JP2010168242A - Hydrogen generator and fuel cell system including the same - Google Patents
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Abstract
【課題】水素生成装置の停止処理における冷却動作が、停止処理を実行する場合の状況に応じて実行されるよう最適化されていない。
【解決手段】改質器16と、燃焼器102aと、燃焼空気供給器117と、制御器110と、停止操作器120と、を備える水素生成装置であって、燃焼空気供給器117は、停止処理において、燃焼器102aに燃焼空気を供給することで、該燃焼器102aを冷却し、制御器110は、通常の停止処理における水素生成装置102の冷却量よりも、操作者による停止操作器120への入力操作による停止処理における水素生成装置102の冷却量の方が多くなるように燃焼空気供給器117を制御するように構成されている、水素生成装置。
【選択図】図1A cooling operation in a stop process of a hydrogen generator is not optimized so as to be executed according to a situation when the stop process is executed.
A hydrogen generator comprising a reformer 16, a combustor 102a, a combustion air supply device 117, a controller 110, and a stop operation device 120, wherein the combustion air supply device 117 is stopped. In the process, by supplying combustion air to the combustor 102a, the combustor 102a is cooled, and the controller 110 has a stop operation device 120 by the operator rather than the cooling amount of the hydrogen generator 102 in the normal stop processing. The hydrogen generator configured to control the combustion air supply 117 so that the cooling amount of the hydrogen generator 102 in the stop process by the input operation is larger.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムに関し、特に、水素生成装置の異常を検知した場合に停止処理を行うものに関する。 The present invention relates to a hydrogen generator and a fuel cell system including the same, and more particularly to an apparatus that performs a stop process when an abnormality of the hydrogen generator is detected.
従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。燃料電池システムでは、外部から燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガスを燃料電池に供給して、この供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うとともに、反応により生じた熱を回収して湯水として貯湯槽に貯え、この湯水を外部への熱供給に有効利用するシステムである。 Conventionally, a fuel cell system capable of high-efficiency small-scale power generation is easy to build a system for using thermal energy generated during power generation. Development is progressing as a power generation system. In the fuel cell system, fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas are supplied from the outside to the fuel cell, and electric power is generated by an electrochemical reaction between the supplied fuel gas and oxidant gas, and is generated by the reaction. This system recovers heat and stores it as hot water in a hot water storage tank, and effectively uses this hot water to supply heat to the outside.
このような燃料電池システムにおいて、発電時に用いられる水素ガスは、その供給設備が一般的なインフラとして整備がされていないため、例えば都市ガス、LPG等の既存のインフラから得られる原料を改質器にて水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成し、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を変成器及び浄化器で充分に低減して、燃料ガスを生成する水素生成装置を、燃料電池に併設することが一般的である。 In such a fuel cell system, the hydrogen gas used for power generation is not provided with a general infrastructure for its supply facilities. For example, a raw material obtained from existing infrastructure such as city gas and LPG is used as a reformer. Steam reforming reaction to produce hydrogen-containing reformed gas, carbon monoxide contained in the reformed gas is sufficiently reduced by a transformer and purifier, and hydrogen production to produce fuel gas In general, the apparatus is provided in the fuel cell.
ところで、水素生成装置の停止処理において、水素生成装置を封止し、改質触媒を加熱するためのバーナに燃焼空気を供給するバーナブロアからの空気を燃料電池の運転時よりも多く供給することで改質触媒を速やかに強制冷却する水素生成装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)
また、同様に水素生成装置の停止処理において、原料ガス及び水蒸気の供給を継続して、改質反応の吸熱反応を進行させる冷却動作と燃焼ファンの回転数を通常運転時よりも上げて、過剰な空気を含む排ガスにより空冷する冷却動作とを共に実行し、原料ガスのみによるパージ動作を実行しても炭素が析出しない温度にまで速やかに低下させる水素生成装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
Similarly, in the shutdown process of the hydrogen generator, the supply of raw material gas and water vapor is continued, the cooling operation to advance the endothermic reaction of the reforming reaction, and the rotational speed of the combustion fan are increased compared to the normal operation, and the excess A hydrogen generation apparatus has been proposed in which both a cooling operation for air cooling with exhaust gas containing fresh air is performed, and the temperature is rapidly reduced to a temperature at which carbon does not precipitate even when a purge operation using only a raw material gas is performed (for example, patents). Reference 2).
しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に開示された水素生成装置のような停止処理中における冷却動作は、メンテナンス作業のため水素生成装置を停止させる場合とメンテナンスを必要としない通常の停止の場合とのそれぞれの状況に応じたものとして最適化されていない。
However, the cooling operation during the stop process such as the hydrogen generator disclosed in
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、停止処理を実行する場合の状況に応じて水素生成装置の冷却動作が実行される水素生成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen generator in which the cooling operation of the hydrogen generator is executed in accordance with the situation when the stop process is executed.
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、制御器と、を備える水素生成装置であって、操作者の入力操作により前記水素生成装置の運転を停止させるための停止操作器を備え、前記制御器は、通常の停止処理における前記水素生成装置の冷却量よりも、操作者による前記停止操作器への入力操作による停止処理(以下、入力操作による停止処理)における前記水素生成装置の冷却量の方が多くなるように前記燃焼空気供給器を制御する。 In order to solve the above conventional problems, a hydrogen generator according to the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using raw materials, a combustor that heats the reformer, A hydrogen generator comprising a combustion air supplier for supplying combustion air to a combustor, and a controller, comprising a stop operator for stopping the operation of the hydrogen generator by an input operation by an operator, The controller cools the hydrogen generator in a stop process (hereinafter referred to as a stop process by an input operation) by an input operation to the stop controller by an operator rather than a cooling amount of the hydrogen generator in a normal stop process. The combustion air supplier is controlled so that the amount is larger.
これにより、操作者の停止操作器への入力操作により水素生成装置の運転を停止させた場合、通常の停止処理の場合よりも水素生成装置の冷却量が増加するため、水素生成装置の低温化が促進され、メンテナンス作業をより速やかに着手することが可能になる。 As a result, when the operation of the hydrogen generator is stopped by the operator's input operation to the stop operation device, the cooling amount of the hydrogen generator increases compared to the normal stop process, so the temperature of the hydrogen generator is lowered. Is promoted, and the maintenance work can be started more quickly.
また、本発明に係る水素生成装置では、前記制御器は、前記通常の停止処理を行う場合における前記燃焼器の冷却量よりも、前記入力操作による停止処理における前記水素生成装置の冷却量の方が多くなるように、前記燃焼空気供給器の動作時間及び操作量の少なくともいずれかを制御してもよい。 Further, in the hydrogen generator according to the present invention, the controller is configured so that the cooling amount of the hydrogen generator in the stop process by the input operation is more than the cooling amount of the combustor in the case of performing the normal stop process. So that at least one of the operation time and the operation amount of the combustion air supply device may be controlled.
また、本発明に係る水素生成装置では、前記制御器は、前記通常の停止処理における前記燃焼空気供給器の操作量よりも、前記入力操作による停止処理における前記燃焼空気供給器の操作量を増加させるように制御することで前記水素生成装置の冷却量を増加させるように構成されていてもよい。 In the hydrogen generator according to the present invention, the controller increases the operation amount of the combustion air supplier in the stop process by the input operation, more than the operation amount of the combustion air supplier in the normal stop process. It may be configured to increase the cooling amount of the hydrogen generation device by controlling so as to cause the hydrogen generation device to control.
また、本発明に係る水素生成装置では、前記制御器は、前記制御器は、前記通常の停止処理における前記燃焼空気供給器の動作時間よりも、前記入力操作による停止処理における前記燃焼空気供給器の動作時間を増加させるように制御することで前記燃焼器の冷却量を増加させるように構成されていてもよい。 Moreover, in the hydrogen generator according to the present invention, the controller is configured such that the controller is more operative than the operation time of the combustion air supplier in the normal stop process, and the combustion air supplier in the stop process by the input operation. It may be configured to increase the amount of cooling of the combustor by controlling so as to increase the operation time.
また、本発明に係る水素生成装置では、前記制御器は、前記通常の停止処理完了時における前記水素生成装置の温度よりも、前記入力操作による停止処理完了時の前記水素生成装置の温度の方が低くなるように前記燃焼空気供給器を制御してもよい。 In the hydrogen generator according to the present invention, the controller may be configured such that the temperature of the hydrogen generator when the stop process is completed by the input operation is greater than the temperature of the hydrogen generator when the normal stop process is completed. The combustion air supply device may be controlled so as to be low.
また、本発明に係る水素生成装置では、前記制御器は、前記入力操作による停止処理の場合よりも前記通常の停止処理の場合の方が、前記水素生成装置の温度が高い状態で、前記水素生成装置の起動処理を許可するように構成されていてもよい。 Further, in the hydrogen generator according to the present invention, the controller is configured so that the hydrogen generator has a higher temperature in the normal stop process than in the stop process by the input operation. You may be comprised so that the starting process of a production | generation apparatus may be permitted.
また、本発明に係る水素生成装置では、前記制御器は、前記入力操作による停止処理において前記燃焼空気供給器の操作量を、前記水素生成装置の定格運転時の前記燃焼空気供給器の操作量よりも大きい所定の操作量以上に強制的に増加させるように前記燃焼空気供給器を制御してもよい。 Further, in the hydrogen generator according to the present invention, the controller uses the operation amount of the combustion air supplier in the stop process by the input operation, and the operation amount of the combustion air supplier during a rated operation of the hydrogen generator. The combustion air supply device may be controlled so as to be forcibly increased to a predetermined operation amount that is greater than a predetermined value.
さらに、本発明に係る水素生成装置では、前記改質器を含むガス流路を閉空間とするための封止器を備え、前記水素生成装置は、前記封止器により形成された前記閉空間内の圧力が低下すると、前記封止器を開放して、前記ガス流路内にガスを補給する補圧処理を実行するよう構成されており、前記制御器は、前記通常の停止処理よりも前記入力操作による停止処理の方が、前記補圧処理の頻度を増加させるように構成されていてもよい。 Furthermore, in the hydrogen generator according to the present invention, the hydrogen generator includes a sealer for making a gas flow path including the reformer a closed space, and the hydrogen generator is the closed space formed by the sealer. When the internal pressure decreases, the sealing device is opened to perform a supplementary pressure process for supplying gas into the gas flow path, and the controller is more effective than the normal stop process. The stop process by the input operation may be configured to increase the frequency of the pressure compensation process.
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。 The fuel cell system according to the present invention includes a hydrogen generator and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
本発明に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムによれば、メンテナンス作業が必要な場合において、操作者が停止操作器に入力操作して水素生成装置の運転を停止させることで、より速やかに水素生成装置のメンテナンス作業に着手することが可能になる。 According to the hydrogen generator and the fuel cell system including the hydrogen generator according to the present invention, when maintenance work is required, an operator inputs the stop operation device to stop the operation of the hydrogen generator more quickly. In addition, maintenance work on the hydrogen generator can be started.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
(実施の形態1)
[水素生成装置の構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。なお、図1においては、水素生成装置における上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。
(Embodiment 1)
[Configuration of hydrogen generator]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a hydrogen generator according to
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置102は、燃焼空気供給器117、原料ガス供給器(原料供給器)112、水供給器105、酸化用空気供給器116、制御器110、リモコン120、ハウジングからなるパッケージ111、及び各検知器140〜145を備えており、使用者がリモコン120を操作することにより、水素生成装置102の運転開始及び運転停止を行うことができるように構成されている。パッケージ111内部には、水素生成装置102等の各機器が収納されている。なお、上記異常判定器110aは、異常検知器を構成するものであり、各検知器(例えば、温度検知器)の検出値に基づき各種異常を判定する。ただし、各検知器の故障については、異常判定器110aが、異常検知器として機能し、上記検知器の故障と異なる異常については、異常判定器110aと当該異常を判定する際の判定対象となる検出値を出力する検知器とが異常検知器として機能する。また、本実施の形態1においては、リモコン120が、停止操作器を構成する。リモコン120を用いた運転停止のための入力操作としては、例えば、リモコン120に設けられた運転停止指令用のボタンを操作者が押下する形態や、リモコン120を操作することで、運転停止入力用の画面が表示され、この状態で運転停止の確定入力をボタン操作または画面上でのタッチ操作により行う形態等が挙げられる。
As shown in FIG. 1, the
また、水素生成装置102は、ここでは、円筒状に形成されており、中心軸を共有する容器1、外筒2、及び内筒3を有している。容器1は、上部に大径部が形成され、その下部に大径部より径の小さな小径部が形成された段付き円筒で構成されている。容器1の下端は、底板5により閉止されており、その上端は、環状の板部材6を介して外筒2と接続されている。なお、容器1の外側には、断熱部材4が容器1を覆うように設けられている。
Here, the
外筒2及び内筒3の上端は、蓋部材7により閉止されている。一方、外筒2の下端は開放されていて、内筒3の下端は、内筒用底板8により閉止されている。内筒3の内部には、円筒状の輻射筒9が設けられている。
The upper ends of the outer cylinder 2 and the inner cylinder 3 are closed by a
輻射筒9の上端は、蓋部材7により閉止されており、その下端は、開放されている。輻射筒9と内筒3との間に形成された筒状の空間は、燃焼排ガス流路10を構成する。燃焼排ガス流路10の下流端近傍(内筒3の上部)には、燃焼排ガス出口11が設けられている。該燃焼排ガス出口11には、燃焼排ガス経路59の上流端が接続されており、その下流端は、パッケージ111の外部に開口されている。
The upper end of the
輻射筒9の内部には、蓋部材7を貫通して下方に伸びるようにバーナ(燃焼器)102aが配設されている。また、輻射筒9の内部には、着火検知器141及びCOセンサ142が設けられている。着火検知器141は、バーナ102aでの着火の有無を検知し、検知信号を制御器110に出力するように構成されていて、COセンサ142は、バーナ102aからの燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を検知して、検知信号を制御器110に出力するように構成されている。なお、ここでは、着火検知器141として、フレームロッドを使用し、COセンサ142として、CO濃度センサを使用している。
A burner (combustor) 102 a is disposed inside the
バーナ102aには、燃焼空気供給経路56の下流端が接続されていて、その上流端は、燃焼空気供給器117に接続されている。なお、燃焼空気供給器117としては、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。
The
また、原料ガス供給器112より原料ガス供給口12に導入された原料ガスが水素生成装置102内部を通過して、水素利用機器101をバイパスするバイパス経路44を介してバーナ102aに燃焼燃料として供給される。これにより、バーナ102aでは、原料ガス供給器112から供給された燃焼燃料を、燃焼空気供給器117から供給された燃焼空気で燃焼させ、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、輻射筒9の先端(下端)から流出し、内筒用底板8の底壁に当たって反転し、そこから上方へ燃焼排ガス流路10を流れ、燃焼排ガス経路59に供給される。燃焼排ガス経路59に供給された燃焼排ガスは、該燃焼排ガス経路59を通流して、水素生成装置102(正確には、パッケージ111)外に排出される。
The source gas introduced into the source
外筒2の上部には、原料ガス供給口12が設けられていて、該原料ガス供給口12には、原料ガス供給経路41の下流端が接続されている。ここでは、原料ガスとして、メタンを主成分とする都市ガスが用いられており、原料ガス供給経路41の上流端は、都市ガスの配管(図示せず)に接続されている。また、原料ガス供給経路41には、その上流側から、第1開閉弁(封止器)71、原料ガス供給器112、及び第2開閉弁(封止器)72が設けられている。第1開閉弁71及び第2開閉弁72は、原料ガス供給経路41を通流する原料ガスの通流を許可/阻止するように構成されており、例えば、電磁弁等の弁を用いることができる。また、原料ガス供給器112は、水素生成装置102に供給する原料ガスの流量を調整する機器であり、例えば、ブースターポンプと流量調整弁との組合せや、流量調整弁単体で構成されている。
A raw material
また、外筒2の上部には、水供給口13が設けられており、該水供給口13には、改質用水供給経路57の下流端が接続されている。改質用水供給経路57の上流端には、水供給器105が接続されている。水供給器105は、改質用水供給経路57に改質用水を供給し、かつ、改質用水供給経路57を通流する改質用水の流量を調整する。
A
外筒2と内筒3との筒状空間の下部は、改質触媒収容空間が構成されていて、該改質触媒収容空間には、改質触媒が充填された改質触媒層14が形成されている。また、改質触媒収容空間の上方には、原料ガス及び改質用水を予熱する予熱部15が構成されている。改質触媒収容空間、改質触媒層14、及び予熱部15から改質器16が構成される。これにより、改質器16では、バーナ102aで生成された燃焼排ガスの伝熱を利用して、原料ガス供給器112から供給された原料ガス(メタン)と、水供給器105から供給された改質用水と、を予熱部15で予熱し、予熱した原料ガスと改質用水を改質触媒層14で水蒸気改質反応させることにより、水素を含有する水素含有ガスが生成される。
A lower part of the cylindrical space between the outer cylinder 2 and the inner cylinder 3 forms a reforming catalyst housing space, and a reforming
また、底板5と内筒用底板8との間には、空間が形成されていて、該空間が緩衝空間部17を構成する。緩衝空間部17の底板5の中央部分には、温度検知器143が配設されている。
Further, a space is formed between the
温度検知器143は、改質器16を通流した水素含有ガスの温度を検知し、検知した温度を改質器16の温度として制御器110に出力するように構成されている。なお、本実施の形態においては、温度検知器143を改質器16の下流端よりも下方に設け、改質器16を通流した後の水素含有ガスの温度を検知するように構成したが、これに限定されず、改質器16の改質触媒層14の内部に設け、改質器16の改質触媒層14を通流する水素含有ガスの温度を検知するように構成してもよい。
The
また、容器1と外筒2との間には、筒状の空間18が緩衝空間部17と連通するように形成されており、該空間18と緩衝空間部17が、水素含有ガス流路19を構成する。これにより、改質器16を通流した水素含有ガスは、改質触媒層14の下流端から緩衝空間部17へ流出し、底板5の底壁に当たって反転して、水素含有ガス流路19を流通する。
In addition, a
水素含有ガス流路19の上方にある、容器1の大径部と外筒2との筒状空間には軸方向に所定の間隔をおいて、一対の仕切り板20、21が配設されていて、該一対の仕切り板20、21によって、上記筒状空間が、変成触媒収容空間22、空気混合部25、及び酸化触媒収容空間26に分割されている。
A pair of
変成触媒収容空間22には、変成触媒が充填された変成触媒層23が形成されていて、変成触媒収容空間22と変成触媒層23から変成器24が構成されている。また、仕切り板20には、変成器24と空気混合部25とを連通するように複数の貫通孔29が設けられており、該貫通孔29が、変成器24の出口29を構成する。これにより、水素含有ガス流路19を通流した水素含有ガスは、変成器24に流入する。そして、水素含有ガスが、変成触媒層23を通流する間に、水素含有ガス中の一酸化炭素と水とが変成反応により、二酸化炭素と水素が生成され、一酸化炭素を低減させる。そして、一酸化炭素が低減された水素含有ガスは、変成器24の出口29から空気混合部25に流出する。
A
空気混合部25を形成する容器1には、一酸化炭素酸化反応用の空気を供給する空気供給口30が設けられている。空気供給口30には、酸化用空気供給路58の下流端が接続されていて、その上流端は、酸化用空気供給器116が接続されている。これにより、変成器24の出口29から空気混合部25に流出した水素含有ガスは、酸化用空気供給器116から供給された空気と混合される。
The
また、空気混合部25における変成器24の出口29の上方には、温度検知器144が設けられている。温度検知器144は、変成器24を通流した水素含有ガスの温度を検知し、検知した温度を変成器24の温度として制御器110に出力するように構成されている。なお、本実施の形態においては、温度検知器144を変成器24の出口29よりも上方に設け、変成器24を通流した後の水素含有ガスの温度を検知するように構成したが、これに限定されず、変成器24の変成触媒層23の内部に設け、変成器24の変成触媒層23を通流する水素含有ガスの温度を検知するように構成してもよい。
A
酸化触媒収容空間26には、酸化触媒が充填された酸化触媒層27が形成されていて、酸化触媒収容空間26と酸化触媒層27から浄化器28が構成されている。また、仕切り板21には、空気混合部25と浄化器28とを連通するように複数の貫通孔31が設けられており、該貫通孔31が、浄化器28の入口31を構成する。さらに、空気混合部25における浄化器28の入口31の下方には、温度検知器145が設けられている。温度検知器145は、浄化器28に流入する水素含有ガスと空気の混合ガスの温度を検知し、検知した温度を浄化器28の温度として制御器110に出力するように構成されている。なお、本実施の形態においては、温度検知器145を浄化器28の入口31よりも下方に設け、浄化器28を通流する前の燃料ガスの温度を検知するように構成したが、これに限定されず、浄化器28の酸化触媒層27の内部に設け、浄化器28の酸化触媒層27を通流する燃料ガスの温度を検知するように構成してもよい。
An
また、酸化触媒収容空間26を構成する容器1の上部には、燃料ガス出口32が設けられている。燃料ガス出口32には、燃料ガス供給経路42の上流端が接続されており、その下流端には、水素利用機器(例えば、燃料電池)101が接続されている。燃料ガス供給経路42の途中には、燃料ガス弁(封止器)79が設けられており、その上流側には、バイパス経路44の上流端が接続されている。バイパス経路44の下流端は、バーナ102aに接続されている。また、バイパス経路44の途中には、バイパス弁(封止器)80が設けられている。
Further, a
これにより、仕切り板21の貫通孔31(浄化器28の入口31)から、空気混合部25で空気と混合された水素含有ガスが、浄化器28に流入し、酸化触媒層27を通流する間に、水素含有ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素とが、反応して、一酸化炭素が数ppmにまで低減された燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス出口32から燃料ガス供給経路42を通流して、水素利用機器101に供給される。
Thus, the hydrogen-containing gas mixed with air in the
なお、本実施の形態の水素生成装置102においては、変成器24及び浄化器28を設ける形態について採用したが、改質器16で生成される水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を更に低減する必要のない場合は、上記変成器24及び浄化器28を設けない形態を採用しても構わない。例えば、水素利用機器101が、一酸化炭素に対して被毒しにくい機器(例:固体酸化物燃料電池)である場合、上記形態が採用される。
In the
また、パッケージ111の適所には、吸気口61及び排気口62が設けられている。吸気口61及び排気口62は、パッケージ111内をくまなく外気が通流するように、なるべく互いに離れて設けられていることが好ましく、排気口62は、可燃性ガスが滞留しやすいパッケージ111の上部に設けられていることが好ましい。また、排気口62近傍には、換気ファン119が配置されている。なお、換気ファン119は、シロッコファンなどのファン類を使用することができる。
An
これにより、換気ファン119によって、吸気口61から外気が吸気され、吸気された外気が排気口62から排出される。
Thereby, the
また、パッケージ111内には、可燃性ガスセンサ140が設けられている。可燃性ガスセンサ140は、パッケージ111内の可燃性ガス(例えば、原料ガスや水素ガス)の漏れ(濃度)を検知して、検知した可燃性ガスの濃度を制御器110に出力するように構成されている。なお、本実施の形態においては、可燃性ガスセンサ140は、可燃性ガスが滞留しやすいパッケージ111の上部であって、換気ファン119近傍に設けられている。
A
さらに、パッケージ111内には、制御器110が設けられている。制御器110は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、CPU等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している(いずれも図示せず)。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、水素生成装置102に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理し、特に、記憶部から読み出した異常判定プログラムと各検知器140〜145から入力された検出値とに基づき異常であるかを判定して、異常と判定された当該異常が第1の異常または第2の異常に属する場合に、それぞれに対応する水素生成装置102の停止処理を行う。
Further, a
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して水素生成装置102の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器110は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して水素生成装置102を制御するように構成されていてもよい。
Here, in this specification, the controller means not only a single controller but also a controller group in which a plurality of controllers cooperate to execute control of the
なお、本実施の形態においては、制御器110が、各検知器140〜145から入力された検出値が異常であるか否かを判定する構成としたが、これに限定されず、各検知器140〜145がマイコン等の演算器を備えることにより、それぞれが検知する物理量が異常であるか否かを判定する構成としてもよい。
In the present embodiment, the
また、リモコン120は、マイコンで構成された制御部(図示せず)、通信部(図示せず)、表示部120a、及びキー操作部120bを有していて、制御部が、通信部等を制御している。また、リモコン120は、制御信号を通信部で受信し、これを制御部が処理して表示部120aに伝達する。また、リモコン120のキー操作部120bから入力された操作信号が、リモコン120の制御部及び通信部を介して、制御器110に送信され、制御器110の通信部で受信される。そして、運転を強制的に停止させて水素生成装置102のメンテナンス、点検を行うような場合、水素生成装置102の使用者又はメンテナンス作業者(操作者)が、リモコン120を介して運転停止のための入力操作(停止指令入力)することにより、制御器110は、運転中の水素生成装置102を強制的に停止させる。なお、ここで言う「運転中」とは、水素生成装置102の起動処理中、水素供給運転中、及び停止処理中の少なくともいずれか一つを含む。このリモコン120で停止入力操作した際の水素生成装置102の停止処理(以下、強制停止処理と称する)については、後述する。
The
なお、以下の説明では、その説明を簡略化するために、制御器110とリモコン120との信号のやりとりは、双方の通信部による通信及びリモコン120における制御部の処理を省略して記述する。
In the following description, in order to simplify the description, the exchange of signals between the
[水素生成装置の動作]
次に、本実施の形態1に係る水素生成装置102の起動処理(起動動作)について、図1を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、使用者がリモコン120を操作することで、制御器110が水素生成装置102を制御することにより遂行される。
[Operation of hydrogen generator]
Next, the startup process (startup operation) of the
まず、第1開閉弁71及び第2開閉弁72は、その弁を開放し、ついで、原料ガス供給器112を動作させることで、水素生成装置102及びバイパス経路44を経由して原料ガスがバーナ102aに導入される。また、燃焼空気が、燃焼空気供給器117から燃焼空気供給経路56を介して供給される。バーナ102aでは、供給された原料ガスを燃焼空気によって燃焼させ、燃焼排ガスが生成される。このとき、着火検知器141は、バーナ102aでの着火の有無を検知し、検知信号を制御器110に出力する。また、COセンサ142は、バーナ102aからの燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を検知して、検知した一酸化炭素の濃度を制御器110に出力する。
First, the first on-off
そして、バーナ102aで輻射筒9の先端(下端)から流出し、内筒用底板8の底壁に当たって反転し、そこから上方へ燃焼排ガス流路10を流れ、燃焼排ガス経路59に供給される。燃焼排ガス経路59に供給された燃焼排ガスは、該燃焼排ガス経路59を通流して、水素生成装置102(正確には、パッケージ111)外に排出される。このとき、燃燃焼排ガスからの伝熱により、水素生成装置102の改質器16、変成器24、及び浄化器28が加熱される。
And it flows out from the front-end | tip (lower end) of the
そして、温度検知器143で検知される温度に基づき、制御器110が、予熱部15の温度が水蒸発可能な温度(例えば、120℃)になったと判定すると、第2開閉弁72を開放するとともに、水供給器105の動作を開始させ、水素生成装置102の改質器16の予熱部15に、原料ガス供給器112から原料ガスが、原料ガス供給経路41を介して供給され、また、水供給器105から改質用水供給経路57を介して改質用水が供給される。そして、供給された水が予熱部で加熱されて水蒸気になり、加熱された原料ガスとともに、改質触媒層14を通流する間に、水蒸気と原料ガスが水蒸気改質反応して、水素を含む水素含有ガスが生成される。
Then, based on the temperature detected by the
次に、改質器16で生成された水素含有ガスは、改質触媒層14の下流端から流出して、水素含有ガス流路19を流通する。水素含有ガス流路19を通流した水素含有ガスは、変成器24に流入し、変成触媒層23を通流する間に、水素含有ガス中の一酸化炭素と水とが変成反応により、一酸化炭素が低減される。そして、一酸化炭素が低減された水素含有ガスは、変成器24の出口29から空気混合部25に流出する。このとき、温度検知器144は、変成器24の出口29から流出した水素含有ガスの温度を検知し、検知した温度を制御器110に出力する。
Next, the hydrogen-containing gas generated by the
次に、変成器24の出口29から空気混合部25に流出した水素含有ガスは、酸化用空気供給器116から供給された空気と混合される。そして、空気混合部25で空気と混合された水素含有ガスは、浄化器28の入口31から浄化器28に流入する。このとき、温度検知器145は、浄化器28に流入する水素含有ガスと空気の混合ガスの温度を検知し、検知した温度を制御器110に出力する。
Next, the hydrogen-containing gas flowing out from the
次に、浄化器28に流入した水素含有ガスと空気の混合ガスは、酸化触媒層27を通流する間に、水素含有ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素とが、反応して、一酸化炭素が数ppmにまで低減された燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス出口32から燃料ガス供給経路42に供給される。
Next, while the mixed gas of hydrogen-containing gas and air flowing into the
そして、水素生成装置102の改質器16、変成器24、及び浄化器28に設けられた温度検知器143〜145が所定の温度(例えば、改質器16が、600〜650℃、変成器24が、200〜250℃、浄化器28が130〜170℃)を検知すると、制御器110は、燃料ガス中の一酸化炭素が充分に低減されたと判定して、制御器110は、水素生成装置102の起動処理を終了する。
The
次に、本実施の形態1に係る水素生成装置102の水素供給運転(運転動作)について説明する。
Next, the hydrogen supply operation (operation operation) of the
まず、制御器110は、水素生成装置102の改質器16、変成器24、及び浄化器28に設けられた温度検知器143〜145が所定の温度になると、燃料ガス弁79を開放して、燃料ガスを水素生成装置102から水素利用機器101に供給させる。なお、燃料ガス中の一酸化炭素が充分に低減されていない間は、燃料ガス弁79は閉鎖されて、水素生成装置102で生成された燃料ガスは、水素利用機器101に供給されず、バイパス経路44を介してバーナ102aに供給される。なお、上記のように水素生成装置102で生成されたガスが、水素利用機器101に供給されず、バイパス経路44を介してバーナ102aに供給されている間は、制御器110の制御により、バイパス弁80が開放されている。また、燃料ガス中の一酸化炭素が充分に低減されて燃料ガスが水素利用機器101に供給される場合、制御器110の制御により燃料ガス弁79が開放されるとともにバイパス弁80も開放され、バイパス経路44を介してバーナ102aに導入された燃料ガスの燃焼により水素生成装置102の温度が一酸化炭素濃度の低い高品質な水素含有ガスの生成のために適切な温度に維持される。
First, the
次に、本実施の形態1に係る水素生成装置102の通常の停止処理(停止動作)について説明する。なお、ここでいう通常の停止処理とは、水素生成装置102の運転中において、異常検知器により異常が検知されることで実行される停止処理(異常停止処理)や強制停止処理とは異なる停止処理のことを指す。例えば、水素利用機器101において、水素を利用する必要がなくなった場合に実行される停止処理であり、具体的には、水素利用機器が、水素タンクの場合、水素生成装置102が水素タンクへの水素供給運転中に水素タンクの容量が満ちた状態になった場合に実行される停止処理が挙げられる。他には、水素利用機器が燃料電池である場合、電力負荷の電力需要が、燃料電池の発電運転を実行する必要のない所定の閾値以下にまで低下することで実行される停止処理や予め設定された停止時刻になり、実行される停止処理等が挙げられる。
Next, normal stop processing (stop operation) of the
本発明においては、停止処理(停止動作)を、制御器110が停止信号を出力してから、燃料電池システム100がその停止処理を完了するまでの動作として定義する。なお、水素生成装置102の通常の停止処理の完了後は、制御器110は動作していて、制御器110以外の部分の動作は停止しており、起動要求が発生した場合には、制御器110により起動指令が出力され、速やかに起動処理を開始可能な待機状態に移行する。
In the present invention, the stop process (stop operation) is defined as an operation from when the
以下、本実施の形態1に係る水素生成装置102の通常の停止処理(停止動作)について図2に基づき説明する。図2は、本発明の実施の形態1の水素生成装置102における通常の停止処理の一例を示すフローチャートである。
Hereinafter, a normal stop process (stop operation) of the
まず、制御器110により停止指令が出力されると、原料ガス供給器112としてのブースターポンプの動作を停止するとともに、水供給器105は、その動作、を停止する。また、酸化用空気供給器116は、その動作を停止する。これにより、水素生成装置102への原料ガス及び水の供給が停止し、空気混合部25への酸化用空気の供給が停止する。そして、原料ガス供給経路41上に設けられた第1開閉弁71及び第2開閉弁72を閉止するとともに、燃料ガス弁79及びバイパス弁80を閉止し(ステップS101)、水素生成装置102内部を外気と遮断する(水素生成装置の封止動作)。
First, when a stop command is output by the
これにより、ステップS101によりバイパス弁80が閉止されるまでの間は、バーナ102aの燃焼が継続するが、ステップS101でバイパス弁80が閉止され、バーナ102aへの燃料ガスの供給が停止すると、バーナ102aでは、燃料ガスと燃焼空気との燃焼が停止する。
As a result, the combustion of the
なお、燃焼空気供給器117は、バーナ102aでの燃焼が停止した後も、バーナ102aへの燃焼空気の供給が継続される。これにより、バーナ102aに供給された燃焼空気が、輻射筒9の内部空間や燃焼排ガス流路10等を通流する間にバーナ102aや改質器16等の熱を奪い、バーナ102aや改質器16等、すなわち、水素生成装置102全体が冷却される(水素生成装置102の冷却動作)。
Note that the
そして、上記冷却動作中において、水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143は、改質器16の温度t1を検知し(ステップS102)、検知された温度t1が、待機可能温度(例えば、500℃)以下である場合(ステップS103でYes)、燃焼空気供給器117は、バーナ102aへの燃焼空気の供給を停止し(ステップS104)、水素生成装置102の冷却動作を完了する。なお、上記待機可能温度は、水素生成装置102が待機状態に移行可能な温度であり、例えば、水素生成装置102に原料ガスのみを供給しても炭素析出することのない上限温度として定義される。
During the cooling operation, the
そして、水素生成装置102の待機可能温度までの冷却動作が完了すると、水素生成装置102は、待機状態に移行する(ステップS105)。なお、この待機状態とは、次の水素生成装置102の運転開始を待機している状態のことであり、例えば、所定の起動要求が発生した場合に、制御器110より起動指令が出力され、次の起動処理の実行に移行されるような状態として定義される。なお、上記起動要求の例としては、例えば、使用者がリモコン120のキー操作部120bを操作して運転開始要求を行うことや、水素利用機器101において水素利用が必要になること等が挙げられる。このため、水素生成装置102が待機状態にある場合に、制御器110から起動処理が出力されると、上記水素生成装置102の起動処理が行われる。
When the cooling operation of the
上記待機状態において、水素生成装置102は自然放冷されるが、その際に、水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143が改質器16の温度を検知し(ステップS106)、検知温度が上記待機可能温度よりも低いFPパージ温度(例えば、300℃)以下になった場合(ステップS107でYes)、第1開閉弁71、第2開閉弁72、及びバイパス弁80は、それぞれの弁を開放し、原料ガス供給器112から水素生成装置102に原料ガス(パージガス)が供給され(ステップS108)、水素生成装置102内に設けられた反応器(改質器16等)に存在する水蒸気等のガスが、原料ガスによりパージされて、水素生成装置102内より掃気される(水素生成装置102に対するパージ処理(以下、FP(Fuel Processor)パージ処理開始))。掃気されたガスは、バイパス経路44を介して、バーナ102aに送出され、バーナ102aで燃焼される(ステップS109)。このFPパージ処理により、水素生成装置102内で、水蒸気が結露して、改質触媒等の触媒が劣化するのを抑制することができる。なお、上記パージ温度は、水素生成装置102に対する上記パージ処理時のバーナ102aでの燃焼動作による改質器16の温度上昇分を加算しても、改質器16内の原料ガスが炭素析出しない温度として定義される。
In the standby state, the
そして、制御器110は、上記FPパージ処理を開始してからの経過時間T1を計測し(ステップS110)、この経過時間T1がFPパージ時間J1以上になると(ステップS111でYes)、原料ガス供給器112を停止し、第1開閉弁71、第2開閉弁72、及びバイパス弁80を閉止して(FPパージ処理終了)(ステップS112)、通常の停止処理を終了する。なお、上記パージ時間は、少なくとも水素生成装置102内の水蒸気が掃気されるのに必要な時間として定義される。
Then, the
このように、本実施の形態1に係る水素生成装置102では、正常な状態で運転停止に移行する場合においては、少なくとも水素生成装置102の機能を保護する程度の停止処理(例えば、水素生成装置102を外気と遮断する封止動作)を実行し、速やかに待機状態に移行するように構成されている。また、冷却動作を実行するにしても、水素生成装置102が再起動可能な温度状態(つまり、改質器16の温度が待機可能温度以下の状態)になるまでの間だけ、排熱回収動作をする等の必要最低限の冷却動作を実行するように構成されている。従って、速やかに待機状態に移行できるとともに次回の起動処理は、待機状態に移行してからの経過時間によっては、水素生成装置102を構成する機器温度(例えば、改質器16)が周囲温度(外気温度)よりも高く、水素生成装置102を昇温するのに必要なエネルギーが削減され、起動処理に要する時間が短縮され、水素生成装置102の起動性が向上する。
As described above, in the
なお、本実施の形態1に係る水素生成装置102の停止処理においては、水素生成装置102の冷却動作を実行するよう構成されているが、水素生成装置102を待機状態に移行させるために適切な停止動作であれば、これに限定されるものではなく、上記冷却動作を実行しなくても構わない。例えば、水素生成装置102に、原料ガス供給経路41より分岐し、バーナ102aに直接、原料ガスを燃焼燃料として供給する燃焼燃料供給路が設けられ、水素生成装置102の起動処理の昇温工程において、この燃焼燃料供給路を介してバーナ102aに燃焼燃料を用いて燃焼するよう構成されていてもよい。このように構成された水素生成装置102の起動処理においては、水素生成装置102の昇温工程において、水素生成装置102内に原料ガスのみを通流させる必要がないため、上記冷却動作を実行する必要がない。
In addition, in the stop process of the
次に、本実施の形態1に係る水素生成装置102の強制停止処理について、図3を参照しながら説明する。図3は、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置102における強制停止処理の主な動作を示すフローチャートである。
Next, the forced stop process of the
水素生成装置102の使用者又はメンテナンス作業者(操作者)が、リモコン120を操作して、停止指令信号が制御器110に入力されると、図3に示すように、通常の停止処理と同様に水素生成装置102への原料ガス及び水の供給を停止するとともに、水素生成装置102の封止動作を実行する(図2のステップS100、S101参照)ことで、バーナ102aでの燃焼動作が停止される(ステップS200)。
When a user of the
燃焼空気供給器117は、制御器110の制御により、バーナ102aでの燃焼が停止した後も、バーナ102aへの燃焼空気の供給を継続し、水素生成装置102の冷却動作を実行する(ステップS201)。そして、上記冷却動作は、通常の停止処理の場合と異なり、水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143の検知温度が待機可能温度(例えば、500℃)以下になっても継続する(ステップS202〜S204)。
The combustion
そして、水素生成装置102の上記冷却動作の継続中において温度検知器143の検知温度がパージ温度以下になると、通常の停止処理の場合と同様にFPパージ処理を実行する(ステップS205〜S210)。FPパージ処理が完了すると、燃焼空気供給器117を停止させ(ステップS211)、FP冷却動作を完了する。そして、強制停止処理を完了し、制御器110は、水素生成装置102を起動不許可状態に移行する(ステップS212)。ここで、起動不許可状態に移行とは、使用者が水素生成装置102の運転を開始するように、リモコン120を操作して起動指令を入力しても、制御器110の演算処理部が、上述した水素生成装置102の起動を許可せず、起動指令を出力しない状態にすることをいう。
Then, when the temperature detected by the
なお、上記強制停止処理における水素生成装置102の冷却動作において、バーナ102aに供給する燃焼空気量は、水素生成装置102の定格運転時における供給量よりも多くなるように制御することが好ましい。具体的には、強制停止処理における水素生成装置102の冷却動作において、制御器110が、水素生成装置102の定格運転時の操作量よりも大きくなるように、燃焼空気供給器117を制御する。これにより、水素生成装置102の温度がより速やかに低下し、メンテナンス作業へ移行し易くなる。なお、水素生成装置102の定格運転とは、水素生成装置102の水素供給運転時において、安定して供給可能な最大水素量を供給している運転として定義される。
In the cooling operation of the
ここで、上記強制停止処理と通常の停止処理とを比較すると、強制停止処理では、改質器16の温度が待機可能温度以下になってから改質器16の温度がFPパージ処理可能な温度(FPパージ温度以下の温度)になるまでの期間において、通常の停止処理のように自然放冷により水素生成装置102が冷却するのを待つのではなく、燃焼空気供給器117によるバーナ102aを含む水素生成装置102の冷却動作を継続し、水素生成装置102をより速やかに冷却するよう制御する点が異なる。
Here, when the forced stop process is compared with the normal stop process, in the forced stop process, the temperature of the
すなわち、本実施の形態1に係る水素生成装置102では、強制停止処理は、通常の停止処理の場合に比して、水素生成装置102の冷却量が多くなるように制御することで、水素生成装置102内の機器温度をメンテナンス作業者が火傷等をしない程度にまでより早く降温させ、メンテナンス作業への移行を迅速化させることを可能にするものである。
In other words, in the
一方、通常の停止処理は、強制停止処理に比して、水素生成装置102の冷却量が少なくなるよう制御されるため、待機状態に移行してからの経過時間によっては、起動処理開始時において水素生成装置102を構成する機器温度(例えば、改質器16)が周囲温度(外気温度)よりも高く、水素生成装置102を昇温するのに必要なエネルギーが削減され、水素生成装置102の起動性が向上する可能性がある。
On the other hand, the normal stop process is controlled so that the cooling amount of the
なお、本実施の形態1においては、強制停止処理は、通常の停止処理の場合に比して、燃焼空気供給器117による水素生成装置102の冷却動作時間を多くなるように制御することで、水素生成装置102の冷却量が多くなるよう制御したが、これに限定されず、バーナ102aに供給される燃焼空気量が多くなるように制御することで、水素生成装置102の冷却量が多くなるよう制御してもよい。具体的には、強制停止処理時の水素生成装置102の冷却動作における燃焼空気供給器117の操作量が、通常停止処理時の水素生成装置102の冷却動作における上記操作量よりも大きくなるように、制御器110が燃焼空気供給器117を制御することで実現される。
In the first embodiment, the forced stop process is controlled so as to increase the cooling operation time of the
また、本実施の形態1においては、リモコン120が、停止操作器を構成したが、これに限定されず、リモコン120とは別に、水素生成装置102の運転を強制的に停止させるための停止操作器を設けてもよい。
In the first embodiment, the
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。なお、図4においては、水素生成装置における上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the hydrogen generator according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 4, the vertical direction in the hydrogen generator is shown as the vertical direction in the drawing, and a part thereof is omitted.
図4に示すように、本発明の実施の形態2に係る水素生成装置102は、実施の形態1に係る水素生成装置102と基本的構成は同じであるが、燃焼排ガス経路59の途中に冷却器121が設けられている点が異なる。
As shown in FIG. 4, the
冷却器121としては、熱交換器や放熱器等を使用することができる。例えば、冷却器121として、熱交換器を使用する場合、熱交換器の一次流路と燃焼排ガス経路59を接続し、また、熱交換器の二次流路に水を通流するように構成し、バーナ102aから排出された燃焼排ガスが、熱交換器の一次流路を通流する間に、熱交換器の二次流路を通流する水と熱交換して、冷却されるように構成する。そして、制御器110は、水素生成装置102の停止処理において、バーナ102aが燃焼停止し、かつ、燃焼空気供給器117が作動している水素生成装置102の冷却動作期間中、熱交換器の二次流路に水を通流させるように制御する。これにより、水素生成装置102より熱回収し、燃焼排ガス経路59を介して水素生成装置102外部(パッケージ111外部)に排出される排空気の温度が過剰に高温化するのを抑制することができる。なお、本実施の形態2に係る水素生成装置102においても、実施の形態1に係る水素生成装置102と同様に、改質器16で生成される水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を更に低減する必要のない場合は、変成器24及び浄化器28を設けない形態を採用しても構わない。
As the cooler 121, a heat exchanger, a radiator, or the like can be used. For example, when a heat exchanger is used as the cooler 121, the primary flow path of the heat exchanger and the combustion
なお、上記のバーナ102aの燃焼停止時における燃焼空気供給器117による水素生成装置102の冷却動作期間とは、本実施の形態2に係る水素生成装置102の場合、通常の停止処理においてバーナ102aの燃焼停止後に燃焼空気供給器117を改質器16の温度が待機可能温度以下になるまで動作させる冷却動作期間、または、強制停止処理において、バーナ102aの燃焼停止後に燃焼空気供給器117を改質器16の温度がパージ温度以下になるまで動作させる冷却動作期間を指す。
Note that the cooling operation period of the
また、水素生成装置102は、強制停止処理時の方が通常の停止処理時よりも冷却量が多くなるよう制御されるが、その際に、水素生成装置102の冷却動作期間中におけるバーナ102aに供給される燃焼空気量(燃焼空気供給器117の操作量)を通常の停止処理時よりも多くなるよう制御した場合、燃焼排ガス流路102を通流する空気により回収される熱量が多くなる。このため、制御器110は、通常の停止処理を行うよりも強制停止処理を行うときの方が、熱交換器の二次流路を通流する水の流量を多くするように制御することが好ましい。すなわち、制御器110は、通常の停止処理を行うときの冷却器121による排空気の冷却量よりも強制停止処理を行うときの冷却器121による排空気の冷却量の方が多くなるように、冷却器121を制御することが好ましい。
In addition, the
このように構成された本実施の形態2に係る水素生成装置102であっても、実施の形態1に係る水素生成装置102と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態2に係る水素生成装置102では、水素生成装置102の冷却動作期間中において燃焼排ガス経路59より排出される排空気の温度が過剰に高温化するのを抑制することができ、より安全に水素生成装置102の停止を行うことができる。
Even the
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムは、実施の形態1に係る水素生成装置102を備える。以下、本実施の形態3に係る燃料電池システムについて詳細に説明する。
(Embodiment 3)
The fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention includes the
[燃料電池システムの構成]
図5は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図5において、燃料電池システムにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 5, the vertical direction in the fuel cell system is represented as the vertical direction in the figure.
図5に示すように、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システム100は、燃料電池101、水素生成装置102、酸化剤ガス供給器103、冷却水タンク104、凝縮水タンク105、熱交換器(放熱器)106、第1ポンプ(第1送出器)107、第2ポンプ(第2送出器)108、貯湯タンク109、制御器110、リモコン120、及びハウジングからなるパッケージ111を備えており、使用者がリモコン120を操作することにより、燃料電池システム100の運転開始及び運転停止を行うことができるように構成されている。パッケージ111は、本実施の形態においては、鉛直方向に長く延びるように形成されており、該パッケージ111内部には、燃料電池101等の各機器が配設されている。
As shown in FIG. 5, a
なお、本実施の形態3においては、リモコン120が、停止操作器を構成する。リモコン120を用いた運転停止のための入力操作としては、例えば、リモコン120に設けられた運転停止指令用のボタンを操作者が押下する形態や、リモコン120を操作することで、運転停止入力用の画面が表示され、この状態で運転停止の確定入力をボタン操作または画面上でのタッチ操作により行う形態等が挙げられる。
In the third embodiment,
水素生成装置102は、改質器16、変成器24、浄化器28(図1参照)、及びバーナ102aを有していて、水素生成装置102の改質器16の原料ガス供給口12(図1参照)には、原料ガス供給経路41の下流端が接続されている。ここでは、原料ガスとして、メタンを主成分とする都市ガスが用いられており、原料ガス供給経路41の上流端は、都市ガスの配管(図示せず)に接続されている。また、原料ガス供給経路41には、その上流側から、第1開閉弁71、ブースターポンプ112a、流量調整弁112b、及び第2開閉弁72が設けられている。第1開閉弁71及び第2開閉弁72は、原料ガス供給経路41を通流する原料ガスの通流を許可/阻止するように構成されており、例えば、電磁弁等の弁を用いることができる。ブースターポンプ112aは、原料ガス供給経路41を通流する原料ガスを昇圧するように構成され、流量調整弁112bは、原料ガス供給経路41を通流する原料ガスの流量を調整するように構成されていて、ブースターポンプ112aと流量調整弁112bが、原料ガス供給器112を構成する。なお、ここでは、ブースターポンプ112aと流量調整弁112bが、原料ガス供給器112を構成したが、これに限定されず、ブースターポンプ112aのみで、原料ガス供給器112を構成してもよい。すなわち、ブースターポンプ112aが、原料ガスの昇圧及び流量調整を行うように構成してもよい。
The
バーナ102aには、オフ燃料ガス経路43の下流端が接続されており、燃料電池101で使用されなかった余剰の燃料ガスがオフ燃料ガスとして、バーナ102aに供給されるように構成されている。また、バーナ102aには、カソードパージガス排出経路50の下流端が接続されており、後述する燃料電池システム100の起動処理時又は運転停止時に行われる燃料電池101のカソードパージ処理によって、掃気された酸化剤ガス流路101bに存在するガス(以下、カソードパージガスという)が、バーナ102aに供給される。さらに、バーナ102aには、燃焼空気供給経路56の下流端が接続されており、その上流端には、燃焼空気供給器117が接続されている。
The
これにより、バーナ102aは、図示されない流路を通じて供給された原料ガス(または、燃料電池101からオフ燃料ガス経路43を介して供給されたオフ燃料ガス、または、燃料電池101からカソードパージガス排出経路50を介して供給されたカソードパージガス)を燃焼空気供給器117から燃焼空気供給経路56を介して供給された燃焼空気によって燃焼させる。なお、燃焼空気供給器117としては、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。
As a result, the
また、水素生成装置102の改質器16の水供給口13(図1参照)には、改質用水供給経路57の下流端が接続されており、その上流端は、第2凝縮水タンク105Bの下部に接続されている。また、改質用水供給経路57の途中には、改質用水供給経路57を通流する改質用水(凝縮水)の流量を調整する第3ポンプ113が設けられている。なお、本実施の形態においては、第2凝縮水タンク105Bから直接、水素生成装置102の改質器16に凝縮水を供給する構成としたが、これに限定されず、第1凝縮水タンク105Aから直接、水素生成装置102の改質器16に供給する構成としてもよく、また、第2凝縮水タンク105Bに貯えられた凝縮水を冷却水タンク104に供給し、冷却水タンク104に貯えられている冷却水とともに、水素生成装置102の改質器に供給する構成としてもよい。
Further, the downstream end of the reforming
さらに、水素生成装置102の浄化器28には、酸化用空気供給路58の上流端が接続されており、その下流端は、酸化用空気供給器116に接続されている。酸化用空気供給器116は、浄化器での酸化反応に用いられる空気を供給するように構成されている。なお、酸化用空気供給器116としては、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。
Further, the upstream end of the oxidizing
そして、改質器16では、バーナ102aで生成された燃焼排ガスの伝熱を利用して、原料ガス供給器112から原料ガス供給経路41を介して供給される原料ガス(メタン)と、第1凝縮水タンク105Aから供給される凝縮水と、を改質反応させることにより、水素リッチな水素含有ガス(改質ガス)を生成する。また、変成器24では、改質器16で生成された改質ガスを、変成反応させることにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減させる。浄化器28では、変成器24で一酸化炭素が低減された改質ガス中の一酸化炭素を、酸化用空気供給器116から酸化用空気供給路58を介して供給された酸化用空気と反応させることにより、一酸化炭素が10ppm以下にまで低減された燃料ガスが生成される。なお、本実施の形態においては、原料ガスとしてメタンを使用しているが、これに限定されず、エタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等に例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスを使用することができる。また、本実施の形態3に係る燃料電池システム100における水素生成装置102においては、変成器24及び浄化器28を設ける形態について採用したが、改質器16で生成される水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を更に低減する必要のない場合は、変成器24及び浄化器28を設けない形態を採用しても構わない。例えば、水素利用機器101が、一酸化炭素に対して被毒しにくい機器(例:固体酸化物燃料電池)である場合、上記形態が採用される。
The
また、水素生成装置102の浄化器28の燃料ガス出口32(図1参照)には、燃料ガス供給経路42の上流端が接続されており、その途中には、三方弁からなる第1切替器(封止器)73が設けられ、また、燃料ガス供給経路42の下流端は、燃料電池101の燃料ガス流路101aの上流端に接続されている。具体的には、燃料ガス供給経路42は、第1燃料ガス供給経路42aと第2燃料ガス供給経路42bから構成されていて、第1燃料ガス供給経路42aの上流端は、水素生成装置102の浄化器28の燃料ガス出口32と接続されていて、その下流端は、第1切替器73の第1ポート73aと接続されている。また、第2燃料ガス供給経路42bの上流端は、第1切替器73の第3ポート73cに接続されていて、その下流端は、燃料電池101の燃料ガス流路101aの上流端に接続されている。なお、第1切替器73の第2ポート73bには、燃料ガスバイパス経路44の上流端が接続され、その下流端は、オフ燃料ガス経路43の途中に接続されている。
The upstream end of the fuel
また、燃料電池101の燃料ガス流路101aの下流端には、オフ燃料ガス経路43の上流端が接続されており、その下流端は、水素生成装置102のバーナ102aに接続されている。オフ燃料ガス経路43の燃料ガスバイパス経路44との接続点より上流側には、オフ燃料ガス経路43を通流する燃料ガス等の通流を許可/阻止するための第4開閉弁75が設けられている。また、オフ燃料ガス経路43の燃料ガスバイパス経路44との接続点より下流側には、第1凝縮器114が設けられていて、オフ燃料ガス経路43と第1凝縮器114の一次流路114aとが接続されている。第1凝縮器114は、水蒸気を凝縮して水に液化することにより、未反応の燃料ガスと水分とを分離するように構成されている。そして、オフ燃料ガス経路43の第1凝縮器114の下流側には、鉛直方向に延びるように形成された第1凝縮水経路45の上流端が接続されていて、第1凝縮水経路45の下流端は、第2凝縮水タンク105Bの上部(ここでは、上端面)に接続されている。さらに、オフガス燃料ガス経路43の燃料ガスバイパス経路44の接続点よりも下流側には、第7開閉弁78が設けられている。
The upstream end of the off-
これにより、水素生成装置102で生成された燃料ガスが、燃料電池101の燃料ガス流路101aに供給され、燃料ガス流路101aに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路101aを通流する間に、各セルのアノード(図示せず)に供給されて、電気化学反応に供される。また、燃料電池101で使用されなかった余剰の燃料ガスは、オフガスとしてオフ燃料ガス経路43に流入する。オフ燃料ガス経路43に流入した余剰の燃料ガスは、第1凝縮器114の一次流路114aを通流する間に、燃料ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、水に液化される。そして、第1凝縮器114で分離された余剰の燃料ガスは、オフガスとしてバーナ102aに供給され、上述したように、バーナ102aで燃焼される。一方、第1凝縮器114で分離された水は、第1凝縮水経路45を介して、第2凝縮水タンク105Bに供給される。
As a result, the fuel gas generated by the
酸化剤ガス供給器103は、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bに酸化剤ガス(ここでは、空気)を供給することができるように構成されていて、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。酸化剤ガス供給器103には、酸化剤ガス供給経路46の上流端が接続されていて、その下流端は、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bに接続されている。
The oxidant
第3開閉弁74は、酸化剤ガス供給経路46を開閉するように構成されており、例えば、電磁弁等の弁を用いることができる。
The third on-off
また、第3開閉弁74の下流の酸化剤ガス供給経路46には、パージガス供給経路49の下流端が接続されていて、その上流端は、原料ガス供給経路41の流量調整弁112bと第2開閉弁72との間の部分に接続されている。パージガス供給経路49は、パージガス又は補圧ガスとしての原料ガスが通流するように構成されていて、その途中には、第6開閉弁77が設けられている。第6開閉弁77は、パージガス供給経路49を開閉するように構成されており、例えば、電磁弁等の弁を用いることができる。
Further, the downstream end of the purge
燃料電池101の酸化剤ガス流路101bの下流端には、オフ酸化剤ガス経路47の上流端が接続されていて、その下流端は、燃料電池システム100の外部に開口されている。オフ酸化剤ガス経路47の途中には、オフ酸化剤ガス経路47を開閉する第5開閉弁76が設けられている。オフ酸化剤ガス経路47の上流端と第5開閉弁76との間には、カソードパージガス排出経路50の上流端が接続されており、その下流端は、上述したように、水素生成装置102のバーナ102aに接続されている。また、カソードパージガス排出経路50には、第9開閉弁81が設けられている。
The upstream end of the off-
また、オフ酸化剤ガス経路47の第5開閉弁76より下流側には、第2凝縮器115が設けられていて、オフ酸化剤ガス経路47と第2凝縮器115の一次流路115aとが接続されている。第2凝縮器115は、オフ酸化剤ガス経路47を流れるオフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮して水に液化することにより、燃料電池101で使用されなかった余剰のオフ酸化剤ガスと水分とを分離するように構成されている。そして、第2凝縮器115の下流側のオフ酸化剤ガス経路47には、鉛直下方向に延び、第1凝縮水タンク105Aに接続されている。
Further, a
これにより、酸化剤ガス供給器103から、酸化剤ガス供給経路46を介して、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bに酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス流路101bに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路101bを通流する間に、各セルのカソード(図示せず)に供給されて、電気化学反応に供される。また、燃料電池101で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸化剤ガスは、上記電気化学反応で生成された水とともにオフ酸化剤ガス経路47に流入する。オフ酸化剤ガス経路47に流入した余剰の酸化剤ガスは、第2凝縮器115の二次流路115bを通流する間に、酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、水に液化される。そして、第2凝縮器115より排出された余剰の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス経路47を介して第1凝縮水タンク105Aに導入後、第1凝縮水タンク105Aに設けられた排気口より排出され、最終的に燃料電池システム100外(パッケージ111外)に排出される。一方、第2凝縮器115で分離された水は、第1凝縮水タンク105Aに供給される。なお、第1凝縮水タンク105Aに供給された水は、所定量貯まると第2凝縮水タンク105Bに供給される。
As a result, the oxidant gas is supplied from the oxidant
そして、燃料電池101では、燃料ガス流路101aから各セルのアノードに供給された燃料ガスと、酸化剤ガス流路101bから各セルのカソードに供給された酸化剤ガスとが、電気化学的に反応して電気と熱が発生する。燃料電池101で電気化学反応に使用されなかった余剰の燃料ガスは、オフ燃料ガス経路43を通流して、第2凝縮水タンク105Bに貯えられる。
In the
また、燃料電池101には、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発生した熱を回収して、燃料電池101を冷却するための冷却水(第1熱媒体)が通流する冷却水流路101cが設けられている。冷却水流路101cの上流端には、冷却水供給経路51の下流端が接続されており、その上流端は、冷却水を貯えるための冷却水タンク104の下部に接続されている。また、冷却水流路101cの下流端には、冷却水排出経路52の上流端が接続されており、その下流端は、冷却水タンク104の下端面に接続されている。
In addition, the
冷却水経路(第1熱媒体経路)の適所、例えば、燃料電池101内の冷却水流路101c以外の冷却水経路に、熱交換器106が設けられ、冷却水供給経路51と熱交換器106の一次流路106aとが接続される。本実施の形態では、熱交換器106は、その一例として冷却水供給経路51に設けられている。また、熱交換器106は、一次流路106aを通流する冷却水と、後述する二次流路106bを通流する貯湯水(第2熱媒体)と、の間で熱交換することができるように構成されている。なお、冷却水供給経路51、熱交換器106の一次流路106a、燃料電池101の冷却水流路101c、及び冷却水排出経路52から、冷却水経路(第1熱媒体経路)が構成される。
A
また、冷却水排出経路52の上流端近傍には、温度検知器137が設けられている。温度検知器137は、冷却水経路を通流する冷却水の温度を検知し、検知した温度を制御器110に出力するように構成されている。また、本実施の形態においては、温度検知器147を熱交換器106より下流の冷却水供給経路51に設け、燃料電池101に流入する冷却水流路101cから排出された冷却水の温度を検知し、検知した温度を、制御器110に出力するように構成されている。なお、冷却水の温度を検知する温度検知器は、上記構成に限定されず、温度検知器137及び温度検知器147のいずれか一方でも構わないし、冷却水経路(第1熱媒体経路)上であればいずれの箇所に設けても構わない。
Further, a
さらに、冷却水経路(ここでは、冷却水供給経路51)の適所には、冷却水経路を通流する冷却水の流量を調整するための第1ポンプ(第1送出器)107が設けられている。なお、本発明の第1送出器として、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調整弁とを組み合わせて流量調整を行う流量調節器を用いてもよい。 Furthermore, a first pump (first delivery device) 107 for adjusting the flow rate of the cooling water flowing through the cooling water path is provided at an appropriate position of the cooling water path (here, the cooling water supply path 51). Yes. In addition, although the pump which can adjust flow volume is used as the 1st sending device of this invention here, it is not limited to this, The flow regulator which adjusts flow volume combining a pump and a flow regulating valve is used. May be.
これにより、冷却水供給経路51を通流する冷却水は、熱交換器106の一次流路106aを通流する間に、熱交換器106の二次流路106bを通流する貯湯水と熱交換して冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池101の冷却水流路101cに供給される。冷却水流路101cに供給された冷却水は、燃料電池101で発生した熱を回収して、燃料電池101を冷却する。そして、燃料電池101の排熱を回収した冷却水は、冷却水タンク104に供給される。
As a result, the cooling water flowing through the cooling
貯湯タンク109は、ここでは、鉛直方向に延びるように形成されていて、貯湯タンク109の下部には、市水を供給するための水供給路53が接続されており、貯湯タンク109の上部には、貯湯水を利用者に供給するための貯湯水供給路54が接続されている。また、貯湯水供給路54には、貯湯水を利用する熱負荷が接続されている(図示せず)。熱負荷としては、例えば、給湯機器、暖房機器や空調機器が挙げられる。
Here, the hot
また、貯湯タンク109の下端面には、貯湯水経路55の上流端が接続されていて、その下流端は、貯湯タンク109の上部に接続されている。貯湯水経路55には、上流側から順に第2ポンプ(第2送出器)108、第1凝縮器114、第2凝縮器115、及び熱交換器106が設けられていて、貯湯水経路55は、第1凝縮器114の二次流路114b、第2凝縮器115の二次流路115b、及び熱交換器106の二次流路106bとそれぞれ接続されている。
In addition, an upstream end of the hot
これにより、貯湯水経路55を通流する貯湯水は、第1凝縮器114の二次流路114bを通流する間に、第1凝縮器114の一次流路114aを通流するオフ燃料ガスと熱交換して加熱され、ついで、第2凝縮器115の二次流路115bを通流する間に、第2凝縮器115の一次流路115aを通流する酸化剤ガスと熱交換して加熱される。そして、第2凝縮器115の二次流路115bを通流した貯湯水は、熱交換器106の二次流路106bを通流する間に、熱交換器106の一次流路106aを通流する冷却水と熱交換して加熱される。加熱された貯湯水は、貯湯水経路55を通流して、貯湯タンク109の上端部に供給される。このような構成により、貯湯タンク109は、下部には市水温度に近い温度の低い水が貯えられ、熱交換器106等により高温化した熱媒体が上部に貯えられる、いわゆる積層沸き上げ型の貯湯タンクとなる。
As a result, the hot water flowing through the
また、燃料電池システム100は、貯湯水経路55には熱交換器106を通過後の貯湯水の温度を検知する温度検知器146と、温度検知器146よりも下流側の貯湯水経路55には、貯湯タンク109をバイパスして第1凝縮器114よりも上流の貯湯水経路55に接続する貯湯バイパス経路207と、熱交換器106を通過後の貯湯水の流入先を貯湯タンク109と貯湯バイパス経路207との間で切り替える切替器206とを備える。
Further, the
また、燃料電池101には、適宜な配線により、インバータ118が電気的に接続されていて、燃料電池101が発電した直流電流を交流電流に変換し、燃料電池システム100外の電力負荷に電力を供給するように構成されている。また、インバータ118より出力された電流が流れる電路には、系統連系点を介して、系統電源が接続されている(いずれも図示せず)。すなわち、燃料電池101の出力電力と系統電源からの電力が、系統連系点で系統連系されている。
In addition, an
また、パッケージ111の適所には、吸気口61及び排気口62が設けられている。吸気口61及び排気口62は、パッケージ111内全体に外気が通流するように、なるべく互いに離れて設けられていることが好ましく、排気口62は、メタンを主成分とする都市ガスや水素等の酸素よりも軽い可燃性ガスが滞留しやすいパッケージ111の上部に設けられていることが好ましい。また、排気口62近傍には、換気ファン119が配置されている。なお、換気ファン119は、シロッコファンなどのファン類を使用することができる。
An
これにより、換気ファン119によって、吸気口61から外気が吸気され、吸気された外気が排気口62から排出される。
Thereby, the
燃料電池システム100のパッケージ111内には、可燃性ガスセンサ140が設けられている。可燃性ガスセンサ140は、燃料電池システム100(パッケージ111)内の可燃性ガス(例えば、原料ガスや水素ガス)の漏れ(濃度)を検知して、検知した可燃性ガスの濃度を制御器110に出力するように構成されている。なお、本実施の形態においては、可燃性ガスセンサ140は、メタンを主成分とする都市ガスや水素等の酸素よりも軽い可燃性ガスが滞留しやすいパッケージ111の上部であって、換気ファン119近傍に設けられている。
A
制御器110は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、CPU等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している(いずれも図示せず)。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム100に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。
The
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム100の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器110は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム100を制御するように構成されていてもよい。
Here, in this specification, the controller means not only a single controller but also a controller group in which a plurality of controllers cooperate to execute control of the
また、リモコン120は、マイコンで構成された制御部(図示せず)、通信部(図示せず)、表示部120a、及びキー操作部120bを有していて、制御部が、通信部等を制御している。また、リモコン120は、制御信号を通信部で受信し、これを制御部が処理して表示部120aに伝達する。また、リモコン120のキー操作部120bから入力された操作信号が、リモコン120の制御部及び通信部を介して、制御器110に送信され、制御器110の通信部で受信される。そして、運転を強制的に停止させて燃料電池システム100のメンテナンス、点検を行うような場合や、燃料電池システム100の使用者又はメンテナンス作業者が、リモコン120を介して運転停止のための入力操作(停止指令入力)することにより、制御器110は、燃料電池システム100を強制的に停止させる。なお、ここで言う「運転中」とは、燃料電池システム100の起動処理中、発電運転中、及び停止処理中の少なくともいずれか一つを含む。このリモコン120で停止入力操作した際の燃料電池システム100の停止処理(以下、強制停止処理と称する)については、後述する。
The
なお、以下の説明では、その説明を簡略化するために、制御器110とリモコン120との信号のやりとりは、双方の通信部による通信及びリモコン120における制御部の処理を省略して記述する。
In the following description, in order to simplify the description, the exchange of signals between the
[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態3に係る燃料電池システム100の起動処理(起動動作)について、図5を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、使用者がリモコン120を操作することで、制御器110が燃料電池システム100を制御することにより遂行される。
[Operation of fuel cell system]
Next, startup processing (startup operation) of the
まず、起動処理開始時においては、原料ガス及び酸化剤ガス酸化剤ガス供給経路46を通流しないように、第3開閉弁74、第5開閉弁76、及び第6開閉弁77は、それぞれの弁を閉止した状態を維持する。また、一酸化炭素が充分に低減されていない燃料ガスが、燃料電池101の燃料ガス流路101aに供給されないように、第1切替器73は、第1ポート73aを第2ポート73bと連通させ、かつ、第3ポート73cを遮断する。ついで、第1開閉弁71は、その弁を開放し、原料ガス供給経路41に原料ガスが供給される。
First, at the start of the starting process, the third on-off
次に、第2開閉弁72が、その弁を開放する。これにより、原料ガスが、水素生成装置102をバイパスして、原料ガス供給器112から図示されない流路を介してバーナ102aに供給される。また、燃焼空気が、燃焼空気供給器117から燃焼空気供給経路56を介してバーナ102aに供給される。バーナ102aでは、供給された原料ガスを燃焼空気によって燃焼させ、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、水素生成装置102内に設けられた燃焼排ガス流路10(図1参照)を通流し、改質器16、変成器24、浄化器28を加熱した後、燃料電池システム100(パッケージ111)の外部に排出される。このとき、燃焼排ガスからの伝熱により、水素生成装置102の改質器16、変成器24、及び浄化器28が加熱される。
Next, the second on-off
次に、水素生成装置102の改質器16に、原料ガスが、原料ガス供給器112から原料ガス供給経路41を介して供給され、また、第1凝縮水タンク105Aから改質用水供給経路57を介して改質用水(凝縮水)が供給される。そして、供給された水が加熱されて水蒸気になり、原料ガスと水蒸気が反応して、水素を含む水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、水素生成装置102の変成器24及び浄化器28を通過し、一酸化炭素が低減された、燃料ガスとして水素生成装置102より送出される。送出された燃料ガスは、水素生成装置102の浄化器28の燃料ガス出口32(図1参照)から第1燃料ガス供給経路42aに導入される。
Next, the source gas is supplied from the source
第1燃料ガス供給経路42aに導入された燃料ガスは、第1燃料ガス供給経路42a、燃料ガスバイパス経路44、及びオフ燃料ガス経路43(正確には、燃料ガスバイパス経路44とオフ燃料ガス経路43との合流部よりも下流側のオフ燃料ガス経路43)を通流して、バーナ102aに供給される。バーナ102aに燃料ガスが供給されるようになると、原料ガス供給器112からバーナ102aへの水素生成装置102をバイパスした直接的な原料ガスの供給が停止される。
The fuel gas introduced into the first fuel
次に、水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143(図1参照)が、所定の温度(例えば、500℃)になると、第6開閉弁77及び第9開閉弁81は、その弁を開放し、原料ガスが、パージガス供給経路49及び酸化剤ガス供給経路46(正確には、酸化剤ガス供給経路46の第3開閉弁74よりも下流側の経路)を通流して、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bに供給され、燃料電池システム100の停止期間中に燃料ガス流路101aより電解質を介して酸化剤ガス流路101bに侵入した水素が、原料ガスによってパージされる(燃料電池システム100の起動処理時におけるカソードパージ処理)。カソードパージ処理によって、掃気されたカソードパージガス及び原料ガスは、カソードパージガス排出経路50を通流して、バーナ102aに供給され、燃焼される。そして、少なくともカソードパージ処理開始前に酸化剤ガス流路101b内に封入されたガスをバーナ102aに送出させるのに必要な量以上の原料ガスを供給すると、第6開閉弁77及び第9開閉弁81は閉止し、カソードパージ処理を終了する。
Next, when the temperature detector 143 (see FIG. 1) provided in the
そして、水素生成装置102の改質器16、変成器24、及び浄化器28に設けられた温度検知器143〜145(図1参照)が所定の温度(例えば、改質器16が、600〜650℃、変成器24が、200〜250℃、浄化器28が130〜170℃)を検知すると、制御器110は、燃料電池システム100の起動処理を終了し、発電処理(発電動作)に移行する。
Then, the
次に、本実施の形態3に係る燃料電池システム100の発電処理(発電動作)について説明する。
Next, power generation processing (power generation operation) of the
まず、制御器110は、水素生成装置102の改質器16、変成器24、及び浄化器28に設けられた温度検知器143〜145が検知した温度が、それぞれ所定の温度(例えば、改質器16が、600〜650℃内の所定温度、変成器24が、200〜250℃内の所定温度、浄化器28が130〜170℃内の所定温度)になると、変成器24及び浄化器28で一酸化炭素が充分に低減されたと判断して、発電処理開始信号を出力する。
First, the
すると、第3開閉弁74、第4開閉弁75、及び第5開閉弁76は、それぞれの弁を開放する。また、第1切替器73は、第1ポート73aを第3ポート73cと連通させ、かつ、第2ポート73bを遮断するとともに、酸化剤ガス供給器103の動作を開始させる。
Then, the 3rd on-off
これにより、水素生成装置102で生成された燃料ガスが、第1燃料ガス供給経路42a及び第2燃料ガス供給経路42b(すなわち、燃料ガス供給経路42)を通流して、燃料電池101の燃料ガス流路101aに供給される。また、酸化剤ガス供給器103から酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給経路46を通流して、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bに供給される。
As a result, the fuel gas generated by the
そして、燃料電池101の燃料ガス流路101a及び酸化剤ガス流路101bに供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ、各セルのアノードとカソードに供給され、電気化学的に反応して水が生成し、電気と熱が発生する。発生した電気は、インバータ118によって、直流電流から交流電流に変換され、燃料電池システム100外の電力負荷に供給される。
The fuel gas and the oxidant gas supplied to the
燃料電池101で使用されなかった余剰の燃料ガスは、オフ燃料ガスとしてオフ燃料ガス経路43に供給される。オフ燃料ガス経路43に供給された余剰の燃料ガスは、第1凝縮器114の一次流路114aを通流する間に、燃料ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、水に液化される。そして、第1凝縮器114を通過した余剰の燃料ガスは、オフ燃料ガスとしてバーナ102aに供給され、上述したように、バーナ102aで燃焼される。一方、第1凝縮器114で分離された水は、オフ燃料ガス経路43を介して、第2凝縮水タンク105Bに供給される。
Excess fuel gas that has not been used in the
また、燃料電池101で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路47に供給される。オフ酸化剤ガス経路47に供給された余剰のオフ酸化剤ガスは、第2凝縮器115の一次流路115aを通流する間に、酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、水に液化される。そして、第2凝縮器115を通過した余剰の酸化剤ガスは、第1凝縮水タンク105Aの排気口を介して、最終的に燃料電池システム100外に排出される。一方、第2凝縮器115で分離された水は、オフ酸化剤ガス経路47を介して第1凝縮水タンク105Aに供給される。
Further, surplus oxidant gas that has not been used in the electrochemical reaction in the
さらに、第1ポンプ107を動作させることで、燃料電池101の冷却水流路101cには、冷却水タンク104から冷却水経路(正確には、冷却水供給経路51)を介して、冷却水が供給される。具体的には、冷却水は、冷却水タンク104から冷却水供給経路51を通流して、熱交換器106の一次流路106aに供給される。熱交換器106の一次流路106aに供給された冷却水は、熱交換器106の一次流路106aを通流する間に、熱交換器106の二次流路106bを通流する貯湯水と熱交換して冷却される。そして、冷却された冷却水は、冷却水供給経路51を通流して、燃料電池101の冷却水流路101cに供給される。冷却水流路101cに供給された冷却水は、燃料電池101で発生した熱を回収して、燃料電池101を冷却する。燃料電池101の排熱を回収した冷却水は、冷却水排出経路52を通流して、冷却水タンク104に供給される。
Further, by operating the
一方、貯湯タンク109の下部(ここでは、下端面)から貯湯水経路55に供給された貯湯水は、第1凝縮器114の二次流路114b及び第2凝縮器115の二次流路115bを通流する間に、それぞれ、第1凝縮器114の一次流路114a及び第2凝縮器115の一次流路115aを通流する余剰の燃料ガス及び酸化剤ガスと熱交換して、加熱される。加熱された貯湯水は、熱交換器106の二次流路106bに供給され、該熱交換器106の二次流路106bを通流する間に、熱交換器106の一次流路106aを通流する冷却水と熱交換して、さらに加熱される。そして、加熱された貯湯水は、貯湯水経路55を通流して、貯湯タンク109の上部に供給され、貯湯水供給路54から熱負荷に供給される。
On the other hand, the hot water supplied from the lower part (here, the lower end surface) of the
次に、本実施の形態3に係る燃料電池システム100の通常の停止処理(停止動作)について説明する。なお、ここでいう通常の停止処理とは、燃料電池システム100の運転中において、異常検知器により異常が検知されることで実行される停止処理(異常停止処理)や強制停止処理とは異なる停止処理のことを指す。例えば、電力負荷の電力需要が発電運転を実行する必要のない所定の閾値以下にまで低下することで実行される停止処理や予め設定された停止時刻になることで実行される停止処理等である。
Next, normal stop processing (stop operation) of the
まず、本発明においては、停止処理(停止動作)を、制御器110が停止信号を出力してから、燃料電池システム100がその停止処理を完了するまでの動作として定義する。なお、燃料電池システム100の停止処理の完了後は、制御器110は動作していて、制御器110以外の部分の動作は停止しており、起動要求が発生した場合には、制御器110により起動指令が出力され、速やかに起動処理を開始可能な待機状態に移行する。制御器110が停止処理を出力する場合としては、例えば、電力負荷の電力需要が所定の閾値以下になった(図示されない負荷電力検知器で検出される負荷電力の電力需要が所定の閾値以下となった)ときに、停止信号を出力する。なお、燃料電池101の発電の停止は、インバータ118の出力をゼロにするとともに、インバータ118の出口側の電路を電気的に切り離すことによって行われる。
First, in the present invention, a stop process (stop operation) is defined as an operation from when the
以下、本実施の形態3に係る燃料電池システム100の通常の停止処理(停止動作)について図6A、図6B及び図7に基づき説明する。図6Aは、本発明の実施の形態3の燃料電池システムにおける通常の停止処理の主な動作を示すフローチャートである。図6Bは、本発明の実施の形態3の燃料電池システムにおける通常の停止処理の主な動作を示すフローチャートである。図7は、本発明の実施の形態3の燃料電池システムの通常の停止処理における燃料電池の排熱回収動作を示すフローチャートである。
Hereinafter, normal stop processing (stop operation) of the
まず、酸化剤ガス供給器103の動作を停止し、酸化剤ガス流路101bへの酸化剤ガスの供給を停止するとともに(ステップS300)、第3開閉弁74及び第5開閉弁76を閉鎖し、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bを外気と遮断する(ステップS301)。
First, the operation of the oxidant
また、第1切替器73は、第1ポート73aを第2ポート73bと連通させ、第3ポート73cを遮断するとともに、第4開閉弁75は、その弁を閉止する(ステップS302)。これにより、第1切替器73の第3ポート73cと第4開閉弁75との間の流路、すなわち、第2燃料ガス供給経路42b、燃料電池101の燃料ガス流路101a、及びオフ燃料ガス経路43の第4開閉弁75までの流路に、燃料ガスが閉じ込められ、外部から燃料ガス流路101aに空気等の混入が抑制され、アノードの劣化を抑制することができる。
Further, the
また、ブースターポンプ112a、第3ポンプ113及び酸化用空気供給器116が停止して、水素生成装置102に、原料ガス、改質用水及び酸化用空気の供給が停止される(ステップS303)。さらに、第1開閉弁71及び第2開閉弁72は、その弁を閉止する(ステップS304)。
In addition, the
これにより、水素生成装置102への原料ガス、改質用水及び酸化用空気の供給が停止し、水素生成装置102から燃料電池101の燃料ガス流路101aへの燃料ガスの供給が停止する。これに伴い、燃料電池101からのバーナ102aへのオフガスの供給が停止し、バーナ102aでの燃焼が停止する。そして、上記一連の動作により燃料電池101へ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給は停止されるので発電も停止する。一方、燃焼空気供給器117の動作は継続しているため、水素生成装置102は空冷され、水素生成装置102の温度が時間経過とともに温度低下する。
As a result, the supply of the raw material gas, the reforming water and the oxidizing air to the
次に、水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143の検知温度(ステップS305)がカソードパージ温度以下になると(ステップS306でYes)、第5開閉弁76、第6開閉弁77及び第9開閉弁81を開放するとともに(ステップS307)、第1開閉弁71及び第2開閉弁72を開放し、ブースターポンプ112aの動作を開始する(燃料電池システム100の停止処理時におけるカソードパージ処理の開始)(ステップS308)。ここで、カソードパージ温度とは、停止処理時におけるカソードパージ処理時の水素生成装置102の温度上昇を加算しても改質器16に使用される触媒の耐熱温度未満になる温度(例えば、600℃)として定義される。なお、停止処理時におけるカソードパージ処理開始時には、水素生成装置102の改質器16内部は、停止直後に当該内部空間に封止された原料ガスと水蒸気とが残存した状態であるため、停止処理時におけるカソードパージ処理時に原料から炭素が析出する可能性は低くなる。
Next, when the detected temperature (step S305) of the
これにより、原料ガス(パージガス)が、原料ガス供給経路41からパージガス供給経路49を通流して、酸化剤ガス供給経路46(正確には、パージガス供給経路49と酸化剤ガス供給経路46との合流部よりも下流側の酸化剤ガス供給経路46)を介して、燃料電池101の酸化剤ガス流路101bに供給される。そして、酸化剤ガス流路101bに存在する酸化剤ガスは、パージガスによりパージされ、オフ酸化剤ガス経路47(正確には、オフ酸化剤ガス経路47の第5開閉弁76の上流側の経路)及びカソードパージガス排出経路50を通流して、バーナ102aに供給される。バーナ102aに供給された酸化剤ガス及び原料ガスは、バーナ102aで燃焼される(ステップS309)。
As a result, the source gas (purge gas) flows from the source
そして、上記停止処理時におけるカソードパージ処理が開始されてからの経過時間T2の測定を行い(ステップS310)、本経過時間T2がカソードパージ時間J2以上になると(ステップS311でYes)、ブースターポンプ112aを停止し、第1開閉弁71及び第2開閉弁72を閉止し(ステップS312)、第5開閉弁76、第6開閉弁77、及び第9開閉弁81を閉止する(燃料電池システム100の停止処理時におけるカソードパージ処理の終了)(ステップS313)。なお、上記カソードパージ時間は、燃料電池101の酸化剤ガス流路101b内の酸化剤ガスが少なくとも酸化剤ガス流路101bから掃気されるのに必要な時間として定義される。
Then, the elapsed time T2 after the start of the cathode purge process in the stop process is measured (step S310), and when the elapsed time T2 becomes equal to or longer than the cathode purge time J2 (Yes in step S311), the
これにより、第3開閉弁74、第6開閉弁77、第5開閉弁76、及び第9開閉弁81により形成される閉流路、すなわち、パージガス供給経路49の第6開閉弁77から下流側の経路、酸化剤ガス供給経路46の第3開閉弁74から下流側の経路、酸化剤ガス流路101b、オフ酸化剤ガス経路47の第5開閉弁76及びカソードパージガス排出経路50の第9開閉弁81までの流路(以下、パージガス封止流路)に、パージガスが閉じ込められ、外部から酸化剤ガス流路101bに空気等の混入が抑制される。
Thereby, a closed flow path formed by the third on-off
一方、燃焼空気供給器117は、カソードパージ処理におけるバーナ102aでの燃焼が停止した後も、バーナ102aに燃焼空気を供給する。これにより、燃焼排ガス経路59(図1参照)を流れる燃焼空気により水素生成装102の改質器16等も冷却される(水素生成装置102の冷却動作)。
On the other hand, the
そして、燃料電池システム100の停止処理時におけるカソードパージ処理が終了した後の上記冷却動作中において、水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143は、改質器16の温度を検知し(ステップS314)、検知された温度が、待機可能温度(例えば、500℃)以下である場合(ステップS315でYes)、燃焼空気供給器117は、バーナ102aへの燃焼空気の供給を停止し(ステップS316)、水素生成装置102の冷却処理を完了する。
During the cooling operation after the completion of the cathode purge process during the stop process of the
一方、燃料電池システム100の停止処理において、上述の一連の停止処理だけでなく、燃料電池101の冷却系統において、所定の冷却動作(排熱回収動作)が並行して実行される。具体的には、図7に示すように、燃料電池101の発電を停止した後も、第1ポンプ107及び第2ポンプ108の動作を継続して(ステップS400)、貯湯水は、熱交換器106で冷却水と熱交換して、燃料電池101が保有している余熱を回収する。
On the other hand, in the stop process of the
そして、制御器110は、改質器16に設けられた温度検知器143で検知される温度が、カソードパージ温度以下になり、停止処理時におけるカソードパージ処理が開始される場合に(ステップS401)、第1ポンプ107の動作を停止させる(ステップS402)。そして、停止処理時におけるカソードパージ処理が完了すると(ステップS403)、第1ポンプ107の動作を再開し(ステップS404)、図6BのステップS315で改質器16の温度t1が待機可能温度以下にまで低下したことを確認し(ステップS405)、図6BのステップS316で燃焼用空気供給器117による水素生成装置102の冷却動作を停止する際に、併せて第1ポンプ107及び第2ポンプ108の動作を停止させる(ステップS406)。
Then, the
そして、上記水素生成装置102の待機可能温度までの冷却動作及びこの冷却動作に伴い実行される上記燃料電池の冷却動作が完了すると、燃料電池システム100は、待機状態に移行する(図6BのステップS317、図7のステップS407)。なお、この待機状態とは、次の燃料電池システム100の運転開始を待機している状態のことであり、例えば、所定の起動要求が発生した場合に、制御器110より起動指令が出力され、次の起動処理の実行に移行されるような状態として定義される。なお、上記起動要求の例としては、例えば、電力負荷の電力需要が燃料電池システムの発電出力の下限以上になることや、使用者がリモコン120のキー操作部120bを操作して発電開始要求を行うことが挙げられる。
When the cooling operation of the
上記待機状態において、水素生成装置102は、燃焼用空気供給器117が停止しているため自然放冷されるが、その際に、図6Bに示すように水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143が改質器16の温度t1を再度検知し(ステップS318)、検知した温度t1が上記待機可能温度よりも低いFPパージ温度(例えば、300℃)以下になった場合(ステップS319)、第1開閉弁71、第2開閉弁72、及び第7開閉弁78は、それぞれの弁を開放し、ブースターポンプ112aが起動する(水素生成装置102に対するパージ処理(FP(Fuel Processor)パージ処理)の開始)(ステップS320)。
In the standby state, the
これにより、原料ガス供給器112から水素生成装置102に原料ガス(パージガス)が供給され、水素生成装置102内に設けられた改質器16等の反応器に存在する水蒸気等のガスが原料ガスによりパージされ、水素生成装置102より掃気され、バーナ102aに送出される。バーナ102aに送出されたガスは、バーナ102aで燃焼される(ステップS321)。このFPパージ処理により、水素生成装置102内で、水蒸気が結露して、改質触媒等の触媒が劣化するのを抑制することができる。なお、上記FPパージ温度は、水素生成装置102に対する上記FPパージ処理時のバーナ102aでの燃焼動作による改質器16の温度上昇分を加算しても、改質器16内の原料ガスが炭素析出しない温度として定義される。
Thereby, the raw material gas (purge gas) is supplied from the raw material
そして、上記FPパージ処理を開始してからの経過時間T3を計測し(ステップS322)、この経過時間T3がFPパージ時間J3以上になると(ステップS323)、ブースターポンプ112aを停止し、第1開閉弁71、第2開閉弁72及び第7開閉弁78を閉止する(FPパージ処理の終了)(ステップS324)。なお、上記FPパージ時間は、少なくとも水素生成装置102内の水蒸気が掃気されるのに必要な時間として定義される。
Then, the elapsed time T3 from the start of the FP purge process is measured (step S322). When the elapsed time T3 becomes equal to or longer than the FP purge time J3 (step S323), the
このように、本実施の形態3に係る燃料電池システム100では、正常な状態で運転停止に移行する場合においては、少なくとも燃料電池101の機能を保護する程度の停止処理(例えば、燃料電池システム100の停止処理時におけるカソードパージ処理)を実行し、速やかに待機状態に移行するように構成されている。また、冷却動作を実行するにしても、水素生成装置102が再起動可能な温度状態(つまり、改質器16の温度が待機可能温度以下の状態)になるまでの間だけ、排熱回収動作をする等の必要最低限の冷却動作を実行するように構成されている。従って、速やかに待機状態に移行できるとともに、次回の起動処理は、待機状態に移行してからの経過時間によっては、燃料電池101等の機器温度が周囲温度(外気温度)よりも高く、燃料電池101を昇温するのに必要なエネルギーが削減され、起動処理に要する時間が短縮され、燃料電池システム100の起動性が向上する。
As described above, in the
なお、本実施の形態3の燃料電池システム100の停止処理においては、水素生成装置102の冷却動作と燃料電池101のカソードパージ処理及び排熱回収動作とを実行するよう構成されているが、燃料電池システム100を待機状態に移行させるために適切な停止動作であれば、これに限定されるものではない。
In the stop process of the
次に、本実施の形態3に係る燃料電池システム100の強制停止処理について、図8を参照しながら説明する。図8は、本発明の実施の形態3の燃料電池システム100における本停止処理の主な動作を示すフローチャートである。
Next, the forced stop process of the
燃料電池システム100の使用者又はメンテナンス作業者が、リモコン120を操作して、停止指令信号が制御器110に入力されると、制御器110が停止指令を出力し、図8に示すように、燃料電池システム100の通常の停止処理と同様に水素生成装置102に対する停止処理として、まず、原料ガス及び水の供給を停止するとともに、水素生成装置102の封止動作(図2のステップS100、S101参照)を実行することで、バーナ102aでの燃焼動作が停止される(ステップS500)。また、燃料電池101に対する停止動作として、酸化剤ガス供給器103等が停止され、各開閉弁が閉止される(図6AのステップS300〜S304参照)(ステップS501)。これにより、水素生成装置102のバーナ102aでは、燃料ガスと燃焼空気との燃焼が停止し、また、燃料電池101の発電が停止する。
When a user of the
一方、燃焼空気供給器117は、制御器110の制御によりバーナ102aでの燃焼が停止した後も、バーナ102aへの燃焼空気の供給を継続し、水素生成装置102の冷却動作を実行する(ステップS502)。そして、上記冷却動作を水素生成装置102の改質器16に設けられた温度検知器143の検知温度t1がカソードパージ温度以下になる(ステップS503)と、停止処理におけるカソードパージ処理を実行する(図6A及び図6BのステップS306〜ステップS313参照)(ステップS504)。このとき、第1ポンプ107の動作を停止して、燃料電池101の排熱回収動作を停止する(ステップS513)。
On the other hand, the combustion
そして、停止処理におけるカソードパージ処理が完了して(ステップS505)、バーナ102aでの燃焼動作が完了した後に、第1ポンプの動作を再開して、燃料電池101の排熱回収動作を再開する(ステップS514)。ついで、温度検知器143で検知される改質器16の温度t1が待機可能温度以下に低下しても(ステップS506)、通常の停止処理とは異なり、燃焼空気供給器117の動作を継続させ(ステップS507)、また、第1ポンプ107及び第2ポンプ108の動作を継続させる(ステップS515)。
Then, after the cathode purge process in the stop process is completed (step S505) and the combustion operation in the
次に、温度検知器143が検知した改質器16の温度t1が、FPパージ温度以下にまで低下すると(ステップS508)、FPパージ処理(図2のステップS106〜ステップS112参照)を開始する(ステップS509)。その後、FPパージ処理が完了する(ステップS510)と、制御器110は、燃焼空気供給器117、第1ポンプ107及び第2ポンプ108の動作を停止させ(ステップS511、ステップS516)、強制停止処理を完了し、燃料電池システム100を起動不許可状態に移行させる(ステップS517)。ここで、起動不許可状態に移行とは、使用者が燃料電池システム100の運転を開始するように、リモコン120を操作して起動指令を入力しても、制御器110の演算処理部が、上述した燃料電池システム100の起動を許可せず、起動指令を出力しない状態にすることをいう。すなわち、本実施の形態3においては、制御器110は、使用者等が誤ってリモコン120のキー操作部120bを操作することにより、起動指令が制御器110の通信部に送信されても、制御器110が燃料電池システム100の起動を許可しないように構成されている。
Next, when the temperature t1 of the
なお、上記強制停止処理における水素生成装置102の冷却動作において、バーナ102aに供給する燃焼空気量は、水素生成装置102の定格運転時における供給量よりも多くなるよう制御することが好ましい。具体的には、強制停止処理における水素生成装置102の冷却動作において、制御器110が、燃料電池システム100の定格運転時の操作量よりも大きくなるように、燃焼空気供給器117を制御する。これにより、燃料電池システム100を構成する機器である水素生成装置102の温度がより速やかに低下し、メンテナンス作業へ移行し易くなる。ここで、燃料電池システム100の定格運転とは、燃料電池システム100の発電運転時において、安定して出力可能な最大出力で発電している運転として定義される。
In the cooling operation of the
また、通常停止処理及び強制停止処理における燃料電池101の排熱回収動作においては、この動作と並行して図9に示す貯湯水温度の制御が実行される。図9は、本発明の実施の形態3の燃料電池システム100における貯湯制御の概要を示すフローチャートである。
In the exhaust heat recovery operation of the
貯湯水温度の制御は、貯湯タンク109内には貯湯下限温度(例えば、60℃)以上の温水が貯えられるよう制御するものである。具体的には、図9に示すように、温度検知器146により熱交換器106を通過後の貯湯水の温度t3を検知し(ステップS600)、この貯湯水の温度t3が、貯湯下限温度以上である場合には(ステップS601でYes)、制御器110は、貯湯タンク109側に貯湯水が流入するように切替器206を制御する(ステップS602)。一方、この貯湯水の温度t3が、貯湯下限温度未満である場合には(ステップS601でNo)、制御器110は、貯湯バイパス経路207側になるよう切替器206を制御する(ステップS603)。
The control of the hot water temperature is performed so that hot water having a hot water storage lower limit temperature (for example, 60 ° C.) or higher is stored in the hot
ここで、強制停止処理と通常の停止処理を比較すると、強制停止処理では、改質器の温度が待機可能温度以下になってから改質器の温度がFPパージ処理可能な温度(FPパージ温度以下の温度)になるまでの期間において、通常の停止処理のように自然放冷により水素生成装置102が冷却するのを待つのではなく、燃焼空気供給器117による水素生成装置102の冷却動作及び第1ポンプ107及び第2ポンプ108による燃料電池101の排熱回収動作を継続し、水素生成装置102及び燃料電池101をより速やかに冷却する。
Here, when the forced stop process is compared with the normal stop process, in the forced stop process, the temperature of the reformer after the temperature of the reformer becomes equal to or lower than the standby temperature (FP purge temperature). In the period until the temperature reaches the following temperature), the cooling operation of the
このため、本実施の形態3に係る燃料電池システム100では、強制停止処理は、通常の停止処理の場合に比して、燃料電池101及び水素生成装置102の冷却量が多くなるよう制御することで、燃料電池システム100内の機器温度をメンテナンス作業者が火傷等をしない程度にまでより早く降温させ、メンテナンス作業への移行を迅速化させることを可能にする。
For this reason, in the
なお、本実施の形態3においては、強制停止処理では、通常の停止処理の場合に比して、燃焼空気供給器117による水素生成装置102の冷却動作時間及び第1ポンプ107及び第2ポンプ108による燃料電池101の排熱回収動作時間を多くなるように制御することで、燃料電池101及び水素生成装置102の冷却量が多くなるよう制御したが、これに限定されず、バーナ102aに供給される燃焼空気量及び熱交換器106を通過する冷却水及び貯湯水の少なくともいずれか一方の通流量が多くなるように制御する形態を採用しても構わない。具体的には、燃焼空気供給器117の操作量が通常の停止処理の水素生成装置102の冷却動作時に比して大きくなるよう制御し、第1ポンプ107及び第2ポンプ108の少なくともいずれか一方の操作量が、通常の停止処理の燃料電池101の排熱回収動作時に比して大きくなるよう制御することで、実現される。
In the third embodiment, in the forced stop process, the cooling operation time of the
また、本実施の形態3においては、リモコン120が、停止操作器を構成したが、これに限定されず、リモコン120とは別に、燃料電池システム100の運転を強制的に停止させるための停止操作器を設けてもよい。
In the third embodiment, the
(実施の形態4)
ところで、水素生成装置102は、停止処理時において、水素生成装置102の可燃ガス経路の入口及び出口を閉止して、改質器16を含むガス経路を閉空間とするための封止動作が実行されるが、その後、水素生成装置102の温度低下に伴い内力が低下し、ひいては水素生成装置102内が過剰に負圧になり、構成部材にダメージを与える可能性がある。そこで、本実施の形態4に係る水素生成装置102では、水素生成装置102の内圧が水素生成装置102の耐負圧限界値よりも大きい所定の圧力閾値P1以下である場合に、水素生成装置102内にガスを補給する補圧処理を実施するよう構成されている。
(Embodiment 4)
By the way, during the stop process, the
また、本実施の形態4に係る水素生成装置102においては、強制停止処理時における水素生成装置102の冷却動作において、通常の停止処理時における水素生成装置102の冷却動作よりも単位時間当たりの冷却量を増加させるよう構成されている。従って、通常停止処理時よりも水素生成装置102の温度の低下速度が速く、圧力低下も速くなるため、上記補圧処理の頻度を通常の停止処理における補圧処理の頻度よりも増加させるよう構成することを特徴とする。以下にその詳細について説明する。
In the
まず、本実施の形態4に係る水素生成装置102の構成は、図1に示す実施の形態1に係る水素生成装置102と同様の構成である。また、通常の停止処理については、実施の形態1と同様に水素生成装置102の冷却動作が実行されるとともに、さらに、補圧処理が実行される。なお、補圧処理については後述する。
First, the configuration of the
また、本実施の形態4に係る水素生成装置102の通常の停止処理における冷却動作は、実施の形態1に係る水素生成装置102の冷却動作(図2のステップS100〜S105参照)と同じである。
The cooling operation in the normal stop process of the
次に、本実施の形態4に係る水素生成装置102の補圧処理について、図10を参照しながら説明する。図10は、本実施の形態4に係る水素生成装置102において実行される補圧処理の一例を示すフローチャートである。
Next, the pressure compensation process of the
図10に示されるように、停止処理開始後、水素生成装置102の封止動作が実行される(ステップS900)。具体的には、原料ガス供給経路41上に設けられた第1開閉弁71及び第2開閉弁72の少なくともいずれか一方が閉止されるとともに、燃料ガス弁79及びバイパス弁80が閉止される。
As shown in FIG. 10, after the start of the stop process, the sealing operation of the
次に、上記封止動作により閉空間となる水素生成装置102を含むガス経路内に設けられた圧力検知器(図示せず)で検知された圧力値が、上記所定の圧力閾値P1(例えば、大気圧に対して−5kPa)以下である場合(ステップS901でYes)に、制御器110は、燃料ガス弁79及びバイパス弁80を閉止したまま、第1開閉弁71及び第2開閉弁72を開放させ、原料ガス供給器112を制御して、原料ガス供給経路41より原料ガスを補給させる(ステップS902)。そして、制御器110は、圧力が大気圧以上になった場合に、原料ガス供給器112から水素生成装置102を含むガス経路へのガスの供給を停止させ、第1開閉弁71及び第2開閉弁72を閉止し、補圧処理を終了する。
Next, a pressure value detected by a pressure detector (not shown) provided in a gas path including the
そして、制御器110は、上記補圧動作実行後もステップS901を定期的(例えば、30sec毎)に実行し、ガス経路内の圧力が、補圧が必要なレベルにまで低下すれば適宜上記補圧処理を実行する。
Then, the
なお、上記補圧動作の実行を判断する際に、上記ガス経路内の圧力値を直接検知する圧力検知器の検知圧力値を用いたが、この圧力値と相関する上記ガス経路内の温度検知器(例えば、温度検知器143等)の検知温度、時計部で計測された上記圧力値と相関する停止処理開始後の経過時間に基づき上記補圧処理を実行する形態を採用しても構わない。 Note that when the execution of the supplementary pressure operation is determined, the detected pressure value of the pressure detector that directly detects the pressure value in the gas path is used. However, the temperature detection in the gas path that correlates with the pressure value is performed. A configuration may be adopted in which the pressure compensation process is executed based on the temperature detected by a temperature detector (for example, the temperature detector 143) and the elapsed time after the start of the stop process correlated with the pressure value measured by the clock unit. .
次に、本実施の形態4に係る水素生成装置102における強制停止処理について説明する。上記強制停止処理は、実施の形態1に係る水素生成装置102の冷却動作と同様のフロー(図3参照)で実施されるが、バーナ102aに供給される燃焼空気の流量が、通常の停止処理の水素生成装置の冷却動作の場合よりも大きくなるように制御される。具体的には、制御器110が、燃焼空気供給器117の操作量を、通常の停止処理の水素生成装置102の冷却動作における燃焼空気供給器117の操作量よりも大きい所定の操作量となるように制御する。
Next, the forced stop process in the
上記のように強制停止処理時において、通常の停止処理よりも水素生成装置102の冷却速度が上昇するよう冷却動作を実行するので、水素生成装置102の温度の低下が通常の停止処理時よりも迅速化され、水素生成装置102を含むガス経路内が、補圧が必要なレベルにまで低下する頻度が上昇する。従って、本実施の形態4に係る水素生成装置102の強制停止処理においては、通常の停止処理よりも高い頻度で上記補圧動作を実行することにより、水素生成装置102内の過剰な負圧化が抑制され、水素生成装置102が保護される。
As described above, in the forced stop process, the cooling operation is performed so that the cooling rate of the
本発明に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムは、メンテナンス作業が必要な場合において、操作者が停止操作器に入力操作して水素生成装置の運転を停止させることで、より速やかに水素生成装置のメンテナンス作業に着手することが可能になる。 The hydrogen generator according to the present invention and the fuel cell system including the hydrogen generator are more promptly operated when an operator inputs an operation to the stop operating device to stop the operation of the hydrogen generator when maintenance work is required. It becomes possible to start the maintenance work of the generator.
1 容器
2 外筒
3 内筒
4 断熱部材
5 底板
6 板部材
7 蓋部材
8 内筒用底板
9 輻射筒
10 燃焼排ガス流路
11 燃焼排ガス出口
12 原料ガス供給口
13 水供給口
14 改質触媒層
15 予熱部
16 改質器
17 緩衝空間部
18 空間
19 水素含有ガス流路
20 仕切り板
21 仕切り板
22 変成触媒収容空間
23 変成触媒層
24 変成器
25 空気混合部
26 酸化触媒収容空間
27 酸化触媒層
28 浄化器
29 出口(貫通孔)
30 空気供給口
31 入口(貫通孔)
32 燃料ガス出口
41 原料ガス供給経路
42 燃料ガス供給経路
42a 第1燃料ガス供給経路
42b 第2燃料ガス供給経路
43 オフ燃料ガス経路
44 燃料ガスバイパス経路
45 第1凝縮水経路
46 酸化剤ガス供給経路
47 酸化剤ガス排出経路
48 第2凝縮水経路
49 パージガス供給経路
50 カソードパージガス排出経路
51 冷却水供給経路
52 冷却水排出経路
53 水供給路
54 貯湯水供給路
55 貯湯水経路
56 燃焼空気供給経路
57 改質用水供給経路
58 選択酸化用空気供給路
59 燃焼排ガス経路
61 吸気口
62 排気口
71 第1開閉弁(封止器)
72 第2開閉弁(封止器)
73 第1切替器
73a 第1ポート
73b 第2ポート
73c 第3ポート
74 第3開閉弁
75 第4開閉弁
76 第5開閉弁
77 第6開閉弁
78 第7開閉弁
79 燃料ガス弁(封止器)
80 バイパス弁(封止器)
81 第9開閉弁
100 燃料電池システム
101 燃料電池(水素利用機器)
101a 燃料ガス流路
101b 酸化剤ガス流路
101c 冷却水流路
102 水素生成装置
102a バーナ(燃焼器)
103 酸化剤ガス供給器
104 冷却水タンク
105 凝縮水タンク
106 熱交換器(放熱器)
107 第1ポンプ(第1送出器)
108 第2ポンプ(第2送出器)
109 貯湯タンク
110 制御器
111 パッケージ
112 原料ガス供給器(原料供給器)
112a ブースターポンプ
112b 流量調整弁
113 第3ポンプ
114 第1凝縮器
114a 一次流路
114b 二次流路
115 第2凝縮器
115a 一次流路
115b 二次流路
116 選択酸化用空気供給器
117 燃焼空気供給器
118 インバータ
119 換気ファン
120 リモコン(停止操作器)
120a 表示部
120b キー操作部
121 放熱器(冷却器)
140 可燃性ガスセンサ
141 着火検知器
142 COセンサ
143 温度検知器
144 温度検知器
145 温度検知器
146 温度検知器
147 温度検知器
206 切替器
207 バイパス経路
DESCRIPTION OF
30
32
72 Second on-off valve (sealing device)
73
80 Bypass valve (sealing device)
81 9th on-off
101a
103 Oxidant
107 1st pump (1st delivery device)
108 Second pump (second transmitter)
109 Hot
140
Claims (9)
操作者の入力操作により前記水素生成装置の運転を停止させるための停止操作器を備え 、
前記制御器は、通常の停止処理における前記水素生成装置の冷却量よりも、操作者による前記停止操作器への入力操作による停止処理における前記水素生成装置の冷却量の方が多くなるように前記燃焼空気供給器を制御する、水素生成装置。 A reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material, a combustor that heats the reformer, a combustion air supplier that supplies combustion air to the combustor, and a controller; A hydrogen generator comprising:
A stop operator for stopping the operation of the hydrogen generator by an input operation by an operator;
The controller is configured so that the cooling amount of the hydrogen generating device in the stop processing by the input operation to the stop operating device by the operator is larger than the cooling amount of the hydrogen generating device in the normal stop processing. A hydrogen generator that controls the combustion air supply.
前記水素生成装置は、前記封止器により形成された前記閉空間内の圧力が低下すると、前記封止器を開放して、前記ガス流路内にガスを補給する補圧処理を実行するよう構成されており、
前記制御器は、前記通常の停止処理よりも前記入力操作による停止処理の方が、前記補圧処理の頻度を増加させるように構成されている、請求項1に記載の水素生成装置。 A sealing device for making the gas flow path including the reformer a closed space;
When the pressure in the closed space formed by the sealer decreases, the hydrogen generation device opens the sealer and performs a supplementary pressure process for supplying gas into the gas flow path. Configured,
2. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the controller is configured to increase the frequency of the supplementary pressure process in the stop process by the input operation rather than in the normal stop process.
前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システム。 A hydrogen generator according to claim 1;
A fuel cell system comprising: a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
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