れた改質が促進され、発電効率および熱効率が良好に向上する。
Further, in the
しかも、部分酸化改質器22aは、発熱反応であるとともに、水蒸気改質器22bは、吸熱反応である。これにより、水蒸気改質器22bの温度が低下した際、部分酸化改質器22aから熱エネルギを供給することが可能になる。
Moreover, the partial oxidation reformer 22a is an exothermic reaction, and the
さらにまた、燃料電池システム10は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、水蒸気を水蒸気改質器22bに供給する蒸発器25を備えている。その際、蒸発器25は、熱交換器24から燃焼ガスが排出される排気通路66に配置されている。これにより、蒸発器25では、水が燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することができ、起動性および熱効率の向上が良好に図られる。
Furthermore, the
<制御ブロックの構成>
次に、図2を参照しながら、本実施形態に係わる燃料電池システム10の制御ブロックの構成を説明する。なお、本実施形態において、ECU500は温度センサT1の値(温度Tso)に基いて流量調整弁V1,V2の弁の開度を制御する。これによって、バイパスライン57を介して燃料電池スタック20に酸化剤ガスとして所望の冷却空気(クールエア)を供給するものである。
図2に示すように、ECU500には、入力側として、温度センサT1,T2が接続されて温度情報が入力される。また、図1では不図示の運転スイッチが接続されて燃料電池システム10の発電指令に係わるON/OFFなどの運転信号が入力される。
さらには、ECU500には、出力側として、バイパスライン57側の流量調整弁V2、メインライン54側の流量調整弁V1、空気ブロワ16(ブロワ装置)が接続される。
<Control block configuration>
Next, the configuration of the control block of the
As shown in FIG. 2, temperature information is input to
Further, the
ECU500は温度情報取得部501、状態判定部502、バイパス側流量調整弁制御部503、メイン側流量調整弁制御部504、空気ブロワ制御部505を含んでなる。なお、各部の機能は不図示の記憶部に記憶されたプログラムを読み出してRAM(Random Access Memory)上に展開し、プロセッサが実行することで具現化される。
The
温度情報取得部501は、温度センサT1,T2から温度情報を取得して、状態判定部502に引き渡す。
状態判定部502は、運転スイッチからのON/OFFなどの運転情報および、温度情報取得部501から受け継いだ温度センサT1,T2の情報に基いて、所定の条件(詳細は図3で後述)が成立するか否かを判定する。
バイパス側流量調整弁制御部503は、バイパスライン57の途上に設置された流量調整弁V2の弁の開度調整に係わる駆動制御を掌る。
メイン側流量調整弁制御部504は、メインライン54の途上に設置された流量調整弁V1の弁の開度調整に係わる駆動制御を掌る。
空気ブロワ制御部505は、酸化剤ガス供給装置18の空気ブロワ16に係わる出力制御を掌る。
The temperature
Based on the operation information such as ON / OFF from the operation switch and the information of the temperature sensors T1 and T2 inherited from the temperature
The bypass-side flow rate adjustment
The main-side flow rate adjustment
The air
以上を換言すると、ECU500は流量調整弁V1(第1の流量調整弁)および流量調整弁V2(第2の流量調整弁)の開度調整を行うとともに、空気ブロワ16(ブロワ装置)の出力制御を行う制御装置である。
In other words, the
<バイパスエア供給制御>
次に、図3のフローチャートを参照しながら、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムのECUが行うバイパスラインを用いた空気(エア)供給制御の処理手順を説明する。なお、この処理を開始する前提として、燃料電池システム10は運転中であるものとする。
ステップS10において、ECU500の状態判定部502は、燃料電池システム10の発電停止信号を受信したか否かを判定する。これは、例えば運転スイッチからOFF信号を受信したか否かで判定すればよい。ステップS10でYesのときはステップS130に進む。ステップS10でNoのときはステップS20に進む。
<Bypass air supply control>
Next, a processing procedure of air supply control using a bypass line performed by the ECU of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. As a premise for starting this processing, it is assumed that the
In step S10, the
ステップS10でNoのとき、ステップS20において状態判定部502は、燃料電池スタック20の温度(温度Tso)が所定の目標温度の範囲内(Tgl≦Tso≦Tgh)にあるか否かを判定する。なお、燃料電池スタック20の温度は前述した通り、燃料電池スタック20の燃料排ガス(アノードオフガス)の出口温度を計測する温度センサT1の値(温度Tso)で代用することができる。なお、目標温度の上限値Tgh,目標温度の下限値Tglは、燃料電池スタック20の所定の反応温度帯(700℃〜750℃)をそれぞれ超えないよう、例えば750℃をわずかに下回るとともに、700℃をわずかに上回るよう設定することが望ましい。ステップS20でYesのときはステップS100に進む。ステップS20でNoのときはステップS30に進む。
When the result is No in step S10, in step S20, the
ステップS20でNoのとき、ステップS30において状態判定部502は、燃料電池スタック20の温度(温度Tso)が所定の目標温度の上限値(温度Tgh)よりも高いか否かを判定する(Tso>Tgh)。ステップS30でYesのときはステップS70に進む。ステップS30でNoのときはステップS40に進む。
When No in step S20, in step S30, the
ステップS30でNoのときは、燃料電池スタック20の温度が所定の目標温度の範囲内でなく(ステップS20→No)、温度センサT1の値(温度Tso)が目標温度の上限値Tghよりも低い(ステップS30→No)、つまり目標温度の下限値Tglよりも低いときである。この場合は、ステップS40においてECU500のバイパス側流量調整弁制御部503は、バイパスライン57の途上に設けられた流量調整弁V2の弁の開度が現状の開度よりも閉まる方向に制御する。
そして、ステップS50において、メイン側流量調整弁制御部504は、メインライン54の途上の流量調整弁V1の弁の開度を、現状の開度よりも開く方向に制御する。
さらには、ステップS60において、空気ブロワ制御部505は、熱交換器24の内部における圧力損失の発生を考慮し、空気ブロワ16の出力を現状よりも増大させる方向に制御して、ステップS10にリターンする。
これによって、バイパスライン57を流れる空気流量を減少させるとともに、メインライン54を流れる空気流量を増加させることができる。ゆえに、燃料電池スタック20に熱交換器24を経由した高温の空気を大量に供給することができる。また、速やかに燃料電池スタック20の温度(温度Tso)が目標温度の下限値Tglよりも高くなるように誘導できる。
When No in step S30, the temperature of the
In step S <b> 50, the main-side flow rate adjustment
Further, in step S60, the air
As a result, the flow rate of air flowing through the
ステップS30でYes、すなわち燃料電池スタック20の温度が所定の目標温度の上限値Tghよりも高いとき、ステップS70においてECU500のバイパス側流量調整弁制御部503は、流量調整弁V2の弁の開度を現状の開度よりも開く方向に制御する。
そして、ステップS80において、メイン側流量調整弁制御部504は、流量調整弁V1の弁の開度を現状の開度よりも閉まる方向に制御する。
さらには、ステップS90において、空気ブロワ制御部505は、燃料電池スタック20の冷却を早く行うため、空気ブロワ16の出力を現状よりも増大させる方向に制御して、ステップS10にリターンする。
これによって、バイパスライン57を流れる空気流量を増加させるとともに、メインライン54を流れる空気流量を減少させることができる。ゆえに、燃料電池スタック20の過昇温を防ぐことができる。また、速やかに燃料電池スタック20の温度(温度Tso)が目標温度の上限値Tghよりも低い温度となるように誘導できる。
In step S30, Yes, that is, when the temperature of the
In step S80, the main-side flow rate adjustment
Further, in step S90, the air
As a result, the flow rate of air flowing through the
ステップS20でYesのとき、ステップS100においてECU500のバイパス側流量調整弁制御部503は、流量調整弁V2の弁の開度を現状の開度よりも開く方向に制御する。
そして、ステップS110において、メイン側流量調整弁制御部504は、流量調整弁V1の弁の開度を現状の開度よりも閉まる方向に制御する。
さらには、ステップS120において、空気ブロワ制御部505は、空気ブロワ16の出力を現状よりも減少させる方向に制御して、ステップS10にリターンする。
When Yes in step S20, in step S100, the bypass-side flow rate adjustment
In step S <b> 110, the main-side flow rate adjustment
Further, in step S120, the air
また、ステップS10でYesのときは、燃料電池システム10による発電を停止させ、速やかに燃料電池スタック20をクールダウンさせることが望まれる。
この場合は、ステップS130においてECU500のバイパス側流量調整弁制御部503は、流量調整弁V2の弁の開度を全開の方向に制御する。
そして、ステップS140において、メイン側流量調整弁制御部504は、流量調整弁V1の弁の開度を全閉の方向に制御する。
さらには、ステップS150において、空気ブロワ制御部505は、空気ブロワ16の出力が最大となるように制御して、本フローを終了する。
このようにすることで、空気ブロワ16によって供給された冷えた空気(外気)の全量を、熱交換器24を迂回するバイパスライン57を介して、燃料電池スタック20に供給することができる。これによって、燃料電池スタック20の効率的なクールダウンを実現することができる。このため、内部点検などをすぐに行えるようになる。
Further, when the answer is Yes in step S10, it is desired to stop the power generation by the
In this case, in step S130, the bypass side flow rate adjustment
In step S140, the main-side flow rate adjustment
Furthermore, in step S150, the air
In this way, the entire amount of the cooled air (outside air) supplied by the
以上を換言すると、ECU500は、温度センサT1の計測値(温度Tso)が所定の目標温度の範囲を外れて高いとき(ステップS30→Yes)、または燃料電池システム10の発電を停止させるときは(ステップS10→Yes)、流量調整弁V2を開いて流量調整弁V1を閉じる方向に制御するとともに、空気ブロワ16の出力を増大させる。
また、ECU500は、温度センサT1の計測値(温度Tso)が所定の目標温度の範囲内にあるときは(ステップS20→Yes)、流量調整弁V2を開いて流量調整弁V1を閉じる方向に制御するとともに、空気ブロワ16の出力を減少させる。
In other words, when the measured value (temperature Tso) of the temperature sensor T1 is high outside the predetermined target temperature range (step S30 → Yes), or when the
In addition, when the measured value (temperature Tso) of the temperature sensor T1 is within a predetermined target temperature range (step S20 → Yes), the
なお、ステップS40〜ステップS60、ステップS70〜ステップS90、ステップS100〜ステップS120、ステップS130〜ステップS150の各処理はそれぞれ、必ずしもこの順序で実行されることを要しない。さらには、それぞれが並行処理されてもよい。例えば、ステップS40〜ステップS60の各処理は、ステップS50→ステップS40→ステップS60の順で順次処理してもよいし、ステップS40、ステップS50、ステップS60の各処理を、時間的に重複するように並行処理してもよい。ステップS70〜ステップS90、ステップS100〜ステップS120、ステップS130〜ステップS150についても同様である。
また、ステップS60、ステップS90、ステップS100〜ステップS120、ステップS150の処理は必ずしも必須でなく、適宜省略して現状維持のままとしてもよい。
Note that the processes of steps S40 to S60, steps S70 to S90, steps S100 to S120, and steps S130 to S150 are not necessarily performed in this order. Furthermore, each may be processed in parallel. For example, each process of step S40 to step S60 may be sequentially processed in the order of step S50 → step S40 → step S60, or the processes of step S40, step S50, and step S60 may be overlapped in time. May be processed in parallel. The same applies to steps S70 to S90, steps S100 to S120, and steps S130 to S150.
Moreover, the process of step S60, step S90, step S100-step S120, and step S150 is not necessarily essential, You may abbreviate | omit suitably and may keep the present condition.
次に、図4(a)〜(c)を参照して、本実施形態に係わる燃料電池システム10の、(a)では空気流量とスタック温度の状態の変遷過程を、(b)では空気流量と燃料電池スタックの発電出力の関係を、(c)ではスタック温度の経時変化を説明する。
まず、図4(a)を参照して、燃料電池システム10の酸化剤ガス供給通路55の空気流量、および燃料電池スタック20の温度の関係が、状態Pにある場合を考える。このとき、燃料電池システム10がバイパスライン57を備えていないと、空気ブロワ16の出力を減少させて酸化剤ガス供給通路55の空気流量を少なくすると、状態Qへと遷移してしまう(状態P→状態Q)。つまり、酸化剤ガス供給通路55の空気流量を少なくすると、燃料電池スタック20の温度が上昇してしまう。
しかし、本実施形態の燃料電池システム10によれば、バイパスライン57を備えている。ゆえに、仮に空気ブロワ16の出力を所定値とし、空気流量は所定量のまま不変でも、バイパスライン57を介して低温の空気を燃料電池スタック20に供給できる。ゆえに、燃料電池スタック20の温度を下げることができる(状態Q→状態R)。
つまり、本実施形態の燃料電池システム10によれば、状態P→(白抜き矢印)状態Rに示すように、バイパスライン57でクールエアを燃料電池スタック20に供給できるので、スタック温度を維持しつつ、空気ブロワ16の出力を減少させて空気流量を減らすことができる。(前述した図3のステップS100〜ステップS120の処理を併せて参照のこと。)また、状態Pから空気ブロワ16の出力を減少させて空気流量を減らしても、状態P→状態Qのようにスタック温度を昇温させることなく、スタック温度を維持することができる(状態P→(白抜き矢印)状態R)。
Next, referring to FIGS. 4A to 4C, the
First, with reference to FIG. 4A, a case is considered in which the relationship between the air flow rate in the oxidant gas supply passage 55 of the
However, according to the
That is, according to the
ここで図4(b)も併せて参照する。つまり、本実施形態の燃料電池システム10は、スタック温度を維持、すなわち発電出力を維持しつつ、空気流量を減らすことができる(図中矢印α参照)。つまり、空気ブロワ16の所定の流量範囲(送風能力)はそのままに、バイパスライン57の冷却空気を併用することで燃料電池スタック20の昇温を押さえ、発電を継続させることができる。つまり、発電時間の範囲を広げることができるので、発電出力を大きくできる。また、空気ブロワ16の出力を下げて運転できるので、空気ブロワ16自体の消費電力を削減しつつ、それ以外のその他の負荷の利用可能電力の発電範囲を拡張できる。
Here, FIG. 4B is also referred to. That is, the
また、図4(c)に示すように、本実施形態の燃料電池システム10はバイパスライン57の低温の空気で燃料電池スタック20を冷却することができるので、例え発電負荷が上昇するなどした場合でも、燃料電池スタック20の昇温を抑制することができる。(図中矢印β参照。)
また、燃料電池スタック20を速やかに冷却し、所定の目標温度の範囲内に戻すことができる(Tso<Tgh)。
Further, as shown in FIG. 4 (c), the
In addition, the
次に、図5は本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムの、(a)は運転中のスタック入口空気温度Tsiの経時変化を説明する図であり、(b)は発電停止時からの燃料電池スタックのクーリング所要時間を説明する図である。
まず、図5(a)を参照して、本実施形態に係わる燃料電池システム10の場合は、メインライン54に加えて、熱交換器24を迂回するバイパスライン57を併用して、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック20に供給できる。ゆえに、メインライン54のみを用いる場合と比較して、運転中は常時低い温度(安定した温度)の空気を燃料電池スタック20に供給することができる。
Next, FIG. 5 is a diagram for explaining the change with time of the stack inlet air temperature Tsi during operation of the fuel cell system according to one embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure explaining the cooling required time of a fuel cell stack.
First, referring to FIG. 5A, in the case of the
また、図5(b)は、発電停止時からのスタック出口空気温度の経時変化を説明する図であり、燃料電池スタック20のクーリング所要時間を説明する図である。
図5(b)に示すように、本実施形態の燃料電池システム10によれば、発電停止時においても、バイパスライン57を用いることで、低い温度の空気を燃料電池スタック20に供給できる。ゆえに、クーリングの所要時間を大幅に短縮することができ、これによって、点検・メンテナンス・修理などに素早く着手することができる。つまり、作業効率を向上させることができる。
FIG. 5B is a diagram for explaining a change with time of the stack outlet air temperature from the time when power generation is stopped, and a diagram for explaining the required cooling time of the
As shown in FIG. 5 (b), according to the
(作用・効果)
燃料電池システム10によれば、発電出力が高出力のときに、空気の流量を減らしても燃料電池スタック20の温度を過昇温させることなく適正に温度調整できる。ゆえに、空気ブロワ16の流量の上限リミットまでに余裕を確保することができる。その結果として、発電範囲を広げることができる(図4(b)参照)。
また、空気の流量を減らすことができるので、空気ブロワ16の消費電力も低減することができ、経済的になる。さらには、燃料電池スタック20の劣化に伴って発熱量が増加することがあるが、その効果的な冷却が可能になる。
また、熱交換器24をバイパスした低温の空気で燃料電池スタック20を冷却可能なので、発電負荷を上げた時の燃料電池スタック20の温度上昇を早めに抑制できる(図4(c)参照)。これによって、燃料電池スタック20が、所定の反応温度の上限超えの状態、すなわち750℃超のリミットオーバー状態となることを防止できる。
また、発電停止時に熱交換器24をバイパスした低温の空気で燃料電池スタック20を冷却可能なので、クーリング所要時間を大幅に短縮することができる。これによって、点検・メンテナンス・修理などに着手するまでの時間が短縮される。
(Action / Effect)
According to the
Further, since the air flow rate can be reduced, the power consumption of the
In addition, since the
In addition, since the
上記した実施形態は本発明を分かりやすくするために詳細に説明したものであり、必ずしも、説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、制御線や情報線、電源線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしもすべての制御線や情報線、電源線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成機器が相互に接続されていると考えてもよい。
The above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the described configurations.
In addition, control lines, information lines, and power supply lines are those that are considered necessary for the description, and not all control lines, information lines, and power supply lines are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成の一部もしくは全てを加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and a part or all of the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. It is. In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
(変形例)
具体的には、上記実施形態では流量調整弁V1,V2を別個に備えるものとしたが、例えば3方弁で1つに統合してもよい。この場合は、メインライン54とバイパスライン57の分岐点に設置する。また、3方弁の各流路の開度が独立に制御できるものを用いる。
また、燃料電池スタック20の温度(温度Tso)の計測地点は、燃料排ガス通路62の燃料電池スタック20の出口温度付近に限定されず、例えば酸化剤排ガス通路60の燃料電池スタック20の出口温度付近、または燃料電池スタック20の内部温度を直接計測してもよい。また、ECU500のバイパス側流量調整弁制御部503、メイン側流量調整弁制御部504、空気ブロワ制御部505は、図3のフローチャートで温度センサT2の計測値の温度Tsiを、各制御の補正パラメータとして適宜参照してもよい。
また、空気ブロワ16と空気ポンプ102は別個の装置として説明したが、同一の装置であってもよい。その場合には、酸化剤ガス流路を適宜分岐させて引き回せばよい。
また、例えばECU500は流量調整弁V1,V2の開閉制御のみを行い、空気ブロワ16の出力制御は行わない構成であってもよい。
また、改質器22は部分酸化改質のみを行うもの(シフト反応器付き)であってもよく、水蒸気改質のみを行うものであってもよい。
(Modification)
Specifically, in the above embodiment, the flow rate adjustment valves V1 and V2 are separately provided. However, for example, a three-way valve may be integrated into one. In this case, it is installed at the branch point between the
Further, the measurement point of the temperature (temperature Tso) of the
Moreover, although the
Further, for example, the
The
10…燃料電池システム
12…原燃料ポンプ 14…原燃料供給装置
16…空気ブロワ(ブロワ装置)、102…空気ポンプ 18…酸化剤ガス供給装置
20…燃料電池スタック 22…改質器
22a…部分酸化改質器 24…熱交換器
25…蒸発器 26…排ガス燃焼器
28…スタック用加熱器 30…燃料電池
44…酸化剤ガス流路 46…燃料ガス流路
48a…酸化剤ガス入口連通孔 48b…酸化剤ガス出口連通孔
50a…燃料ガス入口連通孔 50b…燃料ガス出口連通孔
52…原燃料通路 54…メインライン(第1供給路)
57…バイパスライン(第2供給路) 58…燃料ガス通路
60…酸化剤排ガス通路 62…燃料排ガス通路
64…燃焼ガス通路 66…排気通路
68…水供給通路 70…水蒸気通路
104…部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置 500…ECU(制御装置)
T1,T2…温度センサ Tso,Tsi…温度
V1,V2…流量調整弁(第1の流量調整弁,第2の流量調整弁)
DESCRIPTION OF
57 ... Bypass line (second supply passage) 58 ...
T1, T2 ... Temperature sensor Tso, Tsi ... Temperature V1, V2 ... Flow rate adjustment valve (first flow rate adjustment valve, second flow rate adjustment valve)
Claims (4)
少なくとも部分酸化改質器を介して炭化水素を含んでなる原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを排ガス燃焼器で燃焼させて生成される燃焼ガスと、前記酸化剤ガスとの熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器を経由して前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第1供給路と、
前記熱交換器をバイパスして前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する供給路である第2供給路と、
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked;
A reformer that reforms a raw fuel comprising hydrocarbons via at least a partial oxidation reformer and generates the fuel gas supplied to the fuel cell stack;
A heat exchanger for exchanging heat between the oxidant gas and a combustion gas generated by burning a fuel exhaust gas and an oxidant exhaust gas exhausted from the fuel cell stack in an exhaust gas combustor;
A first supply path that is a supply path for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack via the heat exchanger;
A second supply path that is a supply path that bypasses the heat exchanger and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising:
前記第2供給路の前記酸化剤ガスの流量調整を行う第2の流量調整弁と、
前記第2の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、
を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システム。 A temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell stack;
A second flow rate adjustment valve for adjusting the flow rate of the oxidant gas in the second supply path;
A control device for adjusting the opening of the second flow rate adjustment valve;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記第1の流量調整弁の開度調整を行う制御装置と、
を備えていることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池システム。 A first flow rate adjustment valve for adjusting a flow rate of the oxidant gas in the first supply path;
A control device for adjusting the opening of the first flow control valve;
The fuel cell system according to claim 2, comprising:
前記ブロワ装置の出力制御を行う制御装置と、
を備えていることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池システム。 A blower device for supplying the oxidant gas to the first supply path or the second supply path;
A control device for controlling the output of the blower device;
The fuel cell system according to claim 3, comprising:
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