JP5908340B2

JP5908340B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP5908340B2
Application number: JP2012110708A
Authority: JP
Inventors: 田悦朗坂
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: JP2013239301A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。

燃料電池発電システムは、都市ガスやＬＰＧ等を用いて発電を行いながら、排熱を温水として回収するコジェネレーションシステムである。燃料電池が発電の際に発する熱エネルギは冷却水によって回収される。熱エネルギを回収した冷却水は、熱交換器で冷却された後、水タンクに貯留される。水タンク内の冷却水は、ポンプによって燃料電池に供給される。このようにして、冷却水は燃料電池発電システム内で循環している。

冷却水の循環が停止すると、燃料電池で発生した熱が回収されず、燃料電池に不具合が発生するため、冷却水の循環停止を速やかに検知することが求められる。従来の燃料電池発電システムでは、冷却水が流れる配管に圧力計を設置し、圧力計の測定結果に基づいて冷却水の循環停止を検知していた。しかし、圧力計を設置することで、燃料電池発電システムのコストが増加するという問題があった。

また、燃料電池から排出される冷却水の温度を測定し、冷却水の温度変化から冷却水の循環停止を検知する手法が知られている。しかし、燃料電池から排出される冷却水の温度は、発電開始時は低く、また発電出力によっても変化するため、燃料電池から排出される冷却水の温度変化のみでは、冷却水の循環停止を精度良く検知できなかった。

特開２０１０−２８７３６２号公報

本発明が解決しようとする課題は、冷却水の循環停止を精度良く検知するとともにコスト増加を防止できる燃料電池発電システム、及びそのような燃料電池発電システムの運転方法を提供することである。

本実施形態によれば、燃料電池発電システムは、空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から排出される冷却水を貯留するタンクと、前記タンクに貯留されている冷却水を前記燃料電池に供給する第１ポンプと、前記燃料電池から排出される冷却水の温度を測定する第１温度計と、前記熱交換器に排熱回収水を供給する第２ポンプと、前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度を測定する第２温度計と、制御装置とを備える。制御装置は、前記第１温度計及び第２温度計の測定結果を取得し、前記燃料電池から排出される冷却水の温度が第１所定値以上低下し、かつ前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度が第２所定値以上低下した場合に、前記燃料電池の発電を停止させる。

第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。冷却水の循環が停止した場合の、冷却水及び排熱回収水の温度変化の一例を示すグラフである。第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１は第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。図１に示すように、燃料電池発電システムは、燃料電池２と、燃料ブロワ（図示せず）から供給された燃料（例えばＬＰＧ）を触媒に接触させて水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池２に供給する改質器１と、燃料電池２に空気を供給する空気ブロワ（図示せず）とを備えている。燃料電池２には、空気やガスを排気する排気部（図示せず）が設けられている。

燃料電池２は、図示しない電解質膜と、電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂとを有している。酸化剤極２ｂに空気ブロワらの空気が導入され、燃料極２ａに改質器１からの改質ガスが導入されると、両極における電気化学反応によって電気（直流電力）と熱エネルギが発生する。

燃料電池２から出力される直流電力は、インバータ（図示せず）により交流電力に変換され、電気機器等の電力負荷に供給される。

燃料電池２が発電の際に発する熱エネルギは冷却系２ｃにおいて冷却水２０によって回収される。熱エネルギを回収した冷却水２０は、熱交換器５において排熱回収水３０と熱交換を行って冷却されると、水タンク３に供給される。ポンプ４が、水タンク３に貯留されている冷却水２０を吸引し、燃料電池２に供給することで、冷却水が循環するようになっている。

冷却系２ｃから熱交換器５へ冷却水を供給する配管に温度計６が設けられている。温度計６は、燃料電池２から排出された冷却水２０（熱エネルギを回収した冷却水２０）の温度を測定する。

ポンプ８は、熱交換器５に排熱回収水３０を供給する。熱交換器５における熱交換により昇温した排熱回収水３０は、お湯として家屋等に供給される。熱交換器５から家屋等へ排熱回収水を供給する配管に温度計９が設けられている。温度計９は、熱交換器５から排出された排熱回収水３０（熱交換により昇温した排熱回収水３０）の温度を測定する。

また、燃料電池発電システムには、温度計６及び温度計９から測定結果を取得し、ポンプ４及びポンプ８の回転数を制御する制御装置１１が設けられている。ポンプ４の回転数により、冷却水２０の流量が変わる。また、ポンプ８の回転数により、排熱回収水３０の流量が変わる。

制御装置１１は、温度計９の測定結果に基づいて、所望の温度のお湯が家屋等に供給されるようにポンプ８の回転数を制御する。例えば、温度計９の測定結果が所望値（所望の温度範囲）より高い場合、制御装置１１はポンプ８の回転数を上げ、排熱回収水３０の流量を増やして、熱交換後の排熱回収水３０の温度を下げる。一方、温度計９の測定結果が所望値より低い場合、制御装置１１はポンプ８の回転数を下げ、排熱回収水３０の流量を減らして、熱交換後の排熱回収水３０の温度を上げる。このことにより、所望の温度のお湯が家屋等に供給される。

また、制御装置１１は、後述する方法により冷却水２０の循環が停止していることを検知すると、燃料電池発電システムの運転を停止させる。具体的には、制御装置１１は、冷却水２０の循環を検知すると、燃料ブロワ、改質器１、空気ブロワ、ポンプ４、ポンプ８等の各構成要素を停止させ、燃料電池２の発電を停止させる。

次に、制御装置１１が、冷却水２０の循環停止を検知する方法について説明する。冷却水２０の循環停止は、ポンプ４の故障や、水漏れに伴い水タンク３が空になることなどによって発生する。

制御装置１１は、温度計６及び温度計９から測定結果を取得し、冷却水２０の温度変化及び排熱回収水３０の温度変化に基づいて、冷却水２０の循環停止を検知する。図２に、ポンプ４が停止して冷却水２０の循環が停止した場合の、冷却水２０及び排熱回収水３０の温度変化の一例を示す。図２に示すように、ポンプ４が停止して冷却水２０の循環が停止すると、まず、温度計６によって測定される冷却水２０の温度が低下する。続いて、温度計９によって測定される排熱回収水３０の温度が低下する。

上述したように、排熱回収水３０の温度が低下すると、制御装置１１は排熱回収水３０を昇温するためにポンプ８の回転数を下げ、排熱回収水３０の流量を減らす。しかし、冷却水２０の循環が停止している場合、熱交換器５内の冷却水２０の温度は低下を続けるため、排熱回収水３０の温度も低下を続ける。すなわち、冷却水２０の循環が停止すると、冷却水２０の温度及び排熱回収水３０の温度の両方が低下する。冷却水２０の温度は、燃料電池２の発電出力によっても変化するため、冷却水２０の温度低下のみでは、冷却水２０の循環停止と判定することはできない。

本実施形態では上述したような燃料電池発電システムの特性に着目し、制御装置１１は、温度計６によって測定される冷却水２０の温度が所定値（Ｔ１）以上低下すると共に、温度計９によって測定される排熱回収水３０の温度が所定値（Ｔ２）以上低下した場合に、冷却水２０の循環が停止したと判定し、燃料電池２の発電を停止させる。なお、Ｔ１とＴ２は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

このように、本実施形態によれば、燃料電池２と熱交換器５との間における冷却水２０の温度の低下、及び熱交換器５から排出された排熱回収水３０（熱交換器５からみて下流側の排熱回収水３０）の温度の低下に基づいて冷却水２０の循環停止を精度良く検知することができる。また、圧力計を使用せずに冷却水２０の循環停止を検知できるため、燃料電池発電システムのコスト増加を抑制することができる。

（第２の実施形態）図３は第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、温度計６が熱交換器５に設けられている点が異なる。図３において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、温度計６は熱交換器５内の温度を測定し、制御装置１１は温度計６の測定結果に基づいて冷却水２０の循環停止を検知する。ここで温度計６が測定する温度は熱交換器５の筐体内の温度でもよいし、熱交換部の冷却水２０の温度や排熱回収水３０の温度でもよい。

上記第１の実施形態で説明したように、冷却水２０の循環が停止すると、冷却水２０の温度は徐々に低下し、これに伴い排熱回収水３０の温度も徐々に低下する。従って、冷却水２０の循環が停止すると、熱交換器５内の温度が停止する。

制御装置１１は、温度計６の測定結果を取得し、熱交換器５内の温度が所定値以上低下した場合に、冷却水２０の循環が停止したと判定し、燃料電池２の発電を停止させる。

このように、本実施形態によれば、熱交換器５内の温度の低下に基づいて冷却水２０の循環停止を精度良く検知することができる。また、圧力計を使用せずに冷却水２０の循環停止を検知できるため、燃料電池発電システムのコスト増加を抑制することができる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、冷却水の循環停止を精度良く検知するとともにコスト増加を防止できる。

上記第１及び第２の実施形態では冷却水２０の温度、排熱回収水３０の温度、熱交換器５内の温度が所定値以上低下した場合に冷却水２０の循環が停止していると判定していたが、温度低下速度（℃／秒）が所定の閾値以上となった場合に冷却水２０の循環が停止したと判定してもよい。また、冷却水２０の温度、排熱回収水３０の温度、熱交換器５内の温度が低下を続ける時間が所定時間以上となった場合に、冷却水２０の循環が停止していると判定してもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態では、制御装置１１は、冷却水２０の循環停止の判定に伴い燃料電池２の発電を停止していたが、ポンプ４の回転数を上げるように制御し、それにより冷却水２０の温度が上昇した場合は、冷却水２０が循環していると判定し、燃料電池発電システムの運転を継続してもよい。ポンプ４の機能低下や、冷却水２０を流す配管の詰まり等により冷却水２０の循環が停止している場合は、ポンプ４の出力を上げることで冷却水２０の循環停止要因が解消されることがあるためである。これにより、燃料電池２の発電を継続させることができ、燃料電池発電システムの信頼性を向上させることができる。なお、ポンプ４の回転数を上げるように制御しても冷却水２０の温度が上昇しない場合、制御装置１１は燃料電池２の発電を停止する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１改質器
２燃料電池
２ａ燃料極
２ｂ酸化剤極
２ｃ冷却系
３水タンク
４ポンプ
５熱交換器
６温度計
８ポンプ
９温度計
１１制御装置
２０冷却水
３０排熱回収水

Claims

空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出される冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から排出される冷却水を貯留するタンクと、
前記タンクに貯留されている冷却水を前記燃料電池に供給する第１ポンプと、
前記燃料電池から排出される冷却水の温度を測定する第１温度計と、
前記熱交換器に排熱回収水を供給する第２ポンプと、
前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度を測定する第２温度計と、
前記第１温度計及び第２温度計の測定結果を取得し、前記燃料電池から排出される冷却水の温度が第１所定値以上低下し、かつ前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度が第２所定値以上低下すると、前記第１ポンプの回転数を上げ、前記燃料電池から排出される冷却水の温度が上昇した場合は前記燃料電池の発電を継続し、上昇しない場合は前記燃料電池の発電を停止させる制御装置と
を備える燃料電池システム。
前記制御装置は、前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度が所定の温度範囲より低くなった場合に前記第２ポンプの回転数を下げ、前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度が所定の温度範囲より高くなった場合に前記第２ポンプの回転数を上げることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出される冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から排出される冷却水を貯留するタンクと、
前記タンクに貯留されている冷却水を前記燃料電池に供給する第１ポンプと、
前記熱交換機内の温度を測定する温度計と、
前記熱交換器に排熱回収水を供給する第２ポンプと、
前記温度計の測定結果を取得し、前記熱交換機内の温度が所定値以上低下した場合に、前記燃料電池の発電を停止させる制御装置と、
を備える燃料電池発電システム。
前記制御装置は、前記熱交換機内の温度が所定値以上低下すると、前記第１ポンプの回転数を上げ、前記燃料電池から排出される冷却水の温度が上昇した場合は前記燃料電池の発電を継続し、上昇しない場合は前記燃料電池の発電を停止させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度を測定する第２温度計をさらに備え、
前記制御装置は、前記第２温度計の測定結果を取得し、前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度が所定の温度範囲より低くなった場合に前記第２ポンプの回転数を下げ、前記熱交換器から排出される排熱回収水の温度が所定の温度範囲より高くなった場合に前記第２ポンプの回転数を上げることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池発電システム。