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JP7679707B2 - Fuel Cell Power Generation Equipment - Google Patents
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Description

本開示は、燃料電池発電装置に関する。 This disclosure relates to a fuel cell power generation device.

燃料電池の起動時において、燃料電池スタックの冷媒流路に滞留した気体を除去することで、発電量の低下を防止する燃料電池発電システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell power generation system is known that prevents a decrease in the amount of power generated by removing gas trapped in the coolant flow path of the fuel cell stack when the fuel cell is started (see, for example, Patent Document 1).

特開2007-280748号公報JP 2007-280748 A

絶縁油等の熱媒油または純水等の水は、燃料電池の冷却系統に流す熱媒体として使用されることが多い。熱媒油を熱媒体として使用する場合、燃料電池の起動時において、冷却系統に滞留した気体を除去することに加え、冷却系統に結露凝縮した水分や冷却系統に滞留した水を除去することが求められる。冷却系統に気体及び水分が混入していると、例えば、次のような不具合が発生しやすくなる。 Thermal oils such as insulating oil or water such as pure water are often used as heat transfer media to flow through the cooling system of a fuel cell. When using thermal oil as a heat transfer media, when starting up the fuel cell, in addition to removing gas trapped in the cooling system, it is also necessary to remove moisture that has condensed in the cooling system and water trapped in the cooling system. If gas and moisture are mixed into the cooling system, for example, the following problems are likely to occur:

・循環ポンプのキャビテーションによる損傷
・熱媒油の流量の変動に伴う熱媒油の温度変動
・冷却系統内の異常圧力上昇
・熱媒油の熱伝達性能の低下
・熱媒油の劣化による熱伝達性能及び絶縁性の低下
など。
- Damage due to cavitation in circulation pumps - Fluctuations in temperature of the thermal oil due to changes in the flow rate of the thermal oil - Abnormal pressure increases in the cooling system - Deterioration of the heat transfer performance of the thermal oil - Deterioration of the heat transfer performance and insulation properties of the thermal oil, etc.

しかしながら、従来の技術では、これらの不具合の原因となる気体(ガス)及び水分を冷却系統から十分に除去することが容易ではない。なお、気体と液体は、常温における相状態(気相と液相)及び熱力学的な物性が異なるため、脱気と脱水は、物質を除去する方法が基本的に異なる。 However, with conventional technology, it is not easy to sufficiently remove the gas and moisture that cause these problems from the cooling system. Furthermore, since gas and liquid have different phase states (gas phase and liquid phase) at room temperature and different thermodynamic properties, degassing and dehydration fundamentally differ in the methods of removing substances.

本開示は、冷却系統から気体及び水分を除去可能な燃料電池発電装置を提供する。 The present disclosure provides a fuel cell power generation device capable of removing gas and moisture from a cooling system.

本開示の一態様では、
燃料電池と、
前記燃料電池に熱媒油を供給する冷却系統と、
前記冷却系統に設けられ、前記冷却系統に前記熱媒油を循環させるポンプと、
前記冷却系統の頂部に設けられ、前記熱媒油を貯留するタンクと、
前記燃料電池の出口と前記ポンプの吸い込み口との間で前記熱媒油を加熱する加熱機器と、
前記タンク内の気体が溜まる上部空間に接続される遮断弁と、
前記冷却系統内の気体及び水が前記タンクを介して前記遮断弁から放出されるように、前記遮断弁を開ける制御装置と、を備える、燃料電池発電装置が提供される。
In one aspect of the present disclosure,
A fuel cell;
a cooling system for supplying thermal oil to the fuel cell;
a pump provided in the cooling system for circulating the thermal oil through the cooling system;
A tank provided at the top of the cooling system for storing the thermal oil;
a heating device for heating the thermal oil between an outlet of the fuel cell and a suction port of the pump;
a shutoff valve connected to an upper space in which gas accumulates in the tank;
a control device that opens the shutoff valve so that gas and water in the cooling system are released from the shutoff valve through the tank.

本開示の一態様によれば、冷却系統から気体及び水分を除去できる。 According to one aspect of the present disclosure, gas and moisture can be removed from the cooling system.

第1実施形態に係る燃料電池発電装置の構成例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation device according to a first embodiment; 第1実施形態に係る燃料電池発電装置の起動方法の一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an example of a start-up method for the fuel cell power generator according to the first embodiment. 結露水量から蒸発に必要な時間を演算する方法の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an example of a method for calculating a time required for evaporation from the amount of condensed water. 第2実施形態に係る燃料電池発電装置の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation device according to a second embodiment. 第2実施形態に係る燃料電池発電装置の起動方法の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an example of a start-up method for a fuel cell power generator according to a second embodiment.

以下、実施形態を説明する。 The following describes the embodiment.

図1は、第1実施形態に係る燃料電池発電装置の構成例を示す図である。図1に示す燃料電池発電装置11は、燃料ガス及び酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する装置である。燃料電池発電装置11は、例えば、燃料電池13、直流-交流変換器12、冷却系統27、ポンプ28、ヒータ19、温度センサ17、膨張タンク24、油面計21、圧力センサ23、遮断弁29、制御装置20、温度センサ18及びバイパス経路26を備える。 Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation device according to the first embodiment. The fuel cell power generation device 11 shown in Figure 1 is a device that introduces fuel gas and oxidizing gas and converts them into electrical energy. The fuel cell power generation device 11 includes, for example, a fuel cell 13, a DC-AC converter 12, a cooling system 27, a pump 28, a heater 19, a temperature sensor 17, an expansion tank 24, an oil level gauge 21, a pressure sensor 23, a shutoff valve 29, a control device 20, a temperature sensor 18, and a bypass path 26.

燃料電池13は、水素やメタノールなどの燃料の化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池13は、燃料極14、空気極15及び冷却板16を有する。燃料電池13は、燃料極14に供給された水素又は水素リッチなガスと、空気ブロア22によって空気極15に供給された反応空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池13の発電により発生する熱は、セルスタック内に組み込まれた冷却板16により奪われ、燃料電池13の温度は、所定の運転温度に維持される。 The fuel cell 13 is a device that electrochemically converts the chemical energy of fuels such as hydrogen and methanol into electrical energy. The fuel cell 13 has a fuel electrode 14, an air electrode 15, and a cooling plate 16. The fuel cell 13 generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen or hydrogen-rich gas supplied to the fuel electrode 14 and oxygen contained in the reaction air supplied to the air electrode 15 by an air blower 22. The heat generated by the power generation of the fuel cell 13 is removed by the cooling plate 16 built into the cell stack, and the temperature of the fuel cell 13 is maintained at a predetermined operating temperature.

燃料電池13は、燃料電池13の冷却用の熱媒油が導入される入口13bと、燃料電池13の冷却板16を経由した熱媒油が排出される出口13aとを有する。燃料電池13で発生した熱は、冷却板16から出口13aに排出される熱媒油と共に放出される。 The fuel cell 13 has an inlet 13b through which thermal oil for cooling the fuel cell 13 is introduced, and an outlet 13a through which the thermal oil is discharged after passing through the cooling plate 16 of the fuel cell 13. The heat generated in the fuel cell 13 is released together with the thermal oil discharged from the cooling plate 16 to the outlet 13a.

直流-交流変換器12は、燃料電池13の発電により得られた直流電力を交流電力に変換して不図示の負荷に供給するDC-ACコンバータである。直流-交流変換器12は、燃料電池13の発電により得られた直流電力の電圧を、異なる電圧の直流電力に変換して不図示の負荷に供給する直流-直流変換器に置換されてもよい。 The DC-AC converter 12 is a DC-AC converter that converts the DC power obtained by power generation in the fuel cell 13 into AC power and supplies it to a load (not shown). The DC-AC converter 12 may be replaced with a DC-DC converter that converts the voltage of the DC power obtained by power generation in the fuel cell 13 into DC power of a different voltage and supplies it to a load (not shown).

冷却系統27は、燃料電池13に絶縁油等の熱媒油を供給する冷却回路である。冷却系統27は、例えば、燃料電池13に設けられた冷却板16と、燃料電池13の出口13aとポンプ28の吸い込み口28aと結ぶ出口経路27aと、ポンプ28の吐き出し口28bと燃料電池13の入口13bとを結ぶ入口経路27bとを含む。ポンプ28の吐き出し口28bから入口経路27bに吐き出された熱媒油は、冷却系統27を循環する。 The cooling system 27 is a cooling circuit that supplies thermal oil such as insulating oil to the fuel cell 13. The cooling system 27 includes, for example, a cooling plate 16 provided on the fuel cell 13, an outlet path 27a connecting the outlet 13a of the fuel cell 13 and the suction port 28a of the pump 28, and an inlet path 27b connecting the discharge port 28b of the pump 28 and the inlet 13b of the fuel cell 13. The thermal oil discharged from the discharge port 28b of the pump 28 to the inlet path 27b circulates through the cooling system 27.

ポンプ28は、冷却系統27に設けられる循環ポンプであり、冷却系統27に熱媒油を循環させる。ポンプ28は、熱媒油の入口である吸い込み口28aと、熱媒油の出口である吐き出し口28bとを有する。ポンプ28は、制御装置20により制御される不図示のモータにより動作する。 Pump 28 is a circulation pump provided in cooling system 27, and circulates thermal oil through cooling system 27. Pump 28 has suction port 28a, which is the inlet for thermal oil, and discharge port 28b, which is the outlet for thermal oil. Pump 28 is operated by a motor (not shown) controlled by control device 20.

ヒータ19は、燃料電池13の出口13aとポンプ28の吸い込み口28aとの間で熱媒油を加熱する加熱機器の一例である。ヒータ19は、例えば、出口13aと吸い込み口28aとの間の出口経路27aに設けられる循環ヒータであり、出口経路27aに流れる熱媒油を加熱する。冷却系統27内の熱媒油を加熱する加熱機器は、循環ヒータ等のヒータに限られず、スタートアップバーナーなどの他の昇温設備でもよい。 The heater 19 is an example of a heating device that heats the thermal oil between the outlet 13a of the fuel cell 13 and the suction port 28a of the pump 28. The heater 19 is, for example, a circulation heater provided in the outlet path 27a between the outlet 13a and the suction port 28a, and heats the thermal oil flowing in the outlet path 27a. The heating device that heats the thermal oil in the cooling system 27 is not limited to a heater such as a circulation heater, and may be other heating equipment such as a start-up burner.

温度センサ17は、ヒータ19と吸い込み口28aとの間で熱媒油の温度Tを測定し、測定された温度Tに応じたセンサ信号を制御装置20に出力する。温度センサ17は、例えば、出口経路27aのうちヒータ19の出口とポンプ28の吸い込み口28aとの間の経路部分に設けられ、ヒータ19の出口を通過した熱媒油の温度Tを測定する。図1に示す例では、温度センサ17は、膨張タンク24とヒータ19との間の温度Tを測定する。 The temperature sensor 17 measures the temperature T of the thermal oil between the heater 19 and the suction port 28a, and outputs a sensor signal corresponding to the measured temperature T to the control device 20. The temperature sensor 17 is provided, for example, in a path portion of the outlet path 27a between the outlet of the heater 19 and the suction port 28a of the pump 28, and measures the temperature T of the thermal oil that has passed through the outlet of the heater 19. In the example shown in FIG. 1, the temperature sensor 17 measures the temperature T between the expansion tank 24 and the heater 19.

膨張タンク24は、冷却系統27の出口経路27aから分岐し、ヒータ19の下流側で出口経路27aに接続されている。膨張タンク24は、例えば、熱媒油の膨張又は収縮を吸収する機能と、熱媒油中に発生したガスなどを抜いて大気中に放出する機能とを有する。膨張タンク24は、冷却系統27の頂部に設けられ、例えば、膨張タンク24内に貯留した熱媒油の液面レベルLが最上位の冷却板16よりも高くなるように設置されている(図1は、回路上の位置を示すものであり、実施の設置位置を示すものではない)。 The expansion tank 24 branches off from the outlet path 27a of the cooling system 27 and is connected to the outlet path 27a downstream of the heater 19. The expansion tank 24 has, for example, a function to absorb the expansion or contraction of the thermal oil, and a function to release gas generated in the thermal oil and release it into the atmosphere. The expansion tank 24 is provided at the top of the cooling system 27, and is installed, for example, so that the liquid level L of the thermal oil stored in the expansion tank 24 is higher than the uppermost cooling plate 16 (Figure 1 shows the position on the circuit, not the actual installation position).

油面計21は、膨張タンク24内の熱媒油の液面レベルLを計測し、計測された液面レベルLに応じた計測結果信号を制御装置20に出力する液面計である。 The oil level gauge 21 is a level gauge that measures the liquid level L of the thermal oil in the expansion tank 24 and outputs a measurement result signal corresponding to the measured liquid level L to the control device 20.

圧力センサ23は、膨張タンク24内の気体が溜まる上部空間の圧力Pを測定し、測定された圧力Pに応じたセンサ信号を制御装置20に出力する。 The pressure sensor 23 measures the pressure P in the upper space where the gas accumulates in the expansion tank 24, and outputs a sensor signal corresponding to the measured pressure P to the control device 20.

遮断弁29は、膨張タンク24内の気体が溜まる上部空間に接続され、制御装置20によって開閉駆動される。遮断弁29は、電磁駆動弁でも空気駆動弁でもよい。 Shut-off valve 29 is connected to the upper space in which gas accumulates in expansion tank 24, and is driven to open and close by control device 20. Shut-off valve 29 may be an electromagnetically driven valve or an air-driven valve.

制御装置20は、温度センサ17により測定された温度に応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量を増減させるコントローラである。制御装置20は、例えば、温度センサ17により測定された温度Tに応じて、ポンプ28の吐き出し口28bから冷却系統27の入口経路27bに吐き出される熱媒油の流量を増減させることで、冷却系統27内のヒータ19を通過する熱媒油の流量を増減できる。制御装置20は、例えば、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)である。 The control device 20 is a controller that increases or decreases the flow rate of thermal oil flowing through the cooling system 27 in accordance with the temperature measured by the temperature sensor 17. The control device 20 can increase or decrease the flow rate of thermal oil passing through the heater 19 in the cooling system 27, for example, by increasing or decreasing the flow rate of thermal oil discharged from the discharge port 28b of the pump 28 to the inlet path 27b of the cooling system 27 in accordance with the temperature T measured by the temperature sensor 17. The control device 20 is, for example, a programmable logic controller (PLC).

制御装置20は、ヒータ19を通電することで、ヒータ19によって熱媒油を加熱させ、ヒータ19を非通電にすることで、ヒータ19による熱媒油の加熱を停止させる。制御装置20は、ポンプ28の動作を制御し、具体的には、ポンプ28を動かすモータを駆動するインバータを制御する。 The control device 20 energizes the heater 19 to heat the thermal oil, and deenergizes the heater 19 to stop the heater 19 from heating the thermal oil. The control device 20 controls the operation of the pump 28, and more specifically, controls an inverter that drives a motor that operates the pump 28.

制御装置20の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサが動作することにより実現されてもよい。制御装置20の機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。 The functions of the control device 20 may be realized by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) operating according to a program stored in memory. The functions of the control device 20 may be realized by a FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

制御装置20は、燃料電池発電装置11の起動時または冷却系統27に流れる熱媒体の温度が所定の温度閾値以下の場合、冷却系統27に流れる熱媒体をヒータ19により加熱することで、燃料電池13を早期に暖機する。 When the fuel cell power generation device 11 is started or when the temperature of the heat medium flowing through the cooling system 27 is below a predetermined temperature threshold, the control device 20 heats the heat medium flowing through the cooling system 27 using the heater 19, thereby quickly warming up the fuel cell 13.

温度センサ18は、ポンプ28の吐き出し口28bと燃料電池13の入口13bとの間で熱媒油の温度tを測定し、測定された温度tに応じたセンサ信号を制御装置20に出力する。温度センサ18は、例えば、入口経路27bのうちポンプ28の吐き出し口28bと燃料電池13の入口13bとの間の経路部分に設けられ、入口13bに入る手前の熱媒油の温度tを測定する。 The temperature sensor 18 measures the temperature t of the thermal oil between the discharge port 28b of the pump 28 and the inlet 13b of the fuel cell 13, and outputs a sensor signal corresponding to the measured temperature t to the control device 20. The temperature sensor 18 is provided, for example, in the path portion between the discharge port 28b of the pump 28 and the inlet 13b of the fuel cell 13 in the inlet path 27b, and measures the temperature t of the thermal oil just before it enters the inlet 13b.

制御装置20は、温度センサ18により測定された温度tに応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量を制御し、温度センサ17により測定された温度Tに応じて、冷却系統27に流れる熱媒油の流量の下限を増減させる。これにより、冷却系統27に流れる熱媒油の流量を燃料電池13の入口13b側の温度tに応じて調整でき、冷却系統27に流れる熱媒油の流量の下限をヒータ19の出口側の温度Tに応じて調整できる。 The control device 20 controls the flow rate of the thermal oil flowing through the cooling system 27 according to the temperature t measured by the temperature sensor 18, and increases or decreases the lower limit of the flow rate of the thermal oil flowing through the cooling system 27 according to the temperature T measured by the temperature sensor 17. This allows the flow rate of the thermal oil flowing through the cooling system 27 to be adjusted according to the temperature t on the inlet 13b side of the fuel cell 13, and the lower limit of the flow rate of the thermal oil flowing through the cooling system 27 to be adjusted according to the temperature T on the outlet side of the heater 19.

燃料電池発電装置11は、ポンプ28に並列に接続されたバイパス経路26を備えてもよい。バイパス経路26は、入口側が吐き出し口28bに接続され、出口側が吸い込み口28aに接続される循環路である。バイパス経路26には、調節弁25と熱交換器31が設けられている。冷却系統27は、ポンプ28から吐き出された熱媒油の一部が、燃料電池13の冷却板16に送られ、残余の熱媒油が、バイパス経路26上の熱交換器31及び調節弁25を経由してポンプ28の吸い込み口28a側へ戻されるように形成されている。 The fuel cell power generation device 11 may include a bypass path 26 connected in parallel to the pump 28. The bypass path 26 is a circulation path whose inlet side is connected to the discharge port 28b and whose outlet side is connected to the suction port 28a. The bypass path 26 is provided with a control valve 25 and a heat exchanger 31. The cooling system 27 is formed so that a portion of the thermal oil discharged from the pump 28 is sent to the cooling plate 16 of the fuel cell 13, and the remaining thermal oil is returned to the suction port 28a side of the pump 28 via the heat exchanger 31 and the control valve 25 on the bypass path 26.

制御装置20は、温度センサ18により測定された熱媒油の温度tに応じて調節弁25の開度を制御することにより、冷却系統27に流れる熱媒油の温度を調整する。制御装置20は、例えば、調節弁25の開度を制御することで、温度センサ18により測定された熱媒油の温度tが所定の目標温度になるように制御できる。これにより、制御装置20は、燃料電池13の温度を、燃料電池13の発電電流に対応した目標温度となるよう調整できる。 The control device 20 adjusts the temperature of the thermal oil flowing through the cooling system 27 by controlling the opening of the adjustment valve 25 according to the temperature t of the thermal oil measured by the temperature sensor 18. The control device 20 can control the temperature t of the thermal oil measured by the temperature sensor 18 to a predetermined target temperature, for example, by controlling the opening of the adjustment valve 25. In this way, the control device 20 can adjust the temperature of the fuel cell 13 to a target temperature corresponding to the power generation current of the fuel cell 13.

熱交換器31は、外部冷却水等の外部熱媒体が供給されることで、バイパス経路26に流れる熱媒油と熱交換する。外部熱媒体は、熱交換装置36を通過することにより熱交換され、放熱器38に供給される。放熱器38は、例えば、ファン等により外部熱媒体を空冷する冷却器である。放熱器38により温度が低下した外部熱媒体は、熱交換器31に供給される。 The heat exchanger 31 is supplied with an external heat medium such as external cooling water and exchanges heat with the heat transfer oil flowing in the bypass path 26. The external heat medium is heat exchanged by passing through the heat exchanger 36 and is supplied to the radiator 38. The radiator 38 is, for example, a cooler that air-cools the external heat medium using a fan or the like. The external heat medium whose temperature has been reduced by the radiator 38 is supplied to the heat exchanger 31.

図2は、第1実施形態に係る燃料電池発電装置の起動方法の一例を示すフローチャートである。制御装置20は、燃料電池発電装置11の主電源の投入により起動すると(ステップS11)、遮断弁29を開けた状態で(ステップS13)、冷却系統27が熱媒油で満たされるように不図示の給油ポンプを動かして油張りを行う(ステップS15)。制御装置20は、ステップS15において、油面計21により計測された膨張タンク24内の熱媒油の液面の高さLが一定レベル以上になるまで、不図示の給油ポンプを動作させる。給油ポンプは、熱媒油を冷却系統27に冷却系統27の外部から供給するポンプである。 Figure 2 is a flow chart showing an example of a method for starting up the fuel cell power generation system according to the first embodiment. When the control device 20 starts up the fuel cell power generation system 11 by turning on the main power supply (step S11), it opens the shutoff valve 29 (step S13) and operates an oil supply pump (not shown) to fill the cooling system 27 with thermal oil (step S15). In step S15, the control device 20 operates the oil supply pump (not shown) until the liquid level L of the thermal oil in the expansion tank 24 measured by the oil level gauge 21 reaches or exceeds a certain level. The oil supply pump is a pump that supplies thermal oil to the cooling system 27 from outside the cooling system 27.

ステップS17において、制御装置20は、遮断弁29を開けた状態で、冷却系統27内の熱媒油に含まれるガスを常温で除去する(常温脱気工程)。例えば、制御装置20は、熱媒油が冷却系統27を循環するようにポンプ28を動作させることで、タイマーで予め決められた脱気時間Tg、冷却系統27内の熱媒油を常温で脱気する。これにより、制御装置20は、熱媒油を冷却系統27内で循環させ、熱媒油に含まれる気体を、膨張タンク24を介して遮断弁29から放出させることができる。 In step S17, the control device 20 removes the gas contained in the thermal oil in the cooling system 27 at room temperature with the shutoff valve 29 open (room temperature degassing process). For example, the control device 20 operates the pump 28 so that the thermal oil circulates through the cooling system 27, thereby degassing the thermal oil in the cooling system 27 at room temperature for a degassing time Tg that is predetermined by a timer. In this way, the control device 20 can circulate the thermal oil in the cooling system 27 and release the gas contained in the thermal oil from the shutoff valve 29 via the expansion tank 24.

ステップS19において、制御装置20は、遮断弁29を開けた状態で、冷却系統27内の熱媒油に含まれるガスを高温で除去する(昇温脱気工程)。例えば、制御装置20は、冷却系統27内の熱媒油を加熱するヒータ19を作動させることで、熱媒油を昇温し高温で脱気する。これにより、制御装置20は、熱媒油の暖機とともに、熱媒油に含まれる気体を、膨張タンク24を介して遮断弁29から放出させることができる。つまり、昇温脱気工程を熱媒油及び燃料電池13の暖機工程と兼用できるので、燃料電池13の起動時間を短縮できる。 In step S19, the control device 20 removes gas contained in the thermal oil in the cooling system 27 at a high temperature with the shutoff valve 29 open (heating and degassing process). For example, the control device 20 operates the heater 19 that heats the thermal oil in the cooling system 27 to heat the thermal oil and degas it at a high temperature. This allows the control device 20 to warm up the thermal oil and release the gas contained in the thermal oil from the shutoff valve 29 via the expansion tank 24. In other words, the heating and degassing process can be used as a warm-up process for the thermal oil and the fuel cell 13, so the start-up time of the fuel cell 13 can be shortened.

ステップS21において、制御装置20は、遮断弁29を開けた状態で、冷却系統27内の熱媒油に含まれる水分を高温で除去する(昇温脱水工程)。例えば、制御装置20は、冷却系統27内の熱媒油を加熱するヒータ19を作動させることで、熱媒油を昇温し高温で脱水する。これにより、制御装置20は、熱媒油の暖機とともに、熱媒油に含まれる水分の蒸気を、膨張タンク24を介して遮断弁29から放出させることができる。つまり、昇温脱水工程を熱媒油及び燃料電池13の暖機工程と兼用できるので、燃料電池13の起動時間を短縮できる。 In step S21, the control device 20 removes moisture contained in the thermal oil in the cooling system 27 at a high temperature with the shutoff valve 29 open (heating and dehydration process). For example, the control device 20 operates the heater 19 that heats the thermal oil in the cooling system 27 to heat the thermal oil and dehydrate it at a high temperature. As a result, the control device 20 can warm up the thermal oil and release the steam of the moisture contained in the thermal oil from the shutoff valve 29 via the expansion tank 24. In other words, the heating and dehydration process can be used as a process for warming up the thermal oil and the fuel cell 13, so the start-up time of the fuel cell 13 can be shortened.

ステップS23において、制御装置20は、ステップS21の昇温脱水工程を継続するか否かを判定する(脱水継続判定工程)。制御装置20は、例えば、温度センサ17により測定された温度Tが所定の温度閾値以上に上昇したか否かを判定することで、昇温脱水工程の継続要否を判定する。 In step S23, the control device 20 determines whether or not to continue the heating dehydration process of step S21 (dehydration continuation determination process). The control device 20 determines whether or not to continue the heating dehydration process, for example, by determining whether or not the temperature T measured by the temperature sensor 17 has risen to or above a predetermined temperature threshold.

ステップS23において、制御装置20は、ヒータ19による熱媒油を加熱している状態で温度センサ17により測定された温度Tが、所定時間以上の一定状態を経てから所定の温度閾値以上に上昇したか否かを判定することで、継続要否を判定してもよい。所定時間以上の一定状態(温度維持状態)は、ヒータ19による加熱エネルギーが熱媒油の脱水に利用されている状態を表し、その温度維持状態後の温度Tの上昇は、熱媒油に含まれる水分がほとんど蒸発したとみなせるからである。 In step S23, the control device 20 may determine whether or not to continue by judging whether the temperature T measured by the temperature sensor 17 while the thermal oil is being heated by the heater 19 has risen to or above a predetermined temperature threshold after remaining in a constant state for a predetermined time or more. A constant state for a predetermined time or more (temperature maintained state) represents a state in which the heating energy from the heater 19 is being used to dehydrate the thermal oil, and the rise in temperature T after the temperature is maintained state can be considered to mean that most of the water contained in the thermal oil has evaporated.

ステップS23において、制御装置20は、ヒータ19による熱媒油の加熱を開始してから所定の加熱時間Thを超過したか否かを判定することで、ステップS21の昇温脱水工程の継続要否を判定してもよい。加熱時間Thは、タイマー等によりカウントされる。加熱時間Thは、予め設定された時間であり、その算出例については後述する。 In step S23, the control device 20 may determine whether or not the heating and dehydration process in step S21 needs to continue by determining whether a predetermined heating time Th has elapsed since the heater 19 started heating the thermal oil. The heating time Th is counted by a timer or the like. The heating time Th is a time that is set in advance, and an example of its calculation will be described later.

ステップS23において、制御装置20は、昇温脱水工程の継続要と判定した場合、昇温脱水工程を継続する(ステップS21)。一方、制御装置20は、昇温脱水工程の継続不要と判定した場合、遮断弁29を閉じて(ステップS25)、ヒータ19による熱媒油の加熱を停止することで、昇温脱水工程を完了させる(ステップS27)。 If the control device 20 determines in step S23 that the heating and dehydration process needs to continue, it continues the heating and dehydration process (step S21). On the other hand, if the control device 20 determines that the heating and dehydration process does not need to continue, it closes the shutoff valve 29 (step S25) and stops heating the thermal oil by the heater 19, thereby completing the heating and dehydration process (step S27).

制御装置20は、昇温脱水工程の完了後に、ステップS29の発電工程に推移し、燃料電池13による発電を開始させる。 After completing the heating and dehydration process, the control device 20 proceeds to the power generation process in step S29 and starts power generation by the fuel cell 13.

このように、第1実施形態によれば、冷却系統27から気体だけでなく水分も除去することが可能となる。 In this way, according to the first embodiment, it is possible to remove not only gas but also moisture from the cooling system 27.

次に、上記の加熱時間Thの算出例について説明する。 Next, we will explain an example of how to calculate the heating time Th.

図3は、結露水量から蒸発に必要な時間を演算する方法の一例を示すフローチャートである。加熱時間Thは、この方法で算出された「蒸発に必要な時間」と同じ又はそれよりも長い時間に設定されるとよい。図3に示す方法は、制御装置20により実行され、制御装置20が、算出された時間に基づいて加熱時間Thを自動で設定してもよい。あるいは、人が、図3に示す方法に従って「蒸発に必要な時間」を予め算出し、算出された時間に基づいて加熱時間Thを導出してもよい。導出された加熱時間Thは、制御装置20のメモリやプログラムに予め反映される。 Figure 3 is a flow chart showing an example of a method for calculating the time required for evaporation from the amount of condensation water. The heating time Th may be set to a time equal to or longer than the "time required for evaporation" calculated by this method. The method shown in Figure 3 may be executed by the control device 20, which may automatically set the heating time Th based on the calculated time. Alternatively, a person may calculate the "time required for evaporation" in advance according to the method shown in Figure 3, and derive the heating time Th based on the calculated time. The derived heating time Th is reflected in advance in the memory and program of the control device 20.

例えば、40℃と0℃との気温差において、相対湿度から空気の飽和水蒸気量差[g/m3]は、46.27(=51.12-4.85) [g/m3]と算出される。46.27 [g/m3]に冷却系統27の内容積0.16 [m3]を乗算することで、結露量は7.4 [g]と算出される(ステップS31)。ステップS33において、結露量に、比熱と100℃まで加熱する際の温度差Kとを乗算することで、結露水を蒸発させるために必要な熱量[kJ]が算出される(0.0074 [kg]×4.186 [kJ/kgK]×100 [K]=3.097 [kJ])。 For example, when the temperature difference is between 40°C and 0°C, the difference in the amount of saturated water vapor in the air [g/ m3 ] is calculated from the relative humidity to be 46.27 (=51.12-4.85) [g/ m3 ]. By multiplying 46.27 [g/ m3 ] by the internal volume of the cooling system 27, 0.16 [ m3 ], the amount of condensation is calculated to be 7.4 [g] (step S31). In step S33, the amount of condensation is multiplied by the specific heat and the temperature difference K when heating to 100°C to calculate the amount of heat [kJ] required to evaporate the condensed water (0.0074 [kg] x 4.186 [kJ/kgK] x 100 [K] = 3.097 [kJ]).

一方、ヒータ19の容量を25 [kW]、水比熱を4.186 [kJ/kgK]、熱媒油の比熱を1.8 [kJ/kgK]、熱媒油の質量を160 [kg]とする。このとき、ステップS35において、ヒータ19等の昇温設備の容量が熱媒油中の水分の蒸発に寄与する単位時間当たりの熱量は、2.7 [J/s]と算出される(25 [kW]×(0.0074×4.186/(160×1.8 + 0.0074×4.186)=0.0027 [kW]=2.7 [W]=2.7[J/s])。 On the other hand, the capacity of the heater 19 is 25 [kW], the specific heat of water is 4.186 [kJ/kgK], the specific heat of the thermal oil is 1.8 [kJ/kgK], and the mass of the thermal oil is 160 [kg]. In this case, in step S35, the amount of heat per unit time that the capacity of the heating equipment such as the heater 19 contributes to the evaporation of the water in the thermal oil is calculated to be 2.7 [J/s] (25 [kW] x (0.0074 x 4.186 / (160 x 1.8 + 0.0074 x 4.186) = 0.0027 [kW] = 2.7 [W] = 2.7 [J/s]).

よって、ステップS37において、結露水量から蒸発に必要な時間(加熱時間Th)は、19分と算出される(3.097 [kJ] /0.0027 [kJ/s] /3600 =0.32 [h]=19[min])。 Therefore, in step S37, the time required for evaporation (heating time Th) based on the amount of condensed water is calculated to be 19 minutes (3.097 [kJ] / 0.0027 [kJ/s] / 3600 = 0.32 [h] = 19 [min]).

図4は、第2実施形態に係る燃料電池発電装置の構成例を示す図である。第2実施形態において、第1実施形態と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで、省略又は簡略する。図4に示す燃料電池発電装置41は、吸引ポンプ42、水分測定器43及びパージ弁44を備える。 Figure 4 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation device according to the second embodiment. In the second embodiment, the explanation of the configuration, action, and effect similar to those of the first embodiment will be omitted or simplified by invoking the above explanation. The fuel cell power generation device 41 shown in Figure 4 includes a suction pump 42, a moisture meter 43, and a purge valve 44.

吸引ポンプ42は、冷却系統27に熱媒油を張込む工程が行われる前に、冷却系統27を減圧し相対湿度を下げて蒸発水分を吸い出すポンプである。吸引ポンプ42は、制御装置20により制御される不図示のモータにより動作する。 The suction pump 42 is a pump that reduces the pressure in the cooling system 27, lowers the relative humidity, and sucks out evaporated water before the process of filling the cooling system 27 with thermal oil. The suction pump 42 is operated by a motor (not shown) controlled by the control device 20.

水分測定器43は、吸引ポンプ42の出力側の配管の水分量を測定し、測定された水分量に応じたセンサ信号を制御装置20に出力する。水分測定器43の具体例として、露点計、水分分析計などが挙げられる。 The moisture meter 43 measures the moisture content in the piping on the output side of the suction pump 42 and outputs a sensor signal corresponding to the measured moisture content to the control device 20. Specific examples of the moisture meter 43 include a dew point meter and a moisture analyzer.

パージ弁44は、冷却系統27内の蒸気を排出するための不活性乾燥ガス(例えば、窒素など)を冷却系統27に注入する遮断弁である。パージ弁44は、例えば、出口経路27aのうちヒータ19と出口13aとの間の経路部分に接続され、当該経路部分から不活性乾燥ガスを冷却系統27に注入する。 The purge valve 44 is a shutoff valve that injects an inert dry gas (e.g., nitrogen) into the cooling system 27 to expel steam from the cooling system 27. The purge valve 44 is connected, for example, to a portion of the outlet path 27a between the heater 19 and the outlet 13a, and injects the inert dry gas into the cooling system 27 from that portion.

図5は、第2実施形態に係る燃料電池発電装置の起動方法の一例を示すフローチャートである。制御装置20は、燃料電池発電装置41の主電源の投入により起動すると(ステップS41)、遮断弁29を閉じた状態で、冷却系統27内の熱媒油の脱水を開始する(ステップS43)。 Figure 5 is a flow chart showing an example of a method for starting up a fuel cell power generation system according to the second embodiment. When the control device 20 starts up the fuel cell power generation system 41 by turning on the main power supply (step S41), it starts dehydrating the thermal oil in the cooling system 27 with the shutoff valve 29 closed (step S43).

ステップS45において、制御装置20は、冷却系統27に熱媒油を張る前に吸引ポンプ42を作動させることで、冷却系統27を減圧し、相対湿度を下げて、冷却系統27から蒸発水分を吸引ポンプ42から吸い出させる。例えば、大気圧の5分の1までの減圧により体積が5倍まで膨張すると、相対湿度は、約5分の1となり、飽和状態の20%となる。 In step S45, the control device 20 operates the suction pump 42 before filling the cooling system 27 with thermal oil, thereby reducing the pressure in the cooling system 27, lowering the relative humidity, and causing the suction pump 42 to suck out evaporated moisture from the cooling system 27. For example, when the pressure is reduced to one-fifth of atmospheric pressure and the volume expands five-fold, the relative humidity becomes approximately one-fifth, or 20% of the saturated state.

ステップS47において、制御装置20は、吸引ポンプ42による減圧を開始してから所定の減圧時間Tdpを超過したか否かを判定する。減圧時間Tdpは、例えば、水と熱媒油の蒸気圧の差に基づいて演算される。制御装置20は、所定の減圧時間Tdpが経過していない場合、吸引ポンプ42による減圧を継続する(ステップS45)。一方、制御装置20は、所定の減圧時間Tdpが経過した場合、ステップS49の判定処理を行う。 In step S47, the control device 20 determines whether a predetermined decompression time Tdp has elapsed since the start of decompression by the suction pump 42. The decompression time Tdp is calculated, for example, based on the difference in vapor pressure between water and thermal oil. If the predetermined decompression time Tdp has not elapsed, the control device 20 continues decompression by the suction pump 42 (step S45). On the other hand, if the predetermined decompression time Tdp has elapsed, the control device 20 performs the determination process of step S49.

ステップS49において、制御装置20は、水分測定器43により測定された水分量が所定の許容量Wa未満か否かを判定する。許容量Waは、例えば、熱媒油が性能上許容できる水分量に設定される。制御装置20は、水分量が許容量Wa以上の場合、吸引ポンプ42による減圧を継続する(ステップS45)。一方、制御装置20は、水分量が許容量Wa未満の場合、ステップS51の処理を行う。 In step S49, the control device 20 determines whether the moisture content measured by the moisture meter 43 is less than a predetermined allowable amount Wa. The allowable amount Wa is set, for example, to the amount of moisture that is allowable in terms of the performance of the thermal oil. If the moisture content is equal to or greater than the allowable amount Wa, the control device 20 continues reducing the pressure by the suction pump 42 (step S45). On the other hand, if the moisture content is less than the allowable amount Wa, the control device 20 performs the process of step S51.

ステップS51において、制御装置20は、窒素などの不活性乾燥ガスを冷却系統27に注入して熱媒油内の不純物を流す出すパージを実施するため、パージ弁44を閉から開に切り替える。 In step S51, the control device 20 switches the purge valve 44 from closed to open to perform a purge by injecting an inert dry gas such as nitrogen into the cooling system 27 to flush out impurities from the thermal oil.

ステップS53において、制御装置20は、パージを開始してから所定のパージ時間Tpを超過したか否かを判定する。制御装置20は、所定のパージ時間Tpが経過していない場合、吸引ポンプ42による減圧を継続する(ステップS45)。一方、制御装置20は、所定のパージ時間Tpが経過した場合、パージ弁44を開から閉に切り替え(ステップS55)、吸引ポンプ42による減圧を停止させ、脱水工程を完了させる(ステップS57)。 In step S53, the control device 20 determines whether a predetermined purge time Tp has elapsed since the start of purging. If the predetermined purge time Tp has not elapsed, the control device 20 continues reducing the pressure by the suction pump 42 (step S45). On the other hand, if the predetermined purge time Tp has elapsed, the control device 20 switches the purge valve 44 from open to closed (step S55), stops reducing the pressure by the suction pump 42, and completes the spin-drying process (step S57).

ステップS59において、制御装置20は、遮断弁29を開けた状態で、図2のステップS15と同様に、冷却系統27が熱媒油で満たされるように不図示の給油ポンプを動かして油張りを行う。ステップS61において、制御装置20は、図2のステップS17と同様に、熱媒油を常温で脱気する。ステップS63において、制御装置20は、図2のステップS19と同様に、熱媒油を昇温し高温で脱気する。制御装置20は、昇温脱水工程の完了後に、ステップS65の発電工程に推移し、燃料電池13による発電を開始させる。 In step S59, the control device 20 operates the oil supply pump (not shown) to fill the cooling system 27 with thermal oil with the shutoff valve 29 open, similar to step S15 in FIG. 2. In step S61, the control device 20 degasses the thermal oil at room temperature, similar to step S17 in FIG. 2. In step S63, the control device 20 heats the thermal oil and degasses it at a high temperature, similar to step S19 in FIG. 2. After completing the heating and dehydration process, the control device 20 proceeds to the power generation process in step S65 and starts power generation by the fuel cell 13.

このように、第2実施形態によれば、冷却系統27から気体だけでなく水分も除去することが可能となる。 In this way, according to the second embodiment, it is possible to remove not only gas but also moisture from the cooling system 27.

また、絶縁油等の熱媒油を使用する従来の燃料電池発電システムでは、脱水工程の際には、作業員が現場に赴いて、その都度、脱水工程のための調整作業の工数が発生していた。これに対し、第1及び第2実施形態に係る燃料電池発電装置及びその起動方法によれば、脱水及び脱水完了の検知が自動化されるので、脱水工程の自動化が可能となる。脱水工程の自動化により、例えば、
・脱水調整作業を省人化
・脱水作業ミス(脱水未完了、ヒューマンエラー)の低減
・脱水作業の段取り替えの手間時間の削減
・遠隔起動(リモートスタートアップ)の実現
・起動シーケンスに則った全自動運転の実現
などの効果が得られる。
Furthermore, in conventional fuel cell power generation systems that use thermal oil such as insulating oil, workers must visit the site during the dehydration process, and labor is required for adjustment work for the dehydration process each time. In contrast, the fuel cell power generation device and start-up method thereof according to the first and second embodiments automates dehydration and detection of completion of dehydration, making it possible to automate the dehydration process. By automating the dehydration process, for example,
The system has the following benefits: - Labor saving for dehydration adjustment work - Reduction in dehydration work mistakes (incomplete dehydration, human error) - Reduction in the labor time required to change the dehydration work setup - Realization of remote start-up - Realization of fully automatic operation in accordance with the start-up sequence.

以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。 Although the embodiments have been described above, the technology of the present disclosure is not limited to the above-described embodiments. Various modifications and improvements are possible, such as combinations or substitutions with part or all of other embodiments.

11 燃料電池発電装置
12 直流-交流変換器
13 燃料電池
13a 出口
13b 入口
14 燃料極
15 空気極
16 冷却板
17 温度センサ
18 温度センサ
19 ヒータ
20 制御装置
21 油面計
22 空気ブロア
23 圧力センサ
24 膨張タンク
25 調節弁
26 バイパス経路
27 冷却系統
27a 出口経路
27b 入口経路
28 ポンプ
28a 吸い込み口
28b 吐き出し口
29 遮断弁
31 熱交換器
36 熱交換装置
38 放熱器
41 燃料電池発電装置
42 吸引ポンプ
43 水分測定器
44 パージ弁
REFERENCE SIGNS LIST 11 fuel cell power generation device 12 DC-AC converter 13 fuel cell 13a outlet 13b inlet 14 fuel electrode 15 air electrode 16 cooling plate 17 temperature sensor 18 temperature sensor 19 heater 20 control device 21 oil level gauge 22 air blower 23 pressure sensor 24 expansion tank 25 control valve 26 bypass path 27 cooling system 27a outlet path 27b inlet path 28 pump 28a suction port 28b discharge port 29 shutoff valve 31 heat exchanger 36 heat exchanger 38 radiator 41 fuel cell power generation device 42 suction pump 43 moisture meter 44 purge valve

Claims (8)

燃料電池と、
前記燃料電池に熱媒油を供給する冷却系統と、
前記冷却系統に設けられ、前記冷却系統に前記熱媒油を循環させるポンプと、
前記冷却系統の頂部に設けられ、前記熱媒油を貯留するタンクと、
前記燃料電池の出口と前記ポンプの吸い込み口との間で前記熱媒油を加熱する加熱機器と、
前記タンク内の気体が溜まる上部空間に接続される遮断弁と、
前記冷却系統内の気体及び水が前記タンクを介して前記遮断弁から放出されるように、前記遮断弁を開ける制御装置と、を備える、燃料電池発電装置。
A fuel cell;
a cooling system for supplying thermal oil to the fuel cell;
a pump provided in the cooling system for circulating the thermal oil through the cooling system;
A tank provided at the top of the cooling system for storing the thermal oil;
a heating device for heating the thermal oil between an outlet of the fuel cell and a suction port of the pump;
a shutoff valve connected to an upper space in which gas accumulates in the tank;
a control device that opens the shutoff valve so that gas and water in the cooling system are released from the shutoff valve through the tank.
前記制御装置は、前記遮断弁を開けた状態で、前記加熱機器を作動させて前記熱媒油を昇温することで、前記熱媒油に含まれる気体を、前記タンクを介して前記遮断弁から放出させるとともに、前記熱媒油に含まれる水分の蒸気を、前記タンクを介して前記遮断弁から放出させる、請求項1に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 1, wherein the control device operates the heating device to heat the thermal oil while the shutoff valve is open, thereby discharging the gas contained in the thermal oil from the shutoff valve via the tank and discharging the water vapor contained in the thermal oil from the shutoff valve via the tank. 前記制御装置は、前記冷却系統に前記熱媒油を張った後に前記加熱機器を作動させる、請求項2に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 2, wherein the control device operates the heating device after the thermal oil is poured into the cooling system. 前記加熱機器と前記吸い込み口との間で前記熱媒油の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記加熱機器による前記熱媒油の加熱を開始させ、前記温度センサにより測定された前記温度が所定の温度閾値以上に上昇すると、前記加熱機器による前記熱媒油の加熱を停止する、請求項2又は3に記載の燃料電池発電装置。
A temperature sensor is provided between the heating device and the intake port to measure the temperature of the thermal oil,
The fuel cell power generation apparatus of claim 2 or 3, wherein the control device starts heating the thermal oil by the heating equipment, and when the temperature measured by the temperature sensor rises above a predetermined temperature threshold, stops heating the thermal oil by the heating equipment.
前記制御装置は、前記加熱機器による前記熱媒油の加熱を開始させ、所定の加熱時間が経過してから、前記加熱機器による前記熱媒油の加熱を停止する、請求項2又は3に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 2 or 3, wherein the control device starts heating the thermal oil by the heating device, and stops heating the thermal oil by the heating device after a predetermined heating time has elapsed. 前記冷却系統を減圧する吸引ポンプを備え、
前記制御装置は、前記冷却系統に前記熱媒油を張る前に前記吸引ポンプを作動させることで、前記冷却系統の水分を前記吸引ポンプから吸い出させる、請求項1に記載の燃料電池発電装置。
a suction pump for reducing the pressure in the cooling system;
2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the control device operates the suction pump before the thermal oil is poured into the cooling system, thereby causing the suction pump to suck out moisture in the cooling system.
前記冷却系統に不活性乾燥ガスを注入するパージ弁を備え、
前記制御装置は、前記吸引ポンプによる減圧を開始させ、所定の減圧時間が経過してから、前記パージ弁を開く、請求項6に記載の燃料電池発電装置。
a purge valve for injecting an inert dry gas into the cooling system;
7. The fuel cell power generation system according to claim 6, wherein the control device starts depressurization by the suction pump and opens the purge valve after a predetermined depressurization time has elapsed.
前記吸引ポンプの出力側の配管の水分量を測定する水分測定器を備え、
前記制御装置は、前記水分測定器により測定された前記水分量が所定の許容量よりも低い場合、前記パージ弁を開く、請求項7に記載の燃料電池発電装置。
a moisture meter for measuring the moisture content of the piping on the output side of the suction pump;
8. The fuel cell power generation system according to claim 7, wherein the control device opens the purge valve when the amount of moisture measured by the moisture meter is lower than a predetermined allowable amount.
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