JP5126582B2 - Fuel cell system and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質型の燃料電池スタックを断熱容器に収容した構造を有する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system having a structure in which a solid electrolyte fuel cell stack is accommodated in a heat insulating container, and an operation method thereof.
従来の燃料電池システムとしては、固体電解質型の燃料電池ユニットを積層して成る燃料電池スタックと、燃料電池スタックを気密的に収容する断熱容器を備え、この燃料電池スタックに対して、酸化ガス(空気)を供給する酸化ガス供給経路と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、排気ガスのガス排出経路を備えたものがあった。 A conventional fuel cell system includes a fuel cell stack formed by stacking solid oxide fuel cell units, and a heat insulating container that hermetically accommodates the fuel cell stack. Some have an oxidizing gas supply path for supplying (air), a fuel gas supply path for supplying fuel gas, and a gas discharge path for exhaust gas.
上記の燃料電池システムは、燃料電池スタックに酸化ガスと燃料ガスを供給して発電を行うこととなるが、起動時には、ガス排気経路に設けたバーナーの熱により導入空気を加熱して起動が速やかに行われるようにする。また、定常運転時には、燃料電池スタックの温度に応じて、酸化ガスや燃料ガスの流量を増減させ、あるいは、バーナーの熱調整や停止により、燃料電池スタックの温度が好適な範囲を維持するように制御する。 The fuel cell system described above generates power by supplying an oxidant gas and a fuel gas to the fuel cell stack, but at the time of start-up, the introduction air is heated by the heat of the burner provided in the gas exhaust path and the start-up is promptly performed. To be done. In steady operation, the flow rate of the oxidizing gas or fuel gas is increased or decreased according to the temperature of the fuel cell stack, or the temperature of the fuel cell stack is maintained within a suitable range by adjusting or stopping the heat of the burner. Control.
なお、この種の燃料電池システムの温度制御としては、固体電解質型の例ではないが、燃料電池を収容する断熱容器の壁部を二重構造にし、その壁部内空間の真空度を調整することで断熱容器の熱放散量を制御し、燃料電池の温度を規定値に保つようにしたものがあった(特許文献1)。
ところが、上記したような従来の燃料電池システムにあっては、以下のような問題点があった。 However, the conventional fuel cell system as described above has the following problems.
起動時において、燃料電池スタックの昇温は、発電による昇温及び導入空気の加熱による昇温に頼っているので、短時間での起動及び昇温が困難であった。 At startup, the temperature rise of the fuel cell stack depends on the temperature rise by power generation and the temperature rise by heating of the introduced air, so that it is difficult to start up and raise the temperature in a short time.
定常運転時において、燃料電池スタックの温度が規定値を越えた場合には、燃料ガスの流量の減少や酸化ガスの流量の増加により冷却を行うが 燃料ガスの流量を減少させることは改質器の改質反応を不安定にし また、酸化ガスの流量を増加することは燃料電池スタック内外の温度差を発生させて同スタックに熱歪を発生させる恐れがあった。 During steady operation, if the temperature of the fuel cell stack exceeds the specified value, cooling is performed by reducing the flow rate of the fuel gas or increasing the flow rate of the oxidizing gas. In addition, making the reforming reaction instability unstable, and increasing the flow rate of the oxidizing gas may cause a temperature difference between the inside and outside of the fuel cell stack, which may cause thermal strain in the stack.
さらに、定常運転時において、燃料電池スタックの温度が規定値よりも下がった場合には、バーナーの燃焼熱を増加させることにより加熱を行うが、燃料ガスを発電に必要な量以上に供給することになって、発電効率を低下させていた。 Furthermore, during steady operation, if the temperature of the fuel cell stack falls below the specified value, heating is performed by increasing the combustion heat of the burner, but fuel gas is supplied in excess of the amount required for power generation. As a result, power generation efficiency was reduced.
そして、上記の温度制御のほか、例えば断熱容器の壁部を二重構造にして、その壁部内空間の真空度を調整する制御を加えれば、運転効率の若干の向上は期待できるものの、充分な効果が得られるとは言い難かった。 In addition to the above temperature control, for example, if the wall portion of the heat insulating container is made to have a double structure and control for adjusting the degree of vacuum of the space in the wall portion is added, although a slight improvement in operating efficiency can be expected, sufficient It was hard to say that the effect was obtained.
このため、従来にあっては、固体電解質型の燃料電池システムにおいて、短時間での起動及び昇温や運転効率のさらなる向上を実現するうえで改善が望まれていた。 For this reason, conventionally, in a solid electrolyte fuel cell system, improvement has been desired in order to realize further startup and temperature rise and further improvement in operation efficiency in a short time.
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、固体電解質型の燃料電池システムにおいて、その起動、定常運転及び停止を安定して行うことができ、運転効率の向上を実現することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and in a solid electrolyte fuel cell system, the start, steady operation, and stop can be stably performed, and improvement in operation efficiency is realized. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be used and a method for operating the fuel cell system.
本発明の燃料電池システムは、固体電解質型の燃料電池スタックを断熱容器に収容した構造を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックからの排気ガスを断熱容器の容器内空間に供給する容器内給気手段と、断熱容器の容器内空間を排気する容器内排気手段を備え、容器内排気手段が、容器内空間を強制排気する排気ポンプを備えていると共に、容器内に燃料電池スタックからの排気ガスを給気する手段として、燃料電池スタックから容器内空間に至る経路に、排気ガスの供給量、温度及び湿度を調整するガス制御部を備えた構成としている。そして、その運転方法として、断熱容器の容器内空間に供給する排気ガスの供給量、排気ガスの温度及び湿度を調整することで、容器内空間の熱伝達量や熱容量を変化させて燃料電池スタックの温度を制御する。 The fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system having a structure in which a solid oxide fuel cell stack is accommodated in a heat insulating container, and an air supply in the container for supplying exhaust gas from the fuel cell stack to the internal space of the heat insulating container. Means and an in-container exhaust means for exhausting the inner space of the heat insulating container, and the in-container exhaust means includes an exhaust pump for forcibly exhausting the inner space of the container, As a means for supplying air, a gas control unit that adjusts the supply amount, temperature, and humidity of the exhaust gas is provided in the path from the fuel cell stack to the space in the container . And as the operation method, by adjusting the supply amount of exhaust gas supplied to the inner space of the heat insulating container, the temperature and humidity of the exhaust gas, the heat transfer amount and the heat capacity of the inner space of the container are changed, and the fuel cell stack To control the temperature.
本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、固体電解質型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度を適切に制御することで、その起動、定常運転及び停止を安定して行うことができ、運転効率の向上を実現することができる。 According to the fuel cell system and the operation method thereof of the present invention, in the solid oxide fuel cell system, the start, steady operation, and stop can be stably performed by appropriately controlling the temperature of the fuel cell stack. It is possible to improve the driving efficiency.
図1は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明する図である。図示の燃料電池システムは、固体電解質型の燃料電池ユニットを積層して成る燃料電池スタックSと、燃料電池スタックSを気密的に収容する断熱容器Cを備えており、この燃料電池スタックSに対して、酸化ガス(空気)を供給する酸化ガス供給経路L1と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路L2と、排気ガスのガス排出経路L3を備えている。 FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of a fuel cell system of the present invention. The illustrated fuel cell system includes a fuel cell stack S formed by stacking solid oxide fuel cell units, and a heat insulating container C that hermetically accommodates the fuel cell stack S. And an oxidizing gas supply path L1 for supplying oxidizing gas (air), a fuel gas supplying path L2 for supplying fuel gas, and a gas discharging path L3 for exhaust gas.
酸化ガス供給経路L1は、ガス圧送用のブロア1と、流量調整器2と、熱交換器3を備えている。また、燃料ガス供給経路L2は、流量調整器4と、例えば炭化水素系燃料から水素を取り出すための改質器5を備えている。
The oxidizing gas supply path L <b> 1 includes a
ガス排出経路L3は、燃料成分が残る燃料排気ガスと酸化剤成分が残る酸化排気ガスとを混合燃料させるバーナー6を備えており、熱交換器3において、導入空気と燃焼ガスとの間で熱交換を行って、導入空気を加熱するようにしている。
The gas discharge path L3 includes a
そして、燃料電池システムは、断熱容器Cの容器内空間を排気する容器内排気手段L4と、燃料電池スタックSからの排気ガスを容器内空間に供給する容器内給気手段L5を備えている。 The fuel cell system includes an in-container exhaust means L4 that exhausts the internal space of the heat insulating container C and an in-container air supply means L5 that supplies exhaust gas from the fuel cell stack S to the internal space of the container.
容器内排気手段L4は、容器内空間を強制排気する排気ポンプ7を備えている。この排気ポンプ7は、ガス排出経路L3における熱交換器3の下流に設けてある。そして、この実施形態の容器内排気手段L4は、容器内空間から排気ポンプ7に直接至る第1排気経路L41と、容器内空間からバーナー6に直接至る第2排気経路L42を備えている。
The in-container exhaust means L4 includes an
容器内給気手段L5は、燃料電池スタックSから一旦容器外部を経て容器内空間に至る排気ガスの経路を形成し、燃料排気ガス用の第1給気経路L51と、酸化排気ガス(空気排出ガス)用の第2給気経路L52を備えている。そして、第1及び第2の給気経路L51,L52には、容器外部において、断熱容器C内に燃料電池スタックSからの排気ガスを吸気する手段として、容器内空間に対する燃料排気ガス及び酸化排気ガスの供給量、温度及び湿度を夫々調整するガス制御部C51,C52を備えている。 The in-container air supply means L5 forms an exhaust gas path from the fuel cell stack S to the internal space of the container once through the outside of the container, and a first air supply path L51 for the fuel exhaust gas and an oxidized exhaust gas (air exhaust Gas) for the second air supply path L52. In the first and second air supply paths L51 and L52, the fuel exhaust gas and the oxidized exhaust to the inner space of the container are provided outside the container as means for sucking the exhaust gas from the fuel cell stack S into the heat insulating container C. Gas control units C51 and C52 for adjusting the gas supply amount, temperature, and humidity are provided.
さらに、燃料電池システムは、断熱容器Cの内面に、燃料電池スタックSに非接触の多数のフィン(一部のみ示す)Fが設けてあり、このフィンFにより容器内空間の熱伝達量や熱容量ひいては断熱容器C自体の放熱性や断熱性をより一層高めている。なお、フィンFhは、断熱容器Cの内面の一部又はほぼ全体に設けることができる。 Further, in the fuel cell system, a large number of non-contact fins F (only some of them are shown) F are provided on the inner surface of the heat insulating container C, and the heat transfer amount and heat capacity of the space in the container are provided by the fins F. As a result, the heat dissipation and heat insulation of the heat insulation container C itself are further improved. Note that the fins Fh can be provided on a part or almost the entire inner surface of the heat insulating container C.
さらに、燃料電池システムは、図示を省略したが、燃料電池スタックSの温度、燃料電池スタックSからの排気ガス(燃料排気ガス、酸化排気ガス)の温度などを測定するセンサ類を備えており、これらの測定値に基づいて各機能部を制御することが可能である。 Further, although not shown, the fuel cell system includes sensors for measuring the temperature of the fuel cell stack S, the temperature of the exhaust gas (fuel exhaust gas, oxidized exhaust gas) from the fuel cell stack S, and the like. Each functional unit can be controlled based on these measured values.
次に、図2に示すフローチャートを用いて、上記構成を備えた燃料電池システムの運転方法を説明する。 Next, a method for operating the fuel cell system having the above-described configuration will be described using the flowchart shown in FIG.
上記の燃料電池システムは、起動時には、酸化ガス供給経路L1において、ブロア1、流量調整器2及び熱交換器3を介して空気を導入し、この導入空気を酸化ガスとして燃料電池スタックSに供給する。一方、燃料ガス供給経路L2において、流量調整器4を介して炭化水素系燃料を改質器5に供給し、改質器5において炭化水素系燃料から水素を取出し、この水素を燃料ガスとして燃料電池スタックSに供給する。
When the fuel cell system is started, air is introduced into the oxidizing gas supply path L1 through the
このとき、当該燃料電池システムは、図2のステップS1において、容器内排気手段L4の排気ポンプ7を駆動し、第1排気経路L41若しくは第2排気経路L42を介して、断熱容器Cの容器内空間の排気(脱気)を開始する。また、燃料電池スタックSからの排気ガス、すなわち燃料成分の残る燃料排気ガスと酸化剤成分の残る酸化排気ガスとをバーナー6で混合燃焼させ、熱交換器3において燃焼ガスの熱と導入空気との間で熱交換を行って導入空気を加熱(予熱)する。
At this time, the fuel cell system drives the
燃料電池システムは、上記の如く燃料電池スタックSに酸化ガスと燃料ガスを供給することで発電を開始し、自己の発電反応による熱及び予熱空気による熱で燃料電池スタックSが昇温し、その排気ガスである酸化排気ガス及び燃料排気ガスも昇温し始める。 The fuel cell system starts power generation by supplying oxidizing gas and fuel gas to the fuel cell stack S as described above, and the temperature of the fuel cell stack S is increased by heat from its own power generation reaction and heat from preheated air. The oxidation exhaust gas and the fuel exhaust gas, which are exhaust gases, also start to rise in temperature.
この際、燃料電池システムは、燃料電池スタックSの昇温過程において、断熱容器Cの容器内空間を排気(脱気)することから、容器内空間の熱伝導率が低下して燃料電池スタックSの熱が周囲に放出され難くなり、容器内空間の熱容量が小さくなって断熱性が高まり、燃料電池スタックSを短時間で昇温させることができる。つまり、起動時間を短縮することが可能となる。 At this time, since the fuel cell system exhausts (degass) the inner space of the heat insulating container C in the process of raising the temperature of the fuel cell stack S, the thermal conductivity of the inner space of the container decreases, and the fuel cell stack S This makes it difficult to release the heat to the surroundings, the heat capacity of the space in the container is reduced, the heat insulation is improved, and the temperature of the fuel cell stack S can be raised in a short time. That is, it is possible to shorten the activation time.
次に、燃料電池システムは、図2のステップS2において、酸化排気ガス燃料排気ガスの温度が規定値(T1)に達したところで、ステップS3において、容器内給気手段L5の第2給気経路L52により、容器内空間への酸化排気ガスの供給を開始する。このように、昇温された酸化排気ガスを容器内空間に供給することで、燃料電池スタックSを外側から加熱する。これにより燃料電池スタックSの昇温時間がより短縮される。 Next, when the temperature of the oxidized exhaust gas fuel exhaust gas reaches the specified value (T1) in step S2 of FIG. 2, the fuel cell system, in step S3, the second air supply path of the in-vessel air supply means L5. By L52, supply of the oxidizing exhaust gas to the space in the container is started. In this way, the fuel cell stack S is heated from the outside by supplying the heated oxidizing exhaust gas to the inner space of the container. Thereby, the temperature rising time of the fuel cell stack S is further shortened.
その後、燃料電池システムは、発電反応がさらに進行し、図2のステップS4において、排気ガス温度が規定値(T2)に達した後には、ステップS5において、過度の昇温を防止するために、容器内空間の排気量(脱気量)を減少させたり排気を停止したりし、さらに、容器内空間への酸化排気ガスの供給量を減少させたり供給を停止したりする。 Thereafter, in the fuel cell system, the power generation reaction further proceeds, and after the exhaust gas temperature reaches the specified value (T2) in step S4 in FIG. 2, in order to prevent excessive temperature rise in step S5, The exhaust amount (deaeration amount) of the inner space of the container is reduced or the exhaust is stopped, and further, the supply amount of the oxidizing exhaust gas to the inner space of the container is reduced or the supply is stopped.
このように、断熱容器Cの容器内空間の排気量を減少させると、容器内空間の熱伝導率が増加し(断熱性が低下し)、燃料電池スタックSの熱が周囲に放出され易くなる。また、容器内空間への酸化排気ガスの供給量を減少させても加熱が抑制される。なお、排気ガスの規定値T2とは、当該燃料電池システムの定常運転温度直前の温度である。 As described above, when the exhaust amount of the inner space of the heat insulating container C is decreased, the thermal conductivity of the inner space of the container is increased (the heat insulating property is lowered), and the heat of the fuel cell stack S is easily released to the surroundings. . Moreover, heating is suppressed even if the supply amount of the oxidizing exhaust gas to the space in the container is decreased. The specified value T2 of the exhaust gas is a temperature immediately before the steady operation temperature of the fuel cell system.
上記の燃料電池システムは、定常運転時には、図2のステップS6において、排気ガスの温度が規定値T3よりも低下した場合と、図2のステップS8において、排気ガスの温度が規定値T3よりも上昇した場合とで、加熱や冷却の制御を夫々行うこととなる。 In the above-described fuel cell system, during steady operation, the exhaust gas temperature is lower than the specified value T3 in step S6 of FIG. 2, and the exhaust gas temperature is lower than the specified value T3 in step S8 of FIG. When the temperature rises, control of heating and cooling is performed.
すなわち、排気ガスの温度が規定値T3よりも低下した場合には、基本的には起動時の動作と同様に、図2のステップS7において、容器内給気手段L5の第2給気経路L2により、燃料電池スタックSからの酸化排気ガスを容器内空間に供給し、この際、ガス制御部C52において酸化排気ガスの供給量、温度及び湿度を調製し、また、必要に応じて容器内排気手段L4により容器内空間を排気(脱気)する。これにより、燃料電池スタックSを加熱する。 That is, when the temperature of the exhaust gas falls below the specified value T3, basically the second supply path L2 of the in-vessel supply means L5 in step S7 of FIG. Thus, the oxidizing exhaust gas from the fuel cell stack S is supplied to the space in the container, and at this time, the supply amount, temperature and humidity of the oxidizing exhaust gas are adjusted in the gas control unit C52, and the exhaust in the container is made as necessary. The space in the container is exhausted (degassed) by means L4. Thereby, the fuel cell stack S is heated.
つまり、燃料電池スタックSの温度を上げたい場合には、断熱容器Cの容器内空間の熱伝導率を低下させることや、容器内空間の温度を上げることが有効である。その具体的手段は、容器内空間の脱気や容器内空間への酸化排気ガスの供給である。容器内空間を脱気すれば熱伝導率が低下して、断熱性が高められる。また、酸化排気ガスは、発電による反応熱で加熱され且つ水分を含まないので、熱伝導率が低くて熱容量が小さい。 That is, in order to increase the temperature of the fuel cell stack S, it is effective to reduce the thermal conductivity of the space in the heat insulating container C or to increase the temperature of the space in the container. The specific means is deaeration of the inner space of the container and supply of oxidized exhaust gas to the inner space of the container. If the space in the container is degassed, the thermal conductivity is lowered and the heat insulation is improved. Further, the oxidized exhaust gas is heated by reaction heat generated by power generation and does not contain moisture, so that the thermal conductivity is low and the heat capacity is small.
したがって、断熱容器Cの容器内空間を脱気することは、燃料電池スタックSを断熱することであり、また、容器内空間に酸化排気ガスを供給することは、熱伝導率が低くて熱容量が小さい高温の空間に燃料電池スタックSを収容したことになり、同燃料電池スタックの温度を上げることができる。 Therefore, deaeration of the inner space of the heat insulating container C is to insulate the fuel cell stack S, and supply of oxidizing exhaust gas to the inner space of the container has a low thermal conductivity and a heat capacity. The fuel cell stack S is accommodated in a small high-temperature space, and the temperature of the fuel cell stack can be raised.
次に、排気ガスの温度が規定値T3よりも上昇した場合には、図2のステップS9において、容器内給気手段L5の第1給気経路L51により、燃料電池スタックSからの燃料排気ガスを容器内空間に供給し、この際、ガス制御部C51において燃料排気ガスの供給量、温度及び湿度を調製し、とくに、ガス制御部C51において燃料排気ガスを冷却する。容器内空間に供給された燃料排気ガスは、燃料電池スタックSの冷却に寄与した後、容器内排気手段L4等により外部に排出される。 Next, when the temperature of the exhaust gas rises above the specified value T3, the fuel exhaust gas from the fuel cell stack S is transmitted through the first air supply path L51 of the in-container air supply means L5 in step S9 of FIG. In this case, the supply amount, temperature and humidity of the fuel exhaust gas are adjusted in the gas control unit C51, and in particular, the fuel exhaust gas is cooled in the gas control unit C51. The fuel exhaust gas supplied to the inner space of the container contributes to the cooling of the fuel cell stack S and is then discharged to the outside by the in-vessel exhaust means L4 and the like.
これにより、燃料電池スタックSは、同スタックの温度よりも低温で、熱伝導率が高く且つ熱容量の大きい空間に収容されたことになり、冷却される。 As a result, the fuel cell stack S is housed in a space having a lower temperature than that of the stack, a high thermal conductivity, and a large heat capacity, and is cooled.
つまり、燃料電池スタックSの温度を下げたい場合には、断熱容器Dの容器内空間の熱伝達率を高めることや、容器内空間の熱容量を高めることが有効である。その具体的手段は、容器内空間に対して、冷却された水分を含む燃料排気ガスを供給することである。燃料排気ガスは、発電により発生した水を多く含むため、その熱伝導率は高く、容器内空間に供給することで、同空間の熱伝達率を高めることができる。また、燃料排気ガスは、水分を含むために熱容量が大きく、容器内空間の熱容量を増加させることができる。 That is, when it is desired to lower the temperature of the fuel cell stack S, it is effective to increase the heat transfer coefficient of the space in the container of the heat insulating container D or increase the heat capacity of the space in the container. The specific means is to supply the fuel exhaust gas containing the cooled water to the inner space of the container. Since the fuel exhaust gas contains a large amount of water generated by power generation, its heat conductivity is high, and the heat transfer coefficient of the space can be increased by supplying it to the space in the container. Further, since the fuel exhaust gas contains moisture, it has a large heat capacity and can increase the heat capacity of the space in the container.
したがって、断熱容器Cの容器内空間に燃料排気ガスを供給することは、熱伝導が高くて熱容量が大きい低温の空間に燃料電池スタックSを収容したことになり、同燃料電池スタックからの放熱が促進され、燃料電池スタックSの温度を下げることができる。 Therefore, supplying the fuel exhaust gas to the inner space of the heat insulating container C means that the fuel cell stack S is accommodated in a low-temperature space having high heat conduction and large heat capacity, and heat dissipation from the fuel cell stack is performed. The temperature of the fuel cell stack S can be lowered.
上記の燃料電池システムは、停止時には、酸化ガス供給経路L1及び燃料ガス供給経路L2による酸化ガス及び燃料ガスの供給を停止し、この際、図2のステップS10において、容器内給気手段L5の第1給気経路L51により、断熱容器Cの容器内空間に、除湿した燃料排気ガスを供給して同空間を封止する。 When the fuel cell system is stopped, the supply of the oxidizing gas and the fuel gas through the oxidizing gas supply path L1 and the fuel gas supply path L2 is stopped. At this time, in step S10 of FIG. The first air supply path L51 supplies the dehumidified fuel exhaust gas to the inner space of the heat insulating container C to seal the space.
そして、図2のステップS11において、残留排気ガスの温度が規定値(T4)以下になったところで、図2のステップS12において、充填した燃料排気ガスを排出する。なお、除湿された燃料排気ガスは還元性ガスであり、停止時に燃料電池スタックSの温度が急激に低下しないようにすることで、金属部材で構成された燃料電池スタックSの酸化を防止することができる。 In step S11 of FIG. 2, when the temperature of the residual exhaust gas becomes equal to or lower than the specified value (T4), the filled fuel exhaust gas is discharged in step S12 of FIG. The dehumidified fuel exhaust gas is a reducing gas, and the oxidation of the fuel cell stack S composed of metal members is prevented by preventing the temperature of the fuel cell stack S from rapidly decreasing when the fuel exhaust gas is stopped. Can do.
このように、当該燃料電池システムは、とくに、定常運転時には、燃料電池スタックSの温度又は排気ガスの温度の増減に応じて、断熱容器Cの容器内空間の排気量(脱気量)、容器内空間への排気ガス(酸化排気ガス、燃料排気ガス)の供給量、温度及び湿度を調整することで、燃料電池スタックSの温度が適正範囲となるように制御する。そして、全体として、起動、定常運転及び停止を安定して行うことができ、運転効率の向上を実現することができる。 As described above, the fuel cell system particularly has an exhaust amount (deaeration amount) in the inner space of the heat insulating container C according to the increase or decrease in the temperature of the fuel cell stack S or the temperature of the exhaust gas, during the steady operation. By adjusting the supply amount, temperature, and humidity of the exhaust gas (oxidized exhaust gas, fuel exhaust gas) to the inner space, the temperature of the fuel cell stack S is controlled to be within an appropriate range. And as a whole, starting, steady operation, and stopping can be performed stably, and improvement in operating efficiency can be realized.
ここで、図3(a)は起動時の燃料排気ガス温度の変化を示すグラフ、図3(b)は定常運転時の燃料排気ガス温度の変化を示すグラフである。各グラフでは、図1に示す構成を備えた本発明による燃料電池システムのデータを実線で示し、これらの手段が無い比較例の燃料電池システムのデータを破線で示している。 Here, FIG. 3A is a graph showing a change in fuel exhaust gas temperature at startup, and FIG. 3B is a graph showing a change in fuel exhaust gas temperature during steady operation. In each graph, data of the fuel cell system according to the present invention having the configuration shown in FIG. 1 is shown by a solid line, and data of a fuel cell system of a comparative example without these means is shown by a broken line.
起動時には、燃料排気ガスの温度が、室温から定常運転温度(T3)である約750℃まで上昇する。図3(a)から明らかなように、本発明では定常運転温度に達するまでの時間が20分であり、比較例では定常運転温度に達するまでの時間が40分であった。 At start-up, the temperature of the fuel exhaust gas rises from room temperature to about 750 ° C., which is a steady operation temperature (T3). As is clear from FIG. 3A, in the present invention, the time required to reach the steady operating temperature was 20 minutes, and in the comparative example, the time required to reach the steady operating temperature was 40 minutes.
つまり、図1に示す構成、すなわち容器内排気手段L4及び容器内給気手段L5を備え、とくに、容器内排気手段L4が、容器内空間を強制排気する排気ポンプ7を備えると共に、容器内給気手段L5が、ガス制御部C51,C52を備える燃料電池システムとすることで、比較例に比べて起動時間を20分短縮することができる。
That is, the configuration shown in FIG. 1, that is, the in-container exhaust means L4 and the in-container air supply means L5 are provided. In particular, the in-container exhaust means L4 includes the
また、定常運転時には、図3(b)から明らかなように、本発明では比較例に比べて燃料排気ガスの温度変化の幅が小さくなる。すなわち、適正温度に対する温度範囲を±X ℃で表現すると、本発明の場合はX=20であり、比較例の場合はX=50であった。 Further, during steady operation, as is apparent from FIG. 3B, the width of the temperature change of the fuel exhaust gas is smaller in the present invention than in the comparative example. That is, when the temperature range with respect to the appropriate temperature is expressed by ± X ° C., X = 20 in the present invention and X = 50 in the comparative example.
つまり、図1に示す構成、すなわち容器内排気手段L4及び容器内給気手段L5を備え、とくに、容器内排気手段L4が、容器内空間を強制排気する排気ポンプ7を備えると共に、容器内給気手段L5が、ガス制御部C51,C52を備える燃料電池システムとすることで、比較例に比べて、温度制御性を約30℃圧縮することができる。
That is, the configuration shown in FIG. 1, that is, the in-container exhaust means L4 and the in-container air supply means L5 are provided. In particular, the in-container exhaust means L4 includes the
図4は、本発明の燃料電池システムの他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 4 is a diagram for explaining another embodiment of the fuel cell system of the present invention. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図示の実施形態の燃料電池システムにおいて、先の実施形態(図1)と異なる構成は、容器内排気手段L4が、強制排気を行う排気ポンプを備えていないところであり、容器内排気手段L4の第1排気経路L41が、断熱容器Cの容器内空間から熱交換器3に直接至る構造になっている。
In the fuel cell system of the illustrated embodiment, the configuration different from that of the previous embodiment (FIG. 1) is that the in-container exhaust means L4 is not provided with an exhaust pump that performs forced exhaust. One exhaust path L41 has a structure that directly reaches the
上記の燃料電池システムは、図5に示すステップS21〜S32に従って起動、定常運転及び停止が行われることとなり、この際、先の実施形態(図1)と異なる点は、排気ポンプによる強制排気を行わず、熱交換器3を介した自然排気を行うところである。
The fuel cell system described above is started, normally operated, and stopped according to steps S21 to S32 shown in FIG. 5. At this time, the difference from the previous embodiment (FIG. 1) is that forced exhaust by an exhaust pump is performed. This is where natural exhaust through the
そして、図6(a)及び図6(b)は、起動時及び定常運転時における燃料排気ガス温度の変化を示すグラフであり、図4に示す燃料電池システムのデータ(実線)と比較例のデータ(破線)を示している。 6 (a) and 6 (b) are graphs showing changes in the temperature of the fuel exhaust gas during start-up and during steady operation. The fuel cell system data (solid line) shown in FIG. Data (broken line) is shown.
起動時には、図6(a)から明らかなように、本発明では定常運転温度に達するまでの時間が30分であり、比較例では定常運転温度に達するまでの時間が40分であった。つまり、図4に示す構成の燃料電池システムとすることで、比較例に比べて、温度制御性を約10分短縮することができる。 At the time of start-up, as apparent from FIG. 6A, in the present invention, the time required to reach the steady operating temperature was 30 minutes, and in the comparative example, the time required to reach the steady operating temperature was 40 minutes. That is, by using the fuel cell system having the configuration shown in FIG. 4, the temperature controllability can be shortened by about 10 minutes compared to the comparative example.
また、定常運転時には、図6(b)から明らかなように、適正温度に対する温度範囲を±X ℃で表現すると、本発明の場合はX=20であり、比較例の場合はX=50であった。つまり、図1に示す構成の燃料電池システムとすることで、比較例に比べて、温度制御性を約30℃圧縮することができる。 Further, during the steady operation, as is apparent from FIG. 6B, when the temperature range with respect to the appropriate temperature is expressed by ± X ° C., X = 20 in the present invention, and X = 50 in the comparative example. there were. That is, by using the fuel cell system having the configuration shown in FIG. 1, the temperature controllability can be compressed by about 30 ° C. as compared with the comparative example.
さらに、図4に示す燃料電池システムによれば、強制排気を行う排気ポンプを用いないことから、排気ポンプを用いた場合に比べて起動時間が僅かに長くなるものの、比較例に比べて起動時間を短縮できることに変わりはなく、しかも、排気ポンプの廃止に伴ってシステムの省力化を図ることもできる。 Furthermore, according to the fuel cell system shown in FIG. 4, since the exhaust pump that performs forced exhaust is not used, the start-up time is slightly longer than when the exhaust pump is used, but the start-up time is longer than that of the comparative example. In addition, the system can be labor-saving as the exhaust pump is abolished.
なお、本発明の燃料電池システムは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を変更することが可能である。 The configuration of the fuel cell system of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the details of the configuration can be changed without departing from the gist of the present invention.
C 断熱容器
F フィン
C51 ガス制御部(燃料ガス)
C52 ガス制御部(酸化ガス)
L4 容器内排気手段
L41 第1排気経路
L42 第2排気経路
L5 容器内給気手段
L51 第1給気経路
L52 第2給気経路
S 燃料電池スタック
7 排気ポンプ
C Insulated container F Fin C51 Gas control unit (fuel gas)
C52 Gas control unit (oxidizing gas)
L4 In-container exhaust means L41 First exhaust path L42 Second exhaust path L5 In-container air supply means L51 First air supply path L52 Second air supply path S
Claims (6)
断熱容器の容器内空間を排気する容器内排気手段を備え、
容器内排気手段が、容器内空間を強制排気する排気ポンプを備えていると共に、
容器内に燃料電池スタックからの排気ガスを給気する手段として、燃料電池スタックから容器内空間に至る経路に、排気ガスの供給量、温度及び湿度を調整するガス制御部を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system having a structure in which a solid oxide fuel cell stack is accommodated in a heat insulating container, an in-container air supply means for supplying exhaust gas from the fuel cell stack to the internal space of the heat insulating container ;
Provided with an in-container exhaust means for exhausting the space in the container of the heat insulating container;
The container exhaust means includes an exhaust pump for forcibly exhausting the space in the container,
As a means for supplying the exhaust gas from the fuel cell stack into the container, a gas control unit for adjusting the supply amount, temperature and humidity of the exhaust gas is provided in the path from the fuel cell stack to the space in the container. A fuel cell system.
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