(57)【要約】【課題】ラント排気の温度を温度計で計測し、水位を検知することなく水自立状態における運転を行うことにより、安価な燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】凝縮器３は、カソード１からのカソード排気やバーナ２からバーナ排気を凝縮し、凝縮水として貯留タンク６に蓄積する。排気温度計４が、凝縮器３の排気出口３ａに設置され、プラント排気の温度を計測する。この制御部７は、排気温度計４より計測されたプラント排ガスの温度が水自立状態に必要な温度より高い場合に、凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるため、排熱回収ポンプ５の回転数を上げるよう制御する。【選択図】図１
2008218353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソードからの排気ガス、及び／あるいはバーナからの排気ガスが流入され、排熱回収系を通じて水蒸気を回収する凝縮器と、前記凝縮器により凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンクを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記凝縮器の排気出口の温度を計測する排気温度計と、
前記凝縮器内の前記排熱回収系を流れる冷媒の循環量を調整する排熱回収ポンプと、
前記排気温度計により計測された温度に基づいて、前記排熱回収ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口の温度が、水自立状態を維持する上で必要な温度を上回る場合に、前記排熱回収ポンプの回転数を上げることで、前記凝縮器内の凝縮水を増加させるよう制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記凝縮器内の前記排熱回収系を循環する冷媒の温度を検知し、かつ当該温度を設定する冷媒温度設定部を備え、
前記制御部は、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口温度が、水自立状態を維持する上で必要な温度を上回る場合に、前記冷媒温度設定部を通じて、排熱回収系を循環する冷媒の設定温度を低下させるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記バーナへ燃料電池からのオフガスを供給するバーナ空気供給ブロワを備え、
前記制御部は、前記バーナ空気供給ブロワの回転数を検知することで前記バーナへの空気供給量を演算し、演算された当該空気供給量に基づいて、水自立状態を維持する上で必要な温度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記カソードへ空気を供給するカソード空気供給ブロワを備え、
前記制御部は、前記カソード空気供給ブロワの回転数を検知することで前記カソードへの空気供給量を演算し、演算された当該空気供給量に基づいて、水自立状態を維持する上で必要な温度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口温度が、前記バーナ空気供給ブロワ、及び／あるいは前記カソード供給ブロワを通じて算出した水自立状態を維持する上での温度を上回る場合に、前記排熱回収ポンプの回転数を上げることで、前記凝縮器内の凝縮水を増加させるよう制御し、
あるいは、前記冷媒温度設定部を通じて、排熱回収系を循環する冷媒の設定温度を低下させるよう制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
燃料電池のカソードからの排気ガス、及び／あるいはバーナからの排気ガスが流入され、排熱回収系を通じて水蒸気を回収する凝縮器と、前記凝縮器により凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンクを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記凝縮器の排気出口の温度を計測する排気温度計と、を備え、
前記凝縮器内の前記排熱回収系を流れる冷媒の循環量を調整する排熱回収ポンプと、
前記排気温度計により計測された温度に基づいて、前記排熱回収ポンプの回転数を制御する制御ステップを実行し、
前記制御ステップは、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口の温度が、水自立状態を維持する上で必要な温度を上回る場合に、前記排熱回収ポンプの回転数を上げることで、前記凝縮器内の凝縮水を増加させるよう制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項７】
前記凝縮器内の前記排熱回収系を循環する冷媒の温度を検知し、かつ当該温度を設定する冷媒温度設定部を備え、
前記制御ステップは、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口温度が、水自立状態を維持する上で必要な温度を上回る場合に、前記冷媒温度設定部を通じて、排熱回収系を循環する冷媒の設定温度を低下させるよう制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項８】
前記バーナへ燃料電池からのオフガスを供給するバーナ空気供給ブロワを備え、
前記制御ステップは、前記バーナ空気供給ブロワの回転数を検知することで前記バーナへの空気供給量を演算し、演算された当該空気供給量に基づいて、水自立状態を維持する上で必要な温度を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項９】
前記カソードへ空気を供給するカソード空気供給ブロワを備え、
前記制御ステップは、前記カソード空気供給ブロワの回転数を検知することで前記カソードへの空気供給量を演算し、演算された当該空気供給量に基づいて、水自立状態を維持する上で必要な温度を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１０】
前記制御ステップは、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口温度が、前記バーナ空気供給ブロワ、及び／あるいは前記カソード供給ブロワを通じて算出した水自立状態を維持する上での温度を上回る場合に、前記排熱回収ポンプの回転数を上げることで、前記凝縮器内の凝縮水を増加させるよう制御し、
あるいは、前記冷媒温度設定部を通じて、排熱回収系を循環する冷媒の設定温度を低下させるよう制御することを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凝縮器を備え、凝縮水により改質水を賄う燃料電池発電システムに係り、特に、カソード排気、あるいはバーナ排気などの水分を含有する排ガスの温度を計測することで凝縮水量を調整可能な燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電効率の高いエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。この燃料電池を備えた燃料電池発電システムとは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを、燃料電池本体において直接電気エネルギーに変換するものであり、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置である。
【０００３】
なお、燃料電池本体に供給する水素を生成する燃料処理装置は改質器などから構成され、当該改質器内部での改質反応には水が必要である。そして、この改質に必要な改質水は、一定以上の純度が要求されるため、例えば、外部から水道水を供給し、改質水として利用する場合には、水処理樹脂等で水道水を所定の純度の改質水に純化させることが必要である。
【０００４】
しかしながら、この水処理樹脂等で水道水を所定の純度の改質水に純化させる作業は、作業時間とある程度のコストを要するものであり、そのため、一般的な燃料電池システムでは、凝縮器によって、カソード排気あるいはバーナ排気などの水分を含有する排ガスを冷却し、含有水を凝縮させて純度の高い水を蓄積することで再利用するケースが見受けられる。これにより蓄積された凝縮水は純度が高いため、水処理が不要あるいは水処理負荷が水道水を利用する場合に比較して大幅に低減することが可能となる。
【０００５】
なお、固体高分子形燃料電池システムにおいては、高分子電解質膜の性能を維持するために加湿をしなければならず、通常、水を必要とする。そのため、カソード側における加湿によりカソード排気には水が含有されるとともに、電気化学反応の生成物として水が生成されるので、カソード排気から水を回収して改質器に供給する水に再利用することが望まれている。
【０００６】
また、バーナは、燃料電池内に残留した燃料である水素を燃料として、アノード排気やカソード側に供給する空気を燃焼させて改質器の加熱などを行っているので、十分に水蒸気が含有されている可能性を有する。すなわち、凝縮器によって、カソード排気やバーナ排気などが凝縮された凝縮水は、通常、タンクに蓄積し、適時改質水として利用されている。このように外部から水道水などの補給水の供給を受けず、凝縮水によって改質水を供給することを「水自立」と称している。
【０００７】
この水自立状態における運転では、燃料電池システムに供給する燃料が燃焼することにより発生する水量Ｇ１と、プラント排気中の水分量Ｇ２を比較し、Ｇ１≧Ｇ２となっていることが確認される。
【０００８】
なお、改質水不足が発生すると改質器に不可逆的なダメージが発生する可能性があるため、常に十分な水が確保されているかどうかを前述の凝縮水を蓄積するタンク内の水量を検知することで確認する必要がある。従来技術によれば、特許文献１に示すように、タンク内に蓄積した水量を水位センサにより検知している。
【特許文献１】特許３７０２８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、家庭用の燃料電池発電システムは、上記のように改質に水を使用しており、外部からの水道水の補給を行わずに運転できるように、カソード排気あるいはバーナ排気といった水分を含有する排ガスを凝縮器によって凝縮させ、凝縮水をタンクに溜めて活用するシステムが一般的である。そして、上記特許文献１に示されているように、タンク内の水量が常に確保されているかを確認するため、水位センサを用いることで水位を計測している。
【００１０】
しかしながら、上記に示した構成では、水位を計測するために水位センサをタンク内に設置しているが、水位センサは高価な計測器であり、この計測器を備えることにより家庭用の燃料電池発電システムのコストアップを引き起こす原因となる。
【００１１】
そこで、本発明は、従来技術として使用していたコストの高い水位センサの代わりに、プラント排気の温度を温度計で計測し、水位を検知することなく水自立状態における運転を行うことにより、安価な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するために、本発明は、燃料電池のカソードからの排気ガス、及び／あるいはバーナからの排気ガスが流入され、排熱回収系を通じて水蒸気を回収する凝縮器と、前記凝縮器により凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンクを有する燃料電池発電システムにおいて、前記凝縮器の排気出口の温度を計測する排気温度計と、前記凝縮器内の前記排熱回収系を流れる冷媒の循環量を調整する排熱回収ポンプと、前記排気温度計により計測された温度に基づいて、前記排熱回収ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口の温度が、水自立状態を維持する上で必要な温度を上回る場合に、前記排熱回収ポンプの回転数を上げることで、前記凝縮器内の凝縮水を増加させるよう制御することを特徴とする。
【００１３】
また、前記凝縮器内の前記排熱回収系を循環する冷媒の温度を検知し、かつ当該温度を設定する冷媒温度設定部を備え、前記制御部は、前記排気温度計により計測した前記凝縮器の排気出口温度が、水自立状態を維持する上で必要な温度を上回る場合に、前記冷媒温度設定部を通じて、排熱回収系を循環する冷媒の設定温度を低下させるよう制御することを特徴とする点も本発明の一態様である。
【００１４】
さらに、本発明は、前記バーナへ燃料電池からのオフガスを供給するバーナ空気供給ブロワを備え、前記制御部は、前記バーナ空気供給ブロワの回転数を検知することで前記バーナへの空気供給量を演算し、演算された当該空気供給量に基づいて、水自立状態を維持する上で必要な温度を算出し、また、前記カソードへ空気を供給するカソード空気供給ブロワを備え、前記制御部は、前記カソード空気供給ブロワの回転数を検知することで前記カソードへの空気供給量を演算し、演算された当該空気供給量に基づいて、水自立状態を維持する上で必要な温度を算出することを特徴とする点も一態様として包含する。
【００１５】
以上のような態様では、凝縮水を蓄積するタンクの水位を検知する水センサを設けることなく、プラント排気の温度を安価な排気温度計により計測し、水自立状態が実現されているかどうかを確認することができる。また、この排気温度計で計測した温度に基づいて、凝縮器内を循環する冷媒の設定温度を調整することができるので、冷媒の設定温度の制御という凝縮水量の調整には比較的明確で、容易な手段により水自立状態を確立することが可能となる。
【００１６】
さらに、バーナ又はカソード空気供給ブロワの回転数からバーナ又はカソードに供給される空気量を演算し、当該空気量に基づいて、水自立を実現するあたり必要な排気温度を算出するので、より精度の高い凝縮水量の検知が行われ、水自立状態を維持することが可能となる。すなわち、十分な凝縮水を改質器に供給できるため、水不足により改質器に不可逆的なダメージが発生する可能性はなく、循環効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明によれば、凝縮水を蓄積するタンクの水位を検知する水センサを設けることなく、プラント排気の温度を安価な排気温度計により計測し、水自立状態が実現されているかどうかを確認することができるので、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
[第１の実施形態]
[構成]
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る凝縮器３を備えた燃料電池発電システムを示すものである。本実施形態の構成を以下に詳述するが、本発明では凝縮器及びその周辺に特徴を有するため、一般的な燃料電池本体や改質器などの構成は省略する。
【００１９】
図１のように、本実施形態では、カソード排気を後述する凝縮器３に送り込むため、燃料電池本体の一部として、空気側の電極であるカソード１を抽出している。すなわち、このカソード１から凝縮器３に接続されたガス流路を通じてカソード排気が凝縮器３に送出される。なお、カソード１での反応は、［２Ｈ+＋２ｅ‐＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ］であるため、水素イオン、電子及び酸素が結合して水を生成する。すなわち、カソード１からの排気には、水分が十分に含有されていると考えられる。
【００２０】
次に、燃料電池本体からのオフガス、すなわち燃料電池本体における燃料側アノードからの排気や当該電池本体に残留する水素を燃焼させるバーナ２を備えている。なお、このバーナ２は、改質器における改質反応は吸着反応であるため、反応を維持するための加熱源として用いられている。
【００２１】
このバーナ２は、ガス流路を通じて凝縮器３に接続され、残留水素を燃料として空気が燃焼することにより生じたバーナ排気が凝縮器３に送出されることとなる。ここで、バーナ排気は、上述したように燃料である水素やアノード排気を燃焼させているので、水蒸気が含まれている可能性が高く、凝縮器３に流入し、凝縮することで凝縮水を取り出すことが可能と考えられる。
【００２２】
そして、図１の通り、カソード１からのカソード排気やバーナ２からバーナ排気が送出され、これらを凝縮することで凝縮水を生成する凝縮器３を備えている。この凝縮器３は燃料電池発電システムに用いられるものとして一般的なものであるが、凝縮器内の排気出口３ａにプラント排気の温度を計測する排気温度計４が設置されている。この排気温度計４が排気出口３ａに設置され、プラント排気の温度を計測するといった点が、本実施形態の技術的特徴であり、当該計測された温度をもとに水自立が確認される。
【００２３】
ここで、排気温度計４には、一例としてサーミスタが用いられ、特に、負の係数を有し温度が上がると抵抗値の下がるＮＴＣサーミスタが利用されている。すなわち、従来技術では、凝縮器により生成された凝縮水の水量を水位センサにより検知するものであったのに対し、本発明は、水位センサより安価な排気温度計４、特にサーミスタによりプラント排気の温度を計測している。
【００２４】
なお、この凝縮器３には、一般的なものと同様に冷媒流路３ｂが設けられており、当該流路３ｂ内を冷媒が循環することにより、凝縮器３内に送出されたカソード排気やバーナ排気が冷却され凝縮する。そして、この冷媒流路３ｂには、排熱回収ポンプ５が装着され、冷媒流路３ｂ内の冷媒の循環を調整する。すなわち、排熱回収ポンプ５の回転数を変動させることにより冷媒循環量を調整し、水自立状態を維持することで多量の凝縮水を取得することが可能となる。
【００２５】
そして、本構成では、もちろん凝縮器３内で凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンク６を備えている。図１では、凝縮器３の下部に貯留タンク６が設けられているが、本発明はこの態様に限定せず、凝縮水が貯留できるような構成であれば設置や構成を特定するものではない。
【００２６】
また、本実施形態では、排気温度計４により検知したプラント排ガスの温度に基づいて排熱回収ポンプ５の回転数を制御する制御部７が設けられている。この制御部７は、排気温度計４より計測されたプラント排ガスの温度が水自立状態に必要な温度より高い場合に、凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるため、排熱回収ポンプ５の回転数を上げるよう制御する。すなわち、排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒流路３ｂ内を流れる冷媒循環量を増加させ、それにより多量の凝縮水を回収するよう制御する。
【００２７】
これに対し、排気温度計４より計測されたプラント排ガスの温度が水自立状態に必要な温度より低い場合は、水自立状態を維持するための凝縮器３により凝縮される凝縮水の量が貯留タンク６内に蓄積されていると考えることができるので排熱回収ポンプ５の回転数を上げる必要はない。
【００２８】
なお、水自立状態を実現するための温度とは、図５の通り、例えば、燃料が３ＮＬ／ｍｉｎ供給され、プラント排気が５４ＮＬ／ｍｉｎ排出される場合において、燃料の反応によって生成する水分量は、燃料の供給量と炭素数と燃料電池本体の反応式からの水分子量とを積算し、グラム換算したものが５．８ｇ／ｍｉｎとなっている。これに対し、プラント排気に包含される水分量は、プラント排気の水分立が１２％、水分圧が０．１３ｋｇ／ｃｍ２であるとき、５．８ｇ／ｍｉｎとなる。なお、この際の飽和温度は、５０℃となっている。
【００２９】
すなわち、燃料の反応により生成した水分量５．８ｇ／ｍｉｎ（Ｇ１）とプラント排気に含まれる水分量５．８ｋｇ／ｍｉｎ（Ｇ２）が同じ、あるいは燃料の反応により生成した水分量がプラント排気に含有される水分量よりも多いに水自立状態が確立され、そのときの水分量が同じとなる飽和温度は５０℃であるので、この温度が水自立状態における温度となる。つまり、この例で言えば、排気温度が５０℃において水自立状態を確立することが可能であり、実際に排気温度計４で計測されたプラント排気の温度が当該水自立温度となる５０℃以下の場合には、水自立を維持する上での十分な水分量を凝縮器３により確保することができる（Ｇ１≧Ｇ２）。
【００３０】
一方、実際に排気温度計４で計測されたプラント排気の温度が当該水自立温度となる５０℃を上回る場合には、燃料が反応することにより発生する水量Ｇ１分として供給する凝縮水量が十分ではないので、水自立状態が維持されていない（Ｇ１＜Ｇ２）。そのため、制御部７は、排熱回収ポンプ５の回転数を上げるよう制御し、凝縮器３内の凝縮水量を増加させることで水自立状態の実現を図っている。
【００３１】
[作用]
以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
まず、カソード１からのカソード排気、あるいはバーナ２からのバーナ排気の少なくとも一方が凝縮器３に送出され、これらの排気は凝縮器３内の冷媒流路３ｂを循環する冷媒によって温度が低下し、当該排気に含有されている水分の一部が凝縮されることで貯留タンク６に凝縮水が蓄積する。ここで、凝縮器３のプラント排気出口３ａに設置された排気温度計４により、プラント排気の温度が計測される。
【００３２】
そして、制御部７が、この計測された温度が水自立に必要な温度よりも高いか否かが判断し、高い場合には凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるために、排熱回収ポンプ５の回転数を上げるよう制御する。すなわち、水自立に必要な温度より計測されたプラント排ガスの温度が高い場合には、水自立が実現されていない状況を意味するので、排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒流路３ｂ内を流れる冷媒循環量を増加させ、それにより多量の凝縮水を回収することで水自立状態を実現するよう制御している。これにより、制御された排熱回収ポンプ５は、回転数をあげるよう動作し、冷媒循環量を増加させることで多量の凝縮水がタンク６内に蓄積され、水自立状態を確立する。
【００３３】
[効果]
以上の様な構成を有する本実施形態では、凝縮水を蓄積するタンクの水位を検知する水センサを設けることなく、プラント排気の温度を安価な排気温度計４により計測し、水自立状態が実現されているかどうかを確認することができるので、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることが可能となる。すなわち、排気温度計４を凝縮器３の排気出口３ａに設置することで、計測した温度により水自立の維持を行うことが可能となるので、家庭用の燃料電池発電システムの一部を担う凝縮器の構成として安価で有用なもの提供することができる。
【００３４】
[第２の実施形態]
[構成]
図２は、本発明を適用した第２の実施形態に係る凝縮器を備えた燃料電池発電システムを示すものであり、上記第１の実施形態の凝縮器３の周辺構成を一部変更したものである。本実施形態の構成は次の通りである。
【００３５】
図２では、図１に示した第１の実施形態と同様に、カソード排気を凝縮器３に送出するために燃料電池本体の一部として抽出したカソード１と、アノード排気や燃料電池本体に残留した燃料などを燃焼させ凝縮器３に送出するためのバーナ排気を生成するバーナ２が設けられている。また、凝縮器３内には、一般的なものと同様にプラント排気出口３ａと冷媒が循環する冷媒流路３ｂを備え、当該冷媒流路３ｂには排熱回収ポンプ５が装着されている。また、凝縮器３内の排気出口３ａには、プラント排気の温度を計測する排気温度計４が装着され、さらに凝縮器３により凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンク６を設置している構成も第１の実施形態と同様である。
【００３６】
これらの図１と同様の構成に加えて本実施形態では、凝縮器３内の冷媒流路３ｂを循環する冷媒の温度を検知し、設定する冷媒温度設定部８がこの冷媒流路３ｂに装着されている。当該冷媒温度設定部８は、凝縮器３の排気出口３ａに設置された排気温度計４により計測したプラント排気の温度が水自立温度以上であった場合に、多量の凝縮水を回収するために、制御部７を通じて冷媒流路３ｂを循環する冷媒の設定温度を所定の温度まで低下するよう制御される。
【００３７】
すなわち、本実施形態では、冷媒温度設定部８を設けることにより、制御部７が排気温度計４で計測したプラント排気の温度に基づいて、冷媒温度設定部８を介して冷媒流路３ｂを循環する冷媒の温度を調整する。具体的には、上記のように、排気温度計４により計測されたプラント排気の温度が水自立状態を実現するために必要な温度以上である場合に、燃料電池発電システムにおいて再利用するための凝縮水が不足しているため、多量の凝縮水を回収するべく制御部７が冷媒温度設定部８により冷媒の温度を低下させる。
【００３８】
すなわち、凝縮器３内を循環する冷媒の温度を低下させることにより、カソード排気やバーナ排気をより冷却することが可能となり、タンク６内に蓄積される凝縮水の量の増加を期待することができる。一方で、排気温度計４により計測されたプラント排気の温度が水自立状態を実現するために必要な温度より低い場合には、燃料電池発電システムにおいて再利用するための凝縮水が不足していることはなく、水自立の状態が維持されているので、制御部７が冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を低下させる必要がない。
【００３９】
［作用］
以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
まず、図１の構成を有する第１の実施形態と同様に、カソード１からのカソード排気、あるいはバーナ２からのバーナ排気の少なくとも一方が凝縮器３に送出され、凝縮器３内の冷媒流路３ｂを循環する冷媒により温度が低下し、当該排気に含有されている水分の一部が凝縮することで貯留タンク６に蓄積される。ここで、凝縮器３のプラント排気出口３ａに設置された排気温度計４により、プラント排気の温度が計測される。
【００４０】
そして、制御部７は、この計測された温度が水自立に必要な温度よりも高いか否かを判断し、高い場合には凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるために、冷媒温度設定部８を通じて冷媒流路３ｂを循環する冷媒の設定温度を低下させるよう制御する。すなわち、冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を所定の温度まで低下させ、凝縮器３内に送出されるカソード１やバーナ２からの排ガスをより冷却させることで、必要な凝縮水量を貯留タンク６内に蓄積させ、水自立状態を実現するよう制御している。
【００４１】
これにより、制御された冷媒温度設定部８は、冷媒流路３ｂ内を循環する冷媒の設定温度を所定の温度まで低下させるよう動作し、カソード排気やバーナ排気を凝縮量を増加させることで凝縮水の回収に努め、燃料電池発電システムにおける水自立状態を確立する。
【００４２】
［効果］
以上のような構成を有する本実施形態においては、凝縮水を蓄積する貯留タンク６内の水位を検知する高価な水位センサを設置することなく、プラント排気の温度を安価な排気温度計４で計測することにより、水自立状態が実現されているかを確認することができるので、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることが可能となる。また、この排気温度計４で計測した温度に基づいて、凝縮器３内を循環する冷媒の設定温度を調整することができるので、冷媒の設定温度の制御という凝縮水量の調整には比較的明確で、容易な手段により水自立状態を確立することが可能となる。
【００４３】
[第３の実施形態]
[構成]
図３は、本発明を適用した第３の実施形態に係る凝縮器を備えた燃料電池発電システムを示すものであり、上記第１、２の実施形態の凝縮器３の周辺構成を一部変更したものである。本実施形態の構成は次の通りである。
【００４４】
図３では、図１、２に示した第１、２の実施形態と同様に、カソード排気を凝縮器３に送出するために燃料電池本体の一部として抽出したカソード１と、アノード排気や燃料電池本体に残留した燃料などを燃焼させ凝縮器３に送出するバーナ排気を生成するバーナ２が設けられている。また、凝縮器３内には、一般的なものと同様にプラント排気出口３ａと冷媒が循環する冷媒流路３ｂを備え、当該冷媒流路３ｂには排熱回収ポンプ５が装着されている。
【００４５】
また、凝縮器３内の排気出口３ａには、プラント排気の温度を計測する排気温度計４が装着され、さらに、冷媒流路３ｂ内を循環する冷媒の温度を検知し、設定する冷媒温度設定部８が設けられている点も第２の実施形態と同様である。なお、凝縮器３により凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンク６を設置している構成も第１及び２の実施形態と同じである。
【００４６】
これらの図１や図２と同様の構成に加えて本実施形態では、燃料電池本体からバーナ２までのガス流路途中にバーナ空気供給ブロワ９を設置したことを特徴としている。このバーナ空気供給ブロワ９は、ファンより大きい静圧が得られる送風機であり、燃料電池本体の残留水素やアノード排気を吸引し、バーナ２へ送出するものである。
【００４７】
ここで、制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９にも接続されており、バーナ空気供給ブロワ９の回転数からバーナ２への空気供給量を推定し、推定したバーナ空気量に基づいて凝縮器３における水自立状態に必要なプラント排気温度を推定する。すなわち、当該制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９の回転数から推定されたバーナ２への空気量に基づいて水自立温度を演算し、実際に排気温度計４で計測された温度がこの水自立温度を上回る場合には、排熱回収ポンプ５の回転数を上げるが、あるいは冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を下げるよう制御する。
【００４８】
すなわち、凝縮器３での凝縮水量は凝縮器３に送出されるガス中の水以外のガス割合と凝縮温度によって決まるので、本実施形態では制御部７が、バーナへ２の空気量を演算することにより凝縮器３に流入する水以外のガス分量を演算し、凝縮水量を調整する上で判断基準となる水自立に必要な排気出口温度を算出している。
【００４９】
［作用］
以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
本実施形態では、まず、バーナ２からのバーナ排気が凝縮器３に送出され、凝縮器３内の冷媒流路３ｂを循環する冷媒により温度が低下し、当該排気に含有されている水分の一部が凝縮することで貯留タンク６に蓄積される。
【００５０】
ここで、制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９を介して、その回転数からバーナ２への空気供給量を演算する。さらに、この制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９を介してバーナ２への空気量を演算することで、凝縮器３に流入する水以外のガス分量を算出し、水自立に必要な凝縮器３の排気出口温度を算出する。また、凝縮器３のプラント排気出口３ａに設置された排気温度計４により、プラント排気の温度も計測される。
【００５１】
なお、凝縮器３での凝縮水量はガス中の水以外のガス割合と凝縮温度によって決まるため、例えば、水以外のガスが多量に存在する場合には冷媒の設定温度の低下や排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒の循環量を増加させることなどして、凝縮する温度を下げ、排ガス中の水分率を下げないことには所定の凝縮水量が得られない。つまり、所定の凝縮水量が取得できないと、燃料の燃焼により生成される水分量とプラント排気中の水分量とのバランスが崩れ、Ｇ１＜Ｇ２の状態となり、水自立が不可能になる。
【００５２】
そのため、制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９を介してバーナ２への空気量を演算することで、凝縮器３に流入する水以外のガス分量を算出し、水自立に必要な凝縮器３の排気出口温度を求め、実際に排気温度計４で計測したプラント排気の温度に基づき、凝縮水量を調整している。
【００５３】
具体的には、制御部７は、この計測された温度が計算された水自立に必要な温度よりも高いか否かを判断し、高い場合には凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるために、冷媒流路３ｂを循環する冷媒の設定温度を低下させるか、あるいは排熱回収ポンプ５の回転数を増加させるよう制御する。すなわち、冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を所定の温度まで低下させるか、排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒の循環量を増加させ、凝縮器３内に流入されるバーナ２からのガスをより冷却させることにより必要な凝縮水量を貯留タンク６内に蓄積させ、水自立状態を実現するよう制御している。
【００５４】
これにより、制御された冷媒温度設定部８は、冷媒流路３ｂ内を循環する冷媒の設定温度を所定の温度まで低下させるよう動作し、あるいは排熱回収ポンプ５は、回転数をあげるよう動作し、冷媒循環量を増加させることでバーナ排気の凝縮量を増加させ、燃料電池発電システムにおける水自立状態を確立する。
【００５５】
［効果］
以上のような構成を有する本実施形態では、上記の第１及び２の実施形態と同様に、凝縮水を蓄積する貯留タンク６内に水位を検知する水位センサを設けることなく、プラント排気の温度を安価な排気温度計４で計測しているので、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることができる。
【００５６】
また、バーナ空気供給ブロワ９の回転数からバーナ２に供給される空気量を演算し、当該空気量に基づいて、水自立を実現するにあたり必要な排気温度を算出するので、より精度の高い凝縮水量の検知が行われ、水自立状態を維持することが可能となる。すなわち、十分な凝縮水を改質器に供給できるため、水不足により改質器に不可逆的なダメージが発生する可能性はなく、循環効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【００５７】
[第４の実施形態]
[構成]
図４は、本発明を適用した第４の実施形態に係る凝縮器を備えた燃料電池発電システムを示すものであり、上記第１、２の実施形態の凝縮器３の周辺構成を一部変更したものである。本実施形態の構成は次の通りである。
【００５８】
図４では、図１、２に示した第１、２の実施形態と同様に、カソード排気を凝縮器３に送出するために燃料電池本体の一部として抽出したカソード１と、アノード排気や燃料電池本体に残留した燃料などを燃焼させ凝縮器３に送出するバーナ排気を生成するバーナ２が設けられている。また、凝縮器３内には、一般的なものと同様にプラント排気出口３ａと冷媒が循環する冷媒流路３ｂを備え、当該冷媒流路３ｂには排熱回収ポンプ５が装着されている。
【００５９】
また、凝縮器３内の排気出口３ａには、プラント排気の温度を計測する排気温度計４が装着され、さらに、冷媒流路３ｂ内を循環する冷媒の温度を検知し、設定する冷媒温度設定部８が設けられている点も第２の実施形態と同様である。なお、凝縮器３により凝縮された凝縮水を蓄積する貯留タンク６を設置している構成も第１及び２の実施形態と同じである。
【００６０】
これらの図１や図２と同様の構成に加えて本実施形態では、カソード１までのガス流路途中にカソード空気供給ブロワ１０を設置したことを特徴としている。このカソード空気供給ブロワ１０は、バーナ空気供給ブロワと同様に、ファンより大きい静圧が得られる送風機であり、カソード１側へ供給するための空気を吸引し、当該空気をカソード１へ送出するものである。
【００６１】
ここで、制御部７は、カソード空気供給ブロワ１０にも接続されており、カソード空気供給ブロワ１０の回転数からカソード１への空気供給量を推定し、推定したカソード空気量に基づいて凝縮器３における水自立状態に必要なプラント排気温度を推定する。すなわち、当該制御部７は、カソード空気供給ブロワ１０の回転数から推定されたカソード１への空気量に基づいて水自立温度を演算し、実際に排気温度計４で計測された温度がこの水自立温度を上回る場合には、排熱回収ポンプ５の回転数を上げるが、あるいは冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を下げるよう制御する。
【００６２】
すなわち、凝縮器３での凝縮水量は凝縮器３に送出されるガス中の水以外のガス割合と凝縮温度によって決まるので、本実施形態では制御部７が、カソード１の空気量を演算することにより凝縮器３に流入する水以外のガス分量を演算し、凝縮水量を調整する上で判断基準となる水自立に必要な排気出口温度を算出している。
【００６３】
一方で、実際に排気温度計４で計測された温度がこの水自立温度を上回らない場合には、排熱回収ポンプ５の回転数を上げたり、冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を下げるよう制御する必要はなく、水自立が確立されているので、この状態が維持される。
【００６４】
［作用］
以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
本実施形態では、まず、カソード１からのカソード排気が凝縮器３に送出され、凝縮器３内の冷媒流路３ｂを循環する冷媒により温度が低下し、当該排気に含有されている水分の一部が凝縮することで貯留タンク６に凝縮水が蓄積される。
【００６５】
ここで、制御部７は、カソード空気供給ブロワ１０を介して、その回転数からカソード１への空気供給量を演算する。さらに、この制御部７は、カソード空気供給ブロワ１０を介してカソード１への空気量を演算することで、凝縮器３に流入する水以外のガス分量を算出し、水自立に必要な凝縮器３の排気出口温度を算出する。また、凝縮器３のプラント排気出口３ａに設置された排気温度計４により、プラント排気の温度の計測が行われる。
【００６６】
なお、凝縮器３での凝縮水量はガス中の水以外のガス割合と凝縮温度によって決まるため、例えば、水以外のガスが多量に存在する場合には冷媒の設定温度の低下や排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒の循環量を増加させることなどして、凝縮する温度を下げ、排ガス中の水分率を下げないことには所定の凝縮水量が得られない。つまり、所定の凝縮水量が取得できないと、燃料の燃焼により生成される水分量とプラント排気中の水分量とのバランスが崩れ、Ｇ１＜Ｇ２の状態となり、水自立が不可能になる。
【００６７】
そのため、制御部７は、カソード空気供給ブロワ１０を介してカソード１への空気量を演算することで、凝縮器３に流入する水以外のガス分量を算出し、水自立に必要な凝縮器３の排気出口温度を求め、実際に排気温度計４で計測したプラント排気の温度に基づき、凝縮水量を調整している。
【００６８】
具体的には、制御部７は、この計測された温度が計算された水自立に必要な温度よりも高いか否かを判断し、高い場合には凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるために、冷媒流路３ｂを循環する冷媒の設定温度を低下させるか、あるいは排熱回収ポンプ５の回転数を増加させるよう制御する。すなわち、冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を所定の温度まで低下させるか、排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒の循環量を増加させ、凝縮器３内に流入されるバーナ２からのガスをより冷却させることにより必要な凝縮水量を貯留タンク６内に蓄積させ、水自立状態を実現するよう制御している。
【００６９】
これにより、制御された冷媒温度設定部８は、冷媒流路３ｂ内を循環する冷媒の設定温度を所定の温度まで低下させるよう動作し、あるいは排熱回収ポンプ５は、回転数をあげるよう動作し、冷媒循環量を増加させることでバーナ排気を凝縮量を増加させ、燃料電池発電システムにおける水自立状態を確立する。
【００７０】
［効果］
以上のような構成を有する本実施形態では、上記の第１〜３の実施形態と同様に、凝縮水を蓄積する貯留タンク６内に水位を検知する水位センサを設けることなく、プラント排気の温度を安価な排気温度計４で計測しているので、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることができる。
【００７１】
また、カソード空気供給ブロワ１０の回転数からバーナ２に供給される空気量を演算し、当該空気量に基づいて、水自立を実現するにあたり必要な排気温度を算出するので、より精度の高い凝縮水量の検知が行われ、水自立状態を維持することが可能となる。すなわち、十分な凝縮水を改質器に供給できるため、水不足により改質器に不可逆的なダメージを発生させず、循環効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【００７２】
［他の実施形態］
なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、以下の実施形態も包含する。上記の第３の実施形態と第４の実施形態では、バーナ空気供給ブロワ９とカソード空気供給ブロワ１０のそれぞれを備えた燃料電池発電システムであったのに対し、本実施形態では、バーナ空気供給ブロワ９とカソード空気供給ブロワ１０の双方を備えた構成を有している。
【００７３】
すなわち、燃料電池本体からバーナ２までのガス流路途中にバーナ空気供給ブロワ９を設置し、カソード１までのガス流路途中にカソード空気供給ブロワ１０を設置したことを特徴としている。なお、このような本構成を備えた燃料電池発電システムの作用は、以下の通りである。
【００７４】
本実施形態では、まず、カソード１及びバーナ２からの排気が凝縮器３に送出され、凝縮器３内の冷媒流路３ｂを循環する冷媒により温度が低下し、当該排気に含有されている水分の一部が凝縮することで貯留タンク６に凝縮水が蓄積される。
【００７５】
ここで、制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９を介して、その回転数からバーナ２への空気供給量を演算し、さらに、カソード空気供給ブロワ１０を介して、その回転数からカソード１への空気供給量も演算する。そして、当該制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９及びカソード空気供給ブロワ１０を介してバーナ２及びカソード１への空気量を演算することで、凝縮器３に流入する水以外のガス分量を算出し、水自立に必要な凝縮器３の排気出口温度を算出する。また、凝縮器３のプラント排気出口３ａに設置された排気温度計４により、プラント排気の温度の計測が行われる。
【００７６】
なお、凝縮器３での凝縮水量はガス中の水以外のガス割合と凝縮温度によって決まるため、例えば、水以外のガスが多量に存在する場合には冷媒の設定温度の低下や排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒の循環量を増加させることなどして、凝縮する温度を下げ、排ガス中の水分率を下げないことには所定の凝縮水量が得られない。つまり、所定の凝縮水量が取得できないと、燃料の燃焼により生成される水分量とプラント排気中の水分量とのバランスが崩れ、Ｇ１＜Ｇ２の状態となり、水自立が不可能になる。そのため、制御部７は、バーナ空気供給ブロワ９及びカソード空気供給ブロワ１０を介してバーナ２及びカソード１への空気量を演算することで、凝縮器３に流入する水以外のガス分量を算出し、水自立に必要な凝縮器３の排気出口温度を求め、実際に排気温度計４で計測したプラント排気の温度に基づき、凝縮水量を調整している。
【００７７】
具体的には、制御部７は、この計測された温度が計算された水自立に必要な温度よりも高いか否かを判断し、高い場合には凝縮器３により凝縮される凝縮水の量を増加させるために、冷媒流路３ｂを循環する冷媒の設定温度を低下させるか、あるいは排熱回収ポンプ５の回転数を増加させるよう制御する。すなわち、冷媒温度設定部８を通じて冷媒の温度を所定の温度まで低下させるか、排熱回収ポンプ５の回転数を上げることで冷媒の循環量を増加させ、凝縮器３内に流入されるバーナ２及びカソード１からの排気をより冷却させることにより必要な凝縮水量を貯留タンク６内に蓄積させ、水自立状態を実現するよう制御している。
【００７８】
これにより、制御された冷媒温度設定部８は、冷媒流路３ｂ内を循環する冷媒の設定温度を所定の温度まで低下させるよう動作し、あるいは排熱回収ポンプ５は、回転数をあげるよう動作し、冷媒循環量を増加させることでバーナ排気及びカソード排気の凝縮量を増加させ、燃料電池発電システムにおける水自立状態を確立する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成図
【図２】本発明の第２の実施形態の構成図
【図３】本発明の第３の実施形態の構成図
【図４】本発明の第４の実施形態の構成図
【図５】本発明の水自立状態を示す反応例
【符号の説明】
【００８０】
１…カソード
２…バーナ
３…凝縮器
３ａ…排気出口
３ｂ…冷媒流路
４…排気温度計
５…排熱回収ポンプ
６…貯留タンク
７…制御部
８…冷媒温度設定部
９…バーナ空気供給ブロワ
１０…カソード空気供給ブロワ
【図１】
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【図２】
2008218353.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008218353.tif 000006
【図５】
2008218353.tif 000007