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公開番号2021008999
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210128
出願番号2019123780
出願日20190702
発明の名称燃料電池装置
出願人京セラ株式会社,ダイニチ工業株式会社
代理人個人
主分類F24H 1/00 20060101AFI20201225BHJP(加熱;レンジ;換気)
要約【課題】熱交換器の耐久性の低下を抑制することのできる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本開示の燃料電池装置は、燃料電池モジュール1と、熱交換器2と、蓄熱タンク3と、蓄熱タンクと熱交換器との間で熱媒体を循環させる循環流路Qと、循環流路に配設されて熱媒体を循環させる循環ポンプP1と、熱交換器の出口の熱媒体温度を測定する第1温度測定部TM1と、制御装置20と、を備える。制御装置は、第1温度測定部が測定する熱媒体の温度が第1温度以上になるように循環ポンプの駆動を制御する第1ポンプ駆動制御と、第1ポンプ駆動制御を実行中に熱媒体の温度が第1温度を下回った場合に、循環ポンプの駆動状態が第1条件を満たすか否かを確認する第1駆動状態確認制御〔S4〕と、第1条件が満たされている場合は、循環ポンプの駆動状態が第1条件を継続して満たすよう循環ポンプの駆動を制御する第2ポンプ駆動制御〔S5〕と、を実行する。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールの排熱と熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器と、
前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、
前記蓄熱タンクと前記熱交換器との間で前記熱媒体を循環させる循環流路と、
前記循環流路に配設されて前記熱媒体を循環させる循環ポンプと、
前記熱交換器の出口の熱媒体温度を測定する第1温度測定部と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記第1温度測定部が測定する熱媒体の温度が所定の第1温度以上になるように、前記循環ポンプの駆動を制御する第1ポンプ駆動制御と、
前記第1ポンプ駆動制御を実行中に、前記第1温度測定部が測定する熱媒体の温度が前記第1温度を下回った場合に、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第1条件を満たすか否かを確認する第1駆動状態確認制御と、
前記第1条件が満たされている場合は、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第1条件を継続して満たすように前記循環ポンプの駆動を制御する第2ポンプ駆動制御と、を実行する燃料電池装置。
続きを表示(約 510 文字)【請求項2】
前記制御装置は、
前記第1条件が満たされていない場合に、前記循環ポンプの駆動状態が前記第1条件を下回るか否かを確認する第2駆動状態確認制御を実行して、
前記第1条件を下回る場合は、前記循環ポンプの駆動を増加させる第3ポンプ駆動制御を実行する、請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項3】
前記循環ポンプがパルス駆動であり、
前記制御装置は、前記パルス駆動のオン/オフデューティ比を基準として、前記循環ポンプを駆動しており、
前記第1条件は、前記オン/オフデューティ比以外の基準に基づくものである、請求項2に記載の燃料電池装置。
【請求項4】
前記第1条件は、前記循環ポンプの駆動回転数に関連して設定されたしきい値である、請求項3に記載の燃料電池装置。
【請求項5】
前記制御装置は、前記第1ポンプ駆動制御を実行して所定の第1時間経過後に、
前記循環ポンプの駆動のオン/オフデューティ比を第2時間の間、所定の比率分増加させる第4ポンプ駆動制御を実行する、請求項1〜4のいずれか1つに記載の燃料電池装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池装置に関する。
続きを表示(約 4,800 文字)【背景技術】
【0002】
固体酸化物形の燃料電池(SOFC)は、水素を含有する原燃料ガスと酸素含有ガス(空気)とを用いて発電を行ない、電気を外部に供給する。また、燃料電池は、発電および余剰ガスの燃焼により生じた排ガス中の熱を回収して温水として貯留し、この温水を直接にまたは間接に外部に供給する、コジェネレーションシステムの一部を構成する。なお、システム全体を燃料電池装置と呼ぶ。
【0003】
このような電気と温水とを供給する燃料電池装置について、特許文献1には、発電装置を熱媒体で冷却する冷却回路(第1の循環系)と、冷却回路の熱を熱交換により蓄熱部に回収する排熱回収回路(第2の循環系)と、排熱回収回路上の熱交換器の出口側に配設された温度検知器とを備える燃料電池装置において、温度検知器が測定する温度に基づいて、熱交換器出口の熱媒体の温度が目標温度になるように、排熱回収回路の流量、すなわち循環ポンプの吐出量を制御するとともに、熱交換器出口の熱媒体の温度が所定の温度以上になった場合には、燃料電池の運転を停止する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2009−281724号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、前述のような構成の燃料電池装置の場合、熱交換器に流れる排ガスの熱量によっては、循環ポンプの吐出量(流路の流量)が、少量に抑えられる場合がある。しかしながら、循環ポンプの吐出量が少ない場合、熱交換器またはその出口周辺で、熱媒体である水の突沸等が生じる場合があり、これにより、熱交換器の耐久性が低下する可能性があった。
【0006】
本開示の目的は、熱交換器の耐久性の低下を抑制することのできる燃料電池装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの排熱と熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器と、前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと前記熱交換器との間で前記熱媒体を循環させる循環流路と、前記循環流路に配設されて前記熱媒体を循環させる循環ポンプと、前記熱交換器の出口の熱媒体温度を測定する第1温度測定部と、制御装置と、を備える。
前記制御装置は、
前記第1温度測定部が測定する熱媒体の温度が所定の第1温度以上になるように、前記循環ポンプの駆動を制御する第1ポンプ駆動制御と、
前記第1ポンプ駆動制御を実行中に、前記第1温度測定部が測定する熱媒体の温度が前記第1温度を下回った場合に、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第1条件を満たすか否かを確認する第1駆動状態確認制御と、
前記第1条件が満たされている場合は、前記循環ポンプの駆動状態が予め定められた第1条件を継続して満たすように前記循環ポンプの駆動を制御する第2ポンプ駆動制御と、を実行する。
【発明の効果】
【0008】
本開示の燃料電池装置によれば、熱交換器の耐久性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。
燃料電池装置における熱媒循環系の拡大図である。
外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。
実施形態の循環ポンプの駆動制御に関する一例を示すフローチャートである。
実施形態の循環ポンプの駆動制御に関する他の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参考にしながら、実施形態を説明する。
【0011】
図1は、実施形態の燃料電池装置の構成の概略を示すブロック図であり、図2は、図1の要部拡大図である。なお、燃料電池装置において汎用的な装置や機器等については、詳しい説明を行なわず、図中への符号の付与のみに留めているものもある。
【0012】
図1に示す燃料電池装置100は、収納容器10内に収容された燃料電池モジュール1と、燃料電池モジュール1に接続された熱交換器(第1熱交換器2)と、燃料電池モジュール1から排出される高温度の排ガスの熱および熱エネルギーを熱交換により回収し、温水として貯留する蓄熱タンク3と、排ガス中に含まれる水分が熱交換により凝縮して生成した凝縮水を改質水として貯留する改質水タンク6と、を備える。
【0013】
また、燃料電池装置100は、原燃料ポンプB1および原燃料流路等を含む原燃料供給装置と、空気ブロアB2および酸素含有ガス流路等を含む酸素含有ガス供給装置を備える。さらに、水自立運転を継続するための、凝縮水流路C、前述の改質水タンク6、改質水供給ポンプP3および改質水流路Rを含む改質水供給装置を含む。
【0014】
そして、図2に示すように、燃料電池装置100は、先に述べた第1熱交換器2、蓄熱タンク3、ラジエータ4、熱媒循環ポンプP1とこれらを環状に接続する熱媒循環流路HC1(図2では符号Qで表示)とからなる熱媒循環系(第1のヒートサイクル)を備えている。
【0015】
なお、燃料電池装置100は、外部に供給するための水道水(上水)を加温するための第2熱交換器5と、前述の蓄熱タンク3から高温の熱媒を取り出して循環させるための与熱ポンプP2および熱媒循環流路HC2等を含む、温水供給システム(第2のヒートサイクル)を備えている。
【0016】
上記2つの熱交換器のうち、主熱交または潜熱熱交とも呼ばれる第1熱交換器2は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュール1の排熱と熱媒体(本例では、熱媒または冷媒としての水)との間で熱交換を行なうためのものであり、本開示の熱交換器に相当する。なお、燃料電池装置は、外部への温水供給を行なわないモノジェネレーションシステム、すなわち、第2熱交換器5を含む温水供給システム(第2のヒートサイクル)のない構成としてもよい。
【0017】
また、図2の拡大図においては、蓄熱タンク3に水道水等の外部水を給水または補水する給水流路(配管)、タンクの満水状態を越えた水を排出するためのオーバーフロー流路や、外部給湯用の水道水のインレットWinおよび温水のアウトレットWout等、実施形態では使用しない構成の図示を簡略化している。
【0018】
なお、燃料電池装置100は、図3に示すような、各フレーム31と各外装パネル32とからなるケース30の中に配設されている。このケース30の中の、燃料電池モジュール1および各補機の周りや、流路、配管等には、以下のような制御手段20や、複数の計測機器やセンサ、または他の補機等が設けられている。
【0019】
燃料電池装置100は、前述の燃料電池モジュール1および各補機の動作を制御する手段として、電力調整装置(図示省略)と、この電力調整装置と連係して、燃料電池の発電運転を補助する各補機の動作を制御する制御装置20と、この制御装置20に付属または内蔵される記憶装置等を備える。
【0020】
制御装置20は、記憶装置および表示装置(ともに図示省略)と、燃料電池装置100を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置100の全体を制御および管理する。制御装置20は、それに付属する記憶装置(図示省略)に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置100の各部にかかる、種々の機能を実現する。
【0021】
なお、燃料電池装置100は、筐体内外の各部の温度を計測するための、温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計を、複数備える。
【0022】
たとえば、図2に示すように、第1熱交換器2上側の熱媒体出口から導出された直後の熱媒体(水)の温度を測定するために、循環流路Q(HC1)上にサーミスタTM1が配設されている。
【0023】
このサーミスタTM1は、本開示における第1温度測定部の一例である。なお、第1温度測定部は、図2に示すサーミスタTM4のように、熱媒循環流路Qのより下流側の、蓄熱タンク3の熱媒導入口の近傍に配設してもよい。また、図2のサーミスタTM2にように、蓄熱タンク3上側の高温部(高温水の滞留部位)に配設されたサーミスタの測定値で、前述のサーミスタTM1の指示値(温度)を代用してもよい。これらサーミスタTM2,TM4も、本開示の第1温度測定部を構成または代替するものである。
【0024】
前述の制御装置20から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置20と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。各図では、制御装置20と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。また、制御装置20が行なう本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。
【0025】
なお、後記の実施形態において、熱媒循環系(第1のヒートサイクル)に配設された循環ポンプP1は、その回転駆動がパルス駆動方式のものであり、制御装置20は、パルス駆動のオン/オフデューティ比(以下、単にデューティ比という場合がある)を増減させて、循環ポンプP1の駆動を制御しているものとする。
【0026】
また、実施形態において、循環ポンプP1は、ポンプの時間あたり回転数を計測して出力する回転センサ部を備えていてもよく、この回転センサ部の信号出力が制御装置20に入力されていてもよい。すなわち、水流量計を備えていない熱媒循環流路Q(HC1)において、循環ポンプP1の時間あたり回転数(回転/分)は、循環ポンプP1の時間あたり吐出量と熱媒循環流路の時間あたり循環流量とを代替することができる。
【0027】
以上の構成の燃料電池装置100において、たとえば燃料電池が発電運転を行なっている場合、制御装置20は、燃料電池モジュールが排出する熱を回収する制御として、第1熱交換器2出口に配設されたサーミスタTM1(第1温度測定部)が測定する熱媒体の温度THを基準に、この温度THが目標温度である第1温度X1(℃)付近になるように、循環ポンプP1を制御する。
【0028】
具体的には、制御装置は、熱媒循環流路Qの水流量を決める循環ポンプP1の吐出量を、循環ポンプP1の回転駆動力の調整により、制御している。これは第1ポンプ駆動制御の一例である。
【0029】
具体的には、循環ポンプP1の回転駆動力の調整が、ポンプ駆動のオン/オフデューティ比の増減(PID制御)によるものである場合を用いて、実施形態のフローチャートを説明する。
【0030】
図4に示すフローチャートにおいて、制御装置20は、〔ステップ1〕(以下、「ステップ」を「S」と略す)において、第1ポンプ駆動制御(PID制御)を実行すると、〔S2〕において熱交換器出口に配設されたサーミスタTM1が測定する熱媒体の温度THが、予め定められた、第1温度X1未満であるか否かを確認する。
(【0031】以降は省略されています)

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