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JP2015220211A - Control device and control method of fuel cell - Google Patents

Control device and control method of fuel cell Download PDF

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JP2015220211A JP2014105322A JP2014105322A JP2015220211A JP 2015220211 A JP2015220211 A JP 2015220211A JP 2014105322 A JP2014105322 A JP 2014105322A JP 2014105322 A JP2014105322 A JP 2014105322A JP 2015220211 A JP2015220211 A JP 2015220211A
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Abstract

【課題】好適な制御を行うことによって制御ハンチングを抑制して燃料電池の耐久性を高めることができる燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を提供すること。【解決手段】燃料電池スタックの劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池スタックの出力の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しておく。次に、その複数の劣化ステージに基づいて、燃料電池スタックの電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、その判定された劣化ステージに応じた制御マップを選択し、その制御マップを用いて電流値から燃料利用率を決定する。【選択図】図5A fuel cell control device and a fuel cell control method capable of suppressing control hunting and improving the durability of the fuel cell by performing suitable control. A plurality of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the output of the fuel cell stack are stored as deterioration stages indicating the degree of deterioration of the fuel cell stack. Next, a deterioration stage corresponding to the power value and current value of the fuel cell stack is determined based on the plurality of deterioration stages. Then, a control map corresponding to the determined deterioration stage is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value using the control map. [Selection] Figure 5

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池などの燃料電池を制御する燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell control device and a fuel cell control method for controlling a fuel cell such as a solid oxide fuel cell.

従来より、例えば燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池として、例えば固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。
この燃料電池としては、例えば固体電解質層の両側に燃料極と空気極とを備えた単セルを有する板状の燃料電池セルを、複数個積層した燃料電池スタックが使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a solid oxide fuel cell using a solid electrolyte (solid oxide) is known as a fuel cell that generates power using, for example, fuel gas and air.
As this fuel cell, for example, a fuel cell stack in which a plurality of plate-like fuel cells each having a single cell having a fuel electrode and an air electrode on both sides of a solid electrolyte layer are stacked is used.

また、燃料電池では、燃料電池スタック以外に、都市ガスや灯油等の原燃料を燃料ガスに改質する改質器や、発電に使用されなかった残余の燃料ガスと空気とを燃焼させる燃焼器などが使用されている。   In addition to the fuel cell stack, in the fuel cell, a reformer that reforms raw fuel such as city gas or kerosene into fuel gas, or a combustor that burns the remaining fuel gas and air that was not used for power generation. Etc. are used.

この種の燃料電池を作動させるための1つの重要な制御方法としては、温度調整による方法が知られている(特許文献1参照)。
具体的には、燃料電池自身の(ジュール熱による)発熱が少ない低負荷の領域では、燃料利用率を低く設定して(即ち、燃料供給量を増やし、発電に必要な燃料供給量の割合を低下させて、燃焼器における燃焼量を増加させ)、一方、燃料電池自身の発熱が大きい高負荷の領域では、燃料利用率を高く設定する(即ち、燃料供給量を減らし、発電に必要な燃料供給量の割合を増加させて、燃焼器における燃焼量を低下させる)ことや、空気流量の増減を、その都度実施することで、熱自立を図っている。
As one important control method for operating this type of fuel cell, a method by temperature adjustment is known (see Patent Document 1).
Specifically, in a low load region where the fuel cell itself generates little heat (due to Joule heat), the fuel utilization rate is set to a low value (that is, the fuel supply amount is increased and the ratio of the fuel supply amount necessary for power generation is increased). On the other hand, in the high load region where the heat generated by the fuel cell itself is large, the fuel utilization rate is set high (ie, the fuel supply amount is reduced and the fuel required for power generation is increased). By increasing the ratio of the supply amount to lower the combustion amount in the combustor) and increasing / decreasing the air flow rate each time, heat independence is achieved.

つまり、上述した従来技術では、例えば、燃料供給量を増加させることによる加熱効果と、発電用の空気供給量を増加させることによる冷却効果を併用して、燃料電池内の温度を所定の適正温度範囲に収束させ、なおかつ燃料電池内の温度が適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、燃料供給量及び空気供給量を補正している。   That is, in the above-described conventional technology, for example, the heating effect by increasing the fuel supply amount and the cooling effect by increasing the air supply amount for power generation are used in combination to set the temperature in the fuel cell to a predetermined appropriate temperature. The fuel supply amount and the air supply amount are corrected so that the fuel utilization rate increases without causing the temperature within the fuel cell to converge to the range and the temperature within the fuel cell to be substantially out of the appropriate temperature range.

特開2013−16356号公報JP 2013-16356 A

しかしながら、前記従来技術では、上述したような制御を行う際の変動パラメータが非常に多いため、制御が複雑化し、いわゆる制御ハンチング(例えば燃料供給量や空気供給量等の制御パラメータが波打つため、制御パラメータを頻繁に調節しなければならない状態)を引き起こす恐れがあった。   However, in the prior art, since there are so many variable parameters when performing the control as described above, the control is complicated, and so-called control hunting (for example, control parameters such as the fuel supply amount and the air supply amount undulate) There is a risk of causing the parameter to be frequently adjusted).

この制御ハンチングが発生すると、例えば燃料供給量を減少させるようにした場合に、燃料電池セル内で局所的に燃料が枯渇する場所が発生する可能性があり、そのような状態で長期間燃料電池を作動させると、燃料電池セル、ひいては燃料電池の劣化率が大きくなるという問題があった。   When this control hunting occurs, for example, when the fuel supply amount is reduced, there is a possibility that a place where the fuel is locally depleted in the fuel battery cell may occur. When the is operated, there is a problem that the deterioration rate of the fuel cell, and hence the fuel cell, increases.

また、発電電流の大きな燃料電池に、このような複雑な制御を行う場合に、温度調整のために空気を増量すると、燃料電池に空気を送る空気ポンプの消費電力が増える結果、かえって燃料電池で発生させる電力量(燃料電池から引き出される電流量)が増加し、燃料電池の劣化を促進させる恐れがある。   In addition, when such complicated control is performed on a fuel cell with a large generated current, increasing the amount of air for temperature adjustment increases the power consumption of the air pump that sends air to the fuel cell. There is a risk that the amount of electric power to be generated (the amount of current drawn from the fuel cell) increases, and the deterioration of the fuel cell is promoted.

更に、燃料電池が平板型の燃料電池スタックの場合には、例えば燃料電池スタックの温度を下げる際に、空気の増量制御と燃料の減量制御とを同時に行うと、燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大し、セル割れ等の偶発的故障を引き起こす恐れがある。   Further, when the fuel cell is a flat type fuel cell stack, for example, when lowering the temperature of the fuel cell stack, if the air increase control and the fuel decrease control are performed simultaneously, the fuel electrode side and the air electrode side The pressure loss difference between the two may increase, which may cause accidental failures such as cell cracking.

つまり、従来の複雑な制御を行う場合には、燃料電池の耐久性が低下することがあり、その結果、発電効率も低下するという問題が生じることがある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、好適な制御を行うことによって制御ハンチングを抑制して燃料電池の耐久性を高めることができる燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を提供することにある。
That is, when conventional complicated control is performed, the durability of the fuel cell may be lowered, and as a result, there may be a problem that the power generation efficiency is also lowered.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to control a fuel cell capable of suppressing the control hunting and improving the durability of the fuel cell by performing a suitable control. And it is providing the control method of a fuel cell.

(1)本発明は、第1態様(燃料電池の制御装置)として、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御装置において、前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶している記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定する判定手段と、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定する決定手段と、前記決定手段によって決定した前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は該燃料ガスの原燃料を前記燃料電池に供給するように制御する燃料供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。   (1) The present invention provides, as a first aspect (a control device for a fuel cell), the operation of the fuel cell that generates power using the fuel gas and the oxidant gas. In a fuel cell control device controlled based on an operating state, a plurality of deterioration stages set in advance based on a power value and a current value of the fuel cell are stored as deterioration stages indicating the degree of deterioration of the fuel cell. And determining the deterioration stage corresponding to the power value and current value of the fuel cell detected by the operating state detection means based on the plurality of deterioration stages stored in the storage means. Determination means for determining, based on the deterioration stage determined by the determination means, a determination means for determining a fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage; The flow rate of the fuel gas is calculated based on the fuel utilization rate determined by the determination means, and a predetermined amount of the fuel gas or raw fuel of the fuel gas is supplied to the fuel cell based on the calculated value. And a fuel supply control means for controlling to do so.

本第1態様では、記憶手段に、燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しており、判定手段では、この複数の劣化ステージに基づいて、検出された燃料電池の電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、決定手段によって、その劣化ステージに対応した燃料電池の燃料利用率を決定し、燃料供給制御手段では、その燃料利用率に基づいて、燃料ガスの流量を算出し、その算出した値に基づいて、所定量の燃料ガス又は原燃料を燃料電池に供給するように制御する。   In the first aspect, the storage means stores a plurality of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the fuel cell as the deterioration stage indicating the degree of deterioration of the fuel cell, and the determination means Then, based on the plurality of deterioration stages, the deterioration stage corresponding to the detected power value and current value of the fuel cell is determined. Then, the determining means determines the fuel usage rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage, and the fuel supply control means calculates the flow rate of the fuel gas based on the fuel usage rate, and based on the calculated value. Then, control is performed so that a predetermined amount of fuel gas or raw fuel is supplied to the fuel cell.

つまり、燃料電池の電力値及び電流値は、燃料電池の劣化の程度に対応しているので、予め電力値及び電流値に対応した劣化ステージを求めておけば、検出された電力値及び電流値から劣化の程度(即ち劣化ステージ)が分かる。更に、例えば発電初期のような劣化の少ない状態では電流増加によるジュール熱の発生量が少ない等のように、劣化ステージによって、燃料電池の発電状態や発熱状態が異なるので、劣化ステージに応じて、燃料利用率を設定し、その燃料利用率に応じて燃料ガス又は原燃料の供給量を調節することによって、燃料電池の発電状態や発熱状態を適正に制御することができる。   That is, since the power value and current value of the fuel cell correspond to the degree of deterioration of the fuel cell, if the deterioration stage corresponding to the power value and current value is obtained in advance, the detected power value and current value are determined. Thus, the degree of deterioration (that is, the deterioration stage) is known. Furthermore, since the power generation state and heat generation state of the fuel cell are different depending on the deterioration stage, such as a small amount of Joule heat generated due to current increase in a state with little deterioration at the early stage of power generation, depending on the deterioration stage, By setting the fuel usage rate and adjusting the supply amount of the fuel gas or raw fuel according to the fuel usage rate, the power generation state and heat generation state of the fuel cell can be appropriately controlled.

特に、本第1態様では、燃料利用率を決定する際に、検出された電力値及び電流値に対応して、複数の劣化ステージから特定の劣化ステージを選択するので、従来のような複雑な制御手段が不要であり、よって、制御ハンチングを抑制できる。   In particular, in the first aspect, when determining the fuel utilization rate, a specific deterioration stage is selected from a plurality of deterioration stages corresponding to the detected power value and current value. Control means is unnecessary, and therefore control hunting can be suppressed.

その結果、燃料電池内で局所的に燃料が枯渇する可能性が低くなり、燃料電池の耐久性を大きく向上できるという顕著な効果を奏する。
また、本第1態様では、従来のような複雑な制御が不要であるので、空気ポンプの消費電力が増えにくい。よって、燃料電池から引き出される電流量が増加しにくいので、この点からも、燃料電池の耐久性が向上するという効果がある。
As a result, there is a low possibility that the fuel is locally depleted in the fuel cell, and there is a remarkable effect that the durability of the fuel cell can be greatly improved.
Moreover, in this 1st aspect, since the complicated control like the past is unnecessary, the power consumption of an air pump cannot increase easily. Therefore, since the amount of current drawn from the fuel cell is unlikely to increase, this also has the effect of improving the durability of the fuel cell.

更に、例えば燃料電池が平板型の燃料電池スタックの場合でも、上述した温度を低下させる際の燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大しにくく、よって、セル割れ等の故障が生じにくいという利点がある。   Further, for example, even when the fuel cell is a flat type fuel cell stack, the pressure loss difference between the fuel electrode side and the air electrode side when the temperature is lowered is not easily expanded, and thus a failure such as cell cracking occurs. There is an advantage that is difficult to occur.

つまり、本第1態様では、従来の複雑な制御を行う必要がないので、即ち制御ハンチングを抑制できるので、燃料電池の耐久性が向上し、その結果、発電効率も向上するという効果がある。   That is, in the first aspect, since it is not necessary to perform conventional complicated control, that is, since control hunting can be suppressed, there is an effect that durability of the fuel cell is improved, and as a result, power generation efficiency is also improved.

なお、ここで燃料利用率とは、燃料電池にて発電に使用される燃料量(A)を、燃料電池に供給される燃料量(B)で除した値(即ちBに対するAの割合)である。
(2)本発明は、第2態様として、前記記憶手段は、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶し、前記決定手段は、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする。
Here, the fuel utilization rate is a value obtained by dividing the amount of fuel (A) used for power generation in the fuel cell by the amount of fuel (B) supplied to the fuel cell (that is, the ratio of A to B). is there.
(2) In the present invention, as a second aspect, the storage unit stores each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell corresponding to each of the plurality of deterioration stages, The determining means selects the control map corresponding to the deterioration stage determined by the determining means, and determines the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell based on the control map.

本第2態様では、記憶手段には、(各劣化ステージに対応して)燃料電池の電流値(燃料電池に流れる電流の値)から燃料利用率を求める制御マップが記憶されているので、決定手段では、その制御マップに基づいて燃料電池の電流値から燃料利用率を決定することができる。   In the second aspect, the storage means stores a control map for determining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell (corresponding to each deterioration stage) (the value of the current flowing through the fuel cell). In the means, the fuel utilization rate can be determined from the current value of the fuel cell based on the control map.

(3)本発明は、第3態様として、前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されていることを特徴とする。   (3) As a third aspect of the present invention, each control map set in accordance with the degree of deterioration of the fuel cell indicates that the degree of deterioration of the fuel cell with respect to the same current value of the fuel cell. The fuel consumption rate is set so as to be selected as the degree of deterioration is larger than when the fuel is small.

本第3態様では、例えば発電初期のような劣化の少ない状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に低い制御マップが用意され、逆に、例えば長期間の発電後のような劣化の大きい状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に高い制御マップが用意される。   In the third mode, for example, in a state where there is little deterioration such as in the initial stage of power generation, a control map is prepared in which the fuel utilization rate with respect to the current value is generally low. In the state, a control map having a high fuel utilization rate with respect to the current value is prepared.

つまり、燃料電池が劣化している場合には、劣化に起因したジュール熱による大きな発熱を熱維持に利用できるので、前記劣化に対応した制御マップを用いることによって、燃料利用率を高くすることができる。これによって、一部の箇所で劣化が始まった後でも高い発電効率を維持することができる。   In other words, when the fuel cell is deteriorated, a large heat generation due to Joule heat resulting from the deterioration can be used for heat maintenance. Therefore, by using a control map corresponding to the deterioration, the fuel utilization rate can be increased. it can. As a result, high power generation efficiency can be maintained even after deterioration starts in some places.

(4)本発明は、第4態様として、前記燃料電池は、少なくとも前記燃料ガスについて、並直列構造を備えていることを特徴とする。
本第4態様は、燃料電池におけるガス流路の構造を例示している。
(4) The present invention, as a fourth aspect, is characterized in that the fuel cell has a parallel series structure for at least the fuel gas.
The fourth aspect exemplifies the structure of the gas flow path in the fuel cell.

燃料ガスの並直列構造を備えている燃料電池としては、発電単位である燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックが挙げられる。
並直列構造を備えた燃料電池スタックにおいては、燃料電池スタックを構成する発電単位(燃料電池セル)が電気的には直列接続されている。燃料電池スタックに供給する燃料ガスの経路を、例えば上流部と下流部のように2つに並列に分けることで、発電単位への燃料供給量は多くしつつ、発電単位を積層した燃料電池スタックへの燃料供給量は少なくできることが特徴であるので、各燃料電池セルの燃料利用率を低くすることができる。
Examples of the fuel cell having the parallel series structure of the fuel gas include a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells as power generation units are stacked.
In a fuel cell stack having a parallel series structure, power generation units (fuel cell) constituting the fuel cell stack are electrically connected in series. A fuel cell stack in which power generation units are stacked while increasing the amount of fuel supplied to the power generation unit by dividing the fuel gas path supplied to the fuel cell stack into two, for example, an upstream portion and a downstream portion in parallel. Therefore, the fuel supply rate of each fuel cell can be lowered.

その結果、耐久劣化後(長期間使用されて劣化した後)においても、燃料電池スタックに供給する燃料供給量が少なくて済むので、燃料電池スタックの総合燃料利用率を上げることができ、最終的には、発電効率を高く維持することができる。   As a result, the amount of fuel supplied to the fuel cell stack can be reduced even after the endurance deterioration (after deterioration after long-term use), so that the overall fuel utilization rate of the fuel cell stack can be increased. Therefore, the power generation efficiency can be kept high.

なお、並直列構造とは、例えば燃料ガスを、初めに、ある発電単位(燃料電池セル)に導入して発電した後に、その排出ガスを他の発電単位に導入して発電する構造である。
また、総合燃料利用率とは、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セル毎の燃料利用率ではなく、燃料電池スタック全体としての総合的な燃料利用率である。
The parallel series structure is a structure in which, for example, fuel gas is first introduced into a certain power generation unit (fuel cell) to generate power, and then the exhaust gas is introduced into another power generation unit to generate power.
The total fuel utilization rate is not the fuel utilization rate of each fuel cell constituting the fuel cell stack, but the overall fuel utilization rate of the entire fuel cell stack.

(5)本発明は、第5態様として、前記燃料電池は、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器及び前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器のうち、少なくとも一方を備えたことを特徴とする。   (5) As a fifth aspect of the present invention, the fuel cell combusts the reformer that reforms raw fuel into the fuel gas, and the fuel gas and the oxidant gas that are not used in the power generation. At least one of the combustors is provided.

本第5態様は、改質器や燃焼器のような補助器を用いた燃料電池を例示している。
なお、改質器とは、燃料電池に燃料ガスを供給する場合に、原燃料ガス等の原燃料を、より発電に好適な組成に改質(例えば都市ガス等をより水素ガス成分の多い組成のガスに改質)する装置のことである。
The fifth aspect illustrates a fuel cell using an auxiliary device such as a reformer or a combustor.
A reformer means that when fuel gas is supplied to a fuel cell, the raw fuel such as raw fuel gas is reformed to a composition suitable for power generation (for example, city gas or the like is a composition having more hydrogen gas components). It is a device that reforms the gas.

(6)本発明は、第6態様(燃料電池の制御方法)として、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御方法において、前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しておき、前記記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定し、前記判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定することを特徴とする。   (6) The present invention provides, as a sixth aspect (a fuel cell control method), the operation of the fuel cell that generates power using the fuel gas and the oxidant gas. In the control method of the fuel cell controlled based on the operating state, a plurality of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the fuel cell are stored as the deterioration stage indicating the degree of deterioration of the fuel cell. In addition, based on the plurality of stored deterioration stages, the deterioration stage corresponding to the power value and the current value of the fuel cell detected by the operating state detection unit is determined, and the determination is made. Based on the deterioration stage, the fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage is determined.

本第6態様は、前記第1態様と同様な作用効果を奏する。
(7)本発明は、第7態様として、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶しておき、前記判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする。
The sixth aspect has the same operational effects as the first aspect.
(7) In the seventh aspect of the present invention, as a seventh aspect, each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell is stored in correspondence with each of the plurality of deterioration stages, and the determination is made. The control map corresponding to the deterioration stage is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value of the fuel cell based on the control map.

本第7態様は、第2態様と同様な作用効果を奏する。
以下、本発明の各構成について説明する。
前記燃料ガスは、燃料電池の発電に用いられる燃料となる還元剤(例えば水素)を含むガスであり、原燃料ガス等の原燃料を改質した改質ガスが挙げられる。なお、原燃料としては、改質によって水素を生成できる各種の原燃料、例えば天然ガス(例えばLNG)、都市ガス、LPG、灯油、メタノール、バイオメタノールなどを採用できる。
The seventh aspect has the same effects as the second aspect.
Hereinafter, each configuration of the present invention will be described.
The fuel gas is a gas containing a reducing agent (for example, hydrogen) serving as a fuel used for power generation of a fuel cell, and examples thereof include a reformed gas obtained by reforming a raw fuel such as a raw fuel gas. As the raw fuel, various raw fuels that can generate hydrogen by reforming, such as natural gas (for example, LNG), city gas, LPG, kerosene, methanol, biomethanol, and the like can be employed.

前記酸化剤ガスは、燃料電池の発電に用いられる酸化剤(例えば酸素)を含むガスであり、例えば空気が挙げられる。
前記燃料電池としては、例えば、ZrO2系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池が挙げられる。
The oxidant gas is a gas containing an oxidant (for example, oxygen) used for power generation of the fuel cell, and examples thereof include air.
Examples of the fuel cell include a solid oxide fuel cell (SOFC) using a ZrO 2 ceramic as an electrolyte, a solid polymer fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and Li-Na / K. Examples thereof include a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) using a system carbonate as an electrolyte and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte.

また、燃料電池としては、発電単位である燃料電池セルやその燃料電池セルを複数備えた(例えば燃料電池セルを積層した)燃料電池スタックが挙げられる。なお、燃料電池セルとしては、例えば燃料極層と固体電解質層と空気極層とを一体に積層した単セルを備えた構成を採用できる。   Examples of the fuel cell include a fuel cell as a power generation unit and a fuel cell stack including a plurality of the fuel cells (for example, stacked fuel cells). In addition, as a fuel cell, the structure provided with the single cell which laminated | stacked the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, and the air electrode layer integrally, for example is employable.

実施例の燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the whole structure of the fuel cell system of an Example. (a)は燃料電池スタックを示す平面図、(b)は燃料電池スタックのガス流路を燃料ガスと酸化剤ガスに分けて側面から模式的に示す説明図である。(A) is a top view which shows a fuel cell stack, (b) is explanatory drawing which divides | segments the gas flow path of a fuel cell stack into fuel gas and oxidant gas, and shows from a side surface typically. 燃料電池スタックの電力値と電流値とから劣化ステージを求めるためのマップを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the map for calculating | requiring a degradation stage from the electric power value and electric current value of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの運転の初期、中期、後期において、それぞれ燃料電池スタックの電流値から燃料利用率を求めるためのマップを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the map for calculating | requiring a fuel utilization factor from the electric current value of a fuel cell stack, respectively in the initial stage of a driving | operation of a fuel cell stack, a middle period, and a latter period. コントローラで実施される制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing implemented with a controller.

次に、本発明の燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を実施するための形態として、固体酸化物形燃料電池の制御装置及び固体酸化物形燃料電池の制御方法を例にあげて説明する。   Next, as a mode for carrying out the fuel cell control device and the fuel cell control method of the present invention, a solid oxide fuel cell control device and a solid oxide fuel cell control method will be described as examples. To do.

a)まず、固体酸化物形燃料電池の全体のシステム構成について説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する。
図1に示すように、本実施例における燃料電池システム1は、燃料ガス(例えば都市ガス等の原燃料ガスが改質された改質ガス:詳しくはその中の水素)と酸化剤ガス(例えば空気:詳しくはその中の酸素)との供給を受けて発電を行う発電ユニットである。
a) First, the overall system configuration of the solid oxide fuel cell will be described. In the following, “solid oxide form” is omitted.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 in this embodiment includes a fuel gas (for example, a reformed gas obtained by reforming a raw fuel gas such as city gas: specifically, hydrogen therein) and an oxidant gas (for example, It is a power generation unit that generates power by receiving supply of air (specifically, oxygen in the air).

この燃料電池システム1では、原燃料ガス(従って改質後では燃料ガス)の供給流路3に沿って、上流側より、燃料ポンプ5、流量センサ7、発電モジュール15が配置されており、空気の供給流路11には、空気ポンプ13が配置されており、改質水の供給流路41には、改質水ポンプ43が配置されている。   In this fuel cell system 1, a fuel pump 5, a flow rate sensor 7, and a power generation module 15 are arranged along the supply flow path 3 of the raw fuel gas (and hence after reforming) from the upstream side. An air pump 13 is disposed in the supply channel 11, and a reforming water pump 43 is disposed in the reforming water supply channel 41.

前記発電モジュール15は、断熱容器17内に配置されており、断熱容器17内には、燃料ガスの供給流路3の上流側より、気化器19、改質器21、燃料電池スタック(発電スタック)23、燃焼器25が配置されている。また、燃料電池スタック23には温度センサ27が配置されている。   The power generation module 15 is disposed in a heat insulation container 17, and in the heat insulation container 17, a vaporizer 19, a reformer 21, a fuel cell stack (power generation stack) from the upstream side of the fuel gas supply channel 3. 23) A combustor 25 is arranged. In addition, a temperature sensor 27 is disposed in the fuel cell stack 23.

なお、本実施例では、原燃料ガス(従って燃料ガス)もしくは空気が、各ポンプ5、13から燃料電池スタック23に流れる方向に基づいて、上流側及び下流側を規定するので、ポンプ5、13側が上流側で、燃料電池スタック23側が下流側となる。   In this embodiment, since the raw fuel gas (and hence the fuel gas) or air defines the upstream side and the downstream side based on the direction in which each pump 5 and 13 flows to the fuel cell stack 23, the pumps 5 and 13. The side is the upstream side, and the fuel cell stack 23 side is the downstream side.

また、燃料電池システム1は、燃料電池システム1の動作を制御するコントローラ31を備えており、コントローラ31は、出力変換装置であるパワーコンディショナー33に接続されている。   The fuel cell system 1 includes a controller 31 that controls the operation of the fuel cell system 1, and the controller 31 is connected to a power conditioner 33 that is an output converter.

ここでは、燃料電池スタック23にて発生した電力は、パワーコンディショナー33に供給されるように構成されており、燃料電池スタック23からパワーコンディショナー33に到る(電力を供給する)電気回路35には、電気回路35に流れる電流(直流電流)を測定する電流センサ37が配置されている。   Here, the electric power generated in the fuel cell stack 23 is configured to be supplied to the power conditioner 33, and the electric circuit 35 reaching the power conditioner 33 (supplying electric power) from the fuel cell stack 23 is supplied to the electric circuit 35. A current sensor 37 for measuring a current (DC current) flowing through the electric circuit 35 is disposed.

以下、各構成について詳細に説明する。
燃料ポンプ5は、都市ガス等の原燃料ガスを発電モジュール15側に供給するポンプである。
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
The fuel pump 5 is a pump that supplies raw fuel gas such as city gas to the power generation module 15 side.

流量センサ7は、燃料ポンプ5によって発電モジュール9側に供給される原燃料ガスの流量を測定する流量計である。なお、発電に必要な燃料ガスの流量がコントローラ31で算出され、その算出結果に基づいて所定の原燃料ガスの流量を決定する。   The flow rate sensor 7 is a flow meter that measures the flow rate of the raw fuel gas supplied to the power generation module 9 side by the fuel pump 5. Note that the flow rate of the fuel gas required for power generation is calculated by the controller 31, and a predetermined flow rate of the raw fuel gas is determined based on the calculation result.

空気ポンプ13は、酸化剤ガスである空気を発電モジュール15側に供給するポンプである。
気化器19にて、改質水ポンプ43から供給される改質水は加熱されて気化されて水蒸気となり、その水蒸気が改質器21に供給される。なお、気化器19は、周知の混合器を兼ねる装置として使用することができ、気化器19にて原燃料ガスと水蒸気との混合を行う。
The air pump 13 is a pump that supplies air, which is an oxidant gas, to the power generation module 15 side.
In the vaporizer 19, the reformed water supplied from the reformed water pump 43 is heated and vaporized to become steam, and the steam is supplied to the reformer 21. The vaporizer 19 can be used as a device that also serves as a known mixer, and the vaporizer 19 mixes raw fuel gas and water vapor.

改質器21は、内部に改質用の触媒(例えばルテニウム又はニッケル)を備えた装置であり、この改質器21内に導入された原燃料ガスが、気化器19で発生した水蒸気によって水蒸気改質されることにより、原燃料ガスより水素ガスの割合が多い(水素リッチの)燃料ガスが生成される。   The reformer 21 is a device having a reforming catalyst (for example, ruthenium or nickel) inside, and the raw fuel gas introduced into the reformer 21 is steamed by the steam generated in the vaporizer 19. By reforming, a fuel gas having a higher hydrogen gas ratio (hydrogen-rich) than the raw fuel gas is generated.

燃料電池スタック23は、後述するように、発電単位である板状の燃料電池セル24(図2(b)参照)が複数個積層された略直方体状の装置である。
燃焼器25は、燃料電池スタック23から排出された燃料ガス中の主に水素(未反応の燃料ガス)と空気中の酸素とを燃焼させる装置であり、この燃焼によって、燃料電池スタック23を加熱することができる。
As will be described later, the fuel cell stack 23 is a substantially rectangular parallelepiped device in which a plurality of plate-like fuel cells 24 (see FIG. 2B) as power generation units are stacked.
The combustor 25 is a device that mainly burns hydrogen (unreacted fuel gas) in the fuel gas discharged from the fuel cell stack 23 and oxygen in the air, and heats the fuel cell stack 23 by this combustion. can do.

温度センサ27は、燃料電池スタック23の表面(例えば側面)に配置され、その表面の温度を検出するセンサである。
パワーコンディショナー33は、燃料電池スタック23によって発電された直流の電力を交流の電力に変換して負荷39に供給する出力変換装置である。このパワーコンディショナー33では、交流電力値を計測するために、交流電流値と交流電圧値を計測できる。
The temperature sensor 27 is a sensor that is disposed on the surface (for example, a side surface) of the fuel cell stack 23 and detects the temperature of the surface.
The power conditioner 33 is an output converter that converts DC power generated by the fuel cell stack 23 into AC power and supplies the AC power to the load 39. In this power conditioner 33, in order to measure an alternating current power value, an alternating current value and an alternating voltage value can be measured.

なお、出力変換装置は、燃料電池スタック23が発電で発生する直流出力を交流出力に変換して出力するパワーコンディショナー33に限らず、燃料電池スタック23からの直流出力を異なる電圧の直流出力に変換するDC−DCコンバータであってもよい。   The output converter is not limited to the power conditioner 33 that converts the direct current output generated by the fuel cell stack 23 during power generation into an alternating current output, and converts the direct current output from the fuel cell stack 23 into a direct current output of a different voltage. It may be a DC-DC converter.

電流センサ37は、燃料電池スタック23から供給される電流(直流の電流値)を測定する電流計である。
コントローラ31は、周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。このコントローラ31には、流量センサ7から燃料ガスの流量を示す信号が入力し、温度センサ27から燃料電池スタック23の温度を示す信号が入力し、電流センサ37から燃料電池スタック23の供給電流の電流値を示す信号が入力する。
The current sensor 37 is an ammeter that measures a current (a direct current value) supplied from the fuel cell stack 23.
The controller 31 is an electronic control device provided with a known microcomputer. A signal indicating the flow rate of the fuel gas is input to the controller 31 from the flow sensor 7, a signal indicating the temperature of the fuel cell stack 23 is input from the temperature sensor 27, and the supply current of the fuel cell stack 23 is input from the current sensor 37. A signal indicating a current value is input.

更に、後述するように、コントローラ31には、パワーコンディショナー33から、交流電力に変換された後の負荷39に供給される電力の電流値(交流電流値)と電圧値(交流電圧値)を示す信号が入力される。   Further, as will be described later, the controller 31 indicates a current value (AC current value) and a voltage value (AC voltage value) of power supplied from the power conditioner 33 to the load 39 after being converted to AC power. A signal is input.

一方、コントローラ31からは、燃料ポンプ5、空気ポンプ13、パワーコンディショナー33の動作を制御する制御信号が出力される。
更に、コントローラ31には、燃料電池スタック23に燃料ガスを供給する燃料ポンプ5、空気を供給する空気ポンプ13、起動バーナーに燃料混合気を供給する混合気ポンプ(図示せず)が接続されており、コントローラ31からの制御信号によって、それらの動作が制御されるように構成されている。
On the other hand, the controller 31 outputs a control signal for controlling the operations of the fuel pump 5, the air pump 13, and the power conditioner 33.
Further, the controller 31 is connected with a fuel pump 5 for supplying fuel gas to the fuel cell stack 23, an air pump 13 for supplying air, and an air-fuel mixture pump (not shown) for supplying fuel mixture to the start burner. These operations are controlled by a control signal from the controller 31.

また、コントローラ31には、上述したように、電流センサ37から(燃料電池スタック23の出力における直流の)電流値(A1)が入力され、パワーコンディショナー33からは、交流の電流値(A2)と交流の電圧値(V2)とが入力される。   Further, as described above, the controller 31 receives the current value (A1) (direct current at the output of the fuel cell stack 23) from the current sensor 37, and the power conditioner 33 receives the AC current value (A2). An AC voltage value (V2) is input.

なお、このコントローラ31が、本発明の燃料電池システムの制御装置であり、本発明の記憶手段、判定手段、決定手段、燃料供給制御手段として機能する。
b)次に、燃料電池スタック23の構成について、簡単に説明する。
The controller 31 is a control device for the fuel cell system of the present invention, and functions as a storage unit, a determination unit, a determination unit, and a fuel supply control unit of the present invention.
b) Next, the configuration of the fuel cell stack 23 will be briefly described.

図2(a)に示すように、燃料電池スタック23は、板状の燃料電池セル24が(図2(b)の上下方向に例えば9段)積層された直方体形状の装置であり、燃料電池スタック23を積層方向に貫く10本の第1〜第10ボルト41a〜41j(及び各ナット43)によって一体に固定されている。   As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack 23 is a rectangular parallelepiped device in which plate-like fuel cells 24 are stacked (for example, nine stages in the vertical direction in FIG. 2B). The tenth first to tenth bolts 41a to 41j (and the respective nuts 43) penetrating the stack 23 in the stacking direction are integrally fixed.

また、燃料電池セル24は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セル24であり、図示しないが、周知の(燃料流路に接する様に配置された)燃料極と、(例えばジルコニアからなる)固体電解質体と、(空気流路に接する様に配置された)空気極とを備えている。   Further, the fuel cell 24 is a so-called fuel electrode support membrane type fuel cell 24. Although not shown, the fuel cell 24 is formed of a well-known fuel electrode (disposed so as to be in contact with the fuel flow path) and (for example, made of zirconia). ) A solid electrolyte body and an air electrode (arranged so as to be in contact with the air flow path).

また、図2(b)に示すように、この燃料電池スタック23は、燃料ガスの流路において並直列構造を有している。
具体的には、スタック外から第8ボルト41hの貫通孔45hに導入された燃料ガスは、第5〜第9燃料電池セル24e〜24iの燃料流路に導入され、第3ボルト41cの貫通孔45cを介して、第1〜4燃料電池セル24a〜24dの燃料流路に導入され、第2ボルト41bの貫通孔45bを介して、スタック外に排出されるように構成されている。
As shown in FIG. 2B, the fuel cell stack 23 has a parallel series structure in the flow path of the fuel gas.
Specifically, the fuel gas introduced from the outside of the stack into the through hole 45h of the eighth bolt 41h is introduced into the fuel flow path of the fifth to ninth fuel cells 24e to 24i, and the through hole of the third bolt 41c. It is configured to be introduced into the fuel flow path of the first to fourth fuel cells 24a to 24d via 45c and discharged out of the stack via the through hole 45b of the second bolt 41b.

一方、スタック外から第10ボルト41jの貫通孔45jに導入された空気は、各燃料電池セル24a〜24iの空気流路に導入され、第5ボルト41eの貫通孔45eを介してスタック外に排出されるように構成されている。   On the other hand, the air introduced from the outside of the stack into the through hole 45j of the tenth bolt 41j is introduced into the air flow path of each of the fuel cells 24a to 24i and discharged out of the stack through the through hole 45e of the fifth bolt 41e. It is configured to be.

c)次に、燃料電池システム1を制御する原理について説明する。
・本発明者等の研究によれば、燃料電池スタック23の劣化の程度と燃料電池スタック23の出力(即ち電力値及び電流値)との間には相関関係があることが分かっている。具体的には、劣化の程度と電力値及び電流値との間には、図3に示すような関係があることが分かっている。なお、図3に示すマップは、コントローラ31のメモリに記憶されている。
c) Next, the principle of controlling the fuel cell system 1 will be described.
-According to research by the present inventors, it has been found that there is a correlation between the degree of deterioration of the fuel cell stack 23 and the output (ie, power value and current value) of the fuel cell stack 23. Specifically, it is known that there is a relationship as shown in FIG. 3 between the degree of deterioration and the power value and current value. The map shown in FIG. 3 is stored in the memory of the controller 31.

また、劣化の程度は、通常は、燃料電池スタック23の運転時間と相関関係があり、運転時間が長くなると劣化が進むことが知られているので、表1には標準的な時間が記載してある。但し、劣化は運転時間が長くなると大きくなる傾向があるものの、運転状況によって変動するので、運転時間よりは電力値及び電流値に基づいて劣化の程度を判断することが望ましいと考えられる。   In addition, the degree of deterioration usually correlates with the operation time of the fuel cell stack 23, and it is known that the deterioration proceeds as the operation time becomes longer. It is. However, although the deterioration tends to increase as the operation time becomes longer, it varies depending on the operation state. Therefore, it is considered preferable to judge the degree of deterioration based on the power value and the current value rather than the operation time.

詳しくは、運転条件が一定の場合には、図3に示すように、運転の初期には、発電可能な電力値が大きいが電流値が小さいという特徴があり、運転の中期では、初期に比べて発電可能な電力値と電流値とはほぼ中程度という特徴があり、運転の後期では、中期に比べて発電可能な電力値が小さいが電流値が大きいという特徴がある。   Specifically, when the operating conditions are constant, as shown in FIG. 3, there is a characteristic that the power value that can be generated is large but the current value is small in the initial stage of operation. The power value and the current value that can be generated in this way have a characteristic that they are almost medium, and the latter part of the operation has a characteristic that the power value that can be generated is smaller but the current value is larger than that in the middle period.

例えば下記表1に、劣化の程度の対応した発電電力(電力値)と電流値との関係を示すように、電流値は、同じ発電電力であっても、初期(発電開始から5000時間以下)と中期(発電開始から5000時間を上回り40000時間以下)と後期(発電開始から40000時間を上回り90000時間以下)とでは異なり、初期から中期、後期となるほど大きくなる傾向がある。   For example, as shown in the following Table 1, the relationship between the generated power (power value) corresponding to the degree of deterioration and the current value shows the initial value (5000 hours or less from the start of power generation) even if the current value is the same generated power. And the middle period (above 5000 hours from the start of power generation and less than 40000 hours) and the latter period (above 40000 hours from the start of power generation and less than or equal to 90000 hours), there is a tendency to increase from the initial period to the middle period and later.

Figure 2015220211
従って、このような特徴から、電力値と電流値とに基づいて、現在、燃料電池スタック23がどの程度劣化しているかを判断することができる。
Figure 2015220211
Therefore, based on such characteristics, it is possible to determine how much the fuel cell stack 23 is currently deteriorated based on the power value and the current value.

なお、本実施例では、劣化の程度示す劣化ステージとして、劣化の程度の大小に応じて、初期、中期、後期の(順次劣化の程度が大きい)3種の劣化ステージを設定しているが、2種又は4種以上の劣化ステージを設定してもよい。但し、あまり多くの劣化ステージを設定すると制御が複雑になるので、例えば10種以下が好ましい。   In the present embodiment, as the deterioration stage indicating the degree of deterioration, three types of deterioration stages are set in the initial stage, the middle period, and the latter stage (the degree of sequential deterioration is large) according to the degree of the deterioration degree. Two or more kinds of deterioration stages may be set. However, if too many deterioration stages are set, the control becomes complicated. For example, 10 or less types are preferable.

また、上述したように、劣化の程度に応じて発電可能な電力値が異なるので、劣化ステージごとにパワーコンディショナー33の出力電力の上限値を設けて、コントローラ31はパワーコンディショナー33を前記上限値を超えないように制御する。   Further, as described above, since the power value that can be generated varies depending on the degree of deterioration, an upper limit value of the output power of the power conditioner 33 is provided for each deterioration stage, and the controller 31 sets the power conditioner 33 to the upper limit value. Control not to exceed.

・また、本実施例では、燃料ガスの供給量を制御するために、図4に示すように、初期マップ、中期マップ、後期マップの3種類の制御マップを記憶しており、この制御マップを、前記図3に示す燃料電池(即ち燃料電池スタック23)の劣化の程度を示す劣化ステージに応じて切り替えて使用する。なお、図4に示す制御マップは、コントローラ31のメモリに記憶されている。   In addition, in this embodiment, in order to control the supply amount of fuel gas, as shown in FIG. 4, three types of control maps, an initial map, a medium-term map, and a late-term map, are stored. The fuel cell (ie, the fuel cell stack 23) shown in FIG. 3 is used by switching according to the deterioration stage indicating the degree of deterioration. The control map shown in FIG. 4 is stored in the memory of the controller 31.

例えば下記表2に、劣化の程度に応じた電流値と燃料利用率との関係を示すように、制御マップは、同じ電流値の場合でも、初期と中期と後期で異なるように、詳しくは、初期よりも中期、後期となるほど燃料利用率が大きくなるように設定されている。   For example, as shown in the following Table 2, the relationship between the current value according to the degree of deterioration and the fuel utilization rate shows that the control map is different between the initial stage, the middle stage, and the latter stage even when the current value is the same. The fuel utilization rate is set so as to increase in the middle and later stages from the initial stage.

Figure 2015220211
具体的には、本実施例では、図4に示すように、初期の劣化ステージにおける電流値と燃料利用率との関係を示す初期マップと、中期の劣化ステージにおける電流値と燃料利用率との関係を示す中期マップと、後期の劣化ステージにおける電流値と燃料利用率との関係を示す後期マップとの3種類の制御マップが設定されている。
Figure 2015220211
Specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, an initial map showing the relationship between the current value and the fuel utilization rate in the initial deterioration stage, and the current value and the fuel utilization rate in the medium deterioration stage. Three types of control maps are set: a medium-term map that shows the relationship, and a late-time map that shows the relationship between the current value and the fuel utilization rate in the later-stage deterioration stage.

従って、本実施例では、前記図3に示す関係(マップ)に基づいて、電力値と電流値から現在の劣化の程度(劣化ステージ)を判定し、その判定結果によって得られた劣化の程度に応じて図4に示す各制御マップを選択し、その各制御マップを用いて、電流値から燃料利用率を決定する。   Therefore, in this embodiment, based on the relationship (map) shown in FIG. 3, the current degree of deterioration (deterioration stage) is determined from the power value and current value, and the degree of deterioration obtained from the determination result is determined. Accordingly, each control map shown in FIG. 4 is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value using each control map.

詳しくは、初期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、他の制御マップに比べて小さく設定されている。これは、運転開始から5000時間以下(いわゆる初期の段階)では、劣化の程度が少なく、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う(劣化等による)ジュール熱の発生量が少ないからである。   Specifically, the initial map is a map in which the fuel utilization rate increases as the current value increases, but the increase rate of the fuel utilization rate is set to be smaller than that of the other control maps. This is because the degree of deterioration is small in 5000 hours or less (so-called initial stage) from the start of operation, and therefore, the amount of Joule heat generated due to power generation (due to deterioration or the like) is small even under the same operation conditions.

従って、この場合には、燃料利用率を小さくすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を低下させて、燃焼器25における燃焼量を増加させる。これによって、燃料電池スタック23の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。   Therefore, in this case, by reducing the fuel utilization rate, the ratio of the fuel supply amount necessary for power generation is reduced, and the combustion amount in the combustor 25 is increased. As a result, the operating temperature of the fuel cell stack 23 can be maintained at a predetermined operating temperature.

また、中期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、初期マップに比べて大きく(後述する)後期マップ比べて小さく設定されている。これは、運転開始から40000時間以下(いわゆる中期の段階)では、劣化の程度が(初期や後期に比べて)中程度であり、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う(劣化等による)ジュール熱の発生量も中程度であるからである。   The medium-term map is a map in which the fuel utilization rate increases as the current value increases. The increase rate of the fuel utilization rate is set larger than the initial map (described later) and smaller than the later map. Yes. This is because the degree of deterioration is moderate (compared to the initial and later stages) at 40,000 hours or less (so-called mid-stage) from the start of operation. Therefore, even under the same operating conditions, joules accompanying power generation (due to deterioration, etc.) This is because the amount of heat generated is also moderate.

従って、この場合には、燃料利用率を中程度にすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を中程度にして、燃焼器25における燃焼量を中程度とする。これによって、燃料電池スタック23の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。   Therefore, in this case, by setting the fuel utilization rate to a medium level, the ratio of the fuel supply amount necessary for power generation is set to a medium level, and the combustion amount in the combustor 25 is set to a medium level. As a result, the operating temperature of the fuel cell stack 23 can be maintained at a predetermined operating temperature.

更に、後期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、他の制御マップに比べて大きく設定されている。これは、運転開始から90000時間以下(いわゆる後期の段階)では、劣化の程度が大きく、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う(劣化等による)ジュール熱の発生量が多いからである。   Further, the late map is a map in which the fuel utilization rate increases as the current value increases, but the increase rate of the fuel utilization rate is set larger than that of the other control maps. This is because the degree of deterioration is large at 90000 hours or less (so-called late stage) from the start of operation, and therefore, the amount of Joule heat generated due to power generation (due to deterioration or the like) is large even under the same operation conditions.

従って、この場合には、燃料利用率を大きくすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を増加させて、燃焼器25における燃焼量を低下させる。これによって、燃料電池スタック23の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。   Therefore, in this case, by increasing the fuel utilization rate, the ratio of the fuel supply amount necessary for power generation is increased, and the combustion amount in the combustor 25 is decreased. As a result, the operating temperature of the fuel cell stack 23 can be maintained at a predetermined operating temperature.

なお、図3、図4のマップは、予め実験等によって求めることができるが、その設定の際に利用する電流値や電圧値(電力値)は、実際にそれらの値を測定するセンサ等の出力を用いて設定する。   The maps in FIGS. 3 and 4 can be obtained in advance by experiments or the like, but the current value and voltage value (power value) used for the setting are such as those of sensors that actually measure those values. Set using output.

つまり、例えば負荷39に対する出力(電流値や電力値)を用いて各マップを設定した場合には、実際に、前記負荷39に対する出力を用いて、劣化ステージの判定や燃料利用率の決定を行う。   That is, for example, when each map is set using the output (current value or power value) for the load 39, the deterioration stage is determined and the fuel utilization rate is actually determined using the output for the load 39. .

d)次に、コントローラ31によって行われる制御処理の手順について説明する。
図5に示すように、ステップ(図5ではSで示す)100では、電流センサ37からの信号に基づいて、燃料電池スタック23の出力の電流値(直流電流)を得る。
d) Next, the procedure of the control process performed by the controller 31 will be described.
As shown in FIG. 5, in step (indicated by S in FIG. 5) 100, the current value (DC current) of the output of the fuel cell stack 23 is obtained based on the signal from the current sensor 37.

また、パワーコンディショナー33から、負荷39への出力の電圧値(交流電圧)と電流値(交流電流)とを得る。
ここで、電力値は、電圧値と電流値とから算出することができる。例えば直流の電流値(A1)と(交流の平均化した)電圧値(V2)とから電力値(W1)を算出することができる。或いは、(交流の平均化した)電流値(A2)と(交流の平均化した)電圧値(V2)とから電力値(W2)を算出することができる。
Further, the voltage value (AC voltage) and current value (AC current) of the output to the load 39 are obtained from the power conditioner 33.
Here, the power value can be calculated from the voltage value and the current value. For example, the power value (W1) can be calculated from the DC current value (A1) and the voltage value (V2) (average of AC). Alternatively, the power value (W2) can be calculated from the current value (A2) (AC averaged) and the voltage value (V2) (AC averaged).

なお、どの電流値や電力値を用いるかは、上述したように、図3、図4の各マップを設定した際に用いた値を採用すればよい。
続くステップ110では、前記図3に示すマップを用いて、前記ステップ100で得られた電力値と電流値とから、劣化の程度(劣化ステージ)を判定する。
In addition, what current value and electric power value should be used should just employ | adopt the value used when each map of FIG. 3, FIG. 4 was set as mentioned above.
In the subsequent step 110, the degree of deterioration (deterioration stage) is determined from the power value and current value obtained in step 100 using the map shown in FIG.

ここで、劣化ステージが運転の初期を示す場合にはステップ120に進み、劣化ステージが運転の中期を示す場合にはステップ130に進み、劣化ステージが後期を示す場合にはステップ140に進む。   If the deterioration stage indicates the initial stage of operation, the process proceeds to step 120. If the deterioration stage indicates the middle period of operation, the process proceeds to step 130. If the deterioration stage indicates the latter period, the process proceeds to step 140.

ステップ120では、運転の初期であるので、図4(a)の初期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
また、ステップ130では、運転の中期であるので、図4(b)の中期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
In step 120, since it is the initial stage of operation, the fuel utilization rate is obtained from the current value using the initial map of FIG.
In step 130, since the operation is in the middle period, the fuel utilization rate is obtained from the current value using the medium-term map in FIG. 4B.

更に、ステップ140では、運転の後期であるので、図4(c)の後期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
続くステップ150では、各ステップで求めて燃料利用率から、運転状態に応じて、燃料供給量(詳しくは、原燃料ガスの供給量である原燃料供給量)を算出する。
Further, in step 140, since it is the latter period of operation, the fuel utilization rate is obtained from the current value using the latter period map of FIG.
In subsequent step 150, a fuel supply amount (specifically, a raw fuel supply amount that is a supply amount of raw fuel gas) is calculated from the fuel utilization rate obtained in each step in accordance with the operating state.

具体的には、例えば、燃料電池スタック23から発生させる直流電流値Ia[A]と、燃料電池スタック23に供給する燃料流量(燃料ガスの流量)Qa[mol/sec]との間には、一般的に次式(1)が成り立つ。   Specifically, for example, between a direct current value Ia [A] generated from the fuel cell stack 23 and a fuel flow rate (fuel gas flow rate) Qa [mol / sec] supplied to the fuel cell stack 23, In general, the following equation (1) holds.

Ia=nFQa ・・・(1)
(n:反応に寄与する電子数、F:ファラデー定数[C/mol])
この式(1)から、所望の電流Iaを発生させるために必要な燃料流量Qaが算出される。
Ia = nFQa (1)
(N: number of electrons contributing to the reaction, F: Faraday constant [C / mol])
From this equation (1), the fuel flow rate Qa required to generate the desired current Ia is calculated.

そして、燃料電池スタック23が熱自立を維持しつつ、発電するために供給する燃料供給量(燃料ガスの供給量)Qbは、燃料利用率Uf[%]を用いて、下記式(2)により算出できる。   The fuel supply amount (fuel gas supply amount) Qb supplied to generate power while maintaining the heat self-sustained by the fuel cell stack 23 is expressed by the following equation (2) using the fuel utilization rate Uf [%]. It can be calculated.

Qb=100×Qa/Uf ・・・(2)
原燃料供給量Q[L/min]は、前記Qbを用いて下記式(3)により算出できる。
Q=M×Qb ・・・(3)
なお、上記式(3)のMは、原燃料種によって決まる定数である。
Qb = 100 × Qa / Uf (2)
The raw fuel supply amount Q [L / min] can be calculated by the following equation (3) using the Qb.
Q = M × Qb (3)
In the above formula (3), M is a constant determined by the raw fuel type.

つまり、前記式(1)、(2)、(3)によって、原燃料供給量Q[L/min]を算出する。
続くステップ160では、前記ステップ150で算出した燃料供給量(即ち原燃料供給量Q)を供給するように、燃料ポンプ5の動作を制御して、一旦本処理を終了する。
That is, the raw fuel supply amount Q [L / min] is calculated by the equations (1), (2), and (3).
In the following step 160, the operation of the fuel pump 5 is controlled so as to supply the fuel supply amount calculated in step 150 (that is, the raw fuel supply amount Q), and this processing is temporarily ended.

e)次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、燃料電池スタック23の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池スタック23の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しており、この複数の劣化ステージに基づいて、(検出された)燃料電池スタック23の電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、その劣化ステージに対応した各制御マップを用いて燃料電池スタック23の燃料利用率を決定し、その燃料利用率に基づいて、原燃料ガスの流量を算出し、その算出した値に基づいて、所定量の原燃料ガス(従ってその原燃料ガスが改質された燃料ガス)を燃料電池スタック23に供給する。
e) Next, the effect of the present embodiment will be described.
In the present embodiment, a plurality of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the fuel cell stack 23 are stored as deterioration stages indicating the degree of deterioration of the fuel cell stack 23. Based on the deterioration stage, a deterioration stage corresponding to the (detected) power value and current value of the fuel cell stack 23 is determined. Then, the fuel usage rate of the fuel cell stack 23 is determined using each control map corresponding to the deterioration stage, the flow rate of the raw fuel gas is calculated based on the fuel usage rate, and based on the calculated value. , A predetermined amount of raw fuel gas (and thus a reformed fuel gas) is supplied to the fuel cell stack 23.

つまり、本実施例では、燃料利用率を設定する際に、検出された電力値及び電流値に対応して、複数の劣化ステージから特定の劣化ステージを選択し、その劣化ステージに対応した各制御マップを用いるので、従来のような複雑な制御手段が不要であり、よって、制御ハンチングを抑制できる。   That is, in this embodiment, when setting the fuel utilization rate, a specific deterioration stage is selected from a plurality of deterioration stages corresponding to the detected power value and current value, and each control corresponding to the deterioration stage is selected. Since the map is used, complicated control means as in the prior art is unnecessary, and therefore control hunting can be suppressed.

その結果、燃料電池セル24内で局所的に燃料が枯渇する可能性が低くなり、燃料電池スタック23の耐久性を大きく向上できるという顕著な効果を奏する。
また、従来のような複雑な制御が不要であるので、空気ポンプ13の消費電力が増えにくい。よって、燃料電池スタック23に流れる電流量が増加しにくいので、この点からも、燃料電池スタック23の耐久性が向上するという効果がある。
As a result, the possibility that the fuel is locally depleted in the fuel cell 24 is reduced, and the durability of the fuel cell stack 23 can be greatly improved.
Further, since complicated control as in the prior art is unnecessary, the power consumption of the air pump 13 is unlikely to increase. Therefore, since the amount of current flowing through the fuel cell stack 23 is difficult to increase, the durability of the fuel cell stack 23 is also improved from this point.

更に、燃料電池セル24が平板型の燃料電池スタック23の場合でも、温度を低下させる際の燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大しにくく、よって、セル割れ等の故障が生じにくいという利点がある。   Further, even when the fuel cell 24 is a flat type fuel cell stack 23, the pressure loss difference between the fuel electrode side and the air electrode side when the temperature is lowered is difficult to increase, and therefore, a failure such as cell cracking occurs. There is an advantage that is difficult to occur.

つまり、本実施例では、従来の複雑な制御を行う必要がないので、即ち制御ハンチングを抑制できるので、燃料電池スタック23の耐久性が向上し、その結果、発電効率も向上するという効果がある。   That is, in this embodiment, since it is not necessary to perform conventional complicated control, that is, since control hunting can be suppressed, the durability of the fuel cell stack 23 is improved, and as a result, the power generation efficiency is also improved. .

また、本実施例では、発電初期のような劣化の少ない状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に低い制御マップが用意され、逆に、例えば長期間の発電後のような劣化の大きい状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に高い制御マップが用意される。   Further, in this embodiment, in a state where there is little deterioration at the initial stage of power generation, a control map with a low fuel utilization rate with respect to the current value is prepared. In the state, a control map having a high fuel utilization rate with respect to the current value is prepared.

つまり、燃料電池スタック23が劣化している場合には、劣化に起因したジュール熱による大きな発熱を熱維持に利用できるので、上述した劣化に対応した制御マップを用いることによって、燃料利用率を高くすることができる。これによって、一部の箇所で劣化が始まった後でも高い発電効率を維持することができる。   That is, when the fuel cell stack 23 is deteriorated, a large heat generation due to Joule heat resulting from the deterioration can be used for heat maintenance. Therefore, by using the control map corresponding to the deterioration described above, the fuel utilization rate is increased. can do. As a result, high power generation efficiency can be maintained even after deterioration starts in some places.

更に、本実施例では、燃料電池スタック23は、燃料ガスについて、並直列構造を備えている。並直列構造では、燃料電池スタック23に供給する燃料ガスの経路を例えば上流部と下流部の2つに並列に分けることで、各燃料電池セル24への燃料供給量は多くしつつ、燃料電池スタック23への燃料供給量は少なくできるので、各燃料電池セル24の燃料利用率を低くすることができる。   Furthermore, in this embodiment, the fuel cell stack 23 has a parallel series structure for the fuel gas. In the parallel-series structure, the fuel gas path supplied to the fuel cell stack 23 is divided into, for example, an upstream part and a downstream part in parallel, so that the fuel supply amount to each fuel cell 24 is increased and the fuel cell is increased. Since the amount of fuel supplied to the stack 23 can be reduced, the fuel utilization rate of each fuel cell 24 can be lowered.

その結果、耐久劣化後(長期間使用されて劣化した後)においても、燃料電池スタック23に供給する燃料供給量が少なくて済むので、燃料電池スタック23の総合燃料利用率を上げることができ、最終的には、発電効率を高く維持することができる。   As a result, the amount of fuel supplied to the fuel cell stack 23 can be reduced even after endurance deterioration (after being used and deteriorated for a long time), so that the total fuel utilization rate of the fuel cell stack 23 can be increased, Ultimately, the power generation efficiency can be kept high.

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池が挙げられる。
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
(1) For example, as a fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), etc. A fuel cell is mentioned.

(2)劣化ステージの判定や燃料利用率の決定に用いる電流値や電力値(電力値の算出に用いる電圧値)としては、燃料電池スタックの出力(直流電流、直流電圧)を、パワーコンディショナーとは別に設けた電流計や電圧計を利用して求めてもよいし、パワーコンディショナーから得られる出力(交流電流、交流電圧)を用いてもよい。   (2) As the current value and power value (voltage value used for calculating the power value) used for determining the deterioration stage and determining the fuel usage rate, the output (DC current, DC voltage) of the fuel cell stack is used as the power conditioner. Alternatively, it may be obtained using an ammeter or a voltmeter provided separately, or an output (AC current, AC voltage) obtained from a power conditioner may be used.

(3)前記実施例では、改質器と燃焼器を用いたが、本発明は、改質器又は燃焼器の無い燃料電池システムにも適用できる。
(4)なお、本発明は、例えば気化器や改質器等を使用せずに(即ち原燃料ガスの改質を行って水素等の燃料ガスを生成するのではなく)、原燃料ガスとして水素等の燃料ガスを用い、その燃料ガスをポンプ等によって燃料電池スタックに供給する装置にて適用できる。
(3) Although the reformer and the combustor are used in the above embodiment, the present invention can be applied to a fuel cell system without a reformer or a combustor.
(4) It should be noted that the present invention does not use, for example, a vaporizer or a reformer (that is, does not generate a fuel gas such as hydrogen by reforming the raw fuel gas). The present invention can be applied to an apparatus that uses a fuel gas such as hydrogen and supplies the fuel gas to a fuel cell stack by a pump or the like.

1…燃料電池システム
5…燃料ポンプ
13…空気ポンプ
17…発電モジュール
21…改質器
23…燃料電池スタック
25…燃焼器
27…温度センサ
31…コントローラ
33…パワーコンディショナー
37…電流センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 5 ... Fuel pump 13 ... Air pump 17 ... Power generation module 21 ... Reformer 23 ... Fuel cell stack 25 ... Combustor 27 ... Temperature sensor 31 ... Controller 33 ... Power conditioner 37 ... Current sensor

Claims (7)

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御装置において、
前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶している記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定する判定手段と、
前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定する決定手段と、
前記決定手段によって決定した前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は該燃料ガスの原燃料を前記燃料電池に供給するように制御する燃料供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
In a fuel cell control device that controls the operation of a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas based on the operating state of the fuel cell detected by the operating state detection means,
Storage means for storing a plurality of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the fuel cell as a deterioration stage indicating the degree of deterioration of the fuel cell;
Determination means for determining the deterioration stage corresponding to the power value and current value of the fuel cell detected by the operating state detection means based on the plurality of deterioration stages stored in the storage means;
Determining means for determining a fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage based on the deterioration stage determined by the determining means;
The flow rate of the fuel gas is calculated based on the fuel utilization rate determined by the determining means, and a predetermined amount of the fuel gas or the raw fuel of the fuel gas is supplied to the fuel cell based on the calculated value. Fuel supply control means for controlling so as to
A fuel cell control device comprising:
前記記憶手段は、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶し、
前記決定手段は、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の制御装置。
The storage means stores each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell, corresponding to each of the plurality of deterioration stages,
The determining means selects the control map corresponding to the deterioration stage determined by the determining means, and determines the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell based on the control map. The fuel cell control device according to claim 1.
前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の制御装置。   Each control map set according to the degree of deterioration of the fuel cell shows that the degree of deterioration is larger than the case where the degree of deterioration of the fuel cell is small with respect to the same current value of the fuel cell. The fuel cell control device according to claim 2, wherein the fuel cell utilization rate is set to be selected. 前記燃料電池は、少なくとも前記燃料ガスについて、並直列構造を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の制御装置。   The said fuel cell is provided with the parallel series structure about the said fuel gas at least, The control apparatus of the fuel cell of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記燃料電池は、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器及び前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器のうち、少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池の制御装置。   The fuel cell includes at least one of a reformer that reforms raw fuel into the fuel gas and a combustor that burns the fuel gas and the oxidant gas that have not been used in the power generation. The fuel cell control device according to claim 1, wherein the control device is a fuel cell control device. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御方法において、
前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しておき、
前記記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定し、
前記判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定することを特徴とする燃料電池の制御方法。
In a fuel cell control method for controlling the operation of a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas based on the operating state of the fuel cell detected by the operating state detecting means,
As the deterioration stage indicating the degree of deterioration of the fuel cell, a plurality of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the fuel cell are stored,
Based on the plurality of stored deterioration stages, determine the deterioration stage corresponding to the power value and current value of the fuel cell detected by the operating state detection means,
A fuel cell control method, comprising: determining a fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage based on the determined deterioration stage.
前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶しておき、
前記判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池の制御方法。
Corresponding to each of the plurality of deterioration stages, each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell is stored,
7. The fuel cell according to claim 6, wherein the control map corresponding to the determined deterioration stage is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value of the fuel cell based on the control map. Control method.
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