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公開番号2021072256
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210506
出願番号2019200109
出願日20191101
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 8/04291 20160101AFI20210409BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池の排ガス中に含まれる水分を効率よく回収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、発電を行なう燃料電池モジュール1と、燃料電池より排出される排ガスと熱媒とを熱交換させて排ガス中の水分を凝縮水として液化させる熱交換3器と、熱交換器より排出される排ガスの温度を測定する第1排ガス温度測定部と、熱媒を循環させる循環流路Qに配設された熱媒循環ポンプP1と、制御装置20と、を備える。制御装置20は、第1排ガス温度測定部が測定する第1排ガス温度が予め定められた目標温度となるように、循環ポンプP1の駆動を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池より排出される排ガスと熱媒とを熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器より排出される排ガスの温度を測定する第1排ガス温度測定部と、
前記熱交換器に熱媒を循環させる循環流路に配設された循環ポンプと、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第1排ガス温度測定部が測定する第1排ガス温度が予め定められた目標温度となるように、前記循環ポンプの駆動を制御する、排ガス温度制御を実行可能である燃料電池装置。
続きを表示(約 890 文字)【請求項2】
原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する改質器と、
前記改質器に供給される水蒸気改質用の改質水を貯留する改質水タンクと、
前記改質水タンクに貯留された改質水の水位を検知する水位検知部と、を備え、
前記制御装置は、前記水位検知部が検知した前記改質水タンク内の改質水の水位に基づいて、前記目標温度を設定する、請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項3】
原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する改質器と、
前記改質器に供給される改質水の量を測定する改質水量測定部と、
前記制御装置は、前記排ガスに含まれる水分量に関連する排ガス流体値であって、排ガスの流量と、前記改質水量測定部が測定する改質水の流量と、を用いて算出される排ガス流体値と、に基づいて、前記目標温度を設定する、請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項4】
前記目標温度には、予め、上限温度となる第1温度が定められており、
前記制御装置は、前記目標温度を該第1温度未満の温度に設定する、請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
【請求項5】
前記燃料電池から前記熱交換器に流入する排ガスの温度を測定する第2排ガス温度測定部と、
前記燃料電池と前記熱交換器との間の排ガス流路と、
前記熱交換器から排出された排ガスを装置外に排気する排気流路と、
前記排ガス流路と前記排気流路との間を、前記熱交換器を経由せずに接続するバイパス流路と、
該バイパス流路に配設されたガスポンプと、を備え、
前記制御装置は、前記第2排ガス温度測定部が測定する第2排ガス温度を確認する温度確認制御を実行して、該第2排ガス温度が予め定められた第2温度以上である場合に、
前記ガスポンプを駆動して、前記熱交換器から排出された排ガスを、前記バイパス流路を経由して前記排ガス流路に還流させる排ガス還流制御を実行する、請求項3または4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 4,400 文字)【背景技術】
【0002】
燃料電池は、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、原燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質反応や、発電や、余剰ガスの燃焼など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。
【0003】
ところで、燃料電池は、改質反応において水が生成する。また、セルスタックにおける発電反応により、燃料電池セルにおいて水が生成する。したがって、燃料電池の排ガスには、多くの水分(水蒸気)が含まれている。
【0004】
そこで、燃料電池装置においては、燃料電池から排出された排ガスを熱交換器等に通して冷却するとともに、この熱交換時に、前記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回収して水タンク等に貯留する。そして、貯留された水を、天然ガス等の原燃料を水蒸気改質する改質器に改質水として供給する、いわゆる水自立運転が行われている。
【0005】
前述の凝縮水の回収に関し、特許文献1には、顕熱/潜熱比が小さい場合であっても、熱回収効率を最適にする燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムの制御装置は、熱交換器入口の貯湯水温度に応じて、熱交換器出口の目標貯湯水温度を設定する目標温度設定部と、熱交換器出口の貯湯水温度が設定された目標温度となるように、貯湯水循環ポンプの送出量を制御する送出量制御部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2019−21464号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本開示の目的は、燃料電池の排ガス中に含まれる水分を効率よく回収することのできる燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池より排出される排ガスと熱媒とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器より排出される排ガスの温度を測定する第1排ガス温度測定部と、前記熱交換器に熱媒を循環させる循環流路に配設された循環ポンプと、制御装置と、を備える。
前記制御装置は、前記第1排ガス温度測定部が測定する第1排ガス温度が予め定められた目標温度となるように、前記循環ポンプの駆動を制御する、排ガス温度制御を実行可能である。
【発明の効果】
【0009】
本開示の燃料電池装置によれば、燃料電池の排ガス中に含まれる水分を、効率よく回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
第1実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。
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。
第2実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参考にしながら、実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、燃料電池として固体酸化物形の燃料電池を例示するが、例えば固体高分子形の燃料電池等に適用することもでき、その場合、構成は適宜変更すればよい。
【0012】
図1は、第1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、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。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。
【0013】
図1に示す燃料電池装置100は、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3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、熱媒循環流路Qを介した熱交換により回収し、温水として貯留する蓄熱タンク4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、凝縮水流路Cを介して改質水として貯留する改質水タンク6と、を備える。
【0014】
また、燃料電池装置100は、原燃料ポンプおよび原燃料流路等を含む原燃料供給装置13と、空気ブロア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14を備える。さらに、水自立運転を継続するための、前述の改質水タンク6と、これに接続された改質水供給ポンプP2および改質水流路Rを含む改質水供給装置を含む。
【0015】
そして、燃料電池装置100は、先に述べた熱交換器3、蓄熱タンク4、ラジエータ5、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Qとからなる熱媒循環系(ヒートサイクル)を備えている。なお、図1では、熱交換器3入口側の、比較的低温の熱媒が流れる上流側の流路をQ1と表示し、熱交換器3出口側の、比較的高温の熱媒が流れる下流側の流路をQ2と表示している。なお、ラジエータ5は設けない構成としてもよい。
【0016】
熱媒循環系の熱源である燃料電池モジュール1は、収納容器10に収容されている。収納容器10の内部には、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタック11と、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行なう改質器12と、余剰の燃料ガスに点火するための着火ヒータ(図示省略)、および、触媒容器2に充填された排ガス触媒等を備える。
【0017】
上述のような構成の燃料電池装置100において、燃料電池モジュール1内で生じた、水分を含む排ガスは、触媒容器2内の排ガス触媒を介して排ガス流路Eに導出された後、燃料電池モジュール1に隣接する熱交換器3に導入される。
【0018】
熱交換器3は、高温の排ガスが図示上側から下方に向かって流下し、低温の熱媒(水)が図示下側から上方に向かって流過する、向流式となっている。また、熱交換器3の最下部は、熱交換により液化した水(凝縮水)と、水分の取り除かれた排ガスとを分離する、気水分離器になっている。
【0019】
気水分離器で水を取り除かれた排ガスは、排気流路Vを経由して機外に排出される。一方、気水分離器で分離された凝縮水は、凝縮水流路Cを経由して改質水タンク6に回収され貯留される。
【0020】
なお、燃料電池装置100は、図2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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
また、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。
【0024】
たとえば、図1に示すように、燃料電池モジュール1(燃焼部)から排出された排ガスの温度を測定する第1の排ガス温度測定部として、熱交換器3経由後の気水分離器部位に、サーミスタTM1が配設されている。
【0025】
また、熱交換器3に導入される前の触媒容器2内に、容器内の排ガス触媒の温度を測定するサーミスタTM2が配設されている。なおサーミスタTM2は、あわせて熱交換器3に流入する排ガスの温度の測定を行ってもよい。また、サーミスタTM2は、触媒容器2と熱交換器3との間に配置してもよい。
【0026】
さらに、熱交換器3内を流過する熱媒の温度を測るために、熱交換器3の熱媒入口側(低温側)にあたる熱媒循環流路Qの上流側流路Q1に、サーミスタTM3が配設されている。なお、従来設けられていた熱交換器3の熱媒出口側(高温側)にあたる熱媒循環流路Qの下流側には、サーミスタは配置しなくてもよい。
【0027】
さらに、改質水タンク6においては、タンクの底部(低部)に近い、所定の低水位位置には、貯留された改質水の水位の低下または渇水を示すための水検知器WL1が配設され、タンクの所定の満水位に近い、高水位位置には、改質水の水位である上水面が上昇して貯水量が増えたことを検出する水検知器WL2が配設されている。
【0028】
前述の制御装置20から、上述のセンサ類、または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。
【0029】
なお、後記の実施形態において、熱媒循環流路Q(ヒートサイクル)に配設された熱媒循環ポンプP1は、その回転駆動モータ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/オフデューティ比を増減させて、ポンプP1の回転駆動力およびその吐出量を制御している。
【0030】
以上の構成の燃料電池装置100において、燃料電池が運転を行なっている場合、制御装置20は、第1排ガス温度測定部であるサーミスタTM1が測定する、熱交換器3出口(図示下側)の第1排ガス温度が、予め定められた目標温度となるように、熱媒循環ポンプP1の駆動を制御する、排ガス温度制御を実行する。
(【0031】以降は省略されています)

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