JP5686519B2 - Fluid supply device and fuel cell system provided with fluid supply device - Google Patents
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Description
本発明は、供給するための流体を昇圧する昇圧手段の利用効率を可及的に高くする流体供給装置、およびこの流体供給装置を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fluid supply device that increases the utilization efficiency of a pressure-increasing unit that boosts the fluid to be supplied as much as possible, and a fuel cell system including the fluid supply device.
従来、コージェネレーションシステムとして、燃料電池システムが開発されている。燃料電池システムは、燃料電池が発電する際の排熱も有効利用する発電システムである。燃料電池システムには、燃料電池に流体を供給するための流体供給装置が備えられている。 Conventionally, a fuel cell system has been developed as a cogeneration system. The fuel cell system is a power generation system that effectively uses exhaust heat when the fuel cell generates power. The fuel cell system includes a fluid supply device for supplying fluid to the fuel cell.
図7は、従来の流体供給装置を備える燃料電池システムを説明するためのブロック図である。燃料電池システムAは、流体供給装置B、燃料電池モジュールC、インバータ装置D、および排熱回収装置Eを備えている。 FIG. 7 is a block diagram for explaining a fuel cell system including a conventional fluid supply apparatus. The fuel cell system A includes a fluid supply device B, a fuel cell module C, an inverter device D, and an exhaust heat recovery device E.
流体供給装置Bは、燃料電池モジュールCに原燃料および空気を供給するものである。流体供給装置Bは、外気から空気を取り入れ、フィルタ装置11,31によって粉塵などの不純物を取り除き、不純物除去後の空気をブロワ12,32(以下、場合により、「空気ブロワ12,32」という。)によって昇圧して燃料電池モジュールCに供給する。また、流体供給装置Bは、フィルタ装置21,41によって原燃料(都市ガスや天然ガスなど)から不純物を取り除き、不純物除去後の原燃料をブロワ22,42(以下、場合により、「燃料ブロワ22,42」という。)によって昇圧して燃料電池モジュールCに供給する。
The fluid supply device B supplies raw fuel and air to the fuel cell module C. The fluid supply device B takes in air from the outside air, removes impurities such as dust by the
燃料電池モジュールCは、流体供給装置Bから供給される原燃料および空気を用いて、電気を生成するものである。燃料電池モジュールCは、水素と酸素の化学反応を利用して発電を行う燃料電池C1、流体供給装置Bより供給される原燃料と別途供給される水とから水素を生成して燃料電池C1に供給する改質器C2、および、燃料電池C1と改質器C2とを加熱するバーナC3を備えている。流体供給装置Bから供給される原燃料は改質器C2とバーナC3とに供給され、流体供給装置Bから供給される空気は燃料電池C1の空気極(カソード)とバーナC3とに供給される。 The fuel cell module C uses the raw fuel and air supplied from the fluid supply device B to generate electricity. The fuel cell module C generates hydrogen from the fuel cell C1 that generates power using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, the raw fuel supplied from the fluid supply device B, and water supplied separately, and supplies the fuel cell C1 with hydrogen. A reformer C2 to be supplied and a burner C3 for heating the fuel cell C1 and the reformer C2 are provided. The raw fuel supplied from the fluid supply device B is supplied to the reformer C2 and the burner C3, and the air supplied from the fluid supply device B is supplied to the air electrode (cathode) and the burner C3 of the fuel cell C1. .
燃料電池C1の燃料極(アノード)には、改質器C2から水素が供給され、空気極(カソード)には、流体供給装置Bから空気が供給される。燃料電池C1は、水素と空気中の酸素とを反応させて、電気エネルギーと熱エネルギーとを生成する。直流電力として取り出された電気エネルギーは、インバータ装置Dに出力される。また、生成された熱エネルギーは、排熱回収装置Eによって回収される。改質器C2は、流体供給装置Bより供給される原燃料に含まれる炭化水素(メタンなど)と別途供給される水との化学反応(水蒸気改質)により水素を生成する。当該化学反応には熱が必要とされる。また、燃料電池C1にはその素材により運転温度(例えば、固体酸化物型燃料電池の場合、750〜1000℃の範囲で設定されている)が設定されており、燃料電池C1を当該運転温度に保つためにも熱が必要とされる。バーナC3は、改質器C2での化学反応を起こさせるため、また、燃料電池C1の温度を運転温度まで引き上げるために、原燃料を燃焼して、改質器C2と燃料電池C1とを加熱する。燃料電池C1はその化学反応において熱を出すので、バーナC3は、主に、燃料電池システムAの起動時に使用される。 Hydrogen is supplied from the reformer C2 to the fuel electrode (anode) of the fuel cell C1, and air is supplied from the fluid supply device B to the air electrode (cathode). The fuel cell C1 reacts hydrogen and oxygen in the air to generate electric energy and heat energy. The electrical energy extracted as DC power is output to the inverter device D. The generated thermal energy is recovered by the exhaust heat recovery device E. The reformer C2 generates hydrogen by a chemical reaction (steam reforming) between hydrocarbons (such as methane) contained in the raw fuel supplied from the fluid supply device B and water supplied separately. Heat is required for the chemical reaction. The fuel cell C1 has an operating temperature (for example, set in the range of 750 to 1000 ° C. in the case of a solid oxide fuel cell) depending on the material, and the fuel cell C1 is set to the operating temperature. Heat is also needed to maintain. The burner C3 burns raw fuel to heat the reformer C2 and the fuel cell C1 in order to cause a chemical reaction in the reformer C2 and to raise the temperature of the fuel cell C1 to the operating temperature. To do. Since the fuel cell C1 generates heat in its chemical reaction, the burner C3 is mainly used when the fuel cell system A is started.
インバータ装置Dは、燃料電池C1が出力する直流電力を交流電力に変換して出力するものである。インバータ装置Dは電力系統に連系され、出力される交流電力が負荷に供給される。排熱回収装置Eは、燃料電池C1が出す熱、および、バーナC3での燃焼により出る熱を回収するものである。排熱回収装置Eは、燃料電池モジュールCから出る排ガスの熱を用いて、給湯などに利用している。 The inverter device D converts the DC power output from the fuel cell C1 into AC power and outputs the AC power. The inverter device D is linked to the power system, and the output AC power is supplied to the load. The exhaust heat recovery device E recovers heat generated by the fuel cell C1 and heat generated by combustion in the burner C3. The exhaust heat recovery device E uses the heat of the exhaust gas emitted from the fuel cell module C and uses it for hot water supply or the like.
流体供給装置Bは、燃料電池モジュールCが効率よく電力を生成するために、必要な流体を安定して供給する必要がある。例えば、流体供給量を制御する方法として、フィードバック制御を用いる方法が提案されている。特開2004−95226号公報には、空気流量センサの検出値が正常範囲にある場合に、フィードバック制御により空気流量制御を行う燃料電池システムが記載されている。 The fluid supply device B needs to stably supply the necessary fluid in order for the fuel cell module C to efficiently generate electric power. For example, as a method for controlling the fluid supply amount, a method using feedback control has been proposed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-95226 describes a fuel cell system that performs air flow control by feedback control when the detection value of an air flow sensor is in a normal range.
図7に記載の燃料電池システムAにおいても、各ブロワ12,22,32,42の下流側に流量計13,23,33,43が設けられており、図示しない制御装置によって、流体の流量をフィードバック制御している。すなわち、燃料電池C1の空気極(カソード)に供給される空気の流量は、流量計13によって検出される流量が目標流量と一致するように空気ブロワ12の出力を調整することで、フィードバック制御される。改質器C2に供給される原燃料の流量は、流量計23によって検出される流量が目標流量と一致するように燃料ブロワ22の出力を調整することで、フィードバック制御される。バーナC3に供給される空気の流量は、流量計33によって検出される流量が目標流量と一致するように空気ブロワ32の出力を調整することで、フィードバック制御される。バーナC3に供給される原燃料の流量は、流量計43によって検出される流量が目標流量と一致するように燃料ブロワ42の出力を調整することで、フィードバック制御される。
Also in the fuel cell system A shown in FIG. 7,
この場合、各ブロワ12,22,32,42の容量は、流体の供給先の最大使用量を想定して選定される必要がある。しかし、最大使用量の流体を必要とする場合は限られており、通常の定格運転時において、各ブロワ12,22,32,42は、低負荷率で運転されることになる。これは、各ブロワ12,22,32,42の利用効率を低下させ、ブロワの動力損失の増加を引き起こすことになる。
In this case, the capacity of each of the
これを解消するために、通常の定格運転時に使用される流量に応じた容量のブロワと、これを超える流量が必要となった場合に追加的に使用されるブロワとを設ける方法が提案されている。例えば、特開2008−248851号公報には、複数の小容量ポンプを設けて、必要流量に応じてポンプの稼動台数を増減させる流量制御装置が記載されている。 In order to solve this problem, there has been proposed a method of providing a blower having a capacity corresponding to the flow rate used during normal rated operation and a blower additionally used when a flow rate exceeding this is required. Yes. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-248851 describes a flow control device that includes a plurality of small-capacity pumps and increases or decreases the number of operating pumps according to a required flow rate.
図8は、この方法を取り入れた流体供給装置B’を説明するためのブロック図である。流体供給装置B’は、図7に示す燃料電池システムAにおける流体供給装置Bに相当するものである。なお、図8において、流体供給装置Bと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。また、図8においては、燃料電池C1に空気を供給するための要素のみを記載しており、バーナC3に空気を供給する要素、および、原燃料の供給のための要素の記載を省略している。 FIG. 8 is a block diagram for explaining a fluid supply apparatus B 'incorporating this method. The fluid supply device B 'corresponds to the fluid supply device B in the fuel cell system A shown in FIG. In FIG. 8, the same or similar elements as those of the fluid supply device B are denoted by the same reference numerals. In FIG. 8, only elements for supplying air to the fuel cell C1 are shown, and elements for supplying air to the burner C3 and elements for supplying raw fuel are omitted. Yes.
流体供給装置B’においては、空気ブロワ12およびフィルタ装置11と並列に、空気ブロワ12’およびフィルタ装置11’が設けられている。なお、逆止弁6は、空気ブロワ12が送出した空気がブロワ12’側に流入しないようにするためのものである。空気ブロワ12の容量は、通常の定格運転時の流量に応じた容量とされている。また、空気ブロワ12’の容量は、空気ブロワ12の容量と合わせた場合に流体の供給先(燃料電池C1の空気極)の最大使用量を供給できる容量とされている。制御部5は、流量計13によって検出される流量を目標流量とするフィードバック制御を行う。また、制御部5は、目標流量が空気ブロワ12によって供給できる範囲の場合、空気ブロワ12のみを稼動して空気ブロワ12の出力を調整することで制御を行う。一方、目標流量が空気ブロワ12によって供給できる範囲を超える場合、空気ブロワ12の出力を最大にして空気ブロワ12’を起動し、空気ブロワ12’の出力を調整することで制御を行う。
In the fluid supply device B ′, an
流体供給装置B’においては、通常の定格運転時にはこれに応じた容量の空気ブロワ12を用いるので、空気ブロワ12の利用効率を低下させず、無駄な電力消費を削減することができる。また、目標流量が空気ブロワ12の容量を超える場合には、空気ブロワ12’も稼動されるので、供給先の最大使用量まで空気を供給することができる。
In the fluid supply device B ', since the
しかしながら、この場合、通常の定格運転時のための空気ブロワ12とは別に、空気ブロワ12’を設ける必要がある。また、空気ブロワ12’のためのフィルタ装置11’、逆止弁6、および、空気ブロワ12’のための流路としての配管を、別途設ける必要がある。図8では記載が省略されている燃料ブロワ22についても並列に接続される燃料ブロワ、当該燃料ブロワのためのフィルタ装置、逆止弁および配管が必要となる。これにより、流体供給装置B’が大型化し、燃料電池システムA全体としても大型化するという問題がある。また、部品数が増加することで製造コストが増加するという問題もある。
However, in this case, it is necessary to provide an
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、新たなブロワを別途設けることなく、かつ、ブロワの利用効率を可及的に高くする流体供給装置を提供することをその目的としている。 The present invention has been conceived under the circumstances described above, and it is an object of the present invention to provide a fluid supply device that can increase the utilization efficiency of a blower as much as possible without providing a new blower separately. It is aimed.
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following technical means.
本発明の第1の側面によって提供される流体供給装置は、複数の供給先にそれぞれ同一の流体を供給する複数の配管と、前記各配管にそれぞれ設けられ、前記流体を昇圧して送出するためのブロワと、前記ブロワより下流側で、前記各配管を接続する接続配管と、前記複数の配管のうちの少なくとも一の配管に設けられ、当該配管を流れる前記流体の流出先を前記供給先と前記接続配管とで切り替える流路切替手段とを備えていることを特徴とする。 The fluid supply device provided by the first aspect of the present invention is provided with a plurality of pipes that supply the same fluid to a plurality of supply destinations, and each of the pipes, and pressurizes and sends out the fluid. and blower, downstream from said blower, and a connection pipe for connecting the respective pipes, provided on at least one pipe of the plurality of pipes, and the outflow destination of the fluid flowing through the pipe the supply destination It is provided with the flow-path switching means switched with the said connection piping.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記流路切替手段が設けられていない配管における、前記接続配管より下流側の流量を制御する制御手段を更に備え、前記制御手段は、前記流量の目標値が所定値未満の場合、前記流路切替手段を前記流体の流出先が当該流路切替手段が設けられた配管における前記流体の供給先となるように切り替え、前記流量の目標値が前記所定値以上の場合、前記流路切替手段を前記流体の流出先が前記接続配管となるように切り替える。 In a preferred embodiment of the present invention, the apparatus further comprises control means for controlling a flow rate downstream of the connection pipe in a pipe not provided with the flow path switching means, and the control means is a target value of the flow rate. Is less than a predetermined value, the flow path switching means is switched so that the flow destination of the fluid is the supply destination of the fluid in a pipe provided with the flow path switching means, and the target value of the flow rate is the predetermined value In the above case, the flow path switching means is switched so that the fluid outflow destination is the connection pipe.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段は、前記流量の目標値が前記所定値未満の場合、前記流量を制御される配管に設けられたブロワの出力を調整することで前記流量を制御し、前記流量の目標値が前記所定値以上の場合、前記流路切替手段が設けられた配管に設けられたブロワの出力を調整することで前記流量を制御する。 In a preferred embodiment of the present invention, when the target value of the flow rate is less than the predetermined value, the control means adjusts the flow rate by adjusting an output of a blower provided in a pipe whose flow rate is controlled. When the target value of the flow rate is equal to or greater than the predetermined value, the flow rate is controlled by adjusting the output of a blower provided in a pipe provided with the flow path switching means.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記流路切替手段は、前記流体の流出先の切替を、多段階で切り替えることができ、前記制御手段は、前記流量の目標値が前記所定値以上の場合、前記流路切替手段を前記流体の流出先が前記接続配管のみとなるように切り替えるまでは、前記流路切替手段による前記流体の流出先の切り替えを調整することで前記流量を制御し、前記流路切替手段を前記流体の流出先が前記接続配管のみとなるように切り替えた後は、前記流路切替手段が設けられた配管に設けられたブロワの出力を調整することで前記流量を制御する。 In a preferred embodiment of the present invention, the flow path switching means can switch the flow destination of the fluid in multiple stages, and the control means has a flow rate target value equal to or greater than the predetermined value. In this case, the flow rate is controlled by adjusting switching of the fluid outflow destination by the flow path switching means until the flow path switching means is switched so that the fluid outflow destination is only the connection pipe. After switching the flow path switching means so that the fluid flows out only to the connection pipe, the flow rate is adjusted by adjusting the output of a blower provided in the pipe provided with the flow path switching means. Control.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定値は、前記流量の目標値が増加しているときに使用される第1の所定値と、前記流量の目標値が減少しているときに使用される第2の所定値からなり、前記第2の所定値は前記第1の所定値未満である。 In a preferred embodiment of the present invention, the predetermined value is a first predetermined value that is used when the target value of the flow rate is increasing and a predetermined value that is used when the target value of the flow rate is decreasing. The second predetermined value is less than the first predetermined value.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段が流量を制御する配管は、燃料電池に空気を供給し、前記流路切替手段が設けられている配管は、前記燃料電池に供給する水素を生成する改質器と前記燃料電池との少なくともいずれか一方を加熱するバーナに空気を供給する。 In a preferred embodiment of the present invention, the pipe for controlling the flow rate by the control means supplies air to the fuel cell, and the pipe provided with the flow path switching means supplies hydrogen supplied to the fuel cell. Air is supplied to a burner that heats at least one of the reformer to be produced and the fuel cell.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段が流量を制御する配管は、燃料電池に供給する水素を生成する改質器に気体燃料を供給し、前記流路切替手段が設けられている配管は、前記改質器と前記燃料電池との少なくともいずれか一方を加熱するバーナに前記気体燃料を供給する。 In a preferred embodiment of the present invention, the pipe whose flow rate is controlled by the control means supplies gaseous fuel to a reformer that generates hydrogen to be supplied to the fuel cell, and the flow path switching means is provided. The pipe supplies the gaseous fuel to a burner that heats at least one of the reformer and the fuel cell.
本発明の第2の側面によって提供される燃料電池システムは、本発明の第1の側面によって提供される流体供給装置と、前記燃料電池と、前記改質器と、前記バーナとを備えている。 The fuel cell system provided by the second aspect of the present invention includes the fluid supply device provided by the first aspect of the present invention, the fuel cell, the reformer, and the burner. .
本発明によれば、それぞれブロワが設けられた複数の配管が、ブロワの下流側で接続配管によって互いに接続されている。また、少なくとも一の配管には流体の流出先を切り替える流路切替手段が設けられている。したがって、流路切替手段が流体の流出先を接続配管に切り替えることで、流路切替手段が設けられていない配管が供給する流体の流量を増加させることができる。これにより、流路切替手段が設けられていない配管は供給先に、当該配管に設けられたブロワの容量以上の流体を供給することができる。したがって、当該ブロワの容量を定格運転時に供給先に供給する流量に応じたものとすることができるので、利用効率が低下せず、ブロワの動力損失を低減できる。 According to the present invention, a plurality of pipes blower is provided respectively, are connected to each other by a connecting pipe at the downstream side of the blower. Further, at least one pipe is provided with a flow path switching means for switching a fluid outflow destination. Accordingly, the flow rate switching means switches the flow destination of the fluid to the connection pipe, whereby the flow rate of the fluid supplied by the pipe not provided with the flow path switching means can be increased. Thereby, the pipe | tube in which the flow-path switching means is not provided can supply the fluid more than the capacity | capacitance of the blower provided in the said pipe | tube to a supply destination. Therefore, since the capacity of the blower can be set according to the flow rate supplied to the supply destination during rated operation, the utilization efficiency is not lowered and the power loss of the blower can be reduced.
また、別の供給先に流体を供給するために設けられている配管および当該配管に設けられているブロワを利用するので、新たなブロワおよび配管を別途設ける必要がない。したがって、新たなブロワおよび配管を別途設ける場合と比較して、流体供給装置およびこれを用いたシステムを小型化することができ、また、製造コストを抑制することができる。 Further, since a pipe provided for supplying a fluid to another supply destination and a blower provided in the pipe are used, it is not necessary to separately provide a new blower and a pipe. Therefore, compared with a case where a new blower and piping are separately provided, the fluid supply device and the system using the fluid supply device can be reduced in size, and the manufacturing cost can be suppressed.
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明に係る流体供給装置の第1実施形態を説明するためのブロック図である。流体供給装置B1は、図7に示す燃料電池システムにおける流体供給装置Bに相当するものである。なお、図1において、流体供給装置Bと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。また、図1においては、空気の供給のための要素のみを記載しており、原燃料の供給のための要素の記載を省略している。具体的には、図7に示す流体供給装置Bにおけるフィルタ装置21,41、燃料ブロワ22,42、および流量計23,43の記載を省略している。
FIG. 1 is a block diagram for explaining a first embodiment of a fluid supply apparatus according to the present invention. The fluid supply device B1 corresponds to the fluid supply device B in the fuel cell system shown in FIG. In FIG. 1, the same or similar elements as those of the fluid supply device B are denoted by the same reference numerals. Further, in FIG. 1, only elements for supplying air are shown, and elements for supplying raw fuel are not shown. Specifically, the
流体供給装置B1は、燃料電池モジュールCに原燃料および空気を供給するものである。なお、本実施形態では、燃料電池C1に固体酸化物型燃料電池を用いた場合について説明する。流体供給装置B1は、フィルタ装置11,31、空気ブロワ12,32、流量計13,33、制御部5、逆止弁61、三方弁62、および配管14,34,63を備えている。
The fluid supply device B1 supplies raw fuel and air to the fuel cell module C. In the present embodiment, a case where a solid oxide fuel cell is used as the fuel cell C1 will be described. The fluid supply device B1 includes
フィルタ装置11,31は、外気より取り入れた空気から不純物を取り除くものである。フィルタ装置11,31の内部には、それぞれ、除去しようとする不純物より直径の小さい多数の孔が設けられた素材(例えば、ポリマー不織布、金属メッシュやウレタンなど)からなるフィルタエレメントが装着されている。空気に含まれる不純物は、当該フィルタエレメントを通過する際に除去される。フィルタエレメントに不純物が付着して目詰まりを起こすと、下流側の空気ブロワ12,32の動力損失が大きくなり、必要な流量を供給できない状態に陥るので、フィルタエレメントは定期的に新しいものと交換される。
The
空気ブロワ12,32は、フィルタ装置11,31によって不純物を取り除かれた空気を昇圧して送出するものである。空気ブロワ12が送出する空気は配管14を流れて、燃料電池C1のカソード側に供給され、空気ブロワ32が送出する空気は配管34を流れて、バーナC3に供給される(図7参照)。空気ブロワ12および32の容量は、それぞれ燃料電池C1およびバーナC3の通常の定格運転時に使用される空気の流量に応じた容量とされている。
The
通常、燃料電池システムAの起動開始時などには、燃料電池モジュールCの温度を所定の運転温度(750〜1000℃の範囲で予め設定されている。)まで昇温するために、バーナC3が加熱を行う(以下、この昇温のための工程を「昇温工程」という。)。したがって、空気ブロワ32は、昇温工程において、バーナC3に空気を供給するために、動作状態となっている。しかし、昇温工程の後、燃料電池モジュールCが運転温度を維持できるようになると、バーナC3が加熱を停止するので、空気ブロワ32は停止される。なお、燃料電池システムAが稼動状態の間は燃料電池C1に空気を供給する必要があるので、空気ブロワ12は動作状態を継続する。
Usually, at the start of starting the fuel cell system A, the burner C3 is used to raise the temperature of the fuel cell module C to a predetermined operating temperature (preset in a range of 750 to 1000 ° C.). Heating is performed (hereinafter, the process for raising the temperature is referred to as “temperature raising process”). Accordingly, the
流量計13,33は、配管を流れる空気の流量を計測するものであり、計測した流量値を制御部5に入力する。流量計13は、燃料電池C1に供給される空気の流量を計測し、流量計33は、バーナC3に供給される空気の流量を計測する。
The
配管14は、空気ブロワ12から排出された空気を燃料電池C1に供給するための流路を構成するものであり、空気ブロワ12の排出口と燃料電池C1の吸入口とを接続している。配管34は、空気ブロワ32から排出された空気をバーナC3に供給するための流路を構成するものであり、空気ブロワ32の排出口とバーナC3の吸入口とを接続している。配管63は、配管14と配管34とを接続するものである。配管14は空気ブロワ12と流量計13との間で配管63と接続し、配管34は空気ブロワ32と流量計33との間で三方弁62を介して配管63と接続している。なお、フィルタ装置11,31の排出口と空気ブロワ12,32の吸入口とは、それぞれ配管で接続されている。
The
逆止弁61は、配管63の途中に設けられており、配管14側から配管34側に空気が流出しないようにするためのものである。これにより、空気ブロワ12から排出され配管14を流れる空気が三方弁62側に流れることがなく、一方、空気ブロワ32から排出される空気は三方弁62および配管63を介して燃料電池C1側に流れる。
The
三方弁62は、配管34と配管63との接続部に設けられており、空気ブロワ32から排出される空気の流路を切り替えるものである。三方弁62の流入口には、空気ブロワ32から排出される空気が流入する。三方弁62の一方の排出口から排出された空気は、配管34をそのまま流れて、バーナC3に供給される。三方弁62の他方の排出口から排出された空気は、配管63および配管14を流れて、燃料電池C1に供給される。すなわち、三方弁62は、空気ブロワ32から排出される空気の供給先を、燃料電池C1とバーナC3とで切り替えることができる。本実施形態では、三方弁62を例えば電動比例制御弁としているので、開度を比例制御することができる。すなわち、燃料電池C1とバーナC3に供給される空気流量の比率を徐々に変化させることができる。配管63側の開度が0%のとき配管34側の開度は100%となっており、配管63側の開度を徐々に大きくすると配管34側の開度が徐々に小さくなる。例えば、配管63側の開度を30%とすると配管34側の開度は70%となり、空気ブロワ32から排出される空気のうち30%が燃料電池C1に供給され、70%がバーナC3に供給される。
The three-
制御部5は、流体供給装置B1の制御を行うものである。制御部5は、流量計13および33より入力される流量値をそれぞれの目標流量値と一致させるように、空気ブロワ12,32および三方弁62を調整して、フィードバック制御を行う。制御部5は、空気ブロワ12および32に出力制御信号を出力して、空気ブロワ12および32の出力を調整することで、燃料電池C1またはバーナC3に供給される空気の流量を制御する。また、制御部5は、三方弁62に開閉制御信号を出力して三方弁62の配管63側の開度を調整することでも、燃料電池C1に供給される空気の流量を制御する。
The
先に述べたように、起動時の昇温工程においてはバーナC3による加熱が必要となるので、バーナC3に空気を供給する必要がある。また、燃料電池システムAが稼動状態の間は燃料電池C1に空気を供給する必要がある。したがって、起動時の昇温工程において、制御部5は、燃料電池C1に供給する空気の流量とバーナC3に供給する空気の流量とをそれぞれ独立に制御するために、三方弁62の配管63側の開度を0%として、配管34から配管63を通って配管14に空気が流れないようにする。そして、流量計13より入力される流量値に基づいて空気ブロワ12を調整することで燃料電池C1に供給する空気の流量をフィードバック制御する。また、流量計33より入力される流量値に基づいて空気ブロワ32を調整することでバーナC3に供給する空気の流量をフィードバック制御する。
As described above, since heating by the burner C3 is required in the temperature raising process at the time of startup, it is necessary to supply air to the burner C3. Further, it is necessary to supply air to the fuel cell C1 while the fuel cell system A is in operation. Therefore, in the temperature rising process at the time of startup, the
起動時の昇温工程においては、燃料電池C1がインバータ装置Dに電力を供給する状態にはなっておらず、燃料電池C1は発電していないので、空気ブロワ12のみで、燃料電池C1が必要とする空気を供給することができる。
In the temperature raising process at the start-up, the fuel cell C1 is not in a state of supplying power to the inverter device D, and the fuel cell C1 is not generating electric power. Therefore, the fuel cell C1 is required only by the
昇温工程の後の通常運転時には、燃料電池モジュールCが運転温度を維持できる状態になっているので、バーナC3は加熱を停止する。したがって、空気ブロワ32は、バーナC3に空気を供給する必要がないので、停止される。一方、燃料電池システムAは稼動状態であり燃料電池C1に空気を供給する必要があるので、空気ブロワ12は動作状態を継続する。
During normal operation after the temperature raising step, the fuel cell module C is in a state where it can maintain the operation temperature, so the burner C3 stops heating. Accordingly, the
通常運転時において、制御部5は、流量計13より入力される流量値を、与えられる目標流量値A*と一致させるようにフィードバック制御を行う。目標流量値A*は、燃料電池C1が必要とする空気の流量に基づいて設定される。燃料電池C1が必要とする空気の流量は、インバータ装置Dが要求する電力などにより変化する。例えば、インバータ装置Dが燃料電池C1から取り出す電力が増加する際、燃料電池C1はより多くの空気を必要とするので、目標流量値A*が増加される。制御部5は、この目標流量値A*に応じて制御方法を変化させて、流量の制御を行う点に特徴がある。当該制御方法を、図2および図3を参照して、以下に説明する。
During normal operation, the
図2は、制御部5が行う、燃料電池C1に供給する空気の流量制御処理を説明するためのフローチャートである。当該流量制御処理は、流体供給装置B1が起動された時に開始され、稼動停止するまで継続される。
FIG. 2 is a flowchart for explaining a flow rate control process of air supplied to the fuel cell C <b> 1 performed by the
当該流量制御処理が開始されると、目標流量値A*が起動設定値A0より小さいか否かが判別される(S1)。起動設定値A0は、空気ブロワ32を起動させるか否かを判定するための流量の閾値であり、空気ブロワ12の最大出力N1max時の流量が予め設定されている。目標流量値A*が起動設定値A0より小さい場合(S1:YES)、三方弁62の配管63側の開度が全閉状態(0%)とされ、空気ブロワ12の出力が調整されることで、流量の制御が行われ(S2)、ステップS1に戻る。なお、起動時の昇温工程の場合、先に述べたように、空気ブロワ32は、当該流量制御処理とは別の処理で、制御部5によって調整される。
When the flow rate control process is started, it is determined whether or not the target flow rate value A * is smaller than the activation set value A 0 (S1). The activation set value A 0 is a flow rate threshold value for determining whether to activate the
ステップS1において、目標流量値A*が起動設定値A0以上の場合(S1:NO)、目標流量値A*が起動設定値A0と等しいか否かが判別される(S3)。目標流量値A*が起動設定値A0と等しい場合(S3:YES)、空気ブロワ12の出力がA*=A0時の出力、すなわち最大出力N1maxに固定され、空気ブロワ32が起動または停止されて(S4)、ステップS1に戻る。なお、空気ブロワ32が停止状態で目標流量値A*が増加して起動設定値A0に一致した場合は空気ブロワ32が起動され、空気ブロワ32が稼動状態で目標流量値A*が減少して起動設定値A0に一致した場合は空気ブロワ32が停止される。なお、このときも三方弁62の配管63側の開度は全閉(0%)である。また、起動された空気ブロワ32の出力は、動作可能な最低の出力である最小出力N2minになる。
In step S1, if the target flow rate value A * is equal to or greater than the startup set value A 0 (S1: NO), it is determined whether the target flow rate value A * is equal to the startup set value A 0 (S3). When the target flow rate value A * is equal to the starting set value A 0 (S3: YES), the output of the
ステップS3において、目標流量値A*が起動設定値A0と等しくない場合(S3:NO)、すなわち、目標流量値A*が起動設定値A0より大きい場合、三方弁62による調整が可能か否かが判別される(S5)。目標流量値A*が上昇する局面においては、空気ブロワ12の出力が最大出力N1maxに達し、かつ、三方弁62の配管63側の開度が全開状態(100%)に達していない場合が、三方弁62による調整が可能であると判別される。一方、目標流量値A*が下降する局面においては、空気ブロワ32の出力が最小出力N2minに達し、かつ、三方弁62の配管63側の開度が全閉状態(0%)に達していない場合が、三方弁62による調整が可能であると判別される。三方弁62による調整が可能である場合(S5:YES)、空気ブロワ12および32の出力が固定され、三方弁62の配管63側の開度が調整されることで、流量の制御が行われ(S6)、ステップS1に戻る。一方、三方弁62による調整が可能でない場合(S5:NO)、空気ブロワ12の出力が固定され、空気ブロワ32の出力が調整されることで、流量の制御が行われ(S7)、ステップS1に戻る。
In step S3, if the target flow rate value A * is not equal to the starting set value A 0 (S3: NO), that is, if the target flow rate value A * is greater than the starting set value A 0 , is the adjustment by the three-
図3は、当該流量制御処理を説明するためのタイミングチャートであり、目標流量値A*と、これに応じた空気ブロワ12,32の出力および三方弁62の配管63側の開度を表している。同図(a)は、目標流量値A*の変化を表している。同図に示す例では、目標流量値A*は、時刻t=t1からt4まで上昇して、時刻t=t4からt5は一定を保ち、時刻t=t5からt8まで下降した場合を示している。同図(b)および(d)は、空気ブロワ12および32の出力を示しており、同図(c)は三方弁62の配管63側の開度を示している。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the flow rate control process, showing the target flow rate value A * , the output of the
時刻t=t1からt2までは、目標流量値A*が起動設定値A0より小さいので、空気ブロワ12の出力調整により流量の制御が行われる(図2:ステップS2参照)。したがって、図3(b)に示す空気ブロワ12の出力のみが変化している。時刻t=t2のときに、目標流量値A*が起動設定値A0に一致したので、空気ブロワ12の出力が最大出力N1maxに固定され、空気ブロワ32が起動される(図3(d)のt=t2参照)。
From the time t = t1 to t2, since the target flow rate value A * is smaller than the start set value A 0, the flow control by output adjustment of the
時刻t=t2からt3までは、A*>A0であり、三方弁62の配管63側の開度が全開状態(100%)に至っていないので(図2:ステップS5においてYES)、空気ブロワ12の出力が最大出力N1maxに固定され、空気ブロワ32の出力が最小出力N2minに固定され、三方弁62の配管63側の開度調整により流量の制御が行われる(図2:ステップS6参照)。したがって、図3(c)に示す三方弁62の配管63側の開度のみが変化している。
From the time t = t2 to t3, A *> is A 0, since the
時刻t=t3からt4までは、A*>A0であり、三方弁62の配管63側の開度が全開状態になっているので(図2:ステップS5においてNO)、空気ブロワ12の出力が最大出力N1maxに固定され、空気ブロワ32の出力調整により流量の制御が行われる(図2:ステップS7参照)。したがって、図3(d)に示す空気ブロワ32の出力のみが変化している。続く時刻t=t4からt5までも空気ブロワ32の出力調整により流量の制御が行われているが(図2:ステップS7参照)、目標流量値A*が変化しないので、空気ブロワ32の出力も変化していない。もちろん、厳密にはフィードバック制御であるため、流量計13より入力される流量値が目標流量値A*になるように、制御部5によって空気ブロワ32の出力が制御される。
From the time t = t3 to t4, A *> is A 0, since the
時刻t=t5からt6までは、A*>A0であり、空気ブロワ32の出力が最小出力N2minに達していないので、空気ブロワ12の出力が最大出力N1maxに固定され、空気ブロワ32の出力調整により流量の制御が行われる(図2:ステップS7参照)。したがって、図3(d)に示す空気ブロワ32の出力のみが変化している。
From time t = t5 to t6, A * > A 0 and the output of the
時刻t=t6からt7までは、A*>A0であり、空気ブロワ32の出力が最小出力N2minであり、かつ、三方弁62の配管63側の開度が全閉状態(0%)に達していないので、空気ブロワ12の出力が最大出力N1maxに固定され、空気ブロワ32の出力が最小出力N2minに固定され、三方弁62の配管63側の開度調整により流量の制御が行われる(図2:ステップS6参照)。したがって、図3(c)に示す三方弁62の配管63側の開度のみが変化している。
From time t = t6 to t7, A *> is A 0, the output is minimum output
時刻t=t7のときに、目標流量値A*が起動設定値A0に一致したので、空気ブロワ32が停止される(図3(d)のt=t7参照)。時刻t=t7からt8までは、目標流量値A*が起動設定値A0より小さいので、空気ブロワ12の出力調整により流量の制御が行われる(図2:ステップS2参照)。したがって、図3(b)に示す空気ブロワ12の出力のみが変化している。
At time t = t7, since the target flow rate value A * matches the start set value A 0, the
なお、上記図2および図3に示す流量制御処理は、一例であって、これに限定されない。上記流量制御処理では、三方弁62による調整と空気ブロワ32による調整とを分けて、どちらか一方の調整のみを行うようにしているが、両者の調整を同時に行って流量を制御するようにしてもよい。
The flow rate control process shown in FIGS. 2 and 3 is an example, and the present invention is not limited to this. In the flow rate control process, the adjustment by the three-
次に、流体供給装置B1の動作について説明する。 Next, the operation of the fluid supply device B1 will be described.
流体供給装置B1は、起動時の昇温工程において、三方弁62の配管63側の開度を0%として、配管34から、配管63を通って配管14に空気が流れないようにする。そして、空気ブロワ12を調整することで燃料電池C1に供給する空気の流量を制御し、空気ブロワ32を調整することでバーナC3に供給する空気の流量を制御する。
The fluid supply device B1 prevents the air from flowing from the
また、通常運転時においては、バーナC3に空気を供給する必要がないので、空気ブロワ12,32、および三方弁62を調整することで、燃料電池C1に供給する空気の流量を制御する。すなわち、流体供給装置B1は、目標流量値A*が起動設定値A0より小さい場合、三方弁62の配管63側の開度を全閉状態(0%)として、空気ブロワ12の出力を調整することで流量を制御する。目標流量値A*が起動設定値A0に達すると、空気ブロワ32を起動し、空気ブロワ12,32の出力を固定して三方弁62の配管63側の開度を調整することで流量を制御する。さらに目標流量値A*が上昇して、三方弁62の配管63側の開度が全開状態(100%)に達した後は、空気ブロワ32の出力を調整することで流量を制御する。
Further, during normal operation, since it is not necessary to supply air to the burner C3, the flow rate of air supplied to the fuel cell C1 is controlled by adjusting the
目標流量値A*が下降する時は、まず、空気ブロワ32の出力を調整することで流量を制御する。空気ブロワ32の出力が最小出力N2minに達すると、三方弁62の配管63側の開度を調整することで流量を制御する。さらに目標流量値A*が下降して、三方弁62の配管63側の開度が全閉状態(0%)に達した後は、空気ブロワ12の出力を調整することで流量を制御する。
When the target flow rate value A * decreases, first, the flow rate is controlled by adjusting the output of the
次に、流体供給装置B1の作用について説明する。 Next, the operation of the fluid supply device B1 will be described.
流体供給装置B1は、目標流量値A*が起動設定値A0より大きい場合、空気ブロワ32の出力および三方弁62の開度を調整することで流量を制御することができる。また、空気ブロワ12の容量と空気ブロワ32の容量とを合わせた容量まで、燃料電池C1に空気を供給することができる。したがって、空気ブロワ12の容量を燃料電池C1の通常の定格運転時に使用される空気の流量に応じた容量とすることができるので、利用効率が低下せず、ブロワの動力損失を低減できる。
When the target flow rate value A * is larger than the activation set value A 0 , the fluid supply device B1 can control the flow rate by adjusting the output of the
また、流体供給装置B1は、バーナC3に空気を供給するために設けられている空気ブロワ32を、燃料電池C1に空気を供給するためにも使用している。したがって、空気ブロワ12の容量を超える空気が必要となった場合のための新たな空気ブロワを別途設ける必要がない。また、当該新たな空気ブロワのためのフィルタ装置および配管も追加する必要がない。したがって、新たな空気ブロワを別途設ける場合と比較して、流体供給装置B1およびこれを用いた燃料電池システムAを小型化することができ、また、装置の製造コストを抑制することができる。
In addition, the fluid supply device B1 uses an
なお、上記第1実施形態で、目標流量値A*が起動設定値A0に一致した場合に、三方弁62の排出を配管63側に切り替えて(配管63側の開度を全開状態(100%)にして)、空気ブロワ32の出力調整で流量制御を行うことにしていないのは、以下の理由による。すなわち、三方弁62の排出を配管63側に切り替えた瞬間、空気ブロワ32の最小出力N2minによる空気の供給が追加されることになる。供給される空気の流量が急増すると、燃料電池C1の温度が急に低下する。燃料電池C1にはその素材により運転温度(例えば、固体酸化物型燃料電池の場合、750〜1000℃の範囲で設定されている)が設定されており、温度が急低下して運転温度を下回ると、燃料電池C1が損傷する可能性がある。したがって、燃料電池C1に供給する空気の流量の急変を回避するために、三方弁62の配管63側の開度を徐々に変化させるようにしている。
In the first embodiment, when the target flow rate value A * coincides with the starting set value A 0 , the discharge of the three-
したがって、燃料電池C1が急激な温度変化に対応できるものである場合や、空気ブロワ32の最小出力N2minが小さい場合(燃料電池C1に供給される空気の流量が急変しない場合)であれば、目標流量値A*が起動設定値A0に一致したときに三方弁62の排出を配管63側に切り替えて、その後は空気ブロワ32の出力調整で流量制御を行うようにしてもよい。この場合、三方弁62を電動比例制御弁とする必要はなく、例えば電磁弁にすることができる。
Therefore, if the fuel cell C1 can cope with a rapid temperature change, or if the minimum output N2min of the
なお、上記第1実施形態においては、起動設定値A0を空気ブロワ12の最大出力N1max時の流量としているが、これに限られない。起動設定値A0は、空気ブロワ12の最大出力N1max時の流量以下の値であればよい。
In the first embodiment, the starting set value A 0 is the flow rate at the maximum output N1max of the
また、上記第1実施形態においては、目標流量値A*が上昇する場合も下降する場合も、起動設定値A0を閾値としているが、これに限られない。起動設定値A0より小さい値である停止設定値A1を別途設定して、目標流量値A*が下降する場合の閾値としてもよい。この場合、目標流量値A*が起動設定値A0前後で変化することによる空気ブロワ32の起動と停止の繰り返し(いわゆるハンチング現象)を抑制することができる。
In the first embodiment, the activation set value A 0 is used as the threshold value regardless of whether the target flow rate value A * increases or decreases. However, the present invention is not limited to this. A stop set value A 1 , which is smaller than the start set value A 0, may be set separately and used as a threshold value when the target flow rate value A * decreases. In this case, it is possible to target flow rate value A * to suppress the repetition (so-called hunting phenomenon) Starting and stopping the
図4は、起動設定値A0とは別に停止設定値A1を設定した場合の効果を説明するための図である。同図に示す実線は、目標流量値A*の変化を示している。目標流量値A*が上昇する場合も下降する場合も起動設定値A0を閾値とする場合、時刻t=ta,tc,teで空気ブロワ32が起動され、時刻t=tb,td,tfで空気ブロワ32が停止される。一方、目標流量値A*が下降する場合の閾値を停止設定値A1とする場合、時刻t=taで空気ブロワ32が起動され、時刻t=tgで空気ブロワ32が停止される。したがって、時刻t=tb〜tfにおける空気ブロワ32の起動および停止を抑制することができる。これにより、起動と停止の繰り返しによる空気ブロワ32に内蔵されるモータの劣化を抑制することができる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the effect when the stop set value A 1 is set separately from the start set value A 0 . The solid line shown in the figure shows the change in the target flow rate value A * . Whether the target flow rate value A * increases or decreases, when the activation set value A 0 is used as a threshold value, the
なお、三方弁62の代わりに2つの制御弁を用いて、一方の制御弁の開度に応じて他方の制御弁の開度を変化させるようにしてもよい。すなわち、一方の制御弁の開度が100%のとき他方の制御弁の開度を0%とし、一方の制御弁の開度が0%のとき他方の制御弁の開度を100%とするように調整するようにしてもよい。
Note that two control valves may be used instead of the three-
なお、上記第1実施形態においては、制御部5がフィードバック制御を行う場合について説明したが、これに限定されない。例えば、フィードフォワード制御など他の制御を行う場合にも、本発明を適用することができる。
In the first embodiment, the case where the
なお、上記第1実施形態においては、燃料電池モジュールC(図7参照)に空気を供給する流路について本発明を適用した場合について説明したが、燃料電池モジュールCに原燃料を供給する流路にも、本発明を適用することができる。以下に、原燃料を供給する流路について本発明を適用した流体供給装置を、第2実施形態として説明する。 In the first embodiment, the case where the present invention is applied to the flow path for supplying air to the fuel cell module C (see FIG. 7) has been described. However, the flow path for supplying raw fuel to the fuel cell module C. Also, the present invention can be applied. Hereinafter, a fluid supply apparatus to which the present invention is applied to a flow path for supplying raw fuel will be described as a second embodiment.
図5は、本発明に係る流体供給装置の第2実施形態を説明するためのブロック図である。流体供給装置B2は、図7に示す燃料電池システムにおける流体供給装置Bに相当するものである。なお、図5において、流体供給装置Bと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。また、原燃料の供給のための要素のみを記載しており、空気の供給のための要素の記載を省略している。具体的には、図7に示す流体供給装置Bにおけるフィルタ装置11,31、空気ブロワ12,32、および流量計13,33の記載を省略している。
FIG. 5 is a block diagram for explaining a second embodiment of the fluid supply apparatus according to the present invention. The fluid supply device B2 corresponds to the fluid supply device B in the fuel cell system shown in FIG. In FIG. 5, the same or similar elements as those of the fluid supply device B are denoted by the same reference numerals. Further, only elements for supplying raw fuel are described, and elements for supplying air are omitted. Specifically, the description of the
流体供給装置B2は、燃料電池モジュールCに原燃料および空気を供給するものである。流体供給装置B2は、フィルタ装置21,41、燃料ブロワ22,42、流量計23,43、制御部5、逆止弁71、三方弁72、および配管24,44,73を備えている。
The fluid supply device B2 supplies raw fuel and air to the fuel cell module C. The fluid supply device B2 includes
フィルタ装置21,41は、原燃料から不純物を取り除くものである。フィルタ装置21,41の内部には、それぞれ、除去しようとする不純物より直径の小さい多数の孔が設けられた素材(例えば、金属メッシュやポリマー不織布、ウレタンなど)からなるフィルタエレメントが備えられている。原燃料に含まれる不純物は、当該フィルタエレメントを通過する際に除去される。
The
燃料ブロワ22,42は、フィルタ装置21,41によって不純物を取り除かれた原燃料を昇圧して送出するものである。燃料ブロワ22が送出する原燃料は配管24を流れて、改質器C2に供給され、燃料ブロワ42が送出する原燃料は配管44を流れて、バーナC3に供給される(図7参照)。空気ブロワ22および42の容量は、それぞれ改質器C2およびバーナC3の通常の定格運転時に使用される原燃料の流量に応じた容量とされている。
The
上述したように、昇温工程においてバーナC3が加熱を行うので、燃料ブロワ42は、バーナC3に原燃料を供給するために、動作状態になる。また、昇温工程の後は、バーナC3が加熱を停止するので、燃料ブロワ42は停止される。なお、燃料電池システムAが稼動状態の間は燃料電池C1に水素を供給する必要があるので、改質器C2に原燃料を供給する必要がある。したがって、燃料ブロワ22は動作状態を継続する。
As described above, since the burner C3 performs heating in the temperature raising step, the
流量計23,43は、配管を流れる原燃料の流量を計測するものであり、計測した流量値を制御部5に入力する。流量計23は、改質器C2に供給される原燃料の流量を計測し、流量計43は、バーナC3に供給される原燃料の流量を計測する。
The
配管24は、燃料ブロワ22から排出された原燃料を改質器C2に供給するための流路を構成するものであり、燃料ブロワ22の排出口と改質器C2の吸入口とを接続している。配管44は、燃料ブロワ42から排出された原燃料をバーナC3に供給するための流路を構成するものであり、燃料ブロワ42の排出口とバーナC3の吸入口とを接続している。配管73は、配管24と配管44とを接続するものである。配管24は燃料ブロワ22と流量計23との間で配管73と接続し、配管44は燃料ブロワ42と流量計43との間で三方弁72を介して配管73と接続している。なお、フィルタ装置21,41の排出口と燃料ブロワ22,42の吸入口とは、それぞれ配管で接続されている。
The
逆止弁71は、配管73の途中に設けられており、配管24側から配管44側に原燃料が流出しないようにするためのものである。これにより、燃料ブロワ22から排出され配管24を流れる原燃料が三方弁72側に流れることがなく、一方、燃料ブロワ42から排出される原燃料は三方弁72および配管73を介して改質器C2側に流れる。
The
三方弁72は、配管44と配管73との接続部に設けられており、燃料ブロワ42から排出される原燃料の流路を切り替えるものである。三方弁72の流入口には、燃料ブロワ42から排出される原燃料が流入する。三方弁72の一方の排出口から排出された原燃料は、配管44をそのまま流れて、バーナC3に供給される。三方弁72の他方の排出口から排出された原燃料は、配管73および配管24を流れて、改質器C2に供給される。すなわち、三方弁72は、燃料ブロワ42から排出される原燃料の供給先を、改質器C2とバーナC3とで切り替えることができる。本実施形態では、三方弁72を例えば電動比例制御弁としているので、開度を比例制御することができる。すなわち、改質器C2とバーナC3に供給される原燃料流量の比率を徐々に変化させることができる。配管73側の開度が0%のとき配管44側の開度は100%となっており、配管73側の開度を徐々に大きくすると配管44側の開度が徐々に小さくなる。例えば、配管73側の開度を30%とすると配管44側の開度は70%となり、燃料ブロワ42から排出される原燃料のうち30%が改質器C2に供給され、70%がバーナC3に供給される。
The three-
制御部5は、流体供給装置B2の制御を行うものである。制御部5は、流量計23および43より入力される流量値をそれぞれの目標流量値と一致させるように、燃料ブロワ22,42および三方弁72を調整して、フィードバック制御を行う。制御部5は、燃料ブロワ22および42に出力制御信号を出力して、燃料ブロワ22および42の出力を調整することで、改質器C2またはバーナC3に供給される原燃料の流量を制御する。また、制御部5は、三方弁72に開閉制御信号を出力して三方弁72の配管73側の開度を調整することでも、改質器C2に供給される原燃料の流量を制御する。
The
先に述べたように、起動時の昇温工程においてはバーナC3による加熱が必要となるので、バーナC3に原燃料を供給する必要がある。また、燃料電池システムAが稼動状態の間は改質器C2に原燃料を供給する必要がある。したがって、起動時の昇温工程において、制御部5は、改質器C2に供給する原燃料の流量とバーナC3に供給する原燃料の流量とをそれぞれ独立に制御するために、三方弁72の配管73側の開度を0%として、配管44から配管73を通って配管24に原燃料が流れないようにする。そして、流量計23より入力される流量値に基づいて燃料ブロワ22を調整することで改質器C2に供給する原燃料の流量をフィードバック制御する。また、流量計43より入力される流量値に基づいて空気ブロワ42を調整することでバーナC3に供給する燃料の流量をフィードバック制御する。
As described above, since heating by the burner C3 is necessary in the temperature raising process at the time of startup, it is necessary to supply raw fuel to the burner C3. Further, it is necessary to supply raw fuel to the reformer C2 while the fuel cell system A is in operation. Therefore, in the temperature raising process at the start-up, the
起動時の昇温工程においては、改質器C2がインバータ装置Dに電力を供給する状態にはなっておらず、燃料電池C1は発電していないので、燃料ブロワ22のみで、改質器C2が必要とする燃料を供給することができる。 In the temperature raising process at the time of startup, the reformer C2 is not in a state of supplying power to the inverter device D, and the fuel cell C1 is not generating power. Can supply the fuel needed.
昇温工程の後の通常運転時には、燃料電池モジュールCが運転温度を維持できる状態になっているので、バーナC3は加熱を停止する。したがって、燃料ブロワ42は、バーナC3に原燃料を供給する必要がないので、停止される。一方、燃料電池システムAは稼動状態であり改質器C2に原燃料を供給する必要があるので、燃料ブロワ22は動作状態を継続する。
During normal operation after the temperature raising step, the fuel cell module C is in a state where it can maintain the operation temperature, so the burner C3 stops heating. Therefore, the
通常運転時において、制御部5は、流量計23より入力される流量値を、与えられる目標流量値と一致させるようにフィードバック制御を行う。目標流量値は、改質器C2が必要とする原燃料の流量に基づいて設定される。改質器C2が必要とする原燃料の流量は、インバータ装置Dが要求する電力などにより変化する。例えば、インバータ装置Dが燃料電池C1から取り出す電力が増加する際、燃料電池C1はより多くの原燃料を必要とするので、目標流量値が増加される。制御部5は、この目標流量値に応じて制御方法を変化させて、流量の制御を行う点に特徴がある。この改質器C2に供給する原燃料の流量制御処理は、上記第1実施形態における流量制御処理と同様の処理となる。
During normal operation, the
流体供給装置B2は、起動時の昇温工程において、三方弁72の配管73側の開度を0%として、配管44から、配管73を通って配管24に原燃料が流れないようにする。そして、燃料ブロワ22を調整することで改質器C2に供給する原燃料の流量を制御し、燃料ブロワ42を調整することでバーナC3に供給する原燃料の流量を制御する。
The fluid supply device B2 prevents the raw fuel from flowing from the
また、通常運転時においては、バーナC3に原燃料を供給する必要がないので、燃料ブロワ22,42、および三方弁72を調整することで、改質器C2に供給する原燃料の流量を制御する。すなわち、流体供給装置B2は、目標流量値が起動設定値より小さい場合、三方弁72の配管73側の開度を全閉状態(0%)として、燃料ブロワ22の出力を調整することで流量を制御する。目標流量値が起動設定値に達すると、燃料ブロワ42を起動し、燃料ブロワ22,42の出力を固定して三方弁72の配管73側の開度を調整することで流量を制御する。さらに目標流量値が上昇して、三方弁72の配管73側の開度が全開状態(100%)に達した後は、燃料ブロワ42の出力を調整することで流量を制御する。
Further, since it is not necessary to supply raw fuel to the burner C3 during normal operation, the flow rate of the raw fuel supplied to the reformer C2 is controlled by adjusting the
目標流量値が下降する時は、まず、燃料ブロワ42の出力を調整することで流量を制御する。燃料ブロワ42の出力が最小出力に達すると、三方弁72の配管73側の開度を調整することで流量を制御する。さらに目標流量値が下降して、三方弁72の配管73側の開度が全閉状態(0%)に達した後は、燃料ブロワ22の出力を調整することで流量を制御する。
When the target flow rate value decreases, first, the flow rate is controlled by adjusting the output of the
流体供給装置B2は、目標流量値が起動設定値より大きい場合、燃料ブロワ42の出力および三方弁72の開度を調整することで流量を制御することができる。また、燃料ブロワ22の容量と燃料ブロワ42の容量とを合わせた容量まで、改質器C2に原燃料を供給することができる。したがって、燃料ブロワ22の容量を改質器C2の通常の定格運転時に使用される原燃料の流量に応じた容量とすることができるので、利用効率が低下せず、ブロワの動力損失を低減できる。
When the target flow rate value is larger than the activation set value, the fluid supply device B2 can control the flow rate by adjusting the output of the
また、流体供給装置B2は、バーナC3に原燃料を供給するために設けられている燃料ブロワ42を、改質器C2に原燃料を供給するためにも使用している。したがって、燃料ブロワ22の容量を超える原燃料が必要となった場合のための新たな燃料ブロワを別途設ける必要がない。また、当該新たな燃料ブロワのためのフィルタ装置および配管も追加する必要がない。したがって、新たな燃料ブロワを別途設ける場合と比較して、流体供給装置B2およびこれを用いた燃料電池システムAを小型化することができ、また、製造コストを抑制することができる。
The fluid supply device B2 also uses the
なお、第2実施形態においても、燃料電池C1が急激な温度変化に対応できるものである場合や、燃料ブロワ42の最小出力が小さい場合(改質器C2に供給される原燃料の流量が急変しない場合)であれば、目標流量値が起動設定値に一致したときに三方弁72の排出を配管73側に切り替えて、その後は燃料ブロワ42の出力調整で流量制御を行うようにしてもよい。また、起動設定値は、燃料ブロワ22の最大出力時の流量以下の値であればよい。また、起動設定値より小さい値である停止設定値を別途設定して、目標流量値が下降する場合の閾値としてもよい。また、三方弁72の代わりに2つの制御弁を用いるようにしてもよいし、制御部5における制御を、フィードフォワード制御など他の制御としてもよい。
Also in the second embodiment, when the fuel cell C1 can cope with a rapid temperature change, or when the minimum output of the
図6は、本発明に係る流体供給装置の第3実施形態を説明するためのブロック図である。同図に示す流体供給装置B3は、第1実施形態に示す流体供給装置B1(図1参照)の空気を供給する流路と、第2実施形態に示す流体供給装置B2(図5参照)の原燃料を供給する流路とを、組み合わせて表したものである。流体供給装置B3の各要素は、流体供給装置B1および流体供給装置B2の各要素と同様なので、説明を省略する。 FIG. 6 is a block diagram for explaining a third embodiment of the fluid supply apparatus according to the present invention. The fluid supply device B3 shown in the figure includes a flow path for supplying air of the fluid supply device B1 (see FIG. 1) shown in the first embodiment and a fluid supply device B2 (see FIG. 5) shown in the second embodiment. A flow path for supplying raw fuel is shown in combination. Since each element of the fluid supply device B3 is the same as each element of the fluid supply device B1 and the fluid supply device B2, description thereof will be omitted.
なお、上記第1ないし第3実施形態においては、燃料電池C1が固体酸化物型燃料電池の場合について説明したが、これに限られない。本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池などの他の種類の燃料電池を用いる燃料電池モジュールに空気または原燃料を供給する場合にも適用することができる。 In the first to third embodiments, the fuel cell C1 is a solid oxide fuel cell. However, the present invention is not limited to this. The present invention is also applicable to the case where air or raw fuel is supplied to a fuel cell module that uses other types of fuel cells such as molten carbonate fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, and phosphoric acid fuel cells. Can do.
なお、上記第1ないし第3実施形態においては、燃料電池C1に空気を供給する流路(フィルタ装置11、空気ブロワ12、および配管14よりなる流路)、バーナC3に空気を供給する流路(フィルタ装置31、空気ブロワ32、および配管34よりなる流路)、改質器C2に原燃料を供給する流路(フィルタ装置21、燃料ブロワ22、および配管24よりなる流路)、バーナC3に原燃料を供給する流路(フィルタ装置41、燃料ブロワ42、および配管44よりなる流路)がそれぞれ1つずつの場合について説明したが、これに限られない。いずれかが複数ある構成であっても構わない。
In the first to third embodiments, a flow path for supplying air to the fuel cell C1 (flow path including the
なお、上記第1ないし第3実施形態においては、本発明に係る流体供給装置を燃料電池システムに用いた場合について説明したが、これに限られない。本発明は、他のシステムに流体を供給する流体供給装置にも適用することができる。なお、供給される流体は、空気および原燃料に限定されず、他の気体または液体であってもよい。例えば、冷却水を連続的に供給する必要があるシステムなどにも、本発明に係る流体供給装置を用いることができる。 In the first to third embodiments, the case where the fluid supply apparatus according to the present invention is used in a fuel cell system has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a fluid supply apparatus that supplies fluid to other systems. The supplied fluid is not limited to air and raw fuel, but may be other gas or liquid. For example, the fluid supply apparatus according to the present invention can be used for a system that needs to continuously supply cooling water.
本発明に係る流体供給装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る流体供給装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The fluid supply apparatus according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. The specific configuration of each part of the fluid supply apparatus according to the present invention can be varied in design in various ways.
A 燃料電池システム
B,B1,B2,B3 流体供給装置
11,21,31,41 フィルタ装置
12,32 空気ブロワ
22,42 燃料ブロワ
13,23,33,43 流量計
5 制御部
61,71 逆止弁
62,72 三方弁
C 燃料電池モジュール
C1 燃料電池
C2 改質器
C3 バーナ
D インバータ装置
E 排熱回収装置
A Fuel cell system B, B1, B2, B3
Claims (8)
前記各配管にそれぞれ設けられ、前記流体を昇圧して送出するためのブロワと、
前記ブロワより下流側で、前記各配管を接続する接続配管と、
前記複数の配管のうちの少なくとも一の配管に設けられ、当該配管を流れる前記流体の流出先を前記供給先と前記接続配管とで切り替える流路切替手段と、
を備えていることを特徴とする流体供給装置。 A plurality of pipes for supplying the same fluid to a plurality of supply destinations;
A blower provided to each of the pipes for boosting and feeding the fluid;
On the downstream side of the blower , connecting pipes for connecting the pipes;
A flow path switching unit that is provided in at least one of the plurality of pipes, and switches an outflow destination of the fluid flowing through the pipes between the supply destination and the connection pipe;
A fluid supply device comprising:
前記制御手段は、前記流量の目標値が所定値未満の場合、前記流路切替手段を前記流体の流出先が当該流路切替手段が設けられた配管における前記流体の供給先となるように切り替え、前記流量の目標値が前記所定値以上の場合、前記流路切替手段を前記流体の流出先が前記接続配管となるように切り替える、
請求項1に記載の流体供給装置。 In the pipe not provided with the flow path switching means, further comprising a control means for controlling the flow rate downstream from the connection pipe,
When the target value of the flow rate is less than a predetermined value, the control means switches the flow path switching means so that the fluid outflow destination is the fluid supply destination in a pipe provided with the flow path switching means. When the target value of the flow rate is equal to or greater than the predetermined value, the flow path switching unit is switched so that the outflow destination of the fluid is the connection pipe.
The fluid supply apparatus according to claim 1.
前記制御手段は、前記流量の目標値が前記所定値以上の場合、前記流路切替手段を前記流体の流出先が前記接続配管のみとなるように切り替えるまでは、前記流路切替手段による前記流体の流出先の切り替えを調整することで前記流量を制御し、前記流路切替手段を前記流体の流出先が前記接続配管のみとなるように切り替えた後は、前記流路切替手段が設けられた配管に設けられたブロワの出力を調整することで前記流量を制御する、請求項3に記載の流体供給装置。 The flow path switching means can switch the flow destination of the fluid in multiple stages,
When the target value of the flow rate is equal to or greater than the predetermined value, the control means is configured to switch the fluid flow by the flow path switching means until the flow path switching means is switched so that the flow destination of the fluid is only the connection pipe. The flow rate is controlled by adjusting switching of the flow destination of the fluid, and the flow channel switching means is provided after the flow channel switching means is switched so that the fluid flow destination is only the connection pipe. The fluid supply apparatus according to claim 3, wherein the flow rate is controlled by adjusting an output of a blower provided in a pipe.
前記流路切替手段が設けられている配管は、前記燃料電池に供給する水素を生成する改質器と前記燃料電池との少なくともいずれか一方を加熱するバーナに空気を供給する、
請求項2ないし5のいずれかに記載の流体供給装置。 The pipe whose control means controls the flow rate supplies air to the fuel cell,
The pipe provided with the flow path switching unit supplies air to a burner that heats at least one of the reformer that generates hydrogen to be supplied to the fuel cell and the fuel cell.
The fluid supply apparatus according to any one of claims 2 to 5.
前記流路切替手段が設けられている配管は、前記改質器と前記燃料電池との少なくともいずれか一方を加熱するバーナに前記気体燃料を供給する、
請求項2ないし5のいずれかに記載の流体供給装置。 The pipe whose control means controls the flow rate supplies gaseous fuel to a reformer that generates hydrogen to be supplied to the fuel cell,
The pipe provided with the flow path switching means supplies the gaseous fuel to a burner that heats at least one of the reformer and the fuel cell.
The fluid supply apparatus according to any one of claims 2 to 5.
前記燃料電池と、前記改質器と、前記バーナと、
を備えている燃料電池システム。 A fluid supply device according to claim 6 or 7,
The fuel cell, the reformer, and the burner;
A fuel cell system comprising:
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