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公開番号2021068589
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019193037
出願日20191023
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H01M 8/04 20160101AFI20210402BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】 系統からの電力供給がない場合であっても発電運転を継続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100は、燃料電池11と、水タンク6と、水タンク6の水位を検出する水位検出装置16と、水タンク6に水を補給する水補給装置17と、制御装置30とを備える。制御装置30は、水タンク6の水位が第1水位H未満を検出した場合に、燃料電池11の発電量を定格出力未満の第1出力に抑制して、水タンク6の水位を増加させる水回収運転制御と、燃料電池11が系統から解列した場合に、燃料電池11単体で第1出力以上の発電を行う自立運転制御とを実行可能である。制御装置30は、水回収運転制御実行中に系統から解列したときに、水回収運転制御を停止させ、水補給装置17の駆動と自立運転制御とを実行する。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
系統に連系する燃料電池装置であって、
燃料電池と、
前記燃料電池より排出される排ガスから回収した水を前記燃料電池へ供給するために貯留する水タンクと、
前記水タンク内の水位を検出する水位検出装置と、
前記水タンクに外部から水を補給する水補給装置と、
前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記水タンクの水位が第1水位未満を検出した場合に、前記燃料電池の発電量を定格出力未満の第1出力に抑制して、前記水タンクの水位を増加させる水回収運転制御と、
前記燃料電池が前記系統から解列した場合に、前記燃料電池単体で前記第1出力以上の発電を行う自立運転制御と、が実行可能であり、
前記水回収運転制御実行中に前記系統から解列したときに、前記水回収運転制御を停止させ、前記水補給装置の駆動と前記自立運転制御とを実行する燃料電池装置。
続きを表示(約 250 文字)【請求項2】
前記制御装置は、前記水回収運転制御実行中に前記系統から解列したときに、前記水補給装置を駆動させて前記第1水位以上の水位まで補給を実行するとともに、前記自立運転制御実行中に第1水位未満を検出しても前記水回収運転制御を実行しない請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記系統に再連系したときに前記水タンクの水位が前記第1水位未満であった場合、前記水補給装置を駆動させて前記第1水位以上の水位まで補給を実行する請求項2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 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
原燃料ガスを水蒸気改質して生成される燃料ガスと空気とを用いて発電を行なう燃料電池装置が知られている。このような燃料電池装置においては、排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成される凝縮水を改質水として利用する、いわゆる水自立運転が行われている。このような燃料電池装置においては、改質水が不足した場合に運転の継続が難しくなることから、例えば特許文献1には、排ガス中の水蒸気の凝縮効率の低下を抑制し、改質水の不足を抑制する燃料電池装置が開示されている。また、近年では、停電などにより燃料電池装置が商用電源系統(以下、系統ともいう)から解列された場合に、燃料電池装置単独で自立運転することも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2010−277973号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記引用文献1においては、改質水の不足を抑制する運転時に、停電などにより燃料電池装置が商用電源系統から解列された場合について考慮されておらず、改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の燃料電池装置は、系統に連系する燃料電池装置であって、
燃料電池と、
前記燃料電池より排出される排ガスから回収した水を前記燃料電池へ供給するために貯留する水タンクと、
前記水タンク内の水位を検出する水位検出装置と、
前記水タンクに外部から水を補給する水補給装置と、
前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記水タンクの水位が第1水位未満を検出した場合に、前記燃料電池の発電量を定格出力未満の第1出力に抑制して、前記水タンクの水位を増加させる水回収運転制御と、
前記燃料電池が前記系統から解列した場合に、前記燃料電池単体で前記第1出力以上の発電を行う自立運転制御と、が実行可能であり、
前記水回収運転制御実行中に前記系統から解列したとき、前記水回収運転制御を停止させ、前記水補給装置の駆動と前記自立運転制御とを実行する。
【発明の効果】
【0006】
本開示の燃料電池装置によれば、水回収運転制御実行中に燃料電池装置が系統から解列された場合であっても、継続して発電運転をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
実施形態に係る燃料電池装置の概略的構成を示す図である。
実施形態に係る燃料電池装置における水回収運転制御を説明するフローチャートである。
実施形態に係る燃料電池装置における自立運転制御を説明するフローチャートである。
実施形態に係る燃料電池装置における水回収運転制御から自立運転制御への遷移を説明するフローチャートである。
実施形態に係る燃料電池装置における自立運転制御から通常運転制御への遷移を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を用いて本開示の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図1は、実施形態に係る燃料電池装置の概略的構成を示す図である。
【0009】
実施形態の燃料電池装置100は、燃料電池11、水タンク6、水位検出装置16、水補給装置17および制御装置30を備える。
【0010】
燃料電池11は、燃料ガスと空気とを用いて発電を行なう。燃料電池11は、複数の燃料電池セルを含むセルスタック構造を有していてもよい。燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルであってもよい。燃料電池装置100は、燃料ガスを水蒸気改質する改質器12を有している。また、燃料電池装置100は、収納容器10内に燃料電池11と改質器12とを収納してなる燃料電池モジュール1を有している。
【0011】
発電に用いられる燃料ガスは、燃料ガスポンプB1と原燃料ガス流路である配管Fとを含む燃料ガス供給装置14を介して、燃料ガスを改質するための改質水と一緒に、改質器12に導入される。発電に用いられる空気は、空気ブロワB2と空気流路である配管Gとを含む空気供給装置15を介して、燃料電池11に導入される。
【0012】
燃料電池装置100は、第1熱交換器2、水などの熱媒を蓄える蓄熱タンク3、ヒータ4、ラジエータ5、蓄熱タンク3から熱媒を循環させる熱媒ポンプP1およびこれらを繋ぐ配管などを含む排熱回収システムである第1の熱循環系HC1を備えている。
【0013】
第1熱交換器2では、燃料電池モジュール1の排ガスと熱媒とが熱交換し、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。生じた凝縮水は、凝縮水流路Cを経由して回収され、水タンク6に貯水される。水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Eを介して、外部に排気される。水タンク6に貯水された凝縮水は、改質水流路Rおよび改質水ポンプP2を介して、改質器12に供給され、燃料ガスを水蒸気改質するための改質水として利用される。蓄熱タンク3には、燃料電池モジュール1の排ガスと熱交換した熱媒が貯留される。
【0014】
水タンク6には、水タンク6内の水量を監視するための水位検出装置16が配設されている。水位検出装置16は、水タンク6内の水位が第1水位H以上であるか否かを検出する。第1水位Hは、例えば、水タンク6における高水位である。水位検出装置16としては、フロートセンサなど公知の水位センサを用いることができる。
【0015】
水補給装置17は、外部からの水を供給する給水元と水タンク6とを繋ぐ給水配管W、給水弁Vなどを含む。水タンク6に水を供給する必要がある場合には、給水配管Wを介して、給水元から水タンク6に水を供給することができる。給水元は、例えば、上水道であり、給水元から供給される水は、水道水である。給水配管Wには、水道水に含まれる塩素などの不純物を取り除くために、イオン交換樹脂などの浄化装置18が配設されていてもよい。
【0016】
給水配管Wは、例えば、水タンク6の上部に接続されている。給水弁Vは、給水配管Wにおける水タンク6と給水元との間に配設されている。給水弁Vを開くと、給水配管Wを流過した水が水タンク6に供給される。給水弁Vを閉じると、給水弁Vにおける水の流過が停止する。
【0017】
給水弁Vは、例えば電磁弁などで構成されており、制御装置30から出力される電気信号に応じて開閉される。制御装置30は、水タンク6に水を供給する必要がある場合、給水弁Vを開くように制御する電気信号を出力し、水タンク6に水を供給する必要がない場合、給水弁Vを閉じるように制御する電気信号を出力する。
【0018】
燃料電池装置100は、第2熱交換器7、蓄熱タンク3から熱媒を循環させる与熱ポンプP3およびこれらを繋ぐ配管などを有する第2の熱循環系HC2を備えていてもよい。第2熱交換器7では、蓄熱タンク3に蓄えられた高温の熱媒と、供給流路Kinを介して上水道から供給された低温の水道水とが熱交換する。第2熱交換器7で加温された水道水(温水ともいう)は、送給流路Koutを介して出湯装置60に送給される。
【0019】
出湯装置60は、蓄熱タンク3に蓄えられた熱を利用して出湯を行う。出湯装置60は、送給流路Koutを介して送給される温水を、例えば家庭内の風呂、台所、洗面台などに出湯する。出湯された温水は、生活用水として使用される。
【0020】
燃料電池装置100は、発電および出湯などを行う場合に必要となる各種の構成をさらに備えていてもよい。上記に示した各構成は、一例であって、後述する各種制御に必要な構成以外は、任意の構成である。
【0021】
燃料電池装置100は、燃料電池モジュール1などの他、その発電運転を補助する補機として、パワーコンディショナ20、制御装置30、表示装置や操作パネルを含む操作基板(図示せず)などを備える。パワーコンディショナ20は、燃料電池11で発生した電力を、系統電源と連系して外部負荷に供給する。パワーコンディショナ20は、系統からの電力供給が停止した場合、そのことを検知することができる。
【0022】
そして、燃料電池装置100は、以下に詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも1つのプロセッサおよび記憶装置などを含む制御装置30を備える。
【0023】
種々の実施形態によれば、少なくとも1つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および/もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも1つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。
【0024】
1つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって1以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、1以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、1以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。
【0025】
種々の実施形態によれば、プロセッサは、1以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。
【0026】
制御装置30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30は、それに付属する記憶装置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。
【0027】
制御装置30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30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。制御装置30が行う、本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、本実施形態において、制御装置30は特に、燃料電池装置に繋がる外部装置の指示、指令や、先に述べた各種センサの指示や計測値に基づいて、燃料ガスポンプB1などの各種補機を制御する。図では、制御装置30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。
【0028】
図示しない記憶装置は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよく、後述する熱媒高温抑制制御や燃料電池高温抑制制御で使用するフラグなどを記憶している。記憶装置は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体などの任意の非一時的(non−transitory)な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスクなどの可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置は、RAM(Random Access Memory)などの一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。
【0029】
なお、燃料電池装置の制御装置30および記憶装置は、燃料電池装置100の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置30における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。
【0030】
制御装置30は、燃料電池11の発電運転を制御する複数の制御を適宜切り替えて実行する。複数の制御は、通常運転制御、水回収運転制御および自立運転制御を含んでいる。
(【0031】以降は省略されています)

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