JP5438420B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1は燃料電池システム(以下、システムともいう)の概要を示す。これは固体酸化物形の燃料電池に適用している。システムは、基本的には、固体酸化物形の燃料電池1と、改質器2と、制御部100と、筐体9とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体9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。なお図1では、燃料電池1は模式化されて図示されている。
従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、凝縮器74のガス通路74gにおいて水通路74wにより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を介して改質水タンク44に貯留される。貯湯通路71の往路71aには、これの水を冷却させ得る冷却装置79が設けられている。冷却装置79は、冷却フィンをもつラジエータ79aと、ラジエータ79aに送風してこれを冷却させる冷却ファン79cとをもつ。
(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、燃料電池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9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を介して燃料電池1のカソードに供給される。これにより燃料電池1は発電する。
(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は、発電反応しなかった水素を含む。カソードオフガスは発電反応に未反応な酸素を含む。アノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃料電池1の上方の燃焼用空間23に排出され、燃焼炎24を燃焼用空間23において形成する。燃焼炎24における燃焼反応において水素および酸素が反応するため、燃焼反応によりH2Oが生成される。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、排気ガスとなり、凝縮器74のガス通路74g、ガス出口78を経て排気通路75を流れ、更に、排気通路75の先端の排気口76から筐体9の外部に放出される。ここで、凝縮器74を流れる排気ガスは、水分を含む。この水分は、改質反応用に投入した改質水の反応余剰分、および上記(2)における発電時に生成するH2O、燃焼炎24の燃焼反応により生成するH2Oが含まれる。排気ガスに含まれている水分は、凝縮器74のガス通路74gにおいて水通路74により冷却されて凝縮し、凝縮水を生成させる。凝縮器74のガス通路74gで生成された凝縮水は凝縮水通路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、タンク44に改質水44wとして貯留される。
発電停止モードはシステムの発電を停止させるための運転モードである。システムにおいては、システムの発電停止モードにおいても、次の(1),(2)の場合には、改質水を改質器2に供給する。
本実施形態は前記した実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。貯湯通路71の往路71aの水の温度T1もしくは排気通路75の排気ガス温度T2に基づいて、冷却装置79の冷却ファン79cはON,OFF制御され、貯湯通路71の往路71aの水を冷却する。例えば、T1≧40℃で冷却ファン79cはONされ、T1≦42℃で冷却ファン79cはOFFとされる。もしくは、排気ガス温度T2≧43℃で冷却フアン79cはONとされ,排気ガス温度T2≦45℃で冷却ファン79cはOFFとされる。
本実施形態は前記した実施形態1,2と同様な構成および作用効果を示すため、図1〜図10を準用できる。前述したように、夏季の猛暑日などのように、外気温度が極めて高いときには、貯湯通路71の水の温度T1が高くなり、凝縮器74における凝縮水の生成量が低下し、タンク44の水量が低下する。そこで制御部100は、タンク44の水位が高水位High未満になったら、冷却装置79の冷却ファン79cの出力を、通常の発電モードの場合(水位が高水位High以上の場合)よりも増加させる。更に、必要に応じて、貯湯ポンプ72の単位時間あたりの出力(回転数)を、通常の発電モードの場合(水位が高水位High以上の場合)よりも増加させる。これにより貯湯通路71のうち凝縮器74の水通路74wの入口の水の温度T1が更に低下する。よって、凝縮器74における熱交換量を増加できる。ひいては凝縮器74において生成される凝縮水の生成量を増加でき、タンク44の水位を更に高めて高水位High以上にできる。
本実施形態は前記した実施形態1,2と同様な構成および作用効果を示すため、図1〜図10を準用できる。前述したように、夏季の猛暑日などのように、外気温度が極めて高いときには、貯湯通路71の水の温度T1が高くなり、凝縮器74における凝縮水の生成量が低下し、タンク44の水量が低下する。そこで制御部100は、タンク44の水位が中位Mid未満になったら、冷却装置79の冷却ファン79cの出力を通常の発電モードの場合(水位が中水位Mid以上の場合)よりも増加させる。更に、必要に応じて、貯湯ポンプ72の単位時間あたりの出力(回転数)を、通常の発電モードの場合(水位が中水位Mid以上の場合)よりも増加させる。これにより貯湯通路71のうち凝縮器74の水通路74wの入口の水の温度T1が更に低下し、凝縮器74における熱交換量を増加できる。ひいては凝縮器74において生成される凝縮水の生成量を増加でき、タンク44の水の水位を高めて高水位High以上にできる。
図11は実施形態5を示す。本実施形態は前記した実施形態と同様な構成および作用効果を示すため、他の図を準用できる。図11に示すように、タンク44には、タンク44の高さ方向において、高水位High,中水位Midの2水準の水位をそれぞれ検知できる高水位センサ301、中水位センサ302がそれぞれ設けられている。タンク44に貯留されている過剰の水をオーバフローさせるオーバフロー部44pが設けられている。よって、高水位Highよりも上方にオーバフローラインOverが設けられている。各水位センサが水位低下を検出したときにおいて、制御部100が実行する制御について説明する。
図12は実施形態6を示す。本実施形態は前記した実施形態と同様な構成および作用効果を示すため、他の図を準用できる。図12に示すように、複数の燃料電池1は、カソードガスが供給される通路32rを介して並設されてスタックを形成している。燃料電池1同士は図略の集電体により電気的に接続されている。燃料電池1は、アノードガスが流れる通路11rをもつ多孔質導電部11wと、燃料極として機能するアノード11と、カソードガスが供給される通路32rに対面する酸化剤極として機能するカソード12と、アノード11およびカソード12で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜15と、緻密質のコネクタ10x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11は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード12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、燃料電池1の下部には、アノードガスを燃料電池1の入口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。
上記した実施形態によれば、タンク44の高水位を検知する水位センサ301、中水位を検知する302が設けられているが、単一のセンサで高水位、中水位、低水位を検知することにしても良い。低水位センサ303を水位センサ301,302と一体化させても良い。要するにタンク44における複数段階の水位を検知できれば良い。凝縮器74で生成された凝縮水を、水精製機能をもつ水精製器40に溜めて精製させた後にタンク44に貯留させているが、これに限らず、凝縮器74で生成された凝縮水をタンク44に貯留させた後、水精製器40から改質器2に向けて搬送させても良い。
[付記項1]改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜めるタンクと、タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、タンクにおける水位を検知する単数または複数の水位センサと、水位センサの検知結果に応じて燃料電池の発電を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。
Claims (5)
- 改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、
アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、
システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、
前記凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜めるタンクと、
前記タンクに溜められている改質水を前記改質器に供給する改質水搬送源と、
前記タンクにおける水位を検知する単数または複数の水位センサと、
前記タンクの水位が所定の高水位以上であることが前記水位センサにより検知されるとき、最高発電出力を出力制限せずに前記燃料電池の発電出力を制御し、前記タンクの水位が前記高水位よりも低い水位であることが前記水位センサにより検知されるとき、電力負荷の大きさに拘わらず、前記燃料電池の最高発電出力をこれの定格電力未満に出力制限する制御部とを具備し、
所定の基準日において前記システムが発電運転されるときにおいて、前記基準日の所定の基準時刻の前記タンクにおける改質水貯留量が相対0値と相対表示されるとき、前記タンクに貯留される改質水貯留量は、前記基準日における気温の変化に応じてプラス側およびマイナス側に変化し、
前記基準日における気温に応じて変化する改質水貯留量の相対0値に対する最高ピーク値をVmaxとするとき、前記タンクのうちこれの高水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をH1とするとき、前記タンク容量H1は、前記最高ピーク値Vmaxに基づいて設定されている燃料電池システム。 - 請求項1において、前記システムの排熱で加熱された温水を溜めると共に出水口および入水口をもつ貯湯槽と、前記貯湯槽の前記出水口から前記入水口まで延設された貯湯通路と、前記貯湯通路において前記凝縮器の上流に設けられ前記貯湯通路の水を冷却させて前記貯湯通路の水の温度を低下させる冷却装置と、前記貯湯槽に溜められている水を前記出水口から前記冷却装置および前記凝縮器を経て前記入水口に帰還させる貯湯水搬送源とを具備しており、
前記タンクの水位が前記高水位未満であることが前記水位センサにより検知されるとき、前記制御部は、前記出力制限をかけつつ、前記冷却装置の冷却作動または前記貯湯水搬送源の高出力化により、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行し、前記タンクの水位を前記高水位以上にする燃料電池システム。 - 請求項1または2において、前記タンクの水位が前記高水位よりも低い中水位未満であるとき、前記制御部は、前記燃料電池の発電運転を停止させる発電停止モードを実行する燃料電池システム。
- 請求項1〜3のうち一項において、気温に応じて変化する改質水貯留量の相対0値に対する最小ピーク値をVminとし、前記タンクのうちこれの前記高水位未満で且つ前記高水位よりも低い中水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をH2とするとき、前記タンク容量H2は前記最小ピーク値Vminに基づいて設定されている燃料電池システム。
- 請求項1〜4のうち一項において、前記水位センサは、前記タンクの水の前記高水位よりも低い中水位より更に低い低水位を検知可能であり、
前記タンクのうちこれの前記中水位未満で且つ前記低水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をH3とするとき、前記タンク容量H3は、前記燃料電池の発電運転を停止させる発電停止モード、および、前記燃料電池を起動させる起動モードにおいて消費される改質水の量を含む燃料電池システム。
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