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JP6409368B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP6409368B2
JP6409368B2 JP2014134609A JP2014134609A JP6409368B2 JP 6409368 B2 JP6409368 B2 JP 6409368B2 JP 2014134609 A JP2014134609 A JP 2014134609A JP 2014134609 A JP2014134609 A JP 2014134609A JP 6409368 B2 JP6409368 B2 JP 6409368B2
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裕記 大河原
裕記 大河原
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  • Fuel Cell (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池システムの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池システムにおいては、燃料電池(1)と、燃料電池の発電によって生じる排気ガスと水とで熱交換を行う熱交換器と、熱交換器で熱交換された貯湯水を貯湯するための貯湯槽(18)と、熱交換器と貯湯槽との間で貯湯水を循環させる循環配管(17)を備えている。   As one type of fuel cell system, one shown in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, in a fuel cell system, a fuel cell (1), a heat exchanger that performs heat exchange between exhaust gas generated by power generation of the fuel cell and water, and heat exchange A hot water storage tank (18) for storing hot water that has been heat-exchanged by the heat exchanger, and a circulation pipe (17) for circulating the hot water between the heat exchanger and the hot water storage tank.

特許文献1に示された燃料電池システムでは、熱交換器内を流れる貯湯水の温度が、設定温度以上となった場合に、循環配管を流れる貯湯水の流量を増大させることにより、熱交換器内を流れる貯湯水の温度を下げて、熱交換器内を流れる貯湯水の蒸発を抑制している。これにより、貯湯水に含まれるカルシウム等のミネラルの析出を抑制し、析出物(スケール)が熱交換器に付着することを防止し、熱交換器の腐食を抑制している。   In the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, when the temperature of the hot water flowing through the heat exchanger becomes equal to or higher than the set temperature, the flow rate of the hot water flowing through the circulation pipe is increased to increase the heat exchanger. The temperature of the hot water flowing in the interior is lowered to suppress evaporation of the hot water flowing in the heat exchanger. Thereby, precipitation of minerals, such as calcium contained in hot water storage, is suppressed, deposit (scale) is prevented from adhering to the heat exchanger, and corrosion of the heat exchanger is suppressed.

熱交換器内の貯湯水の温度が上昇した場合には、貯湯水に溶存可能な空気量が減少するため、熱交換器内において貯湯水に溶存していた空気が気泡となって熱交換器内で滞留してしまう。熱交換器内で気泡が滞留してしまうと、熱交換器内において排気ガスと貯湯水とを熱交換させることができなくなってしまう。このような場合であっても、特許文献1に示される燃料電池システムの技術を用いれば、熱交換器内で気泡が発生するような温度以上となった場合に、循環配管を流れる貯湯水の流量を増大させることにより(以下、適宜気泡排出制御と略す)、熱交換器内に滞留した気泡を熱交換器外に排出することができる。   When the temperature of hot water in the heat exchanger rises, the amount of air that can be dissolved in the hot water decreases, so the air dissolved in the hot water in the heat exchanger becomes bubbles and the heat exchanger Stays inside. If bubbles remain in the heat exchanger, it becomes impossible to exchange heat between the exhaust gas and the hot water in the heat exchanger. Even in such a case, if the technology of the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is used, when the temperature becomes such that bubbles are generated in the heat exchanger, the stored hot water flowing through the circulation pipe is used. By increasing the flow rate (hereinafter abbreviated as “bubble discharge control as appropriate”), bubbles remaining in the heat exchanger can be discharged outside the heat exchanger.

特開2010−33880号公報JP 2010-33880 A

しかしながら、特許文献1に示される燃料電池システムでは、貯湯槽には水道が接続されているため、温度が低い水道水、つまり、空気の溶存量が多い水が貯湯槽に供給される。このように、貯湯槽に供給された溶存量が多い水が熱交換器に供給されると、この空気の溶存量が多い水が熱交換器において加温されることによって、熱交換器内において気泡が発生し続けてしまう。すると、上述した気泡排出制御が頻繁に実行され、貯湯槽の上部に高温の貯湯水が滞留した高温層が形成され、貯湯槽の下部に低温の貯湯水が滞留した低温層が形成された温度成層が崩壊してしまう。   However, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, since a hot water tank is connected with water, tap water having a low temperature, that is, water having a large dissolved amount of air is supplied to the hot water tank. In this way, when water with a large amount of dissolved water supplied to the hot water tank is supplied to the heat exchanger, the water with a large amount of dissolved air is heated in the heat exchanger, so that in the heat exchanger Bubbles continue to be generated. Then, the bubble discharge control described above is frequently executed, a high temperature layer in which hot hot water is retained is formed in the upper part of the hot water tank, and a low temperature layer in which low temperature hot water is retained is formed in the lower part of the hot water tank. The stratification will collapse.

このように、貯湯槽内の貯湯水の温度成層が崩壊してしまうと、貯湯槽下部の低温の貯湯水と貯湯槽上部の高温の貯湯水が混ざるため、貯湯槽の内部において温度形成層が形成されている時と比較して、貯湯槽上部の貯湯水の温度が低下してしまう。すると、貯湯槽上部から貯湯水使用場所に供給される貯湯水の温度が、温度形成層が形成されている場合と比較して低下してしまう。また、貯湯槽下部の貯湯水の温度が上昇してしまうので、熱交換器に供給される貯湯水の温度が、温度形成層が崩壊していない場合と比較して上昇し、熱交換器において熱回収効率が低下してしまう。すると、燃料電池システムの運転効率が低下してしまう。   In this way, when the temperature stratification of the hot water in the hot water tank collapses, the low temperature hot water in the lower part of the hot water tank and the hot hot water in the upper part of the hot water tank are mixed, so there is a temperature forming layer inside the hot water tank. Compared with the time when it is formed, the temperature of the hot water stored in the upper part of the hot water tank is lowered. Then, the temperature of the hot water supplied from the upper part of the hot water tank to the place where the hot water is used is lowered as compared with the case where the temperature forming layer is formed. Moreover, since the temperature of the hot water stored in the lower part of the hot water tank rises, the temperature of the hot water supplied to the heat exchanger rises as compared with the case where the temperature forming layer is not collapsed. The heat recovery efficiency will decrease. As a result, the operating efficiency of the fuel cell system decreases.

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、貯湯槽を備えた燃料電池システムにおいて、貯湯槽内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制し、運転効率を向上させることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and in a fuel cell system including a hot water tank, it is intended to suppress the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water tank and improve the operation efficiency. And

上記の課題を解決するため、請求項1に係る燃料電池システムの発明によれば、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、貯湯水が貯湯される密閉空間である貯湯槽と、前記燃料電池から排気された排気ガスと前記貯湯水とを熱交換させる熱交換器と、前記貯湯槽と前記熱交換器との間で前記貯湯水が循環する第一貯湯水循環ラインと、前記第一貯湯水循環ラインに設けられ、前記貯湯水を前記貯湯槽と前記熱交換器との間で循環させるポンプと、前記貯湯水が使用される貯湯水使用機器と前記貯湯槽との間で前記貯湯水が循環するクローズド型の第二貯湯水循環ラインと、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を調整して、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度を定常温度にして定常運転を実行する定常運転部と、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を前記定常運転が実行されている時に比べて低下させて、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度を前記定常温度と比べて上昇させる温度上昇制御を実行する温度上昇部と、前記熱交換器内において気泡が発生したか否かを判定する気泡発生判定部と、前記気泡発生判定部によって前記熱交換器内において前記気泡が発生したと判定された場合に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を前記定常運転が実行されている時に比べて増加させて、前記気泡を前記熱交換器から排出する気泡排出制御を実行する気泡排出部と、を有する。   In order to solve the above problems, according to the invention of the fuel cell system according to claim 1, a fuel cell that generates power with fuel and an oxidant gas, a hot water storage tank that is a sealed space in which hot water is stored, A heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas exhausted from the fuel cell and the hot water, a first hot water circulation line for circulating the hot water between the hot water tank and the heat exchanger, and the first A hot water supply line provided between the hot water storage device and a pump provided in a hot water circulation line for circulating the hot water between the hot water storage tank and the heat exchanger, and the hot water storage device using the hot water. A closed-type second hot water circulation line through which the water circulates and the flow rate of the hot water discharged from the pump are adjusted, and the temperature of the hot water flowing out of the heat exchanger is set to a steady temperature to execute a steady operation. A steady operation part, Executes a temperature rise control for lowering the flow rate of the hot water discharged from the heat exchanger as compared to when the steady operation is being performed, and increasing the temperature of the hot water flowing out of the heat exchanger compared to the steady temperature. A temperature rise unit that performs, a bubble generation determination unit that determines whether or not bubbles are generated in the heat exchanger, and a case where the bubble generation determination unit determines that the bubbles are generated in the heat exchanger And a bubble discharge unit for performing bubble discharge control for discharging the bubbles from the heat exchanger by increasing a flow rate of the hot water discharged from the pump as compared with when the steady operation is performed. Have.

このように、熱交換器から流出する貯湯水の温度を、定常温度よりも上昇させる温度上昇制御が実行される。これによれば、貯湯水に溶存できる空気量は貯湯水の温度が高くなるに従って少なくなることから、貯湯水の温度が上昇されることによって、貯湯水に溶存している空気を貯湯水から排出させることができる。このため、貯湯水の溶存空気量を低減させることができる。また、貯湯槽と貯湯水使用機器との間で貯湯水が循環する第二貯湯水循環ラインはクローズド型であるので、貯湯槽、第一貯湯水循環ライン、及び第二貯湯水循環ラインに、空気が溶存した水が継続して流入することが無い。このため、温度上昇制御が一度実行されれば、貯湯水の溶存空気量を少ない状態に維持することができ、少なくとも熱交換器内における気泡の発生を抑制することができる。よって、気泡排出制御の頻繁な実行が抑制される。この結果、貯湯槽内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制することができ、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。   In this way, temperature rise control is performed to raise the temperature of the hot water flowing out of the heat exchanger above the steady temperature. According to this, since the amount of air that can be dissolved in the hot water decreases as the temperature of the hot water increases, the temperature of the hot water rises, so that the air dissolved in the hot water is discharged from the hot water. Can be made. For this reason, the amount of dissolved air in the hot water can be reduced. In addition, since the second hot water circulation line in which hot water circulates between the hot water tank and the hot water storage equipment is a closed type, air is dissolved in the hot water tank, the first hot water circulation line, and the second hot water circulation line. Water does not flow continuously. For this reason, once temperature rise control is performed, the amount of dissolved air in the hot water can be kept small, and at least the generation of bubbles in the heat exchanger can be suppressed. Therefore, frequent execution of bubble discharge control is suppressed. As a result, the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water tank can be suppressed, and the operating efficiency of the fuel cell system can be improved.

さらに、請求項1に記載の発明において、前記温度上昇部は、前記定常運転が実行されている間に、前記気泡発生判定部によって前記気泡の発生が判定されて、前記気泡排出制御が実行された後に、前記温度上昇制御を実行する。これにより、定常運転が実行されている場合において、例えば、熱交換器に流入する貯湯水の水圧が低下した等の原因によって、熱交換器内において気泡が発生した場合に、気泡排出制御が実行された後に、温度上昇制御が実行される。このため、定常運転中に熱交換器内において気泡が発生した場合に、温度上昇制御の実行によって熱交換器内において気泡が発生し難い状態にして、熱交換器内における気泡の発生を抑制することができる。 Furthermore , in the invention according to claim 1, in the temperature increasing section, the bubble generation determination section determines that the bubbles are generated while the steady operation is being performed, and the bubble discharge control is performed. After that, the temperature increase control is executed. As a result, when steady operation is performed, bubble discharge control is performed when bubbles are generated in the heat exchanger due to, for example, a decrease in the water pressure of the hot water flowing into the heat exchanger. Then, the temperature rise control is executed. For this reason, when bubbles are generated in the heat exchanger during steady operation, the generation of bubbles in the heat exchanger is suppressed by executing the temperature rise control so that the bubbles are hardly generated in the heat exchanger. be able to.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記温度上昇制御が実行されてから、前記気泡発生判定部によって前記熱交換器内において前記気泡が発生されていないと判定されている時間が第一規定時間を超えた場合には、前記定常運転に復帰させる復帰部を有する。 The invention according to claim 2, in the invention described in claim 1, wherein the temperature increase control is executed, it is determined that the bubble is not generated within the heat exchanger by the air bubble occurrence determination unit When the operating time exceeds the first specified time, a return unit for returning to the steady operation is provided.

第一規定時間の間に気泡排出制御が実行されない場合には、温度上昇制御によって、既に貯湯水の溶存空気量が確実に低くなっている。そして、第二貯湯水循環ラインはクローズド型であるので、温度上昇制御によって一度貯湯水の溶存空気量が低くなると、貯湯水は溶存空気量が低い状態に維持される。このため、熱交換器から流出する貯湯水の温度が、定常温度に復帰したとしても、熱交換器において気泡の発生が抑制される状態が維持される。上記のように、第一規定時間の間に気泡排出制御が実行されない場合には、熱交換器から流出する貯湯水の温度が、気泡排出制御が実行される前の温度に復帰される。これにより、貯湯水を溶存空気量が低い状態にして、気泡排出制御が実行されることによる貯湯槽内の貯湯水の温度成層の崩壊が抑制される状態にした後に、熱交換器から流出する貯湯水の温度を定常温度に復帰させることができる。このため、熱交換器から気泡が完全に追い出された後に、貯湯槽内において良好な温度成層が形成される。よって、燃料電池システムの運転効率をより向上させることができる。   When the bubble discharge control is not executed during the first specified time, the dissolved air amount has already been reliably reduced by the temperature rise control. And since the 2nd stored hot water circulation line is a closed type, once the amount of dissolved air of hot water becomes low by temperature rise control, the stored hot water is maintained in a state where the amount of dissolved air is low. For this reason, even if the temperature of the hot water flowing out from the heat exchanger returns to the steady temperature, the state in which the generation of bubbles is suppressed in the heat exchanger is maintained. As described above, when the bubble discharge control is not executed during the first specified time, the temperature of the hot water flowing out from the heat exchanger is returned to the temperature before the bubble discharge control is executed. As a result, after the hot water is brought into a state where the dissolved air amount is low and the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water tank is suppressed by the bubble discharge control being performed, the hot water flows out of the heat exchanger. The temperature of the hot water can be returned to the steady temperature. For this reason, after air bubbles are completely expelled from the heat exchanger, good temperature stratification is formed in the hot water tank. Therefore, the operation efficiency of the fuel cell system can be further improved.

請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記温度上昇制御実行後における前記気泡発生判定部によって判定された前記熱交換器内における前記気泡の発生の時刻を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記熱交換器内における前記気泡の発生の時刻に基づいて、前記温度上昇制御実行後における前記気泡排出制御の実行の頻度が低減しない場合に、異常である旨の判定をする異常判定部と、を有する。温度上昇制御が実行されて、貯湯水に溶存している空気量が低減され、第二貯湯水循環ラインがクローズド型であり、貯湯水に空気溶存量が多い水が混入しないにも関わらず、熱交換器において気泡が発生する頻度が低減しないということは、水漏れなどで貯湯槽、第一貯湯水循環ライン、及び第二貯湯水循環ラインのいずれかの圧力が所定圧力より低下しているか、貯湯槽、第一貯湯水循環ライン、及び第二貯湯水循環ラインのいずれかへの空気の混入した異常状態である。異常判定部は、温度上昇制御実行後における気泡排出制御の実行の頻度が低減しない場合に、異常である旨の判定をするので、水漏れなどで貯湯槽、第一貯湯水循環ライン、及び第二貯湯水循環ラインのいずれかの圧力が所定圧力より低下しているか、貯湯槽、第一貯湯水循環ライン、及び第二貯湯水循環ラインのいずれかへの空気の混入した異常状態を検知することができる。 The invention according to claim 3, in the invention of claim 1 or claim 2, the time of occurrence of the bubble in the temperature increase control the after run is determined by the bubble occurrence determination unit in said heat exchanger a storage unit for storing for, based on the time of occurrence of the bubble in the the heat exchanger which is stored in the storage unit, when the frequency of execution of the bubble discharge control after the temperature increase control execution is not reduced And an abnormality determination unit that determines that it is abnormal. Although the temperature rise control is executed, the amount of air dissolved in the hot water is reduced, the second hot water circulation line is closed, and the hot water is not mixed with a large amount of dissolved air. The fact that the frequency of occurrence of bubbles in the exchanger does not decrease means that the pressure in the hot water storage tank, the first hot water circulation line, or the second hot water circulation line is lower than the predetermined pressure due to water leakage or the like. This is an abnormal state in which air has entered either the first hot water storage line or the second hot water circulation line. The abnormality determination unit determines that there is an abnormality when the frequency of execution of the bubble discharge control after the temperature rise control is not reduced. Therefore, the water storage tank, the first hot water circulation line, and the second It is possible to detect whether any pressure in the hot water circulation line is lower than a predetermined pressure, or an abnormal state in which air is mixed into any of the hot water tank, the first hot water circulation line, and the second hot water circulation line.

請求項4に係る発明は、請求項1〜請求項3に記載の発明において、前記貯湯槽には、前記貯湯槽の内部から前記貯湯槽の外部への空気の流出は許容するが、前記貯湯槽の外部から前記貯湯槽の内部への空気の流入は許容しないエア抜き弁が設けられている。これにより、貯湯水に溶存していた空気が、エア抜き弁を介して貯湯槽の外部に排出される。また、貯湯槽の外部から貯湯槽の内部への空気の侵入が防止されるので、貯湯水に再び空気が溶存してしまうことを防止することができる。このため、貯湯水の溶存空気量を低い状態に維持することができる。 The invention according to claim 4 is the invention according to claims 1 to 3 , wherein the hot water storage tank allows the outflow of air from the inside of the hot water storage tank to the outside of the hot water storage tank. An air vent valve that does not allow air to flow into the hot water storage tank from the outside of the tank is provided. Thereby, the air dissolved in the hot water is discharged to the outside of the hot water tank through the air vent valve. Moreover, since the intrusion of air from the outside of the hot water tank into the hot water tank is prevented, it is possible to prevent the air from being dissolved again in the hot water. For this reason, the amount of dissolved air in the hot water can be kept low.

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram showing an outline of one embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 貯湯水の温度と貯湯水の溶存空気の割合の関係を表したグラフである。It is a graph showing the relationship between the temperature of hot water and the ratio of dissolved air of hot water. 図1に示す制御装置で実行される「循環ポンプ制御処理」のフローチャートである。It is a flowchart of "circulation pump control processing" performed with the control apparatus shown in FIG. 図3に示す「循環ポンプ制御処理」が実行された場合のチャムチャートである。FIG. 4 is a charm chart when the “circulation pump control process” shown in FIG. 3 is executed. FIG.

以下、本発明による燃料電池システム100の一実施形態について説明する。図1に示すように、燃料電池システム100は、発電ユニット10及び貯湯槽21を備えている。発電ユニット10は、筐体10a、燃料電池モジュール11、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、制御装置15、及び報知部17を備えている。   Hereinafter, an embodiment of the fuel cell system 100 according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a power generation unit 10 and a hot water storage tank 21. The power generation unit 10 includes a housing 10a, a fuel cell module 11, a heat exchanger 12, an inverter device 13, a water tank 14, a control device 15, and a notification unit 17.

燃料電池モジュール11は、ケーシング31、蒸発部32、改質部33、及び燃料電池34を備えている。ケーシング31は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部32は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部33に供給するものである。   The fuel cell module 11 includes a casing 31, an evaporation unit 32, a reforming unit 33, and a fuel cell 34. The casing 31 is formed in a box shape with a heat insulating material. The evaporating unit 32 is heated by a combustion gas to be described later, evaporates the supplied reforming water to generate water vapor, and preheats the supplied reforming raw material. The evaporation section 32 mixes the steam generated in this way and the preheated reforming raw material and supplies the mixture to the reforming section 33.

蒸発部32には、改質用原料供給管11aの一端が接続されている。改質用原料供給管11aの他端には、供給源Gsが接続されている。供給源Gsは、改質用原料を供給するものである。改質用原料としては天然ガス、LPガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。改質用原料として天然ガスを用いた実施形態について、本実施形態の燃料電池システム100を説明する。   One end of a reforming material supply pipe 11a is connected to the evaporation section 32. A supply source Gs is connected to the other end of the reforming material supply pipe 11a. The supply source Gs supplies a raw material for reforming. As reforming raw materials, there are gas fuels for reforming such as natural gas and LP gas, and liquid fuels for reforming such as kerosene, gasoline and methanol. The fuel cell system 100 of this embodiment will be described with respect to an embodiment using natural gas as a reforming raw material.

改質用原料供給管11aには、原料供給ポンプ11a1が設けられている。原料供給ポンプ11a1は、燃料電池34に燃料(改質用原料)を供給する供給装置であり、制御装置15から供給される制御電流によって供給源Gsからの燃料供給量(供給流量(単位時間あたりの流量))を調整するものである。この原料供給ポンプ11a1は、改質用原料を吸入し蒸発部32に圧送する圧送装置である。   A raw material supply pump 11a1 is provided in the reforming raw material supply pipe 11a. The raw material supply pump 11 a 1 is a supply device that supplies fuel (reforming raw material) to the fuel cell 34, and the amount of fuel supplied from the supply source Gs (supply flow rate (per unit time) per control current supplied from the control device 15. The flow rate)) is adjusted. The raw material supply pump 11 a 1 is a pressure feeding device that sucks the reforming raw material and pumps it to the evaporation unit 32.

蒸発部32には、水供給管11bの一端が接続されている。水供給管11bの他端には、水タンク14に接続されている。水供給管11bは、改質水ポンプ11b1が設けられている。このような構成によって、水タンク14から改質水が蒸発部32に供給される。燃料電池モジュール11の燃料電池34には、カソードエア供給管11cの一端が接続されている。カソードエア供給管11cの他端には、カソードエアブロワ11c1が接続されている。このような構成によって、カソードエアが燃料電池34に供給される。   One end of a water supply pipe 11b is connected to the evaporation section 32. The other end of the water supply pipe 11b is connected to the water tank. The water supply pipe 11b is provided with a reforming water pump 11b1. With such a configuration, the reformed water is supplied from the water tank 14 to the evaporation unit 32. One end of a cathode air supply pipe 11 c is connected to the fuel cell 34 of the fuel cell module 11. A cathode air blower 11c1 is connected to the other end of the cathode air supply pipe 11c. With such a configuration, cathode air is supplied to the fuel cell 34.

改質部33は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部32から供給された混合ガス(改質用原料、水蒸気)から改質ガスを生成して導出するものである。改質部33内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。このように、改質部33は改質用原料(原燃料)と改質水とから改質ガス(燃料)を生成して燃料電池34に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。   The reforming unit 33 is heated by the combustion gas described above and supplied with heat necessary for the steam reforming reaction, so that the reformed gas is generated from the mixed gas (reforming raw material, steam) supplied from the evaporation unit 32. Is generated and derived. The reforming unit 33 is filled with a catalyst (for example, Ru or Ni-based catalyst), and the mixed gas reacts with the catalyst to be reformed to generate a gas containing hydrogen gas and carbon monoxide. (So-called steam reforming reaction). The reformed gas contains hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, unreformed natural gas (methane gas), and reformed water (steam) that has not been used for reforming. As described above, the reforming unit 33 generates reformed gas (fuel) from the reforming raw material (raw fuel) and the reformed water and supplies the reformed gas (fuel) to the fuel cell 34. The steam reforming reaction is an endothermic reaction.

燃料電池34は、改質部33によって生成された燃料とカソードエアブロワ11c1によって供給されたカソードエア(酸化剤ガス)によって発電するものである。燃料電池34は、燃料極、空気極(酸化剤極)、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル34aが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池34の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は400〜1000℃程度である。なお、400℃以下でも定格以下の発電量の発電は可能である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部33は省略することができる。   The fuel cell 34 generates power using the fuel generated by the reforming unit 33 and cathode air (oxidant gas) supplied by the cathode air blower 11c1. The fuel cell 34 is configured by laminating a fuel electrode, an air electrode (oxidant electrode), and a plurality of cells 34a made of an electrolyte interposed between the two electrodes. The fuel cell of this embodiment is a solid oxide fuel cell, and uses zirconium oxide, which is a kind of solid oxide, as an electrolyte. Hydrogen, carbon monoxide, methane gas, etc. are supplied to the fuel electrode of the fuel cell 34 as fuel. The operating temperature is about 400-1000 ° C. It should be noted that power generation with a power generation below the rating is possible even at 400 ° C or lower. Not only hydrogen but also natural gas and coal gas can be used directly as fuel. In this case, the reforming unit 33 can be omitted.

セル34aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路34bが形成されている。セル34aの空気極側には、酸化剤ガスである空気(カソードエア)が流通する空気流路34cが形成されている。   On the fuel electrode side of the cell 34a, a fuel flow path 34b through which the reformed gas as the fuel flows is formed. An air flow path 34c through which air (cathode air) that is an oxidant gas flows is formed on the air electrode side of the cell 34a.

燃料電池34は、マニホールド35上に設けられている。マニホールド35には、改質部33からの改質ガスが改質ガス供給管38を介して供給される。燃料流路34bは、その下端(一端)がマニホールド35の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ11c1によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管11cを介して供給され、空気流路34cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。   The fuel cell 34 is provided on the manifold 35. The reformed gas from the reforming unit 33 is supplied to the manifold 35 via the reformed gas supply pipe 38. The lower end (one end) of the fuel flow path 34b is connected to the fuel outlet of the manifold 35, and the reformed gas led out from the fuel outlet is introduced from the lower end and led out from the upper end. . The cathode air sent out by the cathode air blower 11c1 is supplied via the cathode air supply pipe 11c, introduced from the lower end of the air flow path 34c, and led out from the upper end.

第一燃焼部36は、燃料電池34と蒸発部32及び改質部33との間に設けられている。第一燃焼部36は、燃料電池34からのアノードオフガス(燃料オフガス)と燃料電池34からのカソードオフガス(酸化剤オフガス)とが燃焼されて蒸発部32及び改質部33を加熱する。   The first combustion unit 36 is provided between the fuel cell 34, the evaporation unit 32, and the reforming unit 33. In the first combustion unit 36, the anode off gas (fuel off gas) from the fuel cell 34 and the cathode off gas (oxidant off gas) from the fuel cell 34 are burned to heat the evaporation unit 32 and the reforming unit 33.

第一燃焼部36では、アノードオフガスが燃焼されて火炎37が発生している。第一燃焼部36には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ36a1,36a2が設けられている。   In the first combustion section 36, the anode off gas is burned and a flame 37 is generated. The first combustion unit 36 is provided with a pair of ignition heaters 36a1 and 36a2 for igniting the anode off gas.

貯湯槽21は、貯湯槽21は、縦長の密閉容器であり、内部に貯湯水が貯留される密閉空間が形成されている。貯湯槽21は、その内部に貯湯水による温度成層が形成されている。すなわち、貯湯槽21上部の貯湯水の温度が最も高温であり、貯湯槽21の上部から下部に位置するに従って貯湯水の温度が低温となり、貯湯槽21下部の貯湯水の温度が最も低温であるように、貯湯水が貯湯槽21の内部で貯留されるようになっている。   The hot water storage tank 21 is a vertically long sealed container in which a sealed space in which hot water is stored is formed. The hot water tank 21 has a temperature stratification formed by hot water stored therein. That is, the temperature of the hot water stored in the upper part of the hot water tank 21 is the highest, the temperature of the hot water becomes lower as it is located from the upper part to the lower part of the hot water tank 21, and the temperature of the hot water stored in the lower part of the hot water tank 21 is the lowest. As described above, the hot water is stored in the hot water tank 21.

貯湯槽21の上部には、エア抜き弁25が設けられている。このエア抜き弁25は、貯湯槽21内の気圧が所定以上となった場合に開弁して、貯湯槽21内の空気を貯湯槽21の外部に排出する。つまり、エア抜き弁25は、貯湯槽21の内部から貯湯槽21の外部への空気の流出は許容する。また、エア抜き弁25は、貯湯槽21の外部から貯湯槽21の内部への空気の流入は許容しない逆止弁である。   An air vent valve 25 is provided in the upper part of the hot water tank 21. The air vent valve 25 is opened when the atmospheric pressure in the hot water storage tank 21 becomes equal to or higher than a predetermined value, and discharges the air in the hot water storage tank 21 to the outside of the hot water storage tank 21. That is, the air vent valve 25 allows the outflow of air from the inside of the hot water tank 21 to the outside of the hot water tank 21. The air vent valve 25 is a check valve that does not allow the inflow of air from the outside of the hot water tank 21 into the hot water tank 21.

貯湯槽21と熱交換器12との間で貯湯水が循環する(図1において矢印の方向に循環する)第一貯湯水循環ライン22が設けられている。第一貯湯水循環ライン22の始端は、貯湯槽21の下部に接続されている。第一貯湯水循環ライン22の終端は、貯湯槽21の上部に接続されている。第一貯湯水循環ライン22上には、その始端側から終端側に向かって順番に、循環ポンプ22a、熱交換器12が配設されている。熱交換器12には、凝縮水供給管12aの始端が接続されている。凝縮水供給管12aの終端は、水タンク14に接続されている。   A first hot water circulation line 22 for circulating hot water between the hot water tank 21 and the heat exchanger 12 (circulating in the direction of the arrow in FIG. 1) is provided. The starting end of the first hot water storage line 22 is connected to the lower part of the hot water tank 21. A terminal end of the first hot water circulation line 22 is connected to an upper portion of the hot water tank 21. On the 1st hot water storage water circulation line 22, the circulation pump 22a and the heat exchanger 12 are arrange | positioned in order from the starting end side to the terminal end side. The heat exchanger 12 is connected to the start end of the condensed water supply pipe 12a. The terminal end of the condensed water supply pipe 12 a is connected to the water tank 14.

熱交換器12は、第一燃焼部36(燃料電池34)から排気される排気ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、排気ガスと貯湯水とを熱交換させる装置である。熱交換器12において、燃料電池モジュール11からの排気ガスは、排気ガス導入部12bを通って熱交換器12内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却される。これにより、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が生成される。熱交換後の排気ガスは排気管12cを通り、筐体10aに設けられた第一排気口10bを通って、筐体10aの外部に排出される。また、排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管12aを通って水タンク14に供給される。なお、水タンク14は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。   The heat exchanger 12 is a device that is supplied with exhaust gas exhausted from the first combustion unit 36 (fuel cell 34) and is supplied with hot water from the hot water storage tank 21 to exchange heat between the exhaust gas and hot water. is there. In the heat exchanger 12, the exhaust gas from the fuel cell module 11 is introduced into the heat exchanger 12 through the exhaust gas introducing portion 12b, and is cooled by exchanging heat with the hot water. Thereby, the water vapor contained in the exhaust gas is condensed to generate condensed water. The exhaust gas after heat exchange passes through the exhaust pipe 12c, passes through the first exhaust port 10b provided in the housing 10a, and is discharged to the outside of the housing 10a. The condensed water obtained by cooling and condensing water vapor contained in the exhaust gas is supplied to the water tank 14 through the condensed water supply pipe 12a. The water tank 14 purifies the condensed water with ion exchange resin.

循環ポンプ22aは、貯湯水を貯湯槽21と熱交換器12の間で循環させるものである。制御装置15は、循環ポンプ22aに供給する電流量をリニア電流制御によって制御して、循環ポンプ22aの吐出流量を制御する。なお、ここでいうリニア電流制御とは、循環ポンプ22aを駆動する電圧DUTY比を変更し、実効電流を除変させるPWM制御が含まれる。   The circulation pump 22 a circulates hot water between the hot water tank 21 and the heat exchanger 12. The controller 15 controls the discharge flow rate of the circulation pump 22a by controlling the amount of current supplied to the circulation pump 22a by linear current control. The linear current control mentioned here includes PWM control for changing the voltage DUTY ratio for driving the circulation pump 22a and changing the effective current.

上述した熱交換器12、貯湯槽21及び第一貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。第一貯湯水循環ライン22の熱交換器12の内部には、熱交換器12内における貯湯水の温度T1を検出し、その検出信号を制御装置15に出力する第一温度センサ12dが設けられている。また、第一貯湯水循環ライン22の熱交換器12の出口付近には、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2を検出し、その検出信号を制御装置15に出力する第二温度センサ12eが設けられている。   An exhaust heat recovery system 20 is configured from the heat exchanger 12, the hot water tank 21, and the first hot water circulation line 22 described above. The exhaust heat recovery system 20 recovers and stores the exhaust heat of the fuel cell module 11 in hot water storage. A first temperature sensor 12d that detects the temperature T1 of the hot water in the heat exchanger 12 and outputs a detection signal to the control device 15 is provided in the heat exchanger 12 of the first hot water circulation line 22. Yes. A temperature T2 of hot water flowing out from the heat exchanger 12 is detected near the outlet of the heat exchanger 12 in the first hot water circulation line 22, and a second temperature sensor 12e that outputs a detection signal to the controller 15. Is provided.

貯湯槽21と、貯湯水が使用される貯湯水使用機器910との間で貯湯水が循環する(図1において矢印の方向に循環する)第二貯湯水循環ライン930が設けられている。第二貯湯水循環ライン930の始端は、貯湯槽21の上部に接続されている。第二貯湯水循環ライン930の終端は、貯湯槽21の下部に接続されている。第二貯湯水循環ライン930には、給湯ポンプ920が設けられている。給湯ポンプ920は、高温の貯湯水を貯湯水使用機器910に供給して、貯湯水使用機器910から流出する低温の貯湯水を貯湯槽21に戻す。このように、貯湯槽21から貯湯水使用機器910に供給された貯湯水は、再び貯湯槽21に戻される。つまり、第二貯湯水循環ライン930はクローズド型である。言い換えると、燃料電池システム100は、常時は外部から水道水が供給されないクローズド型である。貯湯水使用機器910には、室内暖房機器、床暖房機器が含まれる。   A second hot water storage water circulation line 930 is provided between the hot water storage tank 21 and the hot water use device 910 in which the hot water is used (circulates in the direction of the arrow in FIG. 1). The starting end of the second hot water storage water circulation line 930 is connected to the upper part of the hot water storage tank 21. The terminal end of the second hot water storage water circulation line 930 is connected to the lower part of the hot water storage tank 21. A hot water supply pump 920 is provided in the second hot water storage water circulation line 930. The hot water supply pump 920 supplies hot hot water to the hot water use device 910 and returns the low temperature hot water flowing out from the hot water use device 910 to the hot water tank 21. In this way, the hot water supplied from the hot water tank 21 to the hot water storage device 910 is returned to the hot water tank 21 again. That is, the second hot water storage water circulation line 930 is a closed type. In other words, the fuel cell system 100 is a closed type in which tap water is not supplied from the outside at all times. The hot water storage device 910 includes an indoor heating device and a floor heating device.

熱交換器12の排気ガス導入部12bの入口がケーシング31に接続されている部分、すなわちケーシング31の導出口31aには、第二燃焼部28が設けられている。第二燃焼部28は、第一燃焼部36から排気されるガスである第一燃焼部オフガス、すなわち、第一燃焼部36から排気される未使用の可燃ガス(例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など)を導入し燃焼して導出するものである。第二燃焼部28は、可燃ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒で構成されている。燃焼触媒には、プラチナやパラジウムなどの貴金属がセラミックの単体などに担持させたものが含まれる。   A second combustion section 28 is provided at a portion where the inlet of the exhaust gas introduction section 12 b of the heat exchanger 12 is connected to the casing 31, that is, at the outlet 31 a of the casing 31. The second combustion section 28 is a first combustion section off-gas which is a gas exhausted from the first combustion section 36, that is, an unused combustible gas (for example, hydrogen, methane gas, monoxide) exhausted from the first combustion section 36. Carbon etc.) is introduced and burned out. The 2nd combustion part 28 is comprised with the combustion catalyst which is a catalyst which burns combustible gas. Combustion catalysts include those in which a precious metal such as platinum or palladium is supported on a ceramic alone.

なお、燃焼触媒は、水素、メタンガス、一酸化炭素などの可燃ガスを火炎燃焼でなく触媒によって燃焼するため、燃焼速度が大きく、大量の可燃ガスを燃焼することができ、かつ、燃焼効率も高いため未燃焼ガスの排出を抑制することができる。燃焼触媒においては、水素、一酸化炭素、メタンガスの順番で着火しやすい。   Note that the combustion catalyst burns combustible gases such as hydrogen, methane gas, and carbon monoxide by the catalyst instead of flame combustion, so the combustion speed is high, a large amount of combustible gas can be burned, and the combustion efficiency is also high. Therefore, discharge of unburned gas can be suppressed. In a combustion catalyst, it is easy to ignite in order of hydrogen, carbon monoxide, and methane gas.

第二燃焼部28には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ28aが設けられている。燃焼触媒ヒータ28aは制御装置15の指示によって加熱されるものである。   The second combustion section 28 is provided with a combustion catalyst heater 28a for heating the combustion catalyst to the catalyst activation temperature and burning the combustible gas. The combustion catalyst heater 28 a is heated by an instruction from the control device 15.

インバータ装置13には、燃料電池34から出力される直流電圧が入力される。そして、インバータ装置13は、入力された直流電圧を所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源16a及び外部電力負荷16c(例えば電化製品)に接続されている電源ライン16bに出力する。インバータ装置13には、系統電源16aからの交流電圧が電源ライン16bを介して入力される。そして、インバータ装置13は、入力された交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機(各ポンプ、ブロワなど)や制御装置15に出力する。制御装置15は、補機を駆動して燃料電池システム100の運転を制御する。   A DC voltage output from the fuel cell 34 is input to the inverter device 13. The inverter device 13 converts the input DC voltage into a predetermined AC voltage and outputs the AC voltage to the power supply line 16b connected to the AC system power supply 16a and the external power load 16c (for example, an electrical appliance). An AC voltage from the system power supply 16a is input to the inverter device 13 through the power supply line 16b. The inverter device 13 converts the input AC voltage into a predetermined DC voltage and outputs it to an auxiliary machine (each pump, blower, etc.) or the control device 15. The control device 15 controls the operation of the fuel cell system 100 by driving an auxiliary machine.

制御装置15は、燃料電池システム100を統括制御するものである。制御装置15は、原料供給ポンプ11a1が蒸発部32に供給する改質用原料の流量を調整するとともに、改質水ポンプ11b1が蒸発部32に供給する改質水の流量を調整し、更に、カソードエアブロワ11c1が燃料電池34に供給するカソードエアの流量を調整することによって、燃料電池34で発電される発電電力を調整する。制御装置15は、熱交換器内12における気泡の発生の時刻を記憶する時刻を記憶する記憶部15aを備えている。   The control device 15 performs overall control of the fuel cell system 100. The control device 15 adjusts the flow rate of the reforming raw material supplied to the evaporation unit 32 by the raw material supply pump 11a1, adjusts the flow rate of reforming water supplied to the evaporation unit 32 by the reforming water pump 11b1, The generated power generated by the fuel cell 34 is adjusted by adjusting the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell 34 by the cathode air blower 11c1. The control device 15 includes a storage unit 15 a that stores a time for storing the time of bubble generation in the heat exchanger 12.

報知部17は、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930の少なくともいずれかへの空気の混入を、作業者に報知する装置である。報知部17には、スピーカー、ディスプレイが含まれる。   The notification unit 17 is a device that notifies an operator of the entry of air into at least one of the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930. The notification unit 17 includes a speaker and a display.

(気泡排出制御及び温度上昇制御の説明)
以下に、図2に示すグラフを用いて、燃料電池システム100で実行される「気泡排出制御」及び「温度上昇制御」について説明する。図2に示すように、貯湯水の温度が高くなるに従って、貯湯水の溶存空気の割合は低下する。T0は水道水の温度である。T2aは定常温度である。燃料電池システム100が定常運転されている場合には、循環ポンプ22aの吐出流量が調整されることによって、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2は、定常温度T2aに制御される。
(Explanation of bubble discharge control and temperature rise control)
The “bubble discharge control” and the “temperature rise control” executed in the fuel cell system 100 will be described below using the graph shown in FIG. As shown in FIG. 2, the ratio of dissolved air in the hot water decreases as the temperature of the hot water increases. T0 is the temperature of tap water. T2a is a steady temperature. When the fuel cell system 100 is in steady operation, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is controlled to the steady temperature T2a by adjusting the discharge flow rate of the circulation pump 22a.

燃料電池システム100が設置されてから最初に運転される場合には、水道水の温度T0における貯湯水の溶存空気の割合A1から定常温度T2aにおける貯湯水の溶存空気の割合A1aを減算した差分ΔA1aに相当する空気が貯湯水から排出され、熱交換器12において気泡が発生する。すると、循環ポンプ22aが熱交換器12に吐出する貯湯水の流量を、気泡が発生した時点と比べて増大させて、気泡を熱交換器12から排出する「気泡排出制御」が実行される。そして、この気泡は、第一貯湯水循環ライン22を通って貯湯槽21に移動し、貯湯槽21の上部に設けられたエア抜き弁25から貯湯槽21の外部に排出される。   When the fuel cell system 100 is first operated after the installation, the difference ΔA1a obtained by subtracting the dissolved air ratio A1a of the hot water at the steady temperature T2a from the ratio A1 of the hot water at the temperature T0 of the tap water. The air corresponding to is discharged from the stored hot water, and bubbles are generated in the heat exchanger 12. Then, the “bubble discharge control” is executed in which the flow rate of the hot water discharged from the circulation pump 22a to the heat exchanger 12 is increased compared to the time when the bubbles are generated, and the bubbles are discharged from the heat exchanger 12. The bubbles move to the hot water storage tank 21 through the first hot water storage water circulation line 22 and are discharged to the outside of the hot water storage tank 21 through an air vent valve 25 provided at the upper part of the hot water storage tank 21.

本実施形態では、第二貯湯水循環ライン930はクローズド型であるので、燃料電池システム100の設置時以外には、基本的に、水道水は、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930のいずれにも導入されない。つまり、溶存空気の割合が高い水道水が貯湯水に混入しない。これにより、貯湯水の溶存空気の割合が低い状態にされると、貯湯水の溶存空気の割合は低い状態に維持される。   In the present embodiment, since the second hot-water storage water circulation line 930 is a closed type, the tap water is basically the hot-water tank 21, the first hot-water storage water circulation line 22, and the second, except when the fuel cell system 100 is installed. It is not introduced into any of the two hot water circulation lines 930. That is, tap water with a high proportion of dissolved air is not mixed into the stored hot water. Thereby, if the ratio of the dissolved air in the hot water is made low, the ratio of the dissolved air in the hot water is kept low.

図2の破線に示すように、貯湯水の水圧が低くなると、貯湯水の溶存空気の割合は、低下する。つまり、貯湯水が低くなるに従って、熱交換器12内において気泡が発生してしまう。そこで、本実施形態では、「気泡排出制御」が実行された後に、循環ポンプ22aの吐出流量を調整することにより、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2を定常温度T2aよりも高い温度である規定温度T2bに上昇させる「温度上昇制御」を実行することにしている。この「温度上昇制御」によって、強制的に貯湯水に溶存している空気を貯湯水から排出させて、当該空気をエア抜き弁25から貯湯槽21の外部に排出させて、貯湯水の溶存空気の割合を「温度上昇制御」が実行される前と比べてより低い状態にする。   As shown by the broken line in FIG. 2, when the water pressure of the hot water is lowered, the ratio of the dissolved air of the hot water is lowered. That is, bubbles are generated in the heat exchanger 12 as the stored hot water becomes lower. Therefore, in the present embodiment, after the “bubble discharge control” is executed, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is set to a temperature higher than the steady temperature T2a by adjusting the discharge flow rate of the circulation pump 22a. “Temperature rise control” for raising the temperature to the specified temperature T2b is executed. By this “temperature rise control”, the air dissolved in the hot water is forcibly discharged from the hot water, and the air is discharged from the air vent valve 25 to the outside of the hot water tank 21 to dissolve the hot water in the hot water. Is set to a lower state than before the “temperature rise control” is executed.

そして、「温度上昇制御」の実行後に、熱交換器12内において気泡が発生しない時間が、後述の第一規定時間tr1を経過した場合には、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水に溶存していた空気が十分に排出されたとして、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2を定常温度T2aに戻す。第二貯湯水循環ライン930はクローズド型であり、溶存空気の割合の高い水が貯湯水に混入しないので、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が定常温度T2aに戻されたとしても、「温度上昇制御」によって溶存空気の割合が低い状態にされた貯湯水は、溶存空気の割合が低い状態が維持される。このため、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の水圧が低下した場合であっても、熱交換器12内において気泡が発生し難い状態が維持される。以下に、図3に示すフローチャートを用いて、「気泡排出制御」及び「温度上昇制御」が実行される「循環ポンプ制御処理」について詳細に説明する。   And after execution of "temperature rise control", when the time which a bubble does not generate | occur | produce in the heat exchanger 12 after the 1st specified time tr1 mentioned later passes, the hot water storage tank 21, the 1st stored hot water circulation line 22, and Assuming that the air dissolved in the hot water in the second hot water circulation line 930 is sufficiently discharged, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is returned to the steady temperature T2a. The second hot water storage line 930 is a closed type, and water with a high proportion of dissolved air does not enter the hot water, so even if the temperature T2 of the hot water flowing out of the heat exchanger 12 is returned to the steady temperature T2a, The stored hot water in which the ratio of dissolved air is lowered by the “temperature rise control” is maintained in a state where the ratio of dissolved air is low. For this reason, even when the water pressure of the hot water stored in the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is reduced, the state in which bubbles are not easily generated in the heat exchanger 12 is maintained. Is done. Hereinafter, the “circulation pump control process” in which “bubble discharge control” and “temperature rise control” are executed will be described in detail using the flowchart shown in FIG.

(循環ポンプ制御処理)
以下に図3に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム100で実行される「循環ポンプ制御処理」について説明する。燃料電池システム100が起動すると、プログラムはステップS11に進む。
(Circulating pump control processing)
The “circulation pump control process” executed in the fuel cell system 100 will be described below using the flowchart shown in FIG. When the fuel cell system 100 is activated, the program proceeds to step S11.

ステップS11において、制御装置15(定常運転部)は、第二温度センサ12eからの検出信号に基づいて、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2(以下、適宜、温度T2と略す)が、定常温度T2a(例えば70℃)となるように、循環ポンプ22aの吐出流量を調整する定常運転を実行する。なお、循環ポンプ22aの吐出流量が増大するに従って、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2は低下する。また、循環ポンプ22aの吐出流量が減少するに従って、温度T2は上昇する。熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が、定常温度T2aにされると、貯湯槽21内には貯湯水による温度成層が形成される。ステップS11が終了すると、制御装置15は、プログラムをステップS12に進める。   In step S11, the control device 15 (steady operation unit) determines the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 (hereinafter, abbreviated as temperature T2 as appropriate) based on the detection signal from the second temperature sensor 12e. Then, a steady operation for adjusting the discharge flow rate of the circulation pump 22a is performed so that the steady temperature T2a (for example, 70 ° C.) is reached. As the discharge flow rate of the circulation pump 22a increases, the temperature T2 of the hot water flowing out of the heat exchanger 12 decreases. Further, the temperature T2 increases as the discharge flow rate of the circulation pump 22a decreases. When the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is set to the steady temperature T2a, a temperature stratification is formed in the hot water tank 21 by the hot water. When step S11 ends, the control device 15 advances the program to step S12.

ステップS12において、制御装置15(気泡発生判定部)は、熱交換器12内において気泡が発生したと判定した場合には(ステップS12:YES)、プログラムをステップS13に進める。一方で、制御装置15(気泡発生判定部)は、熱交換器12内において気泡が発生していないと判定した場合には(ステップS12:NO)、プログラムをステップS11に戻す。   If the control device 15 (bubble generation determination unit) determines in step S12 that bubbles have occurred in the heat exchanger 12 (step S12: YES), the program proceeds to step S13. On the other hand, if the control device 15 (bubble generation determination unit) determines that no bubbles are generated in the heat exchanger 12 (step S12: NO), the program returns to step S11.

なお、熱交換器12内において気泡が発生すると、当該気泡が熱交換器12内を流通する排気ガスによって熱せられて、高温の気泡となる。この高温の気泡が、第一温度センサ12dや第二温度センサ12eが温度を検出する部分に接触すると、第一温度センサ12dや第二温度センサ12eで検出される温度T1や温度T2の温度が高くなる。この原理を利用して、制御装置15は、熱交換器12内における貯湯水の温度T1(以下、適宜、温度T1と略す)が第一規定温度Ta(例えば90℃)以上である場合、或いは、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が第二規定温度Tb(例えば90℃)以上であると判断した場合には、熱交換器12内に気泡が発生したと判定する。また、制御装置15は、温度T1が第一規定温度Taより低く、且つ、温度T2が第二規定温度Tbより低いと判断した場合には、熱交換器12内に気泡が発生していないと判断する。   When bubbles are generated in the heat exchanger 12, the bubbles are heated by the exhaust gas flowing through the heat exchanger 12, and become high-temperature bubbles. When this high-temperature bubble comes into contact with the portion where the first temperature sensor 12d or the second temperature sensor 12e detects the temperature, the temperature T1 or the temperature T2 detected by the first temperature sensor 12d or the second temperature sensor 12e is changed. Get higher. Using this principle, the control device 15 allows the temperature T1 of the hot water stored in the heat exchanger 12 (hereinafter, appropriately abbreviated as temperature T1) to be equal to or higher than the first specified temperature Ta (eg, 90 ° C.), or When it is determined that the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is equal to or higher than the second specified temperature Tb (for example, 90 ° C.), it is determined that bubbles are generated in the heat exchanger 12. Further, when the control device 15 determines that the temperature T1 is lower than the first specified temperature Ta and the temperature T2 is lower than the second specified temperature Tb, bubbles are not generated in the heat exchanger 12. to decide.

なお、制御装置15が、温度T1の温度T2一方のみに基づいて、熱交換器12内において気泡が発生したか否かを判断することにしても差し支え無い。また、制御装置15が、温度T1が第一規定温度Ta以上となり、且つ温度T2が第二規定温度Tb以上となった場合に、熱交換器12内において気泡が発生したと判断することにしても差し支え無い。   It should be noted that the controller 15 may determine whether or not bubbles are generated in the heat exchanger 12 based on only one of the temperatures T1 and T2. Further, the control device 15 determines that bubbles are generated in the heat exchanger 12 when the temperature T1 is equal to or higher than the first specified temperature Ta and the temperature T2 is equal to or higher than the second specified temperature Tb. There is no problem.

ステップS13において、制御装置15(気泡排出部)は、循環ポンプ22aの吐出流量を定常運転時と比べて増大させて、気泡を熱交換器12から排出する「気泡排出制御」を実行する。この「気泡排出制御」は、「気泡排出制御」の実行が開始されてから気泡排出規定時間tdが経過するまで実行される。或いは、温度T1や温度T2が規定温度Tdに低下した際に、制御装置15が、「気泡排出制御」を停止することにしても差し支え無い。制御装置15は、プログラムをステップS14に進める。   In step S <b> 13, the control device 15 (bubble discharge unit) executes “bubble discharge control” in which the discharge flow rate of the circulation pump 22 a is increased as compared with that during steady operation and the bubbles are discharged from the heat exchanger 12. This “bubble discharge control” is executed until the bubble discharge regulation time td elapses after the execution of “bubble discharge control” is started. Alternatively, when the temperature T1 or the temperature T2 drops to the specified temperature Td, the control device 15 may stop the “bubble discharge control”. The control device 15 advances the program to step S14.

ステップS14において、制御装置15(温度上昇部)は、第二温度センサ12eからの検出信号に基づいて、フィードバック制御によって、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が、規定温度T2bとなるように、循環ポンプ22aの吐出流量を調整する「温度上昇制御」を開始させる。規定温度T2bは、定常温度T2aよりも高い温度であり、例えば80℃である。ステップS14において、制御装置15は、循環ポンプ22aの吐出流量を、貯湯水の温度T2が定常温度T2aであった時、つまり、定常運転時と比べて低下させる。これにより、熱交換器12から流出する貯湯水の温度は、ステップS12において、定常温度T2aから規定温度T2bに上昇する。   In step S14, the control device 15 (temperature riser) causes the temperature T2 of the stored hot water flowing out of the heat exchanger 12 to become the specified temperature T2b by feedback control based on the detection signal from the second temperature sensor 12e. In this manner, “temperature rise control” for adjusting the discharge flow rate of the circulation pump 22a is started. The specified temperature T2b is higher than the steady temperature T2a, and is 80 ° C., for example. In step S14, the control device 15 decreases the discharge flow rate of the circulation pump 22a when the temperature T2 of the stored hot water is the steady temperature T2a, that is, compared with the steady operation. Thereby, the temperature of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 rises from the steady temperature T2a to the specified temperature T2b in step S12.

この「温度上昇制御」によって、熱交換器12から流出する貯湯水の温度は、定常温度T2aよりも高い規定温度T2bにされる。これにより、図2に示すように、定常温度T2aにおける貯湯水の溶存空気の割合A1aから、規定温度T2bにおける貯湯水の溶存空気の割合A1bを減算した差分ΔA1cに相当する空気が、貯湯水から排出されて、当該空気がエア抜き弁25を介して貯湯槽21の外部に排出される。この結果、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気量が低減され、熱交換器12において気泡が発生し難い状態となる。ステップS14が終了すると、制御装置15はプログラムをS15に進める。   By this “temperature rise control”, the temperature of the hot water flowing out of the heat exchanger 12 is set to a specified temperature T2b higher than the steady temperature T2a. Thereby, as shown in FIG. 2, the air corresponding to the difference ΔA1c obtained by subtracting the ratio A1b of the hot water stored water at the specified temperature T2b from the dissolved air ratio A1a at the steady temperature T2a is obtained from the hot water. After being discharged, the air is discharged to the outside of the hot water tank 21 through the air vent valve 25. As a result, the amount of dissolved air in the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is reduced, and bubbles are hardly generated in the heat exchanger 12. When step S14 ends, the control device 15 advances the program to S15.

ステップS15において、制御装置15(気泡発生判定部)は、熱交換器12内において気泡が発生したと判定した場合には(ステップS15:YES)、プログラムをステップS16に進める。一方で、制御装置15(気泡発生判定部)は、熱交換器12内において気泡が発生していないと判定した場合には(ステップS15:NO)、プログラムをステップS31に進める。このステップS15における制御装置15の判定方法は、ステップS12における制御装置15の判定方法と同様である。   In step S15, if the control device 15 (bubble generation determination unit) determines that bubbles have occurred in the heat exchanger 12 (step S15: YES), the program proceeds to step S16. On the other hand, if the control device 15 (bubble generation determination unit) determines that bubbles are not generated in the heat exchanger 12 (step S15: NO), the program proceeds to step S31. The determination method of the control device 15 in step S15 is the same as the determination method of the control device 15 in step S12.

ステップS16において、制御装置15は、ステップS15において熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻を記憶部15aに記憶し、プログラムをステップS17に進める。   In step S16, the control device 15 stores the time at which it is determined in step S15 that bubbles have occurred in the heat exchanger 12 in the storage unit 15a, and advances the program to step S17.

ステップS17において、制御装置15(気泡排出部)は、ステップS13と同様の「気泡排出制御」を実行し、プログラムをステップS18に進める。   In step S17, the control device 15 (bubble discharging unit) executes “bubble discharging control” similar to step S13, and advances the program to step S18.

ステップS18において、制御装置15(異常判定部)は、記憶部15aに記憶されている熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻に基づいて、気泡の発生頻度が低減したと判断した場合には(ステップS18:YES)、プログラムをステップS14に戻す。一方で、制御装置15は、記憶部15aに記憶されている熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻に基づいて、気泡の発生頻度が低減していないと判断した場合には(ステップS18:NO)、プログラムをステップS19に進める。なお、ここでいう気泡の発生頻度とは、単位時間当たりの熱交換器12内における気泡の発生回数であり、当該気泡の発生間隔も含む。なお、制御装置15は、複数回(例えば2回)連続で、気泡の発生頻度が低減していないと判断した場合に、プログラムをステップS19に進めることにしても差し支え無い。   In step S18, the control device 15 (abnormality determination unit) determines that the generation frequency of bubbles has decreased based on the time when it is determined that bubbles have occurred in the heat exchanger 12 stored in the storage unit 15a. In the case (step S18: YES), the program is returned to step S14. On the other hand, when the control device 15 determines that the generation frequency of the bubbles is not reduced based on the time when it is determined that the bubbles are generated in the heat exchanger 12 stored in the storage unit 15a ( Step S18: NO), the program proceeds to Step S19. The bubble generation frequency here is the number of bubbles generated in the heat exchanger 12 per unit time and includes the bubble generation interval. The control device 15 may advance the program to step S19 when it is determined that the occurrence frequency of bubbles has not been reduced continuously (for example, twice) for a plurality of times.

ステップS19において、制御装置15(異常判定部)は、熱交換器12において気泡が発生する頻度が低減しない時間が、第二規定時間tr2(例えば数十時間)を経過したと判断した場合には(ステップS19:YES)、プログラムをステップS20に進める。一方で、制御装置15は、熱交換器12において気泡が発生する頻度が低減しない時間が、第二規定時間tr2を経過していないと判断した場合には(ステップS19:NO)、プログラムをステップS14に戻す。   In Step S19, when the control device 15 (abnormality determination unit) determines that the time during which the frequency of occurrence of bubbles in the heat exchanger 12 is not reduced has passed the second specified time tr2 (for example, several tens of hours). (Step S19: YES), the program proceeds to Step S20. On the other hand, if the control device 15 determines that the time during which the frequency of occurrence of bubbles in the heat exchanger 12 does not decrease has not passed the second specified time tr2 (step S19: NO), the program is executed as a step. Return to S14.

ステップS20において、制御装置15(異常判定部)は、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、第二貯湯水循環ライン930の少なくともいずれかへの空気が混入した「空気の混入異常」であると判定する。このように、「温度上昇制御」が実行されてから、熱交換器12において気泡が発生する頻度が低減しない時間が、第二規定時間tr2を経過した場合には、「空気の混入異常」であると判定される。ステップS14において、「温度上昇制御」が実行されて、貯湯水に溶存している空気量が低減され、第二貯湯水循環ライン930がクローズド型であり、貯湯水に空気溶存量が多い水が混入しないにも関わらず、熱交換器12において気泡が発生する頻度が低減しないということは、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930のいずれかの圧力が所定圧力より低下しているか、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930のいずれかへの空気の混入が考えられる。ステップS20が終了すると、制御装置15は、プログラムをS21に進める。   In step S <b> 20, the control device 15 (abnormality determination unit) is an “air mixing abnormality” in which air is mixed into at least one of the hot water storage tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930. judge. In this way, when the second specified time tr2 elapses after the “temperature increase control” is performed and the time during which the frequency of occurrence of bubbles in the heat exchanger 12 does not decrease has passed the second specified time tr2, the “air mixing abnormality” It is determined that there is. In step S14, “temperature rise control” is executed, the amount of air dissolved in the hot water is reduced, the second hot water circulation line 930 is closed, and the hot water contains a large amount of dissolved air. Nevertheless, the fact that the frequency of occurrence of bubbles in the heat exchanger 12 does not decrease means that the pressure of any one of the hot water storage tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is higher than a predetermined pressure. It can be considered that air is mixed in any of the hot water storage tank 21, the first hot water storage water circulation line 22, and the second hot water storage water circulation line 930. When step S20 ends, the control device 15 advances the program to S21.

ステップS21において、制御装置15は、「異常」を報知部17で報知させ、プログラムをS14に進める。   In step S21, the control device 15 causes the notification unit 17 to notify “abnormality” and advances the program to S14.

ステップS31において、制御装置15(復帰部)は、ステップS14において「温度上昇制御」の実行が開始されてから、ステップS15において、熱交換器12内において気泡が発生していないと判断されている時間が、第一規定時間tr1(例えば数時間)を経過したと判断した場合には(ステップS31:YES)、プログラムをステップS11に戻す。一方で、ステップS14において「温度上昇制御」の実行が開始されてから、ステップS15において、熱交換器12内において気泡が発生していないと判断されている時間が、第一規定時間tr1を経過していないと判断した場合には(ステップS31:NO)、プログラムをステップS14に戻す。   In step S31, the control device 15 (returning unit) determines that no bubbles are generated in the heat exchanger 12 in step S15 after the execution of the “temperature rise control” is started in step S14. When it is determined that the first specified time tr1 (for example, several hours) has elapsed (step S31: YES), the program is returned to step S11. On the other hand, after the execution of the “temperature rise control” is started in step S14, the time during which it is determined in step S15 that no bubbles are generated in the heat exchanger 12 has passed the first specified time tr1. If it is determined that it has not been performed (step S31: NO), the program is returned to step S14.

このように、「温度上昇制御」の実行が開始されてから、熱交換器12内において気泡が発生していないと判断されている時間が、第一規定時間tr1を経過したと判断された場合には、ステップS11において、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が、定常温度T2aに復帰される。一方で、「温度上昇制御」の実行が開始されてから、熱交換器12内において気泡が発生していないと判断されている時間が、第一規定時間tr1を経過していない場合には、ステップS14において、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2は、定常温度T2aよりも高い規定温度T2bにされ、貯湯水に溶存している空気が排出される。第二貯湯水循環ライン930はクローズド型であり、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930のいずれにも、溶存空気量が多い水道水等の水が混入することが無いので、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が、定常温度T2aに復帰されたとしても、「温度上昇制御」によって上記貯湯水の溶存空気量(溶存空気の割合)が低下された状態が維持される。   As described above, when it is determined that the first specified time tr1 has elapsed after the start of the execution of the “temperature rise control”, it is determined that no bubbles are generated in the heat exchanger 12. In step S11, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is returned to the steady temperature T2a. On the other hand, when the time when it is determined that no bubbles are generated in the heat exchanger 12 after the execution of the “temperature rise control” has not elapsed the first specified time tr1, In step S14, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is set to a specified temperature T2b higher than the steady temperature T2a, and the air dissolved in the hot water is discharged. The second stored hot water circulation line 930 is a closed type, and water such as tap water with a large amount of dissolved air may be mixed in any of the hot water storage tank 21, the first stored hot water circulation line 22, and the second stored hot water circulation line 930. Therefore, even if the temperature T2 of the hot water flowing out of the heat exchanger 12 is returned to the steady temperature T2a, the dissolved air amount (the ratio of dissolved air) of the hot water is reduced by the “temperature rise control”. State is maintained.

なお、「温度上昇制御」が実行され、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気の割合がA1bに低下した状態(図2の1)が維持されたまま、上記貯湯水の温度が定常温度T2aにされた後に、上記貯湯水の水圧が低下すると、水圧が低下した貯湯水の溶存空気の割合A2aは、水圧が低下する前の貯湯水の溶存空気の割合A1bよりも、溶存空気の割合A1bから溶存空気の割合A2aを減算した差分ΔA2aだけ低下する。すると、上記貯湯水から差分ΔA2aに相当する空気が排出され、熱交換器12において気泡が発生する。   The “temperature rise control” is executed, and the ratio of dissolved air in the hot water storage tank 21, first hot water circulation line 22, and second hot water circulation line 930 is reduced to A1b (1 in FIG. 2). If the water pressure of the stored hot water is lowered after the temperature of the stored hot water is set to the steady temperature T2a with the temperature maintained, the ratio A2a of the dissolved air in the stored hot water is reduced. It is lower than the dissolved air ratio A1b by a difference ΔA2a obtained by subtracting the dissolved air ratio A2a from the dissolved air ratio A1b. Then, air corresponding to the difference ΔA2a is discharged from the hot water, and bubbles are generated in the heat exchanger 12.

この場合であっても、ステップS12において、熱交換器12内において気泡が発生したと判断されると、ステップS13の「気泡排出制御」が実行された後に、ステップS14において、「温度上昇制御」が実行される。これにより、図2に示すように、熱交換器12から流出する貯湯水の溶存空気の割合は、水圧が低い状態で定常温度T2aにおける溶存空気の割合A2aから、水圧が低い状態で規定温度T2bにおける溶存空気の割合A2bに低下する。このため、溶存空気の割合A2aから溶存空気の割合A2bを減算した差分ΔA2bに相当する空気が貯湯水から排出され、当該空気がエア抜き弁25を介して貯湯槽21の外部に排出される。そして、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が定常温度T2aに復帰したとしても、貯湯水の溶存空気の割合は、低い状態に維持される。このため、熱交換器12においての気泡の発生が抑制され、「気泡排出制御」の実行が抑制される。   Even in this case, if it is determined in step S12 that bubbles are generated in the heat exchanger 12, the “bubble rise control” in step S13 is executed, and then “temperature rise control” is performed in step S14. Is executed. As a result, as shown in FIG. 2, the ratio of the dissolved air in the hot water flowing out of the heat exchanger 12 is changed from the ratio A2a of the dissolved air at the steady temperature T2a at a low water pressure to the specified temperature T2b at a low water pressure. The ratio of dissolved air at A2b decreases. For this reason, air corresponding to the difference ΔA2b obtained by subtracting the dissolved air ratio A2b from the dissolved air ratio A2a is discharged from the hot water, and the air is discharged to the outside of the hot water tank 21 through the air vent valve 25. And even if the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 returns to the steady temperature T2a, the ratio of the dissolved air of the hot water is kept low. For this reason, generation | occurrence | production of the bubble in the heat exchanger 12 is suppressed, and execution of "bubble discharge control" is suppressed.

(タイムチャートの説明)
以下に、図3に示す「循環ポンプ制御処理」が実行された場合のタイムチャートを、図4を用いて説明する。燃料電池システム100の運転が開始され、「循環ポンプ制御処理」が実行され、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が定常温度T2aにされている状態で、時刻t1において、熱交換器12内で気泡が発生したと判断されると(図3のステップS12でYESと判断)、「気泡排出制御」が開始される(ステップS13)。
(Explanation of time chart)
A time chart when the “circulation pump control process” shown in FIG. 3 is executed will be described below with reference to FIG. The operation of the fuel cell system 100 is started, the “circulation pump control process” is executed, and the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is set to the steady temperature T2a. If it is determined that bubbles have been generated in 12 (YES in step S12 of FIG. 3), “bubble discharge control” is started (step S13).

時刻t2において、「気泡排出制御」が終了すると、「温度上昇制御」が開始される(ステップS14)。すると、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が規定温度T2bに昇温されて、これに伴って、熱交換器12から流出する貯湯水から溶存していた空気が排出され、当該空気がエア抜き弁25を介して、貯湯槽21の外部に排出される。この結果、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気の割合が徐々に減少して、熱交換器12に流入する貯湯水の溶存空気の割合が徐々に減少する。   When “bubble discharge control” ends at time t2, “temperature rise control” is started (step S14). Then, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is raised to the specified temperature T2b, and along with this, the dissolved air from the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is discharged, and the air Is discharged to the outside of the hot water tank 21 through the air vent valve 25. As a result, the ratio of dissolved air in the hot water storage tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 gradually decreases, and the dissolved air in the hot water flowing into the heat exchanger 12 decreases. The rate gradually decreases.

時刻t3において、熱交換器12内で気泡が発生したと判断されると(ステップS15でYESと判定)、「気泡排出制御」が開始される(ステップS16)。時刻t4において、「気泡排出制御」が終了すると、再び「温度上昇制御」が開始される(ステップS14)。同様に、時刻t5、時刻t7において、熱交換器12内で気泡が発生したと判断されると(ステップS15でYESと判定)、「気泡排出制御」が開始される(ステップS16)。同様に、時刻t6、時刻t7において、「気泡排出制御」が終了すると、再び「温度上昇制御」が開始される(ステップS14)。このように、「温度上昇制御」が実行されることにより、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が規定温度T2bに昇温されて、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気の割合が徐々に減少して、熱交換器12に流入する貯湯水の溶存空気の割合が徐々に減少する。   If it is determined that bubbles have occurred in the heat exchanger 12 at time t3 (YES in step S15), “bubble discharge control” is started (step S16). When the “bubble discharge control” ends at time t4, the “temperature rise control” starts again (step S14). Similarly, when it is determined at time t5 and time t7 that bubbles are generated in the heat exchanger 12 (YES in step S15), “bubble discharge control” is started (step S16). Similarly, when the “bubble discharge control” ends at time t6 and time t7, “temperature rise control” is started again (step S14). As described above, by executing the “temperature rise control”, the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 is raised to the specified temperature T2b, and the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and The ratio of the dissolved air in the second hot water circulation line 930 is gradually decreased, and the ratio of the dissolved air in the hot water flowing into the heat exchanger 12 is gradually decreased.

貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気の割合が十分に低下し、熱交換器12に流入する貯湯水の溶存空気の割合が十分に低下している場合には、熱交換器12内において気泡が発生し難い状態であり、熱交換器12内において気泡が発生したと判断される時間が長期化する。そして、時刻t9において、熱交換器12内において気泡が発生したと判断されていない時間が、第一規定時間tr1を経過した場合には(ステップS31でYESと判断)、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2は定常温度T2aに復帰される。   The ratio of dissolved air in the hot water storage tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is sufficiently reduced, and the ratio of the dissolved air in the hot water flowing into the heat exchanger 12 is sufficiently high. When it is lowered, it is difficult for bubbles to be generated in the heat exchanger 12, and it takes a long time to determine that bubbles are generated in the heat exchanger 12. Then, at time t9, when the time during which it is not determined that bubbles have occurred in the heat exchanger 12 has passed the first specified time tr1 (YES in step S31), the air flows out of the heat exchanger 12. The temperature T2 of the stored hot water is returned to the steady temperature T2a.

第二貯湯水循環ライン930は、クローズド型であり、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930のいずれにも、溶存空気の割合(溶存空気量)が多い水道水等の水が流入しない。これにより、「温度上昇制御」によって貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気の割合(溶存空気量)が低くなると、その後、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が規定温度T2bよりも低い定常温度T2aに復帰されたとしても、熱交換器12に流入する貯湯水の溶存空気の割合(溶存空気量)が低い状態に維持される。このため、熱交換器12内において気泡が発生し難い状態となり、「気泡排出処理」の実行頻度が低下するので、貯湯槽21内の貯湯水の温度成層の崩壊が抑制される。   The second hot-water storage water circulation line 930 is a closed type, and any of the hot water storage tank 21, the first hot-water storage water circulation line 22, and the second hot-water storage water circulation line 930 has a large proportion of dissolved air (dissolved air amount). Water does not flow in. Thereby, if the ratio (dissolved air amount) of the hot water stored in the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is reduced by the "temperature rise control", then the heat exchanger Even if the temperature T2 of the stored hot water flowing out from 12 is returned to the steady temperature T2a lower than the specified temperature T2b, the proportion of dissolved air (the amount of dissolved air) flowing into the heat exchanger 12 is kept low. Is done. For this reason, since it becomes difficult to generate bubbles in the heat exchanger 12 and the execution frequency of the “bubble discharge process” decreases, the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water storage tank 21 is suppressed.

(本実施形態の効果)
以上の説明から明らかなように、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2を、気泡の発生が判定された時点、つまり、定常運転時と比べて上昇させる「温度上昇制御」が実行される(図3のステップS14)。これによれば、貯湯水に溶存できる空気量は貯湯水の温度が高くなるに従って少なくなることから、貯湯水の温度を上昇させることによって、貯湯水に溶存している空気を貯湯水から排出させることができ、貯湯水の溶存空気量を低減させることができる。
(Effect of this embodiment)
As is apparent from the above description, “temperature rise control” is executed to raise the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 when it is determined that bubbles are generated, that is, compared to the steady operation. (Step S14 in FIG. 3). According to this, the amount of air that can be dissolved in the stored hot water decreases as the temperature of the stored hot water increases, so by raising the temperature of the stored hot water, the air dissolved in the stored hot water is discharged from the stored hot water. And the amount of dissolved air in the hot water can be reduced.

また、貯湯槽21と貯湯水使用機器910との間で貯湯水が循環する第二貯湯水循環ライン930はクローズド型であるので、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930に空気が溶存した水が継続して流入することが無い。このため、「温度上昇制御」が一度実行されれば、貯湯水の溶存空気量を少ない状態に維持することができる。この結果、少なくとも熱交換器12内における気泡の発生を抑制することができる。よって、「気泡排出制御」の頻繁な実行が抑制され、貯湯槽21内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制することができる。これにより、貯湯槽21の下部から貯湯槽21の上部よりも低い温度の貯湯水が、熱交換器12に流入する。このため、熱交換器12において排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることができ、水蒸気を凝縮させた水を燃料電池システム100に再使用することができる。また、熱交換器12における熱回収効率の低下が抑制される。この結果、燃料電池システム100の運転効率を向上させることができる。   Further, since the second hot water circulation line 930 through which hot water circulates between the hot water tank 21 and the hot water storage device 910 is a closed type, the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line. Water in which air is dissolved in 930 does not continuously flow in. For this reason, once the “temperature rise control” is executed, the amount of dissolved air in the hot water can be kept small. As a result, at least the generation of bubbles in the heat exchanger 12 can be suppressed. Therefore, frequent execution of the “bubble discharge control” is suppressed, and the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water tank 21 can be suppressed. As a result, hot water having a temperature lower than that of the upper part of the hot water tank 21 flows into the heat exchanger 12 from the lower part of the hot water tank 21. For this reason, the water vapor contained in the exhaust gas can be condensed in the heat exchanger 12, and the water in which the water vapor is condensed can be reused in the fuel cell system 100. Moreover, the fall of the heat recovery efficiency in the heat exchanger 12 is suppressed. As a result, the operation efficiency of the fuel cell system 100 can be improved.

また、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の水圧が低下し、この貯湯水に溶存している空気が排出され、熱交換器12内で気泡が発生した場合であっても(ステップS12でYESと判断)、「温度上昇制御」が実行されることにより(ステップS14)、上記貯湯水に溶存している空気が排出されて、上記貯湯水の溶存空気の割合が低下され、貯湯槽21内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制することができる。   Further, the hot water pressure in the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is lowered, and the air dissolved in the hot water is discharged and bubbles are generated in the heat exchanger 12. Even if this occurs (determined as YES in step S12), the "temperature rise control" is executed (step S14), whereby the air dissolved in the hot water is discharged and the hot water is stored. The ratio of dissolved air is reduced, and the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water tank 21 can be suppressed.

貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930内の貯湯水の溶存空気の割合が十分に低下し、熱交換器12に流入する貯湯水の溶存空気の割合が十分に低下している場合には、熱交換器12内において気泡が発生し難い状態であり、熱交換器12内において気泡が発生したと判断される時間が長期化する。つまり、第一規定時間tr1の間に気泡排出制御が実行されない場合には、「温度上昇制御」によって、既に貯湯水の溶存空気量が確実に低くなっている。そして、第二貯湯水循環ラインはクローズド型であるので、温度上昇制御によって一度貯湯水の溶存空気量が低くなると、貯湯水は溶存空気量が低い状態に維持される。このため、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が定常温度T2aに復帰したとしても、熱交換器12において気泡の発生が抑制される状態が維持される。そこで、第一規定時間tr1の間に「気泡排出制御」が実行されない場合には(ステップS31でYESと判断)、制御装置15(復帰部)は、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2を定常温度T2aに復帰させる。これにより、貯湯水を溶存空気量が低い状態にして、「気泡排出制御」が実行されることによる貯湯槽21内の貯湯水の温度成層の崩壊が抑制される状態にした後に、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2を定常温度T2aに復帰させることができる。このため、熱交換器12から気泡が完全に追い出された後に、貯湯槽21内において良好な温度成層が形成される。よって、熱交換器12において排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることができ、燃料電池システム100の運転効率をより向上させることができる。   The ratio of dissolved air in the hot water storage tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is sufficiently reduced, and the ratio of the dissolved air in the hot water flowing into the heat exchanger 12 is sufficiently high. When it is lowered, it is difficult for bubbles to be generated in the heat exchanger 12, and it takes a long time to determine that bubbles are generated in the heat exchanger 12. That is, when the bubble discharge control is not executed during the first specified time tr1, the dissolved air amount of the hot water is already reliably reduced by the “temperature rise control”. And since the 2nd stored hot water circulation line is a closed type, once the amount of dissolved air of hot water becomes low by temperature rise control, the stored hot water is maintained in a state where the amount of dissolved air is low. For this reason, even if the temperature T2 of the hot water flowing out from the heat exchanger 12 returns to the steady temperature T2a, the state in which the generation of bubbles is suppressed in the heat exchanger 12 is maintained. Therefore, when the “bubble discharge control” is not executed during the first specified time tr1 (determined as YES in step S31), the control device 15 (returning unit) determines the temperature of the hot water flowing out from the heat exchanger 12. T2 is returned to the steady temperature T2a. As a result, after the hot water is brought into a state where the amount of dissolved air is low and the collapse of the temperature stratification of the hot water in the hot water tank 21 due to the execution of “bubble discharge control” is performed, the heat exchanger The temperature T2 of the stored hot water flowing out from 12 can be returned to the steady temperature T2a. For this reason, after air bubbles are completely expelled from the heat exchanger 12, good temperature stratification is formed in the hot water storage tank 21. Therefore, the water vapor contained in the exhaust gas can be condensed in the heat exchanger 12, and the operating efficiency of the fuel cell system 100 can be further improved.

また、制御装置15(異常報知部)は、「気泡排出制御」の実行の頻度が低減しない時間が第二規定時間tr2を経過した場合には(ステップS19でYESと判断)、「異常」を、報知部17で報知する(ステップS20)。このため、作業者は、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930のいずれかの圧力が所定圧力より低下しているか、貯湯槽21、第一貯湯水循環ライン22、及び第二貯湯水循環ライン930の少なくともいずれかへの空気の混入を認識することができる。   Further, the control device 15 (abnormality notification unit) determines “abnormal” when the second specified time tr2 has elapsed (the determination is YES in step S19) when the frequency of execution of the “bubble discharge control” has not been reduced. The notification unit 17 notifies (step S20). For this reason, the operator determines whether the pressure of the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, and the second hot water circulation line 930 is lower than a predetermined pressure, the hot water tank 21, the first hot water circulation line 22, And the mixing of the air into at least any one of the 2nd hot water storage water circulation line 930 can be recognized.

また、貯湯槽21には、貯湯槽21の内部から貯湯槽21の外部への空気の流出は許容するが、貯湯槽21の外部から貯湯槽21の内部への空気の流入は許容しないエア抜き弁25が設けられている。これにより、貯湯水に溶存していた空気が、エア抜き弁25を介して貯湯槽21の外部に排出される。また、貯湯槽21の外部から貯湯槽21の内部への空気の侵入が防止されるので、貯湯水に再び空気が溶存してしまうことを防止することができる。このため、貯湯水の溶存空気量を低い状態に維持することができる。   The hot water tank 21 allows air to flow from the inside of the hot water tank 21 to the outside of the hot water tank 21 but does not allow air to flow from the outside of the hot water tank 21 into the hot water tank 21. A valve 25 is provided. As a result, the air dissolved in the hot water is discharged to the outside of the hot water tank 21 through the air vent valve 25. Moreover, since the intrusion of air from the outside of the hot water storage tank 21 into the hot water storage tank 21 is prevented, it is possible to prevent the air from being dissolved again in the hot water storage water. For this reason, the amount of dissolved air in the hot water can be kept low.

(別の実施形態)
以上説明した実施形態では、図3のステップS18において、制御装置15は、記憶部15aに記憶されている熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻に基づいて、気泡の発生頻度が低減しているか否かを判断している。しかし、ステップS18において、制御装置15は、記憶部15aに記憶されている熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻に基づいて、熱交換器12内における気泡発生の間隔が長くなったか否かを判断する実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、ステップS18において、制御装置15は、記憶部15aに記憶されている熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻に基づいて、熱交換器12内における気泡発生の間隔が長くなったと判断した場合には(ステップS18:YES)、プログラムをS14に進める。一方で、制御装置15は、記憶部15aに記憶されている熱交換器12内において気泡が発生したと判定した時刻に基づいて、熱交換器12内における気泡発生の間隔が短くなった、或いは、上記間隔が維持されていると判断した場合には(ステップS18:NO)、プログラムをステップS19に進める。
(Another embodiment)
In the embodiment described above, in step S18 of FIG. 3, the control device 15 determines the occurrence frequency of bubbles based on the time when it is determined that bubbles are generated in the heat exchanger 12 stored in the storage unit 15a. It is judged whether or not it is reduced. However, in step S <b> 18, the control device 15 increases the bubble generation interval in the heat exchanger 12 based on the time when it is determined that bubbles are generated in the heat exchanger 12 stored in the storage unit 15 a. Even if it is embodiment which judges whether it was, it does not interfere. In the case of this embodiment, in step S18, the control device 15 determines the bubbles in the heat exchanger 12 based on the time when it is determined that the bubbles are generated in the heat exchanger 12 stored in the storage unit 15a. If it is determined that the generation interval has become longer (step S18: YES), the program proceeds to S14. On the other hand, based on the time when the control device 15 determines that bubbles are generated in the heat exchanger 12 stored in the storage unit 15a, the bubble generation interval in the heat exchanger 12 is shortened, or If it is determined that the interval is maintained (step S18: NO), the program proceeds to step S19.

図3のステップS12やステップS15において、制御装置15は、熱交換器12内における貯湯水の温度T1が第一規定温度Ta以上であると複数回以上判断した場合に、或いは、熱交換器12から流出する貯湯水の温度T2が第二規定温度Tb以上であると複数回以上判断した場合に、熱交換器12内において気泡が発生したと判断する実施形態であっても差し支え無い。   In step S12 and step S15 of FIG. 3, the control device 15 determines that the temperature T1 of the hot water in the heat exchanger 12 is equal to or higher than the first specified temperature Ta more than once, or the heat exchanger 12 There is no problem even in an embodiment in which it is determined that bubbles are generated in the heat exchanger 12 when it is determined a plurality of times that the temperature T2 of the hot water flowing out from the tank is equal to or higher than the second specified temperature Tb.

以上説明した実施形態では、定常運転時における定常温度T2aが一定である。しかし、燃料電池システム100の運転状況によって、定常温度T2aが可変とされる実施形態であっても差し支え無い。   In the embodiment described above, the steady temperature T2a during steady operation is constant. However, it may be an embodiment in which the steady temperature T2a is variable depending on the operation state of the fuel cell system 100.

以上説明した実施形態では、定常運転及び「気泡排出制御」が実行された後に、「温度上昇」が実行されている。しかし、燃料電池システム100の設置時に、最初に「温度上昇制御」が実行される実施形態であっても差し支え無い。   In the embodiment described above, “temperature rise” is executed after the steady operation and “bubble discharge control” are executed. However, there may be an embodiment in which “temperature rise control” is first executed when the fuel cell system 100 is installed.

12…熱交換器、12d…第一温度センサ(温度検出部)、12e…第二温度センサ(温度検出部)、15…制御装置(定常運転部、温度上昇部、気泡発生判定部、気泡排出部、復帰部、異常判定部)、15a…記憶部、21…貯湯槽、22…第一貯湯水循環ライン、25…エア抜き弁、34…燃料電池、22a…循環ポンプ(ポンプ)、100…燃料電池システム、910…貯湯水使用機器、930…第二貯湯水循環ライン   DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Heat exchanger, 12d ... 1st temperature sensor (temperature detection part), 12e ... 2nd temperature sensor (temperature detection part), 15 ... Control apparatus (steady operation part, temperature rise part, bubble generation | occurrence | production determination part, bubble discharge | emission 15a ... storage unit, 21 ... hot water tank, 22 ... first hot water circulation line, 25 ... air vent valve, 34 ... fuel cell, 22a ... circulation pump (pump), 100 ... fuel Battery system, 910 ... Hot water use equipment, 930 ... Second hot water circulation line

Claims (4)

燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
貯湯水が貯湯される密閉空間である貯湯槽と、
前記燃料電池から排気された排気ガスと前記貯湯水とを熱交換させる熱交換器と、
前記貯湯槽と前記熱交換器との間で前記貯湯水が循環する第一貯湯水循環ラインと、
前記第一貯湯水循環ラインに設けられ、前記貯湯水を前記貯湯槽と前記熱交換器との間で循環させるポンプと、
前記貯湯水が使用される貯湯水使用機器と前記貯湯槽との間で前記貯湯水が循環するクローズド型の第二貯湯水循環ラインと、
前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を調整して、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度を定常温度にして定常運転を実行する定常運転部と、
前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を前記定常運転が実行されている時に比べて低下させて、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度を前記定常温度と比べて上昇させる温度上昇制御を実行する温度上昇部と、
前記熱交換器内において気泡が発生したか否かを判定する気泡発生判定部と、
前記気泡発生判定部によって前記熱交換器内において前記気泡が発生したと判定された場合に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を前記定常運転が実行されている時に比べて増加させて、前記気泡を前記熱交換器から排出する気泡排出制御を実行する気泡排出部と、
を有し、
前記温度上昇部は、前記定常運転が実行されている間に、前記気泡発生判定部によって前記気泡の発生が判定されて、前記気泡排出制御が実行された後に、前記温度上昇制御を実行する燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity using fuel and oxidant gas;
A hot water storage tank that is a sealed space in which hot water is stored;
A heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas exhausted from the fuel cell and the hot water,
A first hot water circulation line through which the hot water is circulated between the hot water tank and the heat exchanger;
A pump provided in the first hot-water storage water circulation line for circulating the hot-water storage between the hot-water tank and the heat exchanger;
A closed type second hot water circulation line in which the hot water circulates between the hot water storage device in which the hot water is used and the hot water tank;
A steady operation unit that adjusts the flow rate of the hot water discharged from the pump and sets the temperature of the hot water flowing out of the heat exchanger to a steady temperature to perform a steady operation;
Temperature increase control for lowering the flow rate of the hot water discharged from the pump as compared to when the steady operation is being performed and increasing the temperature of the hot water flowing out of the heat exchanger as compared with the steady temperature. A temperature riser to perform,
A bubble generation determination unit that determines whether or not bubbles are generated in the heat exchanger;
When it is determined by the bubble generation determination unit that the bubbles are generated in the heat exchanger, the flow rate of the hot water discharged from the pump is increased compared to when the steady operation is performed, A bubble discharger for performing bubble discharge control for discharging the bubbles from the heat exchanger;
I have a,
The temperature increasing unit is a fuel that executes the temperature increasing control after the bubble generation determining unit determines the generation of the bubbles and performs the bubble discharge control while the steady operation is being performed. Battery system.
前記温度上昇制御が実行されてから、前記気泡発生判定部によって前記熱交換器内において前記気泡が発生されていないと判定されている時間が第一規定時間を超えた場合には、前記定常運転に復帰させる復帰部を有する請求項1に記載の燃料電池システム。 Wherein the temperature increase control is executed, if the time during which the air bubbles are determined not to be generated within the heat exchanger by the air bubble occurrence determination unit exceeds the first specified time, the steady operation The fuel cell system according to claim 1 , further comprising: a return unit that returns to the state. 前記温度上昇制御実行後における前記気泡発生判定部によって判定された前記熱交換器内における前記気泡の発生の時刻を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記熱交換器内における前記気泡の発生の時刻に基づいて、前記温度上昇制御実行後における前記気泡排出制御の実行の頻度が低減しない場合に、異常である旨の判定をする異常判定部と、を有する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
A storage unit for storing the time of occurrence of the bubble in the temperature increase control the after run is determined by the bubble occurrence determination unit in said heat exchanger,
Based on the time of occurrence of the bubble in the the heat exchanger which is stored in the storage unit, when the frequency of execution of the bubble discharge control after the temperature increase control execution is not reduced, indicating an abnormal The fuel cell system according to claim 1 , further comprising an abnormality determination unit that performs determination.
前記貯湯槽には、前記貯湯槽の内部から前記貯湯槽の外部への空気の流出は許容するが、前記貯湯槽の外部から前記貯湯槽の内部への空気の流入は許容しないエア抜き弁が設けられている請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The hot water storage tank has an air vent valve that allows air to flow from the inside of the hot water tank to the outside of the hot water tank, but does not allow air to flow from the outside of the hot water tank to the inside of the hot water tank. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the fuel cell system is provided.
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