JP2005158428A - Starting method and starting control device of evaporator in fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法および起動制御装置に関するものである。 The present invention relates to an evaporator activation method and activation control apparatus in a fuel cell system.
気相の高温流体と、少なくとも供給時に液相の低温流体との熱交換を行う熱交換器の応用例として、従来から燃料電池システムの改質反応器に供給する原料ガスを液体原料を蒸発させることにより得る蒸発器は知られている(特許文献1参照)。 As an application example of a heat exchanger that exchanges heat between a gas-phase high-temperature fluid and at least a liquid-phase low-temperature fluid at the time of supply, the raw material gas that has been supplied to the reforming reactor of the fuel cell system has been conventionally evaporated. The evaporator obtained by this is known (refer patent document 1).
この蒸発器は、燃料電池のアノード排ガスを燃焼させた燃焼ガスを蒸発用熱源として蒸発室内に配置した配管内に導入し、液体原料を蒸発室上部に設けた原料噴射装置から前記配管に向けて噴射することで、原料ガスとして蒸発・ガス化するように構成している。
しかしながら、上記従来例では、蒸発器内の蒸発用熱源を導入した配管に液体原料を噴射して蒸発・ガス化するものであるため、起動時等において、液体原料と蒸発器との温度差による熱衝撃によって蒸発器自体に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する不具合があった。 However, in the above-described conventional example, the liquid material is injected into a pipe into which an evaporation heat source in the evaporator is introduced to evaporate and gasify. Therefore, at the time of start-up, etc., due to the temperature difference between the liquid material and the evaporator Due to thermal shock, excessive thermal stress is generated in the evaporator itself, and the reliability of the evaporator is lowered.
また、上記従来例を原料ガスを追加的に必要とする過渡応答時にのみ液体原料を噴射して蒸発させる蒸発器として使用する場合にも、前記温度差に起因して、蒸発器に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する不具合がある。 In addition, when using the above conventional example as an evaporator that injects and evaporates liquid raw material only during a transient response that additionally requires raw material gas, excessive heat is generated in the evaporator due to the temperature difference. There is a problem that stress is generated and the reliability of the evaporator is lowered.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、蒸発器の起動時および再起動時に生ずる熱衝撃を抑制することができる燃料電池システムの蒸発器の起動方法および起動制御装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and provides an evaporator startup method and startup control apparatus for a fuel cell system that can suppress thermal shock that occurs when the evaporator is started and restarted. For the purpose.
本発明は、改質器を備えた燃料電池システムに水蒸気を供給するために高温流体と低温流体との熱交換を行う蒸発器の起動制御装置であり、蒸発器の温度を検出する温度検出手段と、蒸発器に高温流体を供給する手段と、蒸発器に低温流体を供給する手段と、蒸発器に燃料電池システム内の流体を供給する手段と、蒸発器起動時に、温度検出手段による検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム内の流体供給手段により燃料電池システム内の流体を蒸発器に供給して、蒸発器の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段と低温流体供給手段により高温流体と低温流体とを蒸発器に供給する起動制御手段と、を備える。 The present invention is an evaporator start-up control device for exchanging heat between a high-temperature fluid and a low-temperature fluid in order to supply water vapor to a fuel cell system equipped with a reformer, and a temperature detection means for detecting the temperature of the evaporator Means for supplying high temperature fluid to the evaporator, means for supplying low temperature fluid to the evaporator, means for supplying fluid in the fuel cell system to the evaporator, and temperature detected by the temperature detecting means when the evaporator is started Is equal to or higher than a predetermined temperature set in advance, the fluid in the fuel cell system is supplied to the evaporator by the fluid supply means in the fuel cell system, and the temperature of the evaporator is lowered to a predetermined temperature or lower. And an activation control means for supplying the high temperature fluid and the low temperature fluid to the evaporator by the high temperature fluid supply means and the low temperature fluid supply means.
したがって、本発明では、起動制御手段により、蒸発器起動時に、温度検出手段による検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム内の流体供給手段により燃料電池システム内の流体を蒸発器に供給して、蒸発器の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段と低温流体供給手段により高温流体と低温流体とを蒸発器に供給するようにしているため、蒸発器に熱衝撃による過大な熱応力の発生を防止し、蒸発器の耐久信頼性を向上させることができる。 Therefore, in the present invention, when the temperature detected by the temperature detecting means is equal to or higher than a predetermined temperature when the evaporator is started by the start control means, the fluid supply means in the fuel cell system causes the Since the fluid is supplied to the evaporator, the temperature of the evaporator is lowered below a predetermined temperature, and then the high temperature fluid supply means and the low temperature fluid supply means are used to supply the high temperature fluid and the low temperature fluid to the evaporator. In addition, it is possible to prevent the occurrence of excessive thermal stress due to thermal shock in the evaporator and improve the durability reliability of the evaporator.
以下、本発明の燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法および起動制御装置を各実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, a starting method and a starting control device for an evaporator in a fuel cell system of the present invention will be described based on each embodiment.
(第1実施形態)
図1〜図6は、本発明を適用した燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置の第1実施形態を示し、図1は移動体用の燃料電池システムのシステム構成図、図2は蒸発器の熱交換面の斜視図、図3は蒸発器の起動制御装置の起動制御フローチャート、図4は蒸発器の起動時の供給流体供給流量および蒸発器の温度の時間的変化を示すタイムチャート、図5は蒸発器の流体通路の別例を示す概略図、図6は蒸発器の流体通路の更に別の例を示す概略図である。
(First embodiment)
1 to 6 show a first embodiment of an evaporator activation control device in a fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system for a moving body, and FIG. 2 is an evaporator. 3 is a perspective view of the heat exchange surface of FIG. 3, FIG. 3 is a start control flow chart of the start control device of the evaporator, FIG. 4 is a time chart showing a temporal change in the supply fluid supply flow rate and the evaporator temperature at the start of the
図1において、燃料電池システム1は、原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器2と、改質ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とにより発電を行う燃料電池スタック3と、燃料電池スタック3のアノード排ガスを空気により燃焼させる燃焼器4と、燃焼器4より導入した燃焼ガスの熱により改質器2に供給する水蒸気を発生する過渡応答用の蒸発器5と、蒸発器5若しくは排水素燃焼器4からの燃焼ガスを冷却する熱交換器6と、燃焼ガスおよび燃料電池スタック3より合流された排空気に含まれる水を分離させて回収するコンデンサ7と、を備える。また、上記システム1に原料ガスを供給する原料供給手段8と、空気を供給する空気供給手段9と、水を供給する水供給手段10と、を備え、加えて、これら燃料電池システム1を制御するコントローラ11を備えている。
In FIG. 1, a
前記改質器2は、供給燃料を空気および水を混合した水蒸気により改質する改質反応器14と、改質反応器14よりの改質ガスにより改質反応器14に供給する水蒸気を加熱する熱交換器15と、改質ガス中の一酸化炭素と水を反応させて水素を得るシフト反応器16と、改質ガス中の一酸化炭素を所定の濃度まで減少させる一酸化炭素選択酸化反応器17と、一酸化炭素選択酸化反応器17で発生する熱および改質ガスの顕熱により水を蒸発させる蒸発器18とを備える。
The
前記改質反応器14は、原料供給手段8の燃料タンク21からポンプ22により導入される炭化水素系燃料と、前記蒸発器15を経由した水蒸気、空気の原料から水素が30%程度の水素リッチな改質ガスに変換する。水蒸気および空気は、一酸化炭素選択酸化反応器17で発生する熱および改質ガスの顕熱により水を蒸発させる蒸発器18により水供給系統10から供給された水を蒸発させ、さらに空気供給手段9よりの空気と共に熱交換器15を経由させる通常時供給系統から加熱状態で供給される。また、要求する水蒸気が不足する場合には、過渡応答用の蒸発器5により水供給系統10から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成して経路24を経由させる過渡応答時供給系統からも水蒸気が供給される。
The reforming
前記改質反応器14は、改質原料として、炭化水素系燃料、および、前記熱交換器15で加熱された水蒸気と空気の供給を受けて、これら原料をCOを含む水素リッチな改質ガスに改質し、前記熱交換器15に供給する。この改質ガスは水素が30%程度の改質ガスに変換されている。
The reforming
前記熱交換器15は、改質ガスの顕熱を、通過する水蒸気および空気に熱交換により供給するよう構成され、改質反応器14へ供給する水蒸気および空気を十分に加熱するよう機能する。
The
前記シフト反応器16は、前記熱交換器15を通過後の改質ガスに水供給手段10から供給される水を加え、内蔵する水性シフト触媒層での反応により改質ガス中のCOを低減して選択酸化反応器17へ供給する。改質ガス中のCOは、別に供給される水と反応させて、水素と不活性なCO2とに変換される。ここでは水素が35%程度の改質ガスになる。
The
前記選択酸化反応器17は、前記シフト反応器16通過後に空気が加えられた改質ガスの供給を受け、内蔵するCO選択酸化触媒層での反応により改質ガス中のCOをさらに低減し、COが低減された改質ガスを、燃料電池スタック3に供給する。選択酸化反応器17は蒸発器18を付設して備え、水供給手段10から供給された水に、改質ガスの顕熱と酸化反応熱とを与えることにより水蒸気に生成し、この水蒸気を熱交換器15に供給する。この水蒸気は熱交換器15において改質ガスの顕熱によりさらに加熱されて改質原料として改質反応器14に導入される。
The
燃料電池スタック3は、改質器2からの改質ガスに含まれる水素と空気供給手段9より供給された空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電する。電気化学反応に供されずに排出されたアノード排ガスは排水素燃焼器4に供給され、カソード排ガスは前記排水素燃焼器4よりの排燃焼ガスと合流されて前記コンデンサ7に供給される。
The
前記排水素燃焼器4は、燃料電池スタック3よりのアノード排ガスを空気供給系統9から送出された空気により燃焼させ、燃焼ガスを三方弁25に供給する。三方弁25は供給された燃焼ガスを蒸発器5を経由させて熱交換器6に供給するか、または、蒸発器5をバイパスするバイパス経路26を経由させて熱交換器6に供給するか切換可能に構成している。熱交換器6は蒸発器5の使われ方にもよるが、必要に応じて燃焼排ガスの熱を吸熱して排燃焼ガスの温度調整を行い、燃料電池スタック3の酸化ガス側の排気ガスと合流させてコンデンサ7に供給される。コンデンサ7は、この合流ガスを冷却して含有する水蒸気を水に凝縮して回収し、その後に外気に排気される。回収した水は水タンク31に戻され、改質用の水として再利用される。
The
前記蒸発器5は、前記改質反応器14が要求する水蒸気が不足する場合に、前記排水素燃焼器4よりの加熱ガスの熱により、水供給手段10から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成して経路24を経由させる過渡応答時供給系統から水蒸気を供給する蒸発器である。即ち、前記排水素燃焼器4よりの加熱ガスの高温流体と、水供給手段10より供給された液相の水の低温流体との間で熱交換により、水から気相の水蒸気を生成する蒸発器として機能する熱交換器により構成されている。水供給手段10には蒸発器作動時に開放するバルブ27を備え、バルブ27を経由して蒸発器5に水を供給する。
When the steam required by the reforming
前記蒸発器5は、図2に熱交換面の部分斜視図を示すように、前記高温流体の通路40と前記低温流体の通路41に加えて、空気供給手段9より供給された空気を流通させる通路42を前記高温流体通路40および前記低温流体通路41の双方に隣接させて備える。即ち、熱交換面を構成する複数のプレート43同士の間を水および蒸発した水蒸気が流れる層と排気ガスおよび空気が流れる層とを交互に積層して備え、排気ガスおよび空気が流れる層は、波板44等により排気ガスが流通する流路40と空気が流れる流路42とが区画されるように構成する。空気流路42の流路断面積と排気ガス流路40の流路断面積とは、必要に応じて、例えば、図示のように、排気ガス流路40の断面積を波板44の形状により大きくすることもできる。蒸発器5を経由して温度上昇した空気は、経路28を通って改質器2の熱交換器15に供給される。
As shown in the partial perspective view of the heat exchange surface in FIG. 2, the
上記のように、蒸発器5の排気ガス流路40、空気流路42、および水流路41を独立して設ける場合には、流路相互に熱交換可能となっていればよく、図示された構成に限定されるものでなく、例えば、図5に示すように、空気流路42が蒸発器5の周囲を流れるようにしてもよい。
As described above, when the exhaust
なお、上記の蒸発器5に示すように、空気流路42を排気ガス流路40および水流路41と独立して新たに設けることなく、蒸発器5の高温流体通路40若しくは低温流体通路41に空気供給手段9より供給した空気を流通させることで、蒸発器5を冷却するようにしてもよい。
As shown in the
この場合には、図6に示すように、空気供給手段9からの経路36を三方弁25下流の排気ガス経路に連通させ、蒸発器5を通過した空気を改質器2の熱交換器15に導入するために、蒸発器5下流の排気ガス通路に常開の遮断弁29を挿入すると共に遮断弁29上流から分岐して経路28を形成し、この経路28に常閉の遮断弁30を配置して構成する。そして、空気供給手段9よりの空気により蒸発器5を冷却する場合には、蒸発器5下流の遮断弁29を閉じ、経路28の遮断弁30を開放することで、供給した空気を高温流体通路40に流通させ、経路28の開放した遮断弁30を介して改質器2の熱交換器15に排空気を供給することができる。図示しないが、水通路41に空気供給手段9よりの空気を導入して蒸発器5を冷却する場合にも、同様の通路切換手段を用いることにより実施することができる。
In this case, as shown in FIG. 6, the
前記水供給手段10は、水タンク31に貯留した水を、ポンプ32により改質器2の蒸発器18に供給する系統と、ポンプ33により改質器2のシフト反応器16に供給する系統とを備え、シフト反応器16へ供給する系統を分岐してバルブ27を経由した後、過渡応答用の蒸発器5に供給可能としている。
The water supply means 10 includes a system for supplying water stored in the
前記空気供給手段9は、ブロア34よりの圧搾空気を流量調整バルブ35を経由させることで流量調整した後、燃料電池スタック3に酸化剤ガスとして供給し、前記シフト反応器16通過後選択酸化反応器17へ流入する改質ガスに合流させて供給し、排水素燃焼器4に供給し、改質器2の熱交換器15に蒸発器18よりの水蒸気と共に供給する。また、ブロア34よりの圧搾空気は、流量調整バルブ35上流より分流した経路36の流量調整バルブ37により流量調整して過渡応答用の蒸発器5に供給するよう構成している。なお、図中の符号38は夫々合流部に配置した流体の逆流を防止する合流弁である。
The air supply means 9 adjusts the flow rate of the compressed air from the
前記コントローラ11は、これら燃料電池システム1、即ち、改質器2の各機器、燃料電池スタック3、排水素燃焼器4、三方弁25、過渡応答用蒸発器5、熱交換器6、およびコンデンサ7の作動状態を監視し、その作動を制御するよう構成している。また、燃料供給手段8、水供給手段10、空気供給手段9の各ポンプ22、32、33およびブロア34や各バルブ25、27、35、37の開閉状態を制御するよう構成している。
The
以上の構成になる燃料電池システム1の動作について以下に説明する。
The operation of the
燃料電池システム1の通常の運転時においては、原料供給手段8および水供給手段10のポンプ22、32〜33および空気供給手段9のブロア34が作動されている。
During normal operation of the
空気供給手段9の流量調整バルブ37は閉じられ、流量調整バルブ35は開かれて流量を調整し、改質器2の一酸化炭素選択酸化反応器17の上流側、熱交換器15、燃料電池スタック3、および排水素燃焼器4に供給している。
The flow
水供給手段10の蒸発器5への流路に配置したバルブ27は閉じられ、改質器2の一酸化炭素選択酸化反応器17に付設された蒸発器18およびシフト反応器16のみに水を供給している。
The
改質器2には、原料ガス、水、および、空気が供給され、蒸発器18が一酸化炭素選択酸化反応器17で発生する熱および改質ガスの顕熱により水を蒸発させて、空気と共に熱交換器15で加熱されて、改質反応器14に供給されている。
The
改質反応器14で改質した改質ガスは、熱交換器15を改質ガスの顕熱で加熱し、シフト反応器16で改質ガス中の一酸化炭素と水を反応させて改質ガス中の水素濃度を増加され、一酸化炭素選択酸化反応器17で改質ガス中の一酸化炭素を所定の濃度まで減少させて、燃料電池スタック3に供給されている。
The reformed gas reformed in the reforming
燃料電池スタック3は、供給された改質ガス中の水素と空気供給手段9よりの酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電し、排水素を排水素燃焼器4に排出する一方、排空気をコンデンサ7に排出している。
The
排水素燃焼器4は、燃料電池スタック3よりのアノード排ガスを空気供給系統9から送出された空気により燃焼させ、燃焼ガスを三方弁25に供給する。三方弁25は、通常時はバイパス通路26側に開いているため、燃焼ガスはバイパス通路26を経由して熱交換器6に送られ、熱交換器6で燃焼排ガスの熱が吸熱されて排燃焼ガスは温度調整され、排空気と合流してコンデンサ7に送られ、コンデンサ7は、この合流ガスを冷却して含有する水蒸気を水に凝縮して回収し、その後に外気に排気している。
The
過渡応答用の蒸発器5には、排水素燃焼器4からの燃焼ガス、水供給手段10よりの水、および、空気供給手段9よりの空気のいずれも供給されておらず、水蒸気を発生していない待機状態にある。
The
燃料電池システム1の上記の通常運転中において、改質反応器14が要求する水蒸気が不足する場合には、コントローラ11により図3に示す制御フローチャートが実行され、過渡応答用の蒸発器5が起動または再起動される。以下、図3のフローチャートおよび図4のタイムチャートに基づいて、蒸発器5の待機状態からの起動または再起動について説明する。
During the normal operation of the
蒸発器5の起動または再起動は、外部の図示しない、例えば、移動体の運転制御システムから過渡的な負荷入力要求がなされて、燃料電池システム1の運転状態を過渡的な運転状態に対応すべく発電出力を増大させる場合に実行される。即ち、外部信号によりコントローラ11が過渡的な負荷入力要求等がある場合に起動または再起動される。
For starting or restarting the
ステップS1では、先ず、蒸発器5の温度センサSによる検出温度が所定温度以上か否かが判定される。所定温度は、低温流体である水を流入させると蒸発器5に熱衝撃が発生する蒸発器5の温度により予め設定される。蒸発器5は、必要に応じて、導入された水を過渡応答用の蒸発器5によって蒸発させる際、蒸発器5自体が非常に温度の高い状態となっている場合があり、水の流入時に、水と蒸発器5との温度差による熱衝撃によって破損が生じる可能性がある。ステップS1での判定により、蒸発器5の温度が所定温度以上でない場合にはステップS5へ進み、蒸発器5の温度が所定温度以上である場合にはステップS2へ進む。図4のタイムチャートは、蒸発器5の温度が所定温度以上である場合を示している(時点t0参照)。
In step S1, it is first determined whether or not the temperature detected by the temperature sensor S of the
ステップS2では、燃料電池システム1内流体として、空気供給手段9の空気を、流量制御バルブ37を開き、流量制御しつつ蒸発器5に流入させ(図4の時点t1参照)、ステップS3へ進む。蒸発器5に導入された空気は、蒸発器5の空気流路42を流通することにより蒸発器5を冷却し、蒸発器5との熱交換により温度上昇した排出空気は経路28を経由して改質器2の熱交換器15に水蒸気と共に流入する。そのようにして蒸発器5を流通した排空気は蒸発器5から熱を受取っており、熱交換器15における熱交換量が少なくてよいため、システム1内の熱エネルギを有効利用することができる。空気の流入により、蒸発器5の温度は、図4(B)に示すように、徐々に低下される。
In step S2, the air of the air supply means 9 as the fluid in the
ステップS3では、蒸発器5の温度が所定温度以下に低下しているか否かが判断され、所定温度以下に低下していればステップS4へ進み、未だ所定温度まで低下していない場合にはステップS2に戻り、空気供給手段9よりの空気の蒸発器5への供給を継続する。蒸発器5の温度が空気の供給により所定温度以下に低下した場合には、ステップS4へ進み、流量調整バルブ37を閉じ(図4の時点t2参照)、ステップS5へ進む。
In step S3, it is determined whether or not the temperature of the
ステップS5では、水供給手段10のバルブ27を予め設定した所定時間だけ開き、蒸発器5の水および水蒸気の通路41に所定量の水を供給し(図4の時点t2)、ステップS6へ進む。蒸発器5は水通路41に水が供給されることにより自らの顕熱を水に供給して温度低下する(時点t2〜t3参照)。
In step S5, the
ステップS6では、三方弁25を切換え、排水素燃焼器4の燃焼ガスを蒸発器5に導入し、ステップS7へ進む。高温流体である燃焼ガスの流入(時点t3〜参照)により、蒸発器5は温度上昇を開始し、燃焼ガスの顕熱により水通路41の水を昇温させる(時点t3〜t4参照)。
In step S6, the three-
ステップS7では、蒸発器5の温度が水の蒸発温度を超えたか否かが判断され、蒸発温度を超えた時点でステップS8へ進む。蒸発器5の温度が蒸発温度を超えた時点(時点t4参照)で、ステップS8へ進み、バルブ27を開き、低温流体である水供給手段10よりの水が再び蒸発器5に導入され、蒸発器5の起動および再起動処理が終了される。蒸発器5の温度は、水供給手段10から再び供給された時点で若干低下するが、再び温度上昇を開始し、蒸発した水蒸気を経路24を経由して改質器2の改質反応器14に追加供給する。
In step S7, it is determined whether or not the temperature of the
以上のように、必要に応じて、過渡応答用の蒸発器5によって水供給手段10より導入した水を蒸発させる際、蒸発器5自体が非常に温度の高い状態となっている場合があり、水の流入時に、水と蒸発器5との温度差による熱衝撃によって蒸発器5に破損が生じる可能性がある。このような場合に、空気供給手段9からの比較的低温の空気を蒸発器5に導入することにより、先ず蒸発器5を所定温度以下に低下させ、その後に蒸発すべき水を蒸発器5に導くため、必要に応じて、または、過渡応答状況に応じて、起動または再起動される蒸発器5においても、事前に過渡応答用の蒸発器5に熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、熱衝撃を生じて破損することを防止でき、耐久信頼性を向上させることができる。
As described above, when the water introduced from the water supply means 10 is evaporated by the
さらに、蒸発器5を冷却した空気は蒸発器5から熱を受取り温度上昇されているため、改質器2の熱交換器15を経由する際、改質ガスからの熱交換量が少なくてよく、燃料電池システム1内の熱エネルギを有効利用することができる。
Furthermore, since the air that has cooled the
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be achieved.
(ア)起動制御手段としてのコントローラにより、蒸発器5起動時に、温度検出手段Sによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム1内の流体を蒸発器5に供給して、蒸発器5の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段(4、25)と低温流体供給手段(33、27)により高温流体と低温流体とを蒸発器5に供給するようにしているため、蒸発器5に熱衝撃による過大な熱応力の発生を防止し、蒸発器5の耐久信頼性を向上させることができる。
(A) When the temperature detected by the temperature detecting means S is equal to or higher than a predetermined temperature when the
(イ)蒸発器5起動時に、温度検出手段Sによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム1内の流体として、空気供給手段9より導入される空気を分配して蒸発器5に供給し、蒸発器5を流通して排出された排空気を改質器2の熱交換器15を経由させて改質反応器14に供給するため、過渡応答用の蒸発器5の温度を下げ、再応答時に、蒸発器5に熱衝撃の発生防止を実現できると同時に、蒸発器5で温まった空気を改質反応器14に流入させるため、燃料電池システム1内の熱エネルギを有効利用することができる。
(A) When the temperature detected by the temperature detecting means S is equal to or higher than a predetermined temperature when the
(ウ)燃料電池システム1は、電気自動車に搭載されるものであるため、様々な運転状況に応じた蒸気供給が要求される過渡応答用の蒸発器5の熱衝撃を防ぎ、耐久信頼性を向上することができる。
(C) Since the
(第2実施形態)
図7は、本発明を適用した移動体用の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置の第2実施形態を示すシステム構成図である。過渡応答用の蒸発器の温度が所定温度以上である場合に、第1実施形態では空気供給手段よりの空気を導入して蒸発器を冷却するものであったが、本実施形態においては、加湿器の蒸発器で発生した水蒸気を過渡応答用の蒸発器に導入して蒸発器を冷却するようにしたものである。なお、図1〜図6と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a system configuration diagram showing a second embodiment of an evaporator activation control device in a mobile fuel cell system to which the present invention is applied. In the first embodiment, when the temperature of the transient response evaporator is equal to or higher than the predetermined temperature, air from the air supply means is introduced to cool the evaporator, but in this embodiment, humidification is performed. Water vapor generated in the evaporator of the evaporator is introduced into the evaporator for transient response to cool the evaporator. The same devices as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
図7において、本実施形態の燃料電池システム1は、図1に示す第1実施形態の空気供給手段9の分岐通路36およびバルブ37が削除され、改質器2の蒸発器18の水蒸気を熱交換器15に供給する通路50の途中に常開の流量調整バルブ51を挿入し、この流量調整バルブ51の上流から分岐して過渡応答用の蒸発器5に連通する水蒸気導入通路52を備え、水蒸気導入通路52の途中に常閉の流量調整バルブ53が配置される。蒸発器5に導入される水蒸気は、図5に示すように、過渡応答用の蒸発器5の周囲を通過して排出され、経路28を介して改質器2の熱交換器15に供給するように構成している。
7, in the
過渡応答用の蒸発器5が起動または再起動される場合には、第1実施形態の図3に示す過渡応答用の蒸発器の起動または再起動の制御フローチャートが実行される。この制御フローチャートのステップS3〜ステップS5で蒸発器5に導入されるシステム内の流体は、熱交換器15に供給される水蒸気の一部を流量制御バルブ53を開放して分配導入する水蒸気である。残りの水蒸気は熱交換器15に供給される。導入された水蒸気は、蒸発器5の周囲を通過することで、蒸発器5から顕熱により加熱され、蒸発器5は水蒸気を加熱することで冷却される。このため、必要に応じて、また、再応答時において、事前に過渡応答用蒸発器5の熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、蒸発器5の熱衝撃を防止して、その耐久信頼性を向上させることができる。
When the
蒸発器5を通過した水蒸気は、蒸発器5からの顕熱により加熱されるため、改質器2の熱交換器15における熱交換量が少なくてよく、燃料電池システム1内の熱エネルギを有効利用することができる。
Since the water vapor that has passed through the
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)〜(ウ)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (c) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
(エ)蒸発器5起動時に、温度検出手段Sによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム1内の流体として、改質器2の改質反応器14に供給する水蒸気を分配して蒸発器5に供給し、蒸発器5を流通して排出された水蒸気を改質器2の熱交換器15を経由させて改質反応器14に供給するため、過渡応答用の蒸発器5の温度を下げ、再応答時に、蒸発器5に熱衝撃の発生防止を実現できると同時に、蒸発器5で温まった空気を改質反応器14に流入させることで、燃料電池システム1内の熱エネルギを有効利用することができる。
(D) When the temperature detected by the temperature detecting means S is equal to or higher than a predetermined temperature set when the
(第3実施形態)
図8は、本発明を適用した移動体用の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置の第3実施形態を示すシステム構成図である。過渡応答用の蒸発器の温度が所定温度以上である場合に、第1実施形態では空気供給手段よりの空気を導入して蒸発器を冷却するものであったが、本実施形態においては、熱交換器6およびコンデンサ7で熱交換および冷却された排気を過渡応答用の蒸発器5に導入して蒸発器5を冷却するようにしたものである。なお、図1〜図7と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a system configuration diagram showing a third embodiment of an activation control device for an evaporator in a fuel cell system for a moving body to which the present invention is applied. In the first embodiment, when the temperature of the transient response evaporator is equal to or higher than a predetermined temperature, air from the air supply means is introduced to cool the evaporator. The exhaust gas heat-exchanged and cooled by the
図8において、本実施形態の燃料電池システム1は、図1に示す第1実施形態の空気供給手段9の分岐通路36およびバルブ37が削除され、コンデンサ7出口の排気を排出する通路55途中に常開の流量調整バルブ56を挿入し、この流量調整バルブ56の上流から分岐して過渡応答用の蒸発器5に連通する排気導入通路57を備え、排気導入通路57の途中に常閉の流量調整バルブ58が配置される。蒸発器5に導入される排気は、図5に示すように、過渡応答用の蒸発器5の周囲を通過した後、外気に排出されるように構成している。
8, the
過渡応答用の蒸発器5が起動または再起動される場合には、第1実施形態の図3に示す過渡応答用の蒸発器5の起動または再起動の制御フローチャートが実行される。この制御フローチャートのステップS3〜ステップS5で蒸発器5に導入されるシステム内の流体は、コンデンサ7を通過した排気の一部を流量制御バルブ58を開放して分配導入する排気である。残りの排気は流量制御バルブ56を経由して外気に排出される。導入された排気は、蒸発器5の周囲を通過することで、蒸発器5から顕熱により加熱され、蒸発器5は排気を加熱することで冷却される。このため、必要に応じて、また、再応答時において、事前に過渡応答用の蒸発器5の熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、蒸発器5の熱衝撃を防止して、その耐久信頼性を向上させることができる。
When the
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)〜(ウ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (c) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
(オ)蒸発器5起動時に、温度検出手段Sによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム1内の流体として、燃料電池システム1から冷却して排出される排気を分配して蒸発器5に供給するため、過渡応答用の蒸発器5の温度を下げ、再応答時に、蒸発器5の熱衝撃を防止し、耐久信頼性を向上することができる。
(E) When the
(第4実施形態)
図9は、本発明を適用した移動体用の燃料電池システムの蒸発器の起動制御装置の第4実施形態を示すシステム構成図である。過渡応答用の蒸発器5の温度が所定温度以上である場合に、第1実施形態では空気供給手段9よりの空気を導入して蒸発器5を冷却するものであったが、本実施形態においては、燃料電池スタック3から排出されコンデンサ7に供給される排空気を過渡応答用の蒸発器5に導入して蒸発器5を冷却するようにしたものである。なお、図1〜図8と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a system configuration diagram showing a fourth embodiment of the start-up control device for the evaporator of the fuel cell system for a moving body to which the present invention is applied. In the first embodiment, when the temperature of the
図9において、本実施形態の燃料電池システム1は、図1に示す第1実施形態の空気供給手段9の分岐通路36およびバルブ37が削除され、燃料電池スタック3からコンデンサ7に排出される排空気の通路60途中に常開の流量調整バルブ61を挿入し、この流量調整バルブ61の上流から分岐して過渡応答用の蒸発器5に連通する排空気導入通路62を備え、排空気導入通路62の途中に常閉の流量調整バルブ63が配置される。蒸発器5に導入される排空気は、図5に示すように、過渡応答用の蒸発器5の周囲を通過した後、熱交換器15に供給されるように構成している。
9, the
過渡応答用の蒸発器5が起動または再起動される場合には、第1実施形態の図3に示す過渡応答用の蒸発器5の起動または再起動の制御フローチャートが実行される。この制御フローチャートのステップS3〜ステップS5で蒸発器5に導入されるシステム内の流体は、燃料電池スタック3から排出される排空気の一部を流量制御バルブ63を開放して分配導入する排空気である。残りの排空気は流量制御バルブ61を経由してコンデンサ7に供給される。導入された排空気は、蒸発器5の周囲を通過することで、蒸発器5から顕熱により加熱され、蒸発器5は排空気を加熱することで冷却される。このため、必要に応じて、また、再応答時において、事前に過渡応答用の蒸発器5の熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、蒸発器5の熱衝撃を防止して、その耐久信頼性を向上させることができる。
When the
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)〜(ウ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (c) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
(カ)蒸発器5起動時に、温度検出手段Sによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム1内の流体として、燃料電池スタック3から排出される排空気を分配して蒸発器5に供給するため、過渡応答用の蒸発器5の温度を下げ、再応答時に、蒸発器5に熱衝撃が発生するのを防止し、蒸発器5の耐久信頼性を向上することができる。
(F) When the
なお、上記各実施形態において、燃料電池システム1へ水蒸気を供給する蒸発器5として、過渡応答用の蒸発器5の起動時制御装置について説明したが、図示はしないが、排水素燃焼器4よりの燃焼ガスを高温流体とする場合には、通常使用時の蒸発器の起動制御装置にも適用できるものである。
In each of the above embodiments, the start-up control device for the
1 燃料電池システム
2 改質器
3 燃料電池スタック
4 排水素燃焼器
5 蒸発器、過渡応答用の蒸発器
6、15 熱交換器
7 コンデンサ
8 原料供給手段
9 空気供給手段
10 水供給手段
14 改質反応器
16 シフト反応器
17 一酸化炭素選択酸化反応器
18 蒸発器
24、28 経路
25 三方弁
26 バイパス通路
27、29、30 バルブ
34 ブロア
35、37、51、53、56、58、61、63 流量調整バルブ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
起動時に蒸発器の温度が予め設定した所定温度以上である場合には、高温流体と低温流体とを供給するに先立ち、燃料電池システム内の所定温度以下の流体を蒸発器に一時的に供給して蒸発器の温度を所定温度以下に温度低下させ、その後に低温流体と高温流体を供給して水蒸気を発生させることを特徴とする燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法。 An evaporator start-up method for exchanging heat between a high-temperature fluid and a low-temperature fluid to supply water vapor to a fuel cell system equipped with a reformer,
When the temperature of the evaporator is higher than a predetermined temperature set in advance at the time of startup, before supplying the high-temperature fluid and the low-temperature fluid, the fluid below the predetermined temperature in the fuel cell system is temporarily supplied to the evaporator. A method of starting an evaporator in a fuel cell system, wherein the temperature of the evaporator is lowered to a predetermined temperature or lower, and then a low temperature fluid and a high temperature fluid are supplied to generate water vapor.
蒸発器の温度を検出する温度検出手段と、
蒸発器に高温流体を供給する手段と、
蒸発器に低温流体を供給する手段と、
蒸発器に燃料電池システム内の流体を供給する手段と、
蒸発器起動時に、温度検出手段による検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム内の流体供給手段により燃料電池システム内の流体を蒸発器に供給して、蒸発器の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段と低温流体供給手段により高温流体と低温流体とを蒸発器に供給する起動制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。 An activation control device for an evaporator that performs heat exchange between a high-temperature fluid and a low-temperature fluid in order to supply water vapor to a fuel cell system including a reformer,
Temperature detecting means for detecting the temperature of the evaporator;
Means for supplying hot fluid to the evaporator;
Means for supplying a cryogenic fluid to the evaporator;
Means for supplying fluid in the fuel cell system to the evaporator;
When the temperature detected by the temperature detection means is equal to or higher than a predetermined temperature when the evaporator is started, the fluid in the fuel cell system is supplied to the evaporator by the fluid supply means in the fuel cell system, and the evaporator And a start control means for supplying the high temperature fluid and the low temperature fluid to the evaporator by the high temperature fluid supply means and the low temperature fluid supply means. Evaporator start-up control device.
Priority Applications (1)
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JP2003394112A JP2005158428A (en) | 2003-11-25 | 2003-11-25 | Starting method and starting control device of evaporator in fuel cell system |
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JP2010052965A (en) * | 2008-08-27 | 2010-03-11 | Aisin Seiki Co Ltd | Reforming apparatus and fuel cell system |
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2003
- 2003-11-25 JP JP2003394112A patent/JP2005158428A/en active Pending
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