JP6649162B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスを燃料として用いて発電を行う燃料電池セルスタックを備え、この燃料電池セルスタックからの排気ガスの排熱を温水として貯湯装置で貯湯するようにした燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that includes a fuel cell stack that generates power using fuel gas as fuel, and that stores exhaust heat of exhaust gas from the fuel cell stack as hot water in a hot water storage device.
燃料電池システムの一例として、固体酸化物形の燃料電池セルスタックを備えたものが実用に供されている。この燃料電池システムにおける燃料電池セルスタックは、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解質の片側に燃料極が配設され、その他側に酸素極が配設されている。この燃料電池セルスタックでは、酸素極側での燃料ガス(例えば、水蒸気改質された改質燃料ガス)の酸化と酸素極側での酸化材ガス(例えば、空気中の酸素)の還元による電気化学反応によって発電が行われる。 As an example of a fuel cell system, a system provided with a solid oxide fuel cell stack has been put to practical use. The fuel cell stack in this fuel cell system includes a solid electrolyte that conducts oxygen ions, and a fuel electrode is provided on one side of the solid electrolyte and an oxygen electrode is provided on the other side. In this fuel cell stack, electricity is generated by oxidizing a fuel gas (for example, steam-reformed fuel gas) on the oxygen electrode side and reducing an oxidizing gas (for example, oxygen in the air) on the oxygen electrode side. Electric power is generated by a chemical reaction.
この固体酸化物形の燃料電池セルスタックでは、固体電解質に導電性を持たせるために、その作動温度は700〜1000℃と高温となり、そのために、燃料電池セルスタック、燃料ガス(例えば、都市ガス)を水蒸気改質するための改質器及び改質用水を水蒸気化するための気化器が電池ハウジング内に収容され、この電池ハウジング内が高温状態に保持される。そして、このように高温状態に保つために、燃料電池セルスタックの燃料極側から排出される反応燃料ガス(発電に用いられなかった燃料ガス)とその酸素極側から排出される空気(発電に用いられなかった酸素)とが燃焼域で燃焼され、この燃焼熱により気化器及び改質器が加熱されるとともに、電池ハウジング内が高温状態に保たれる。 In this solid oxide fuel cell stack, the operating temperature is as high as 700 to 1000 ° C. in order to make the solid electrolyte conductive, and therefore, the fuel cell stack and the fuel gas (for example, city gas) ) Is stored in the battery housing, and the inside of the battery housing is maintained at a high temperature. In order to maintain such a high temperature state, the reaction fuel gas (fuel gas not used for power generation) discharged from the fuel electrode side of the fuel cell stack and the air (fuel generation) discharged from the oxygen electrode side thereof are discharged. Unused oxygen) is burned in the combustion zone, and the heat of combustion heats the vaporizer and the reformer, and keeps the inside of the battery housing at a high temperature.
また、この燃料電池システムでは、燃料電池セルスタックから排出される燃焼排気ガスの排熱を回収するために貯湯装置が設けられ、この貯湯装置に関連して、燃料電池セルスタックからの排気ガスが流れる排気ガス排出流路に熱回収用熱交換器が配設されている。貯湯装置は、排熱を温水として貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内の貯湯水を熱回収用熱交換器を通して循環するための貯湯水循環流路とを備えている。この熱回収用熱交換器では、排気ガス排出流路を流れる排気ガスと貯湯水循環流路を流れる貯湯水との間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された貯湯水が貯湯タンクに貯えられる。 Further, in this fuel cell system, a hot water storage device is provided for recovering exhaust heat of the combustion exhaust gas discharged from the fuel cell stack, and exhaust gas from the fuel cell stack is related to the hot water storage device. A heat recovery heat exchanger is provided in the flowing exhaust gas discharge passage. The hot water storage device includes a hot water storage tank that stores exhaust heat as hot water, and a hot water storage circulation path that circulates the hot water in the hot water storage tank through a heat recovery heat exchanger. In this heat recovery heat exchanger, heat exchange is performed between the exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge flow path and the hot water stored in the hot water circulation path, and the hot water heated by the heat exchange is stored in the hot water storage tank. Stored in
このような燃料電池システムにおいては、発電効率を高めるために、燃料電池セルスタックは、電力負荷(例えば、家庭用の電力需要)に追従して発電するように制御され、この燃料電池セルスタックの発電電力と供給される燃料ガスとの関係は、一般的に、燃料利用率というパラメータをもとに最適となるように調整され、この燃料利用率を用いて燃料電池セルスタックが運転制御される。燃料利用率とは、燃料電池セルスタックのセル部分を通過させた燃料ガスの供給流量を価電子数で表し、その価電子数のなかで発電に変換した電子数の割合である。例えば、燃料利用率70%とは、供給される燃料ガスの70%が燃料電池セルスタックにおける発電に消費され、残りの30%が燃焼域で燃焼されて高温に維持するのに利用される。 In such a fuel cell system, in order to increase the power generation efficiency, the fuel cell stack is controlled to generate power following a power load (for example, household power demand). The relationship between the generated power and the supplied fuel gas is generally adjusted to be optimal based on a parameter called fuel utilization, and the operation of the fuel cell stack is controlled using this fuel utilization. . The fuel utilization rate represents the supply flow rate of the fuel gas passing through the cell portion of the fuel cell stack in terms of the number of valence electrons, and is the ratio of the number of electrons converted to power generation among the number of valence electrons. For example, a fuel utilization rate of 70% means that 70% of the supplied fuel gas is consumed for power generation in the fuel cell stack, and the remaining 30% is burned in a combustion zone and used to maintain a high temperature.
この燃料利用率は、燃料電池セルスタックの発電出力(出力電流)が変化する場合、その発電出力(出力電流)に対応した値となるように設定され、このように設定することにより、燃料電池セルスタックの作動温度、気化器の気化温度及び改質器の改質温度などが安定化され、また燃料電池セルスタックの発電効率の最大化を図ることができる。 When the power output (output current) of the fuel cell stack changes, the fuel utilization rate is set to a value corresponding to the power output (output current). The operating temperature of the cell stack, the vaporization temperature of the vaporizer, the reforming temperature of the reformer, and the like are stabilized, and the power generation efficiency of the fuel cell stack can be maximized.
このような燃料利用率は、燃料電池セルスタックの発電出力との関係をマップ化して用いられ、このマップを用いて燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスの供給流量を制御することによって、ターンダウン比(最低出力と定格出力との比)が小さい範囲まで燃料電池セルスタックの発電運転が可能となっている(例えば、特許文献1参照)。この制御では、燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係は右肩上がりの相関となっており、所定発電出力(例えば、定格の30%出力)以下では、発電電流と燃料利用率とが原点を通る一次式となるようになっており、この一次式となる範囲では、燃料ガスは所定供給流量に固定され(燃料利用率を定義する際の分母となる燃料流量供給速度が一定となる)、燃料電池セルスタックの発電電流(燃料利用率を定義する際の分子となる発電に使用した価電子)のみが変化しており、このように制御することによって、燃料電池セルスタックにおける発電をターンダウン比の小さい範囲まで広げている。 Such a fuel utilization rate is used by mapping the relationship with the power generation output of the fuel cell stack, and by using this map to control the supply flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack, the fuel utilization rate is increased. The power generation operation of the fuel cell stack can be performed in a range where the down ratio (the ratio between the minimum output and the rated output) is small (for example, see Patent Document 1). In this control, the relationship between the power generation current of the fuel cell stack and the fuel utilization rate has an increasing correlation, and at a predetermined power generation output (for example, 30% of the rated output) or less, the power generation current and the fuel utilization rate are reduced. The fuel gas is fixed to a predetermined supply flow rate in the range where the primary expression passes through the origin (the fuel flow rate, which is the denominator when defining the fuel utilization rate, is constant). ), Only the power generation current of the fuel cell stack (valence electrons used for power generation, which is a numerator when defining the fuel utilization rate) is changed. Power generation has been extended to a range where the turndown ratio is small.
一般的に、燃料電池システムにおいては、燃料ガスの供給流量は、燃料ガス供給流路に配設された質量流量計(マスフローメータ)により計測され、この質量流量計の計測信号をフィードバックしてその制御が行われている。 In general, in a fuel cell system, the supply flow rate of a fuel gas is measured by a mass flow meter (mass flow meter) provided in a fuel gas supply passage, and a measurement signal of the mass flow meter is fed back to measure the flow rate. Control is being performed.
しかしながら、このような供給流量の制御では、この供給流量が少ない(即ち、計測値が小さい)ほど計測誤差が生じやすく、燃料ガスの供給目標値(SV)と質量流量計の検知値(PV)との乖離が生じたり、その時間的な変動も大きくなるおそれがある。供給目標値(SV)と検知値(PV)との乖離が生じて燃料ガスの供給流量の制御が安定しない場合、改質器及び燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスのS/C比(スチーム/カーボンの比)が安定せず、このS/C比が許容レベルを超えると、改質器においては炭素析出が生じて閉塞が生じたり、燃料電池セルスタックにおいてはセル破損に至るおそれがある。そのために、このような乖離が生じたときには、燃料ガスの供給に異常が生じたとしてエラーを発するとともに、システムの運転を停止させていた。 However, in such a control of the supply flow rate, the smaller the supply flow rate (ie, the smaller the measured value), the more likely a measurement error occurs, and the target supply value (SV) of the fuel gas and the detection value (PV) of the mass flow meter There is a possibility that a deviation from the above may occur, and a temporal variation thereof may increase. When the difference between the supply target value (SV) and the detection value (PV) occurs and the control of the fuel gas supply flow rate is not stable, the S / C ratio of the fuel gas supplied to the reformer and the fuel cell stack ( If the S / C ratio exceeds the allowable level, the carbon deposition may occur in the reformer and blockage may occur, or the fuel cell stack may be damaged. is there. Therefore, when such a deviation occurs, an error is generated assuming that an abnormality has occurred in the supply of the fuel gas, and the operation of the system is stopped.
本発明の目的は、燃料ガスの供給流量の少ない発電運転中において、この乖離が生じたときに省エネ性を維持しながら供給流量の安定化を図ることができる燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of stabilizing a supply flow rate while maintaining energy saving when such deviation occurs during a power generation operation in which a supply flow rate of a fuel gas is small. .
また、本発明の他の目的は、貯湯装置における貯湯状態に応じた効率的な発電を行うことができる燃料電池システムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing efficient power generation in accordance with a hot water storage state in a hot water storage device.
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスを排出するための排気ガス排出流路と、排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置と、前記燃料電池セルスタックの発電電力の一部を熱として回収するためのヒータ手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、電力負荷に追従して前記燃料電池セルスタックの発電電力が変動するように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、発電効率優先モードと総合効率優先モードとの運転を切り換えるための運転モード切換手段を含み、
前記運転モード切換手段により前記発電効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの発電出力が第1設定出力と定格出力との間の発電効率優先第1発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量が増加し、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第1設定出力以下である発電効率優先第2発電範囲では燃料ガスの供給流量を一定に保持した状態で前記燃料電池セルスタックの発電出力が低下するように制御し、
また、前記運転モード切換手段により前記総合効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が第2設定出力と前記定格出力との間の総合効率優先第1発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量を増加させ、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第2設定出力以下である総合効率優先第2発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力を一定に保持するとともに前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の一部を前記ヒータ手段に通電して熱として回収して前記貯湯装置で温水として蓄熱するように制御し、
前記総合効率優先モードにおける前記第2設定出力は、前記発電効率優先モードにおける前記第1設定出力よりも大きくなるように設定されているとともに、前記第1設定出力における総合効率は、前記総合効率優先モードの方が前記発電効率優先モードよりも大きいことを特徴とする。
A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a fuel gas supply unit for supplying a fuel gas, a water supply unit for supplying water for reforming, and a reforming unit for steam reforming the fuel gas. A fuel cell stack for generating electricity by oxidizing and reducing the reformed fuel gas and oxidant reformed by the reformer, and exhaust gas for discharging exhaust gas from the fuel cell stack. A gas discharge channel, a hot water storage device for recovering heat of exhaust gas as hot water, a heater device for recovering a part of the power generated by the fuel cell stack as heat, the fuel gas supply device and the fuel gas supply device. Control means for controlling the water supply means, wherein the control means controls the fuel gas supply means and the water supply means so that the generated power of the fuel cell stack varies according to the power load. A Gosuru fuel cell system,
The control means includes an operation mode switching means for switching operation between a power generation efficiency priority mode and an overall efficiency priority mode,
When the power generation efficiency priority mode is set by the operation mode switching means, the power generation output of the fuel cell stack is in the power generation efficiency priority first power generation range between the first set output and the rated output. The supply flow rate of the fuel gas increases as the power generation output increases, and the fuel gas supply flow rate is kept constant in the power generation efficiency priority second power generation range in which the power generation output of the fuel cell stack is equal to or less than the first set output. In such a state, the power generation output of the fuel cell stack is controlled to decrease,
Further, when the overall efficiency priority mode is set by the operation mode switching means, the fuel output of the fuel cell stack is in the overall efficiency priority first power generation range between the second set output and the rated output. The fuel cell supply flow rate is increased in accordance with the increase in the power generation output of the battery cell stack, and the fuel cell in the overall efficiency priority second power generation range in which the power generation output of the fuel cell stack is equal to or less than the second set output. While maintaining the power generation output of the stack constant, a part of the power generation output of the fuel cell stack is supplied to the heater means to recover as heat, and to store heat as hot water in the hot water storage device,
The second setting output in the overall efficiency priority mode is set to be larger than the first setting output in the power generation efficiency priority mode, and the overall efficiency in the first setting output is the total efficiency priority. The mode is larger than the power generation efficiency priority mode.
また、本発明の請求項2に記載の燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給手段に関連して、前記改質器に供給される燃料ガスの流量又は圧力を検知するための燃料ガス流量検知手段又は燃料ガス圧力検知手段が設けられ、前記制御手段は、燃料ガスの供給流量又は供給圧力に関する乖離を演算する乖離演算手段を含み、前記発電効率優先モードの運転における前記第2設定出力以下の発電範囲において、前記乖離演算手段は前記燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と前記燃料ガス流量検知手段又は前記燃料ガス圧力検知手段の供給検知値との乖離値を演算し、前記乖離演算手段による乖離値に基づいてその乖離の程度が大きくなると、前記運転モード切換手段は、前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。 Further, in the fuel cell system according to claim 2 of the present invention, in association with the fuel gas supply means, a fuel gas flow rate detection means for detecting a flow rate or a pressure of the fuel gas supplied to the reformer. Alternatively, fuel gas pressure detection means is provided, and the control means includes a deviation calculation means for calculating a deviation relating to a supply flow rate or a supply pressure of the fuel gas, and the power generation of the second set output or less in the operation in the power generation efficiency priority mode. In the range, the divergence calculation means calculates a divergence value between a supply target value corresponding to the power generation output of the fuel cell stack and a supply detection value of the fuel gas flow rate detection means or the fuel gas pressure detection means, and calculates the divergence. When the degree of the divergence increases based on the divergence value calculated by the calculating means, the operation mode switching means switches the power generation efficiency priority mode from the comprehensive efficiency priority mode to the Wherein the switch to rolling.
また、本発明の請求項3に記載の燃料電池システムでは、前記貯湯装置に関連して、前記貯湯装置における蓄熱状態を検知するための蓄熱指数検知手段が設けられ、前記制御手段は、前記蓄熱指数検知手段の検知信号に基づいて蓄熱指数を演算する蓄熱指数演算手段と、前記蓄熱指数演算手段により演算された蓄熱指数値に基づいて前記貯湯装置での蓄熱状態を判定する蓄熱状態判定手段とを含み、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、また前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。
Further, in the fuel cell system according to
また、本発明の請求項4に記載の燃料電池システムでは、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱指数演算手段により演算された前記蓄熱指数に基づいて前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、また前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱指数演算手段により演算された前記蓄熱指数に基づいて前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。 Further, in the fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention, in the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage state determination unit determines that the heat storage state is insufficient based on the heat storage index calculated by the heat storage index calculation unit. If the heat storage state determination means determines that the heat storage is insufficient, the operation mode switching means switches the operation from the power generation efficiency priority mode to the operation in the overall efficiency priority mode, In operation, based on the heat storage index calculated by the heat storage index calculation means, the heat storage state determination means determines whether a heat storage surplus has occurred, and when the heat storage state determination means determines that the heat storage surplus, The operation mode switching means switches the operation from the overall efficiency priority mode to the operation in the power generation efficiency priority mode.
また、本発明の請求項5に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、所定運転期間における最大蓄熱指数を抽出する最大蓄熱指数抽出手段を含み、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は、前記最大蓄熱指数抽出手段により抽出された前記最大蓄熱指数に基づいて設定される熱不足指数値を用いて蓄熱不足が発生しているかの判定を行い、また前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は、前記最大蓄熱指数に基づいて設定される熱余剰指数値を用いて蓄熱余剰が発生しているかの判定を行うことを特徴とする。 Further, in the fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the control means includes a maximum heat storage index extraction means for extracting a maximum heat storage index during a predetermined operation period, and in the operation in the power generation efficiency priority mode, The heat storage state determination means determines whether or not heat storage deficiency has occurred using a heat deficiency index value set based on the maximum heat storage index extracted by the maximum heat storage index extraction means. In the mode operation, the heat storage state determining means determines whether or not a heat storage surplus has occurred by using a heat surplus index value set based on the maximum heat storage index.
更に、本発明の請求項6に記載の燃料電池システムでは、前記貯湯装置は、温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排気ガス排出流路に配設された熱回収用熱交換器を通して前記貯湯タンクの温水を循環する貯湯水循環流路とを備え、前記貯湯タンクの底部又は前記貯湯水循環流路における前記熱回収用熱交換器よりも上流側の部位に、貯湯水の温度を検知する温度検知手段が設けられ、更に、前記制御手段は、前記貯湯装置での蓄熱状態を判定する蓄熱状態判定手段を含んでおり、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は前記温度検知手段の検知温度に基づいて熱不足が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は前記温度検知手段の検知温度に基づいて熱余剰が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。 Furthermore, in the fuel cell system according to claim 6 of the present invention, the hot water storage device is configured to store the hot water through a hot water storage tank and a heat recovery heat exchanger disposed in the exhaust gas discharge passage. A hot water circulation path for circulating hot water, and a temperature detecting means for detecting a temperature of the hot water at a bottom of the hot water storage tank or at a portion of the hot water circulation path upstream of the heat recovery heat exchanger. Is provided, and the control means includes a heat storage state determining means for determining a heat storage state in the hot water storage device. In the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage state determining means includes the temperature detecting means. It is determined whether or not a heat shortage has occurred based on the detected temperature of the above.If the heat storage state determination means determines that the heat storage is insufficient, the operation mode switching means switches the power generation efficiency priority mode from the power generation efficiency priority mode. The operation is switched to the rate priority mode, and in the operation in the overall efficiency priority mode, the heat storage state determination unit determines whether or not a heat surplus has occurred based on the temperature detected by the temperature detection unit, and determines the heat storage state. When the means determines that the heat storage is excessive, the operation mode switching means switches the operation from the overall efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode.
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムによれば、システムを制御する制御手段は運転モード切換手段を含み、この運転モード切換手段により発電効率優先モードと総合効率優先モードの運転に切り換えることができる。発電効率優先モードの運転においては、発電効率優先第1発電範囲では燃料電池セルスタックの発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量が増加し、発電効率優先第2発電範囲では燃料ガスの供給流量を一定に保持した状態で燃料電池セルスタックの発電出力が低下するように制御されるので、燃料電池セルスタックの発電効率を高めた運転を行うことができる。また、総合効率優先モードの運転においては、総合効率優先第1発電範囲では燃料電池セルスタックの発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量を増加させ、総合効率優先第2発電範囲では燃料電池セルスタックの発電出力を一定に保持するとともに燃料電池セルスタックの発電出力の一部(即ち、余剰発電電力)をヒータ手段に通電して熱として回収して温水として蓄熱するので、燃料ガスの供給状態を安定させながら燃料電池システムの総合効率を高めた運転をすることができる。 According to the fuel cell system of the first aspect of the present invention, the control means for controlling the system includes the operation mode switching means, and the operation mode switching means switches the operation between the power generation efficiency priority mode and the overall efficiency priority mode. Can be. In the operation in the power generation efficiency priority mode, the supply flow rate of the fuel gas increases with an increase in the power generation output of the fuel cell stack in the power generation efficiency priority first power generation range, and the fuel gas supply flow rate in the power generation efficiency priority second power generation range. Is controlled so that the power generation output of the fuel cell stack is reduced while maintaining a constant value, so that the operation with increased power generation efficiency of the fuel cell stack can be performed. In the operation in the overall efficiency priority mode, the supply flow rate of the fuel gas is increased in accordance with the increase in the power generation output of the fuel cell stack in the overall efficiency priority first power generation range, and the fuel cell is increased in the overall efficiency priority second power generation range. Since the power generation output of the fuel cell stack is kept constant and a part of the power generation output of the fuel cell stack (ie, surplus power generation) is supplied to the heater means to recover heat and store it as hot water, the fuel gas supply state The operation can be performed with the overall efficiency of the fuel cell system enhanced while stabilizing the fuel cell system.
また、総合効率優先モードにおける第2設定出力は、発電効率優先モードにおける第1設定出力よりも大きくなるように設定されているので、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給が少なくて不安定になるときには、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えることによって、システムの総合効率を維持しながら燃料ガスの供給を安定させることができる。また、第1設定出力における総合効率は、総合効率優先モードの方が発電効率優先モードよりも大きいので、貯湯装置の蓄熱状態が熱不足のときには、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えることによって、この熱不足を解消することができ、またその蓄熱状態が熱余剰のときには、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えることによって、この熱余剰を解消することができる。 Further, since the second set output in the total efficiency priority mode is set to be larger than the first set output in the power generation efficiency priority mode, the supply of the fuel gas from the fuel gas supply means is small and unstable. At this time, by switching the operation from the power generation efficiency priority mode to the total efficiency priority mode, the supply of the fuel gas can be stabilized while maintaining the overall efficiency of the system. Further, since the overall efficiency in the first set output is higher in the overall efficiency priority mode than in the power generation efficiency priority mode, when the heat storage state of the hot water storage device is insufficient, the operation is switched from the power generation efficiency priority mode to the overall efficiency priority mode. By switching, this heat shortage can be eliminated, and when the heat storage state is a surplus heat, the excess heat can be eliminated by switching from the overall efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode.
また、本発明の請求項2に記載の燃料電池システムによれば、改質器に供給される燃料ガスの供給流量(又は供給圧力)を検知するための燃料ガス流量検知手段(又は燃料ガス圧力検知手段)が設けられ、発電効率優先モードの運転における第2設定出力以下の発電範囲において、燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と燃料ガス流量検知手段(又は燃料ガス圧力検知手段)の供給検知値との乖離の程度が大きくなると、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えられるので、システムの総合効率を維持しながら燃料ガスの供給を安定させることができる。 Further, according to the fuel cell system according to the second aspect of the present invention, the fuel gas flow rate detecting means (or the fuel gas pressure) for detecting the supply flow rate (or the supply pressure) of the fuel gas supplied to the reformer. And a supply target value corresponding to the power generation output of the fuel cell stack and fuel gas flow rate detection means (or fuel gas pressure detection means) in a power generation range equal to or less than the second set output in the operation in the power generation efficiency priority mode. If the degree of deviation from the supply detection value in (2) becomes large, the operation is switched from the power generation efficiency priority mode to the comprehensive efficiency priority mode, so that the supply of fuel gas can be stabilized while maintaining the overall efficiency of the system.
また、本発明の請求項3に記載の燃料電池システムによれば、貯湯装置における蓄熱状態を検知するための蓄熱指数検知手段が設けられ、この蓄熱指数検知手段の検知信号に基づく蓄熱指数を用いて蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えられるので、貯湯装置における蓄熱不足を解消することができる。また、この蓄熱指数を用いて蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、総合効率優先モードから発電効率優先モードの運転に切り換えられるので、貯湯装置における蓄熱余剰を解消することができる。 According to the fuel cell system of the third aspect of the present invention, a heat storage index detecting means for detecting a heat storage state in the hot water storage device is provided, and a heat storage index based on a detection signal of the heat storage index detecting means is used. When the heat storage state determining means determines that the heat storage is insufficient, the operation is switched from the power generation efficiency priority mode to the overall efficiency priority mode, so that the shortage of heat storage in the hot water storage device can be resolved. Further, when the heat storage state determining means determines that the heat storage is excessive using the heat storage index, the operation is switched from the overall efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode, so that the excess heat storage in the hot water storage device can be eliminated.
また、本発明の請求項4に記載の燃料電池システムによれば、発電効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段が蓄熱不足を生じているかの判定を行い、また総合効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰を生じているかの判定を行うので、比較的簡単な制御でもって蓄熱不足、蓄熱余剰の解消を図ることができる。 According to the fuel cell system of the fourth aspect of the present invention, in the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage state determination unit determines whether or not the heat storage is insufficient, and operates in the comprehensive efficiency priority mode. In the above, since the heat storage state determination means determines whether or not the heat storage surplus has occurred, the heat storage shortage and the heat storage surplus can be eliminated by relatively simple control.
また、本発明の請求項5に記載の燃料電池システムによれば、発電効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段は、最大蓄熱指数に基づいて設定される熱不足指数値を用いて蓄熱不足が発生しているかの判定を行うので、蓄熱不足状態の発生を比較的簡単に且つ正確に判定することができる。また、総合効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段は、最大蓄熱指数に基づいて設定される熱余剰指数値を用いて蓄熱余剰が発生しているかの判定を行うので、蓄熱余剰状態の発生を比較的簡単に且つ正確に判定することができる。 According to the fuel cell system described in claim 5 of the present invention, in the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage state determining means uses the heat deficiency index value set based on the maximum heat storage index. Since it is determined whether a shortage has occurred, it is possible to relatively easily and accurately determine the occurrence of the heat storage shortage state. In addition, in the operation in the overall efficiency priority mode, the heat storage state determination unit determines whether or not the heat storage surplus has occurred by using the heat surplus index value set based on the maximum heat storage index. The occurrence can be determined relatively easily and accurately.
更に、本発明の請求項6に記載の燃料電池システムによれば、貯湯装置における貯湯タンクの底部(又は貯湯水循環流路の熱回収用熱交換器よりも上流側の部位)に温度検知手段が設けられ、蓄熱状態判定手段は、この温度検知手段の検知温度に基づいて熱余剰が発生しているか、また熱不足が発生しているかの判定を行うので、簡単な構成でもって蓄熱余剰及び蓄熱不足の判定を行うことができる。 Further, according to the fuel cell system according to claim 6 of the present invention, the temperature detecting means is provided at the bottom of the hot water storage tank in the hot water storage device (or at a location on the upstream side of the heat recovery heat exchanger in the hot water circulation path). The heat storage state determining means is provided to determine whether a heat surplus has occurred or a heat shortage has occurred based on the temperature detected by the temperature detecting means. The shortage can be determined.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの各種の実施形態について説明する。まず、図1〜図9を参照して、第1の実施形態の燃料電池システムについて説明する。 Hereinafter, various embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, a fuel cell system according to a first embodiment will be described with reference to FIGS.
図1において、図示の燃料電池システム2は、燃料ガス(例えば、都市ガス、LPガスなど)を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器4と、改質器4にて改質された燃料ガス(改質燃料ガス)及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルスタック6と、を備えている。
In FIG. 1, a fuel cell system 2 shown in FIG. 1 generates power by consuming fuel gas (for example, city gas, LP gas, etc.), and includes a
燃料電池セルスタック6は、例えば、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の片側に設けられた燃料極と、固体電解質の他側に設けられた酸素極(空気極)とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。 The fuel cell stack 6 is configured by stacking a plurality of solid oxide fuel cells for generating power by an electrochemical reaction via a current collecting member, for example. It comprises a solid electrolyte that conducts ions, a fuel electrode provided on one side of the solid electrolyte, and an oxygen electrode (air electrode) provided on the other side of the solid electrolyte. For example, zirconia doped with yttria is used as the solid electrolyte. Used.
燃料電池セルスタック6の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路8を介して改質器4に接続され、この改質器4は、ガス・水蒸気送給流路10を介して気化器12に接続されている。気化器12は、燃料ガス供給流路14を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源16(例えば、埋設管や貯蔵タンクなど)に接続されている。また、この気化器12は、水供給流路18を介して改質水タンク20に接続されている。
The fuel electrode introduction side of the fuel cell stack 6 is connected to the
改質器4には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスが水蒸気改質される。尚、この実施形態では、改質器4と気化器12とを別体に構成しているが、これらを一体的に構成するようにしてもよい。また、この実施形態では、燃料ガス供給手段からの燃料ガスを気化器12に送給しているが、この気化器12に代えて、改質器4に直接的に送給するようにしてもよい。
The
燃料ガス供給流路14には、脱硫器22、バッファタンク24、燃料ガスポンプ26、燃料ガス流量センサ28(燃料ガス流量検知手段を構成する)及び遮断弁30が配設されている。脱硫器22は、燃料ガスに含まれる硫黄成分(付臭剤中の硫黄成分)を除去し、バッファタンク24では、燃料ガス供給流路14を流れる燃料ガスの圧力の変動が緩和され、またその流量の制御が安定化される。燃料ガスポンプ26は、燃料ガス供給流路14を流れる燃料ガスの供給流量を制御し、燃料ガス供給源16からの燃料ガスを気化器12に送給する。また、燃料ガス流量センサ28は、燃料ガス供給流路14を通して送給される燃料ガスの流量を測定し、遮断弁30は、閉状態になると燃料ガス供給流路14を遮断して燃料ガスの供給を停止する。この実施形態では、燃料ガス供給源16、燃料ガス供給流路14及び燃料ガスポンプ26が燃料ガス供給手段を構成し、燃料ガスポンプ26の回転数が大きくなる(又は小さくなる)と、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給流量が増大(又は減少)する。
In the fuel
更に、水供給流路18には水ポンプ32が配設され、この水ポンプ32の作用によって、改質水タンク20内の水(回収水)が水供給流路18を通して気化器12に供給される。この実施形態では、改質水タンク20、水供給流路18及び水ポンプ32が水供給手段を構成し、水ポンプ32の回転数が大きくなる(又は小さくなる)と、水供給手段からの改質用水の供給流量が増大(又は減少)する。
Further, a
この燃料電池セルスタック6の酸素極(空気極)の導入側は、空気供給流路34を介して送風手段としての送風ブロア36に接続され、この空気供給流路34に空気流量センサ38が配設されている。送風ブロア36は、酸化材としての空気を空気供給流路34を通して燃料電池セルスタック6の空気極側に供給し、空気流量センサ38は、空気供給流路34を流れる空気の流量を計測する。尚、この実施形態では、送風ブロア36及び空気供給流路34が発電用の空気を供給するための空気供給手段(酸化材供給手段)を構成し、送風ブロア36の回転数が大きくなる(又は小さくなる)と、空気供給手段からの改質用水の供給流量が増大(又は減少)する。
The introduction side of the oxygen electrode (air electrode) of the fuel cell stack 6 is connected to a
燃料電池セルスタック6の燃料極及び空気極の排出側には燃焼域40が設けられ、燃料電池セルスタック6の燃料極側から排出される反応燃料ガス(余剰の燃料ガスを含んでいる)と空気極側から排出される空気(酸素を含んでいる)とがこの燃焼域40にて燃焼され、この燃料ガスの燃焼熱を利用して気化器12及び改質器4が加熱される。排気ガス(燃焼排気ガス)は排気ガス排出流路42を通して大気に排出され、この排気ガスを利用して空気供給流路34を通して燃料電池セルスタック6の空気極側に供給される空気を加温するようにしてもよい。
A
この実施形態では、排気ガスの熱が温水として貯えられるように貯湯装置44が設けられているとともに、排気ガスに含まれる水分を回収して改質水と利用するように凝縮水回収手段46が設けられている。更に説明すると、排気ガス排出流路40には熱回収用熱交換器48が配設され、この熱回収用熱交換器48に関連して貯湯装置44及び凝縮水回収手段46が設けられている。
In this embodiment, the hot
図示の貯湯装置44は、温水を貯める貯湯タンク50と、貯湯タンク50の貯湯水(温度が低いと水であるが、温度が高くなると温水となる)を熱回収用熱交換器48を通して循環させるための貯湯水循環流路52とを備え、この貯湯水循環流路52には、貯湯タンク50内の貯湯水を貯湯水循環流路52を通して循環させる貯湯水循環ポンプ54が配設されている。
The illustrated hot
また、図示の凝縮水回収手段46は、熱回収用熱交換器48から改質水タンク20に延びる凝縮水回収流路56を備え、この凝縮水回収流路56に水精製器58が配設されている。このように構成されているので、熱回収用熱交換器48による熱交換により排気ガスが冷やされ、これによって、排気ガスに含まれた水分が凝縮されて回収され、回収された凝縮水は水精製器58により純水に精製された後に改質水タンク20に貯えられる。
The illustrated condensed water recovery means 46 includes a condensed water
次に、貯湯装置44及びそれに関連する構成について更に説明すると、貯湯装置44の貯湯水循環ポンプ54は貯湯水循環流路52の上流側部60に配設され、この上流側部60の一端側が貯湯タンク50の底部に接続され、その他端側が熱回収用熱交換器48の流入側に接続されている。また、貯湯水循環流路50の下流側部62の一端側は熱回収用熱交換器48の流出側に接続され、その他端側が貯湯タンク50の上部に接続されている。
Next, the hot
この貯湯水循環流路52の下流側部62には、更に、貯湯タンク50に送給する貯湯水(熱回収用熱交換器48にて加温された温水)を加熱するためのヒータ手段64が配設されている。ヒータ手段64は、例えば電気加熱ヒータ64から構成され、後述するように、燃料電池セルスタック6の発電電力のうちの余剰発電電力(発電電力から電力負荷などで消費される消費電力を除いた後の余剰の電力)を用いて作動される。このヒータ手段64は、貯湯水循環流路52の下流側部62の適宜の部位に配設されるが、これに代えて、貯湯タンク50内の上部に配設するようにしてもよい。
A
この貯湯装置44では、更に、貯湯タンク50の底部に水流入流路70が接続され、この水流入流路70は、水道管などの水供給源72に接続され、水供給源72からの水が水流入流路70を通して貯湯タンク50に補給される。また、貯湯タンク50の上部には出湯流路74が接続され、貯湯タンク50内に貯えられた温水(貯湯水)が出湯流路74を通して出湯される。また、燃料電池セルスタック6の発電出力端には、発電電力を検知するための発電端出力検知センサ76(発電端出力検知手段を構成する)(図2参照)が配設され、この発電端出力検知センサ76は、燃料電池セルスタック6の直流の発電出力をインバータ手段(図示せず)により交流に変換した後の発電出力(AC発電出力)、即ち発電端出力を検知する。
In the hot
次に、この燃料電池システム2の発電運転について概説する。燃料ガス供給源16からの燃料ガスは、燃料ガスポンプ26の作用によって燃料ガス供給流路14を通して流れ、脱硫器22にて脱硫された後に気化器12に送給される。また、気化器12には、水ポンプ32の作用によって改質水タンク20からの水(純水)が水供給流路18を通して供給され、気化器12にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び燃料ガスがガス・水蒸気送給流路10を通して改質器4に送給される。
Next, the power generation operation of the fuel cell system 2 will be outlined. The fuel gas from the fuel
改質器4においては、ガス・水蒸気送給流路10を通して送給された水蒸気により燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路8を通して燃料電池セルスタック6の燃料極側に送給される。また、燃料電池セルスタック6の空気極側には、送風ブロア36からの空気が空気供給流路32を通して送給される。
In the
燃料電池セルスタック6においては、燃料極側を流れる改質燃料ガス及び空気極側を流れる空気(空気中の酸素)の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた直流電力は、インバータ(図示せず)により交流電力に変換された後に、電力負荷(図示せず)に送給される。 In the fuel cell stack 6, power is generated by oxidizing and reducing reformed fuel gas flowing on the fuel electrode side and air (oxygen in the air) flowing on the air electrode side, and the DC power obtained by the power generation is converted into an inverter. After being converted into AC power by a (not shown), it is sent to a power load (not shown).
燃料電池セルスタック6の燃料極側から燃焼域40に反応燃料ガス(余剰の燃料ガスを含んでいる)が排出されるともに、その空気極側から燃焼域40に空気(酸素を含んでいる)が排出され、この燃焼域40にて反応燃料ガスが燃焼され、燃焼域40からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路42を通して大気に排出される。
Reacted fuel gas (including surplus fuel gas) is discharged from the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 to the
排気ガス(燃焼排気ガス)が熱回収用熱交換器48を流れる際に、貯湯装置44の貯湯水循環流路52を流れる貯湯水との間で熱交換が行われる。この熱交換により加温された貯湯水は、貯湯水循環流路50の下流側部62を通して貯湯タンク50に貯湯され、ヒータ手段64が作動するときはこのヒータ手段64により更に加温された後に貯湯される。また、熱回収用熱交換器46における熱交換により排気ガスに含まれる水分が凝縮され、この凝縮水が凝縮水回収流路56を通り、水精製器58により精製された後に改質水タンク20に貯まる。
When the exhaust gas (combustion exhaust gas) flows through the heat
この燃料電池システム2は、図2に示す制御系により運転制御され、燃料電池セルスタック6の発電効率を優先して発電運転する発電効率優先モードと燃料電池システム2の総合効率を優先して発電運転する総合効率優先モードとを切り換えて運転できるように構成されている。主として図2を参照して、この燃料電池システム2は、更に、システムを運転制御するためのコントローラ80(制御手段を構成する)を備え、このコントローラ80はマイクロプロセッサなどから構成される。
The operation of the fuel cell system 2 is controlled by the control system shown in FIG. 2. It is configured to be able to operate by switching between the overall efficiency priority mode to be operated. Referring mainly to FIG. 2, the fuel cell system 2 further includes a controller 80 (constituting control means) for controlling the operation of the system, and the
図示の形態では、コントローラ80は、発電出力演算手段81、燃料ガス流量偏差演算手段82(乖離演算手段を構成する)、運転モード切換手段84、作動制御手段86、運転タイマ88、積算タイマ90及びメモリ手段92を備えている。発電出力演算手段81は、発電端出力検知センサ76の検知電力に基づいて燃料電池セルスタック6の発電出力を後述する如く演算する。この実施形態では、燃料ガスの供給目標値に対する乖離の程度をその偏差値を用いて行っている。即ち、乖離演算手段としての燃料ガス流量偏差演算手段は82は、燃料電池セルスタック6の発電出力に対応する供給目標値(SV)と燃料ガス流量センサ28(燃料ガス流量検知手段)の供給検知値(PV)との偏差〔(SV−PV)/SV〕を演算する。
In the illustrated embodiment, the
また、運転モード切換手段84は、後述するように発電効率優先モードの運転においてこの乖離の程度が大きくなると発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換える。作動制御手段86は、発電効率優先モード及び総合効率優先モードの運転において燃料ガスポンプ26、水ポンプ32、送風ブロア36、貯湯水循環ポンプ54及びヒータ手段64を所要の通りに作動制御する。更に、運転タイマ88は、設定される所定時間を計時し、積算タイマ90は、発電効率優先モードの運転において燃料ガスの供給流量の偏差が大きくなったときにその時間を積算する。
The operation mode switching means 84 switches the operation from the power generation efficiency priority mode to the comprehensive efficiency priority mode when the degree of the deviation increases in the operation in the power generation efficiency priority mode as described later. The
また、メモリ手段92には、システムの運転制御に用いる各種データ、即ち燃料ガスの供給流量に乖離が生じているかの基準となる所定流量偏差値(例えば、3〜5%程度に設定される)、燃料ガスの供給流量の乖離の程度が大きくなったかの基準となる所定積算値(例えば、1〜10分程度に設定される)及び燃料ガスの供給流量に乖離が生じているかを判定するための基準となる所定運転時間(例えば、1〜3時間程度に設定される)が登録されている。更に、このメモリ手段92には、システムを発電効率優先モードでもって運転するための発電効率優先モード運転マップ及び総合効率優先モードでもって運転するための総合効率優先モード運転マップが登録されている。 Further, the memory means 92 stores various data used for the operation control of the system, that is, a predetermined flow rate deviation value (for example, set to about 3 to 5%) as a reference as to whether or not a deviation occurs in the supply flow rate of the fuel gas. A predetermined integrated value (for example, set to about 1 to 10 minutes) as a reference as to whether the degree of deviation of the supply flow rate of the fuel gas has increased or not, and whether or not a deviation has occurred in the supply flow rate of the fuel gas. A predetermined operation time serving as a reference (for example, set to about 1 to 3 hours) is registered. Further, in the memory means 92, a power generation efficiency priority mode operation map for operating the system in the power generation efficiency priority mode and an overall efficiency priority mode operation map for operating the system in the overall efficiency priority mode are registered.
ここで、図3〜図6を参照して、発電効率優先モードの運転について説明する。発電効率優先モードの運転においては、燃料ガスの供給流量(供給流量を定格時の供給流量との比、即ち定格比で示している)は、燃料電池セルスタック6の発電出力(出力を定格比で示している)に対応して図3に実線で示すように制御され、第1設定出力を基準に、この第1設定出力から定格までの発電効率優先第1発電範囲においては、燃料電池セルスタック6の発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量も増加し、またこの第1設定出力以下である発電効率優先第2発電範囲においては、燃料ガスの供給流量が一定に保持され、このときの燃料利用率は、図3に破線で示すように、発電出力と燃料利用率とはほぼ比例関係となるように制御される。 Here, the operation in the power generation efficiency priority mode will be described with reference to FIGS. In the operation in the power generation efficiency priority mode, the supply flow rate of the fuel gas (the ratio of the supply flow rate to the supply flow rate at the rated time, that is, the rated ratio) indicates the power generation output of the fuel cell stack 6 (the output is the rated ratio). 3), and in the first power generation efficiency priority range from the first set output to the rated value based on the first set output, the fuel cell unit is controlled as shown by a solid line in FIG. The supply flow rate of the fuel gas also increases with an increase in the power generation output of the stack 6, and the fuel gas supply flow rate is kept constant in the power generation efficiency priority second power generation range that is equal to or lower than the first set output. Is controlled so that the power generation output and the fuel utilization ratio are substantially proportional to each other as shown by the broken line in FIG.
この第1設定出力は、定格出力の20〜40%の適宜の出力値、例えば25%程度に設定することができ、この場合、定格出力が例えば700W(燃料電池セルスタック6の発電出力:約780W)の燃料電池システムであると、この第1設定出力は例えば約195Wとなり、燃料電池セルスタックの発電出力が195〜780Wの範囲が発電効率優先第1発電範囲となり、この発電出力が195W以下である範囲が発電効率優先第2発電範囲となる。 The first set output can be set to an appropriate output value of 20 to 40% of the rated output, for example, about 25%. In this case, the rated output is, for example, 700 W (power output of the fuel cell stack 6: about 780 W), the first set output is, for example, about 195 W, and the power generation output of the fuel cell stack is in the range of 195 to 780 W as the power generation efficiency priority first power generation range, and the power generation output is 195 W or less. Is the power generation efficiency priority second power generation range.
この図3及び図4に示すデータは、発電効率優先モードの運転マップの一部となり、コントローラ80のメモリ手段92に登録される。尚、燃料ガスの供給流量をこのように変動させたときには、酸化材としての空気の供給流量及び改質用水の供給流量も所要の通りに制御される。
The data shown in FIGS. 3 and 4 becomes a part of the operation map in the power generation efficiency priority mode, and is registered in the memory means 92 of the
このような発電効率優先モードの運転においては、燃料電池システム2の発電出力(定格比)と燃料電池セルスタック6の発電出力とは、図4に実線で示す関係となり、燃料電池システムの発電出力(即ち、インバータ手段により直流電力から交流電力に変換する過程での損失や、各種ポンプ、ヒータなどの補機の消費電力を合算した全補機損失を差し引いた、AC発電出力)は、
AC発電出力=(燃料電池セルスタックの発電出力)−(全変換損失)
となり、この明細書全体を通して、燃料電池セルスタック6からの直流電力の発電電力を「燃料電池セルスタックの発電出力」と表現し、燃料電池セルスタック6からの直流電力をインバータ手段により交流電力に変換し、補機損失を減じた後の送電端に供給される出力電力を「燃料電池システムの発電電力」と表現している。
In such an operation in the power generation efficiency priority mode, the power generation output (rated ratio) of the fuel cell system 2 and the power generation output of the fuel cell stack 6 have a relationship shown by a solid line in FIG. (That is, the AC power output, which is obtained by subtracting the loss in the process of converting DC power into AC power by the inverter means and the total auxiliary equipment loss obtained by summing the power consumption of auxiliary equipment such as various pumps and heaters)
AC power output = (power output of fuel cell stack)-(total conversion loss)
Throughout this specification, the generated power of the DC power from the fuel cell stack 6 is expressed as “power output of the fuel cell stack”, and the DC power from the fuel cell stack 6 is converted into AC power by the inverter means. The output power supplied to the power transmitting end after the conversion and the auxiliary equipment loss has been reduced is expressed as "power generated by the fuel cell system".
そして、この発電効率優先モードにおける総合効率(燃料電池システム2全体の効率)、送電端効率(燃料電池システム2の発電電力の効率)及び排熱回収効率(貯湯装置で排熱を温水として回収した効率)は、図5に示す通りとなり、この総合効率は、(送電端効率)+(排熱回収効率)として定義される。 Then, in this power generation efficiency priority mode, the overall efficiency (the efficiency of the entire fuel cell system 2), the transmitting end efficiency (the efficiency of the generated power of the fuel cell system 2), and the waste heat recovery efficiency (the waste heat is recovered as hot water by the hot water storage device). Efficiency) is as shown in FIG. 5, and the overall efficiency is defined as (power transmission end efficiency) + (exhaust heat recovery efficiency).
この発電効率優先モードの運転においては、発電効率優先第1発電範囲(例えば、定格比で25〜100%の範囲)では燃料電池セルスタック6の発電出力は電力負荷に追従するように制御され、燃料ガスの供給流量もこの発電出力に対応して変動するように制御される一方、発電効率優先第2発電範囲(例えば、定格比で25%以下の範囲)では燃料電池の発電出力は電力負荷に追従して変動するが、燃料ガスの供給流量は一定となるように制御される。尚、このときの余剰の燃料ガスは燃焼域40で燃焼され、その燃焼熱でもって、燃料電池セルスタック6を作動温度に、気化器12を気化温度に、また改質器4を改質温度に維持するために用いられる。
In the operation in the power generation efficiency priority mode, the power generation output of the fuel cell stack 6 is controlled to follow the power load in the power generation efficiency first power generation range (for example, in the range of 25 to 100% in the rated ratio), The supply flow rate of the fuel gas is also controlled so as to fluctuate in accordance with the power generation output. However, the supply flow rate of the fuel gas is controlled to be constant. The surplus fuel gas at this time is burned in the
次に、図6〜図8を参照して、総合効率優先モードの運転について説明する。総合効率優先モードの運転においては、燃料ガスの供給流量(供給流量を定格時の供給流量との比、即ち定格比で示している)は、燃料電池セルスタック6の発電出力(出力を定格比で示している)に対応して図6に実線で示すように制御され、第2設定出力を基準に、この第2設定出力から定格までの総合効率優先第1発電範囲においては、燃料電池セルスタック6の発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量も増加し、またこの第2設定出力以下である発電効率優先第2発電範囲においては、燃料ガスの供給流量が一定に保持され、このとき、燃料利用率は、図6に破線で示すように制御され、総合効率優先モードにおいても燃料電池セルスタック6の発電出力と燃料利用率とはほぼ比例関係になるように制御される。 Next, the operation in the overall efficiency priority mode will be described with reference to FIGS. In the operation in the overall efficiency priority mode, the supply flow rate of the fuel gas (the ratio of the supply flow rate to the supply flow rate at the rated time, that is, the rated ratio) is determined by the power output of the fuel cell stack 6 (the output is the rated ratio). In the first power generation range of the total efficiency priority from the second set output to the rating based on the second set output, the fuel cell unit is controlled as shown by a solid line in FIG. The supply flow rate of the fuel gas also increases with the increase in the power generation output of the stack 6, and in the power generation efficiency priority second power generation range that is equal to or lower than the second set output, the fuel gas supply flow rate is kept constant. The fuel utilization is controlled as shown by the broken line in FIG. 6, and the power generation output of the fuel cell stack 6 and the fuel utilization are controlled so as to be substantially proportional even in the overall efficiency priority mode.
この第2設定出力は、定格出力の40〜70%の適宜の出力値、例えば50%程度に設定することができ、この場合、定格出力が例えば700W(燃料電池セルスタック6の発電出力:約780W)の燃料電池システムであると、この第2設定出力は例えば約390Wとなり、燃料電池セルスタック6の発電出力が390〜780Wの範囲が発電効率優先第1発電範囲となり、この発電出力が390W以下である範囲が発電効率優先第2発電範囲となる。 The second set output can be set to an appropriate output value of 40 to 70% of the rated output, for example, about 50%. In this case, the rated output is, for example, 700 W (the power output of the fuel cell stack 6 is approximately 780 W), the second set output is, for example, about 390 W, and the range where the power output of the fuel cell stack 6 is 390 to 780 W is the power generation efficiency priority first power range, and the power output is 390 W The following range is the power generation efficiency priority second power generation range.
この図6に示すデータは、総合効率優先モードの運転マップの一部となり、コントローラ80のメモリ手段92に登録される。尚、燃料ガスの供給流量をこのように変動させたときには、酸化材としての空気の供給流量及び改質用水の供給流量も所要の通りに制御される。
The data shown in FIG. 6 becomes a part of the operation map in the overall efficiency priority mode, and is registered in the memory means 92 of the
このような総合効率優先モードの運転においては、燃料電池システム2の発電出力(定格比)と燃料電池セルスタック6の発電出力とは、図7に実線で示す関係となり、図7では、図4と同様に定格出力が700Wである場合を示している。総合効率優先モードの運転においては、図7から理解される如く、総合効率優先第2発電範囲においては、燃料ガスの供給流量が一定に保持される故に、燃料電池セルスタック6は電力負荷よりも多く発電するようになり、この発電電力の一部、即ち余剰発電電力がヒータ手段64で消費される。そして、このヒータ手段64で消費した電力が熱として貯えられ、温水として貯湯タンク50に蓄熱される。尚、図7において、総合効率優先第2発電範囲において全補機損失が大きな値となっているが、これはヒータ手段64で消費される余剰発電電力が全補機損失に含まれているためである。
In such an operation in the overall efficiency priority mode, the power generation output (rated ratio) of the fuel cell system 2 and the power generation output of the fuel cell stack 6 have a relationship shown by a solid line in FIG. 7, and FIG. Similarly, the case where the rated output is 700 W is shown. In the overall efficiency priority mode operation, as understood from FIG. 7, in the overall efficiency priority second power generation range, the fuel gas supply flow rate is kept constant, so that the fuel cell stack 6 is more than the power load. A large amount of power is generated, and a part of the generated power, that is, surplus generated power is consumed by the
この総合効率優先モードにおける総合効率、送電端効率及び排熱回収効率は、図8に示す通りとなる。この総合効率優先モードの運転においては、総合効率優先第1発電範囲(例えば、定格比で50〜100%の範囲)では燃料電池セルスタック6の発電出力は電力負荷に追従するように制御され、燃料ガスの供給流量もこの発電出力に対応して変動するように制御される一方、発電効率優先第2発電範囲(例えば、定格比で50%以下の範囲)では燃料電池の発電出力は電力負荷に追従して変動するが、燃料ガスの供給流量は一定となるように制御される。尚、このときの余剰の燃料ガスの一部は、燃焼域40で燃焼され、その燃焼熱でもって、燃料電池セルスタック6を作動温度に、気化器12を気化温度に、また改質器4を改質温度に維持するために用いられるとともに、この燃料ガスの残部は燃料電池セルスタック6での発電に用いられ、発電により生じた余剰発電電力がヒータ手段64で消費される。
The overall efficiency, the power transmission end efficiency, and the exhaust heat recovery efficiency in the overall efficiency priority mode are as shown in FIG. In the operation in the overall efficiency priority mode, the power generation output of the fuel cell stack 6 is controlled so as to follow the power load in the total efficiency priority first power generation range (for example, in the range of 50 to 100% in the rated ratio), The supply flow rate of the fuel gas is also controlled so as to fluctuate in accordance with the power generation output. However, the supply flow rate of the fuel gas is controlled to be constant. At this time, a part of the surplus fuel gas is burned in the
発電効率優先モードと総合効率優先モードとに切り換えて運転するときには、次のように構成することが重要である。第1に、総合効率優先モードにおける第2設定出力(例えば、定格の50%出力)が発電効率優先モードにおける第1設定出力(例えば、定格の25%出力)よりも大きくなるように設定することである。燃料ガスの供給流量が少なくなると、燃料ガスの供給目標値(SV)(燃料電池セルスタック6の発電出力に対応する供給流量)と燃料ガス流量センサ28の供給検知値(PV)との乖離が生じて燃料ガスの供給が安定しなくなるおそれがあるが、この供給流量を増やすことによりこの乖離を少なくなくして燃料ガスの供給を安定させることができる。従って、上述のような燃料ガスの供給不安定が生じると、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えることにより、燃料ガスの供給不安定を解消することができる。
When the operation is switched between the power generation efficiency priority mode and the overall efficiency priority mode, it is important to configure as follows. First, the second set output (for example, 50% of rated output) in the overall efficiency priority mode is set to be larger than the first set output (for example, 25% of rated output) in the power generation efficiency priority mode. It is. When the supply flow rate of the fuel gas decreases, the difference between the target supply value (SV) of the fuel gas (the supply flow rate corresponding to the power generation output of the fuel cell stack 6) and the supply detection value (PV) of the fuel gas
第2に、この第1設定出力(例えば、定格の25%出力)におけるシステムの総合効率に関し、総合効率優先モードにおける第1設定出力の総合効率が発電効率優先モードにおける第1設定出力の総合効率よりも大きくなっていることである。この第1設定出力の総合効率に関し、図5と図8とを対比することによって理解される如く、総合効率優先モードにおける総合効率が発電効率優先モードにおける総合効率よりも大きいということは、それらのモードにおいては上述したように制御されることから、第1設定出力以下の発電出力範囲において総合効率優先モードの方が発電効率優先モードの方よりも総合効率が高くなるということであり、またこのように総合効率を高く維持できるということは、燃料電池セルスタック6の発電電力を電力負荷よりも大きくし、これにより生じた余剰発電電力をヒータ手段64で消費して温水として蓄熱するためである。このようなことから、貯湯装置44(貯湯タンク50)で蓄熱不足が発生した場合、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えることにより蓄熱不足を解消することができ、またこの貯湯装置44で蓄熱余剰が発生した場合、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えることにより蓄熱余剰を解消することができる。 Secondly, regarding the overall efficiency of the system at the first set output (for example, 25% of the rated output), the overall efficiency of the first set output in the overall efficiency priority mode is the total efficiency of the first set output in the power generation efficiency priority mode. It is larger than that . Regarding the overall efficiency of the first set output, as can be understood by comparing FIGS. 5 and 8, the fact that the overall efficiency in the overall efficiency priority mode is larger than the overall efficiency in the power generation efficiency priority mode means that In the mode, since control is performed as described above, the overall efficiency priority mode has higher overall efficiency than the power generation efficiency priority mode in the power generation output range equal to or less than the first set output. The reason that the overall efficiency can be kept high as described above is because the generated power of the fuel cell stack 6 is made larger than the power load, and the generated surplus generated power is consumed by the heater means 64 and stored as hot water. . For this reason, when heat storage shortage occurs in the hot water storage device 44 (hot water storage tank 50), the shortage of heat storage can be resolved by switching from the power generation efficiency priority mode to the comprehensive efficiency priority mode. When the heat storage surplus occurs, the heat storage surplus can be eliminated by switching from the comprehensive efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode.
次に、図1及び図2とともに図9を参照して、上述した燃料電池システム2の運転制御について説明する。この運転制御においては、主として燃料ガスの供給不安定を解消するための制御となっている。燃料電池システム2を稼働すると、発電効率優先モードが設定され(ステップS1)、運転タイマ88が計時を開始し(ステップS2)、燃料電池システム2の発電効率優先モードの運転が行われ(ステップS3)、この運転は発電効率優先モードの運転マップ(図3に示すマップデータ)を用いて行われる。
Next, the operation control of the above-described fuel cell system 2 will be described with reference to FIG. 9 together with FIG. 1 and FIG. In this operation control, control is mainly performed for eliminating supply instability of the fuel gas. When the fuel cell system 2 is operated, the power generation efficiency priority mode is set (step S1), the
この発電効率優先モードの運転中は、発電端出力(即ち、AC発電出力)に相当する電力を供給するために、図4に示すような相関となるように、システムの電力に応じた燃料電池セルスタック6の発電出力が出力される。 During operation in the power generation efficiency priority mode, in order to supply power corresponding to the power generation end output (that is, AC power generation output), the fuel cell according to the system power so as to have a correlation as shown in FIG. The power output of the cell stack 6 is output.
そして、この発電出力が第2設定出力(例えば、約390W)を超えているときには、燃料ガスが安定して供給されているとしてステップS4からステップS5に進み、運転タイマ88が設定運転時間(例えば、2秒程度に設定される)を計時した後にステップS4に戻り、再び上述した発電出力の検知判定が行われる。
When the power generation output exceeds the second set output (for example, about 390 W), it is determined that the fuel gas has been stably supplied, and the process proceeds from step S4 to step S5, and the
ステップS4における発電出力の判定において、燃料電池セルスタック6の発電出力が第2設定出力以下であると、ステップS4からステップS6に移り、燃料ガスの供給流量が少ない状態であるので、その供給流量に乖離が生じていないかの制御が行われる。即ち、燃料ガス流量偏差演算手段82は、発電効率優先モードの運転マップ(図4のマップデータ)及び図3の燃料ガス流量値に基づいて設定値(SV)を決定し、燃料ガス流量センサ28の流量値(PV)の乖離幅(PV−SV)を演算し、演算した乖離幅と設定値(SV)の比(所謂、流量偏差値)が、例えば3%より小さいと、燃料ガスの供給状態が安定しているとしてステップS7からステップS5を経てステップS4に戻る。 In the determination of the power generation output in step S4, if the power generation output of the fuel cell stack 6 is equal to or less than the second set output, the process moves from step S4 to step S6, and the supply flow rate of the fuel gas is small. Is controlled to determine whether or not a deviation has occurred. That is, the fuel gas flow deviation calculating means 82 determines the set value (SV) based on the operation map (map data in FIG. 4) in the power generation efficiency priority mode and the fuel gas flow value in FIG. Calculates the deviation (PV-SV) of the flow value (PV), and if the ratio (the so-called flow deviation) between the calculated deviation and the set value (SV) is smaller than, for example, 3%, the supply of the fuel gas is performed. Assuming that the state is stable, the process returns from step S7 to step S4 via step S5.
一方、演算した乖離幅が所定流量偏差値以上であると、燃料ガスの供給流量が供給目標値から乖離しているとしてステップS7からステップS8に進み、積算タイマ90は、供給目標値に対して乖離状態にある乖離時間を積算する。そして、この積算タイマ90の積算値が所定積算値(例えば、5分)以上になると、燃料ガスの供給流量の乖離が大きいとしてステップS9からステップS10に進み、積算タイマ90がリセットされ、運転モードの切換えが行われる(ステップS11)。即ち、運転モード切換手段84は、発電効率優先モードから総合効率優先モードへの運転の切換えを行い、このように運転モードを総合効率優先モードへ切り換えることにより、燃料ガスの供給状態を安定化させることができる。尚、この積算タイマ90の積算時間が所定積算値に達しないときには、ステップS9からステップS5戻る。
On the other hand, if the calculated deviation width is equal to or larger than the predetermined flow deviation value, the flow proceeds from step S7 to step S8 assuming that the supply flow rate of the fuel gas deviates from the target supply value, and the integrating
このようにして総合効率優先モードの運転が開始される(ステップS12)と、この所定運転時間の残りの運転時間は、総合効率優先モードの運転が継続して行われ、その運転は総合効率優先モードの運転マップ(図6に示すマップデータ)を用いて行われる。 When the operation in the overall efficiency priority mode is started in this way (step S12), the operation in the overall efficiency priority mode is continuously performed for the remaining operation time of the predetermined operation time, and the operation is performed in the overall efficiency priority mode. The operation is performed using the operation map of the mode (map data shown in FIG. 6).
このようにして運転タイマ88が所定運転時間を計時すると、ステップS13からステップS14に進み、運転タイマ88がリセットされ、所定運転時間についての運転が行われたとして運転モードの切換えが再び行われ(ステップS15)、その後ステップS1に戻る。即ち、運転モード切換手段84は、総合効率優先モードから発電効率優先モードに戻し、次の所定運転期間に対する発電効率優先モードの運転が再開される。
When the
この実施形態では、燃料ガス供給流路14に燃料ガス流量センサ28(燃料ガス流量検知手段)を配設し、この燃料ガス流量センサ28により燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスの供給流量を計測しているが、この燃料ガス流量センサ28に代えて、燃料ガス供給流路14を流れる燃料ガスの供給圧力を検知する燃料ガス圧力センサ(燃料ガス圧力検知手段を構成する)を設け、この燃料ガス圧力センサの検知圧力に基づき燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの供給流量を制御するようにしてよい。この場合、コントローラ80は、乖離演算手段としての燃料ガス圧力偏差演算手段を含み、発電効率優先モードの運転における第2設定出力以下の発電範囲において、燃料ガス圧力偏差演算手段は燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と燃料ガス圧力検知センサの供給検知値との乖離値を演算し、この乖離値に基づいてその乖離の程度が大きくなると、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えることができる。
In this embodiment, a fuel gas flow sensor 28 (fuel gas flow rate detecting means) is provided in the fuel gas
上述の第1の実施形態では、発電効率優先モードと総合効率優先モードとの切換えを燃料ガスの供給安定化のために適用しているが、このような供給安定化に代えて、貯湯装置の蓄熱状態における蓄熱不足及び蓄熱余剰の解消に適用することができ、このときには、例えば図10〜図12に示すように構成することができる。 In the first embodiment described above, the switching of the power generation efficiency priority mode and overall efficiency priority mode has been applied for stable supply of the fuel gas, in place of such supply stabilization, the hot water storage device The present invention can be applied to the elimination of the shortage of heat storage and the surplus of heat storage in the heat storage state.
燃料電池システムの第2の実施形態を示す図10〜図11において、この第2の実施形態では、貯湯装置44(貯湯タンク50)における蓄熱状態を検知するために蓄熱指数検知手段102が設けられている。図示の例では、蓄熱指数検知手段102は、5つの温水温度センサ、即ち第1〜第5温水温度センサ104,106,108,110,112と、一つの水温度センサ114とから構成されている。第1〜第5温水温度センサ104,106,108,110,112は貯湯タンク50の外周側面に実質上等間隔にされ、例えば、第1温水温度センサ104は貯湯タンク50の上端部に、第5温水温度センサ112は貯湯タンク50の底部に、第3温水温度センサ108は、第1及び第5温水温度センサ104,112の中間に、また第2温水温度センサ106は、第1及び第3温水温度センサ104,108の中間に、更に第4温水温度センサ110は、第3及び第5温水温度センサ108,112の中間に配置され、これら第1〜第5温水温度センサ104〜112は、貯湯タンク50内の貯湯水の温度を検知する。また、水温度センサ114は水流入流路70に配設され、水流入流路70を通して貯湯タンク50に流入する水の温度を検知する。
In FIGS. 10 to 11 showing a second embodiment of the fuel cell system, in the second embodiment, a heat storage index detecting means 102 is provided to detect a heat storage state in the hot water storage device 44 (hot water storage tank 50). ing. In the illustrated example, the heat storage index detecting means 102 includes five hot water temperature sensors, that is, first to fifth hot
このことに関連して、コントローラは、蓄熱指数演算手段116及び蓄熱状態判定手段118を含んでいる。蓄指数演算手段116は、第1〜第5温水温度センサ104〜112及び水温度センサ114の検知温度に基づいて次のようにして貯湯タンク50の蓄熱指数(満蓄熱に対する現蓄熱の比率)を演算し、蓄熱状態判定手段118は、演算した蓄熱指数を用いて後述する如くして蓄熱状態を判定する。
In this connection, the controller includes a heat storage index calculating means 116 and a heat storage
例えば、第1〜第5温水温度センサ104〜112の検知温度をT1〜T5とし、水温度センサ114の検知温度をT0とすると、第1温水温度センサ104の検知温度T1と水温度センサ114の検知温度T0との温度差TXが満蓄熱までの温度となる(TX=T1−T0)。また、第1〜第5温水温度センサ104〜112の検知温度T1〜T5の平均温度TA〔TA=(T1+T2+T3+T4+T5)/5〕と水温度センサ114の検知温度T0との温度差TZが現時点の蓄熱の温度となり、従って、満蓄熱までの温度TXに対する現時点の蓄熱の温度TZの比率TH(TH=TZ/TX)を演算すると、この演算値が貯湯タンク50の現時点の蓄熱指数となり、蓄熱指数演算手段116は、このようにして蓄熱指数を演算する。
For example, if the detection temperatures of the first to fifth hot
尚、水温度センサ114は、貯湯装置44における貯湯水循環流路52の上流側部60に配設してもよく、或いは第5温水温度センサ112を水温度センサとしても機能させるようにしてもよい。また、例えば24時間単位で貯湯水の温度を管理する場合、蓄熱指数を演算する際の分母となる検知温度として、第1温水温度センサ104については24時間内の最大検知温度を採用し、水温度センサ114については24時間内の最低検知温度を採用し、これらの最大検知温度及び最低検知温度を次の24時間における第1温水温度センサ104及び水検知温度114の検知温度として用いるようにしてもよい。
The
また、例えば、発電効率優先モードの運転中においては、蓄熱不足となるおそれがあるために蓄熱不足かどうかの判定が行われ、蓄熱不足と判定されたときに、運転モード切換手段84は、後述するように発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換える。例えば、総合効率優先モードの運転中においては、蓄熱余剰となるおそれがあるために蓄熱余剰かどうかの判定が行われ、蓄熱余剰と判定されたときに、運転モード切換手段84は、後述するように総合効率優先モードから発電効率優先モードの運転に切り換える。
Further, for example, during the operation in the power generation efficiency priority mode, it is determined whether or not the heat storage is insufficient because there is a possibility that the heat storage may be insufficient. Is switched from the power generation efficiency priority mode to the comprehensive efficiency priority mode. For example, during the operation in the overall efficiency priority mode, it is determined that there is a heat storage surplus because there is a possibility of a heat storage surplus. When it is determined that the heat storage is surplus, the operation
上述したことに関連して、コントローラ80Aのメモリ手段92Aには、発電効率優先モードの運転マップ及び総合効率優先モードの運転マップに加えて、蓄熱状態の判断基準となる所定蓄熱指数値、熱不足が生じていると判定する熱不足判定時間(例えば、3〜8時間程度、例えば5時間に設定される)及び熱余剰が生じていると判定する熱余剰判定時間(例えば、1〜3時間程度、例えば2時間に設定される)などが登録される。この第2の実施形態における燃料電池システム2Aのその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一でよい。
In connection with the above, the memory means 92A of the
次に、図12をも参照して、この燃料電池システム2Aの運転制御について説明する。この運転制御においては、主として貯湯装置44における蓄熱不足及び蓄熱余剰を解消するための制御となっている。燃料電池システム2を稼働すると、発電効率優先モードの運転が行われる(ステップS21)。このように運転が開始されると、運転タイマ88が計時を開始し(ステップS22)、燃料電池システム2Aの発電効率優先モードの運転が行われ、この運転は、上述したものと同様に発電効率優先モードの運転マップ(図3に示すマップデータ)を用いて行われる。
Next, the operation control of the
この発電効率優先モードの運転中は、蓄熱指数検知手段102により貯湯装置44の蓄熱状態の検知が行われる(ステップS23)。即ち、第1〜第5温水温度検知センサ104〜112は、貯湯タンク50内の貯湯水の温度を検知し、水温度センサ114は、水流入流路70内の水の温度を検知し、これら検知信号がコントローラ80Aに送給される。このように蓄熱状態を検知すると、蓄熱指数演算手段116は、第1〜第5温水温度センサ104〜112及び水温度センサ114の検知温度に基づき上述したようにして蓄熱指数を演算する(ステップS24)。
During the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage index detecting means 102 detects the heat storage state of the hot water storage device 44 (step S23). That is, the first to fifth hot water
この演算した蓄熱指数が所定蓄熱指数値(例えば、50〜60%程度に設定される)よりも小さいと、ステップS25からステップS26に進み、運転タイマ88が所定運転時間(例えば、24時間)を計時するまでステップS23に戻り、貯湯装置44における蓄熱状態の検知が継続して行われる。また、この蓄熱指数が所定蓄熱指数値以上であると、ステップS25からステップS27に移り、蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えているとして余剰蓄熱時間の計時が行われ、積算タイマ90がこの余剰蓄熱時間を積算する。そして、運転タイマ88のスタートから所定運転時間を計時するまでステップS28からステップS23に戻り、貯湯装置44における蓄熱状態の検知が継続して行われる。
If the calculated heat storage index is smaller than the predetermined heat storage index value (for example, set to about 50 to 60%), the process proceeds from step S25 to step S26, and the
このようにして所定運転時間(例えば、24時間)にわたって貯湯装置44の蓄熱状態が検知されると、ステップS26又はステップS28からステップS29に移り、運転タイマ88の計時時間がリセットされ、その後貯湯装置44における蓄熱状態の判定が行われる(ステップS30)。
When the heat storage state of the hot
発電効率優先モードの運転においては、蓄熱不足が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段118は、積算タイマ90の積算時間と熱不足判定時間(例えば、5時間)とを比較する(ステップS31)。そして、積算タイマ90による積算時間がこの熱不足判定時間以下である場合、ステップS32に進み、貯湯装置44における蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えていることが少ないとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱不足と判定し、この蓄熱不足の判定に基づき運転モード切換手段84は運転モードの切換えを行い(ステップS33)、次の所定運転時間の運転として総合効率優先モードが設定される。また、この積算時間が熱不足判定時間を超えていると、貯湯装置44の蓄熱状態が標準蓄熱状態をある程度超えて熱不足が生じていないとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱適正と判定し(ステップS34)、この発電効率優先モードが継続され(ステップS35)、ステップS21に戻って、発電効率優先モードの運転が継続して行われる。
In the operation in the power generation efficiency priority mode, it is determined whether or not the heat storage shortage has occurred, and the heat storage
運転モードの切換えが行われて総合効率優先モードの運転が行われる(ステップS36)と、所定運転時間(例えば、24時間)の間にわたって余剰蓄熱時間の積算が行われ、ステップS37〜ステップS43における制御の流れは、発電効率優先モードの運転におけるステップS22〜ステップS28における制御の流れと同じである。 When the operation mode is switched and the operation in the overall efficiency priority mode is performed (step S36), the accumulation of the excess heat storage time is performed over a predetermined operation time (for example, 24 hours), and in steps S37 to S43. The control flow is the same as the control flow in steps S22 to S28 in the operation in the power generation efficiency priority mode.
このようにして所定運転時間(例えば、24時間)にわたって貯湯装置44の蓄熱状態が検知されると、ステップS41又はステップS43からステップS44に移り、運転タイマ88の計時時間がリセットされ、貯湯装置44における蓄熱状態の判定が行われる(ステップS45)。
When the heat storage state of the hot
総合効率優先モードの運転においては、蓄熱余剰が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段118は、積算タイマ90の積算時間と熱余剰判定時間(例えば、2時間)とを比較する(ステップS46)。そして、積算タイマ90による積算時間がこの熱余
剰判定時間以上である場合、ステップS47に進み、貯湯装置44における蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えていることが多いとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱余剰と判定し、この蓄熱余剰の判定に基づき運転モード切換手段84は運転モードの切換えを行い(ステップS48)、次の所定運転時間の運転として発電効率優先モードが設定され、ステップS21に戻る。また、この積算時間が熱余剰判定時間より少ないと、貯湯装置44の蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えることが多くないとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱適正と判定し(ステップS49)、この総合効率優先モードが継続され(ステップS50)、ステップS36に戻って、総合効率優先モードの運転が継続して行われる。
In the operation in the overall efficiency priority mode, it is determined whether or not the heat storage surplus occurs, and the heat storage
上述の第2の実施形態では、貯湯装置における蓄熱状態を判定するために、所定蓄熱指数値以上の蓄熱状態となる時間を積算し、この積算時間に基づいて蓄熱不足及び蓄熱余剰を判定しているが、このような構成に代えて、図13及び図14に示すように構成することもできる。この第3の実施形態においては、所定運転時間(例えば、24時間)の蓄熱指数値のうち最大蓄熱指数値を用いて次の所定運転時間の運転における熱不足指数値及び熱余剰指数値を演算し、この熱不足指数値を蓄熱不足の判定に用い、またこの熱余剰指数値を蓄熱余剰の判定に用いている。 In the second embodiment described above, in order to determine the heat storage state in the hot water storage device, the time during which the heat storage state is equal to or greater than the predetermined heat storage index value is integrated, and based on the integrated time, the heat storage shortage and the heat storage surplus are determined. However, instead of such a configuration, a configuration as shown in FIGS. 13 and 14 can be used. In the third embodiment, the heat deficit index value and the heat surplus index value in the operation for the next predetermined operation time are calculated using the maximum heat storage index value among the heat storage index values for the predetermined operation time (for example, 24 hours). Then, this heat deficiency index value is used for determination of heat storage deficiency, and this heat surplus index value is used for determination of heat storage surplus.
図13において、この第3の実施形態におけるコントローラ80Bは、蓄熱指数演算手段116などに加えて、最大蓄熱指数抽出手段132、熱不足指数演算手段134及び熱余剰指数演算手段136を備えている。蓄熱指数演算手段116は、蓄熱指数検知手段102からの検知信号に基づいて上述したようにして蓄熱指数を演算し、最大蓄熱指数抽出手段132は、所定運転時間(例えば、24時間)にわたって演算された蓄熱指数のうち最も大きいもの、即ち最大蓄熱指数値を抽出する。また、熱不足指数演算手段134は、抽出した最大蓄熱指数値に基づき熱不足指数値を演算し、この最大蓄熱指数値の例えば30〜50%程度の値となるように演算し、熱余剰指数演算手段136は、抽出された最大蓄熱指数値に基づき熱余剰蓄熱指数を演算し、この最大蓄熱指数値の例えば60〜80%程度の値となるように演算する。
13, the
このような構成に関連して、メモリ手段92Bには、発電効率優先モードの運転マップ及び総合効率優先モードの運転マップなどに加えて、蓄熱指数演算手段116により演算された演算蓄熱指数値、最大蓄熱指数抽出手段132により抽出された最大蓄熱指数値、熱不足指数演算手段134により演算された熱不足指数値及び熱余剰指数演算手段136により演算された熱余剰指数値が記憶される。この第3の実施形態における燃料電池システム2Bのその他の構成は、上述した第2の実施形態と実質上同一でよい。 In connection with such a configuration, in addition to the operation map in the power generation efficiency priority mode and the operation map in the overall efficiency priority mode, the memory means 92B stores the calculated heat storage index value calculated by the heat storage index calculation means 116, The maximum heat storage index value extracted by the heat storage index extraction means 132, the heat deficiency index value calculated by the heat deficiency index calculation means 134, and the heat surplus index value calculated by the heat surplus index calculation means 136 are stored. Other configurations of the fuel cell system 2B according to the third embodiment may be substantially the same as those of the above-described second embodiment.
次に、図14をも参照して、この燃料電池システム2Bの運転制御について説明する。この運転制御においても、主として貯湯装置における蓄熱不足及び蓄熱余剰を解消するための制御となっている。燃料電池システムを稼働すると、発電効率優先モードの運転が行われる(ステップS61)。このように運転が開始されると、運転タイマ88が計時を開始し(ステップS62)、燃料電池システムの発電効率優先モードの運転が行われ、この運転は、上述したと同様に発電効率優先モードの運転マップ(図3に示すマップデータ)を用いて行われる。
Next, the operation control of the fuel cell system 2B will be described with reference to FIG. Also in this operation control, control is mainly performed to eliminate shortage of heat storage and excess heat storage in the hot water storage device. When the fuel cell system is operated, the operation in the power generation efficiency priority mode is performed (step S61). When the operation is started in this way, the
この発電効率優先モードの運転中は、蓄熱指数検知手段102により貯湯装置の蓄熱状態の検知が行われ(ステップS23)、蓄熱指数演算手段116は、第1〜第5温水温度センサ104〜112及び水温度センサ114の検知温度に基づき上述したようにして蓄熱指数を演算し(ステップS64)、演算された蓄熱指数値がメモリ手段92Bに記憶される。
During the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage index detecting means 102 detects the heat storage state of the hot water storage device (step S23), and the heat storage index calculating means 116 includes the first to fifth hot
この演算した蓄熱指数がメモリ手段92Bに記憶された熱不足指数値(例えば、最大蓄熱指数値の約40%程度の値)よりも大きいと、ステップS65からステップS66に進み、運転タイマ88が所定運転時間(例えば、24時間)を計時するまでステップS63に戻り、貯湯装置44における蓄熱状態の検知が継続して行われる。また、この蓄熱指数が熱不足指数値以下であると、ステップS65からステップS67に移り、貯湯装置における蓄熱状態が不足しているとして熱不足時間の計時が行われ、積算タイマ90がこの熱不足時間を積算する。そして、運転タイマ88が所定運転時間を計時するまでステップS68からステップS63に戻り、貯湯装置44における蓄熱状態の検知が継続して行われる。
If the calculated heat storage index is larger than the heat deficiency index value stored in the memory means 92B (for example, a value of about 40% of the maximum heat storage index value), the process proceeds from step S65 to step S66, and the
このようにして所定運転時間(例えば、24時間)にわたって貯湯装置の蓄熱状態が検知されると、ステップS66又はステップS68からステップS69に移り、運転タイマ88の計時時間がリセットされ、次の所定運転時間における条件設定が行われる(ステップS70)。即ち、最大蓄熱指数抽出手段132は、この所定運転時間において演算された蓄熱指数値のうち最大蓄熱指数値を抽出し、熱不足指数演算手段134は、抽出した最大蓄熱指数値に基づき上述したようにして熱不足指数値を演算し、また熱余剰指数演算手段136は、抽出した最大蓄熱指数値に基づき上述したようにして熱余剰指数値を演算し、演算された熱不足指数値及び熱余剰指数値がメモリ手段92Bに記憶され、次の所定運転時間においてこの熱不足指数値及び熱余剰指数値が用いられる。
When the heat storage state of the hot water storage device is detected for a predetermined operation time (for example, 24 hours) in this manner, the process proceeds from step S66 or step S68 to step S69, where the time measured by
このように次の運転の条件設定が行われた後に、貯湯装置における蓄熱状態の判定が行われる(ステップS71)。発電効率優先モードの運転においては、上述したと同様に、蓄熱不足が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段118は、積算タイマ90の積算時間と熱不足判定時間(例えば、3〜8時間程度、例えば5時間に設定される)とを比較する(ステップS72)。そして、積算タイマ90による積算時間がこの熱不足判定時間以上であると、ステップS73に進み、貯湯装置44における蓄熱不足の状態が長いとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱不足と判定し、この蓄熱不足の判定に基づき運転モード切換手段84は運転モードの切換えを行い(ステップS74)、次の所定運転時間の運転として総合効率優先モードが設定される。また、この積算時間が熱不足判定時間より小さいと、貯湯装置44の蓄熱不足の状態が長くないとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱適正と判定し(ステップS75)、この発電効率優先モードの運転が継続され(ステップS76)、ステップS61に戻って、発電効率優先モードの運転が継続して行われる。
After the conditions for the next operation are set in this way, the heat storage state in the hot water storage device is determined (step S71). In the operation in the power generation efficiency priority mode, similarly to the above, it is determined whether or not the heat storage shortage has occurred, and the heat storage
運転モードの切換えが行われて総合効率優先モードの運転が行われる(ステップS77)と、運転タイマ88が計時を開始し(S78)、燃料電池システムの総合効率優先モードの運転が行われ、この運転は、上述したと同様に総合効率優先モードの運転マップ(図7に示すマップデータ)を用いて行われる。
When the operation mode is switched to perform the operation in the overall efficiency priority mode (step S77), the
この総合効率優先モードの運転中は、上述したと同様に、蓄熱指数検知手段102により貯湯装置の蓄熱状態の検知が行われ(ステップS79)、蓄熱指数演算手段116は上述したようにして蓄熱指数を演算する(ステップS80)。そして、この演算した蓄熱指数がメモリ手段92Bに記憶された熱余剰指数値(例えば、最大蓄熱指数値の約70%程度の値)よりも大きいと、ステップS81からステップS82に進み、運転タイマ88が所定運転時間(例えば、24時間)を計時するまでステップS79に戻る。また、この蓄熱指数が熱余剰指数値以上であると、ステップS81からステップS83に移り、貯湯装置における蓄熱状態が余剰である熱余剰時間の計時が行われ、積算タイマ90がこの熱余剰時間を積算する。そして、運転タイマ88が所定運転時間を計時するまでステップS84からステップS79に戻る。
During the operation in the comprehensive efficiency priority mode, the heat storage index detecting means 102 detects the heat storage state of the hot water storage device in the same manner as described above (step S79), and the heat storage index calculating means 116 performs the heat storage index calculation as described above. Is calculated (step S80). If the calculated heat storage index is larger than the heat surplus index value (for example, a value of about 70% of the maximum heat storage index value) stored in the memory means 92B, the process proceeds from step S81 to step S82 and the
このようにして所定運転時間(例えば、24時間)にわたって貯湯装置の蓄熱状態が検知されると、ステップS82又はステップS84からステップS85に移り、運転タイマ88の計時時間がリセットされ、次の所定運転時間における条件設定が行われる(ステップS86)。この条件設定は、上述したと同様に行われ、次の所定運転時間における熱不足指数値及び熱余剰指数値が設定される。
When the heat storage state of the hot water storage device is detected for a predetermined operation time (for example, 24 hours) in this manner, the process proceeds from step S82 or step S84 to step S85, where the time measured by the
その後に、貯湯装置における蓄熱状態の判定が行われる(ステップS87)。総合効率優先モードの運転においては、上述したと同様に、蓄熱余剰が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段118は、積算タイマ90の積算時間と熱余剰判定時間(例えば、1〜3時間程度、例えば2時間に設定される)とを比較する(ステップS88)。そして、積算タイマ90による積算時間がこの熱余剰判定時間以上であると、ステップS89に進み、貯湯装置における蓄熱余剰の状態が長いとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱余剰と判定し、この蓄熱余剰の判定に基づき運転モード切換手段84は運転モードの切換えを行い(ステップS90)、次の所定運転時間の運転として発電効率優先モードが設定され、ステップS61に戻る。また、この積算時間が熱余剰判定時間より小さいと、貯湯装置の蓄熱余剰の状態が長くないとして蓄熱状態判定手段118は蓄熱適正と判定し(ステップS92)、この総合効率優先モードの運転が継続され(ステップS93)、ステップS77に戻って、総合効率優先モードの運転が継続して行われる。
Thereafter, the determination of the heat storage state in the hot water storage device is performed (step S87). In the operation in the overall efficiency priority mode, similarly to the above, it is determined whether or not the heat storage surplus occurs, and the heat storage
第1の実施形態では、燃料ガスの供給安定化のために運転モードを上述したように切り換え、また第2及び第3の実施形態においては、貯湯装置における蓄熱不足及び蓄熱余剰を解消するために運転モードを上述したように切り換えているが、燃料ガスの供給安定化並びに貯湯装置における蓄熱不足及び蓄熱余剰の解消の双方を行うために運転モードを切り換えるようにしてもよく、この場合の制御系の構成は、例えば第1の実施形態(図2に示す構成)と第3の実施形態(図13に示す構成)を組み合わせたものとなり、そのときの制御は、例えば,図15及び図16に示す通りとなる。 In the first embodiment, the operation mode is switched as described above to stabilize the supply of the fuel gas, and in the second and third embodiments, in order to eliminate heat storage shortage and heat storage surplus in the hot water storage device. Although the operation mode is switched as described above, the operation mode may be switched in order to both stabilize the supply of the fuel gas and eliminate the shortage of heat storage and the excess heat storage in the hot water storage device. Is a combination of, for example, the first embodiment (the configuration shown in FIG. 2) and the third embodiment (the configuration shown in FIG. 13), and the control at that time is, for example, shown in FIG. 15 and FIG. It is as shown.
次に、図15及び図16を参照して、かかる場合における燃料電池システムについての制御を概説する。図15において、燃料電池システムの発電効率優先モードの運転においては、上述したと同様に、燃料電池セルスタックの発電端出力(即ち、AC発電出力)の検知が行われ(ステップS101)、この発電端出力に基づき燃料電池セルスタックの発電出力が演算され、この発電出力が第2設定出力(例えば、約390W)を超えているか判断される(ステップS102)。 Next, the control of the fuel cell system in such a case will be outlined with reference to FIGS. In FIG. 15, in the operation of the fuel cell system in the power generation efficiency priority mode, the power generation end output (ie, AC power generation output) of the fuel cell stack is detected in the same manner as described above (step S101). The power output of the fuel cell stack is calculated based on the terminal output, and it is determined whether the power output exceeds a second set output (for example, about 390 W) (step S102).
この発電出力が第2設定出力を超えているとステップS103を経てステップS101に戻る。また、この発電出力が第2設定出力以下であると、ステップS102からステップS104に移り、上述したようにして燃料ガスの流量偏差の演算が行われ、この流量偏差を用いて燃料ガスの流量偏差の監視が行われる(ステップS105)。この流量偏差の管理は、第1の実施形態と同様に行われ、この演算偏差値が所定流量偏差値(例えば、3%)以上であるかを判断し、所定流量偏差値以上であると燃料ガスの供給流量が供給目標値から乖離しているとしてこの乖離時間を積算タイマで積算する。 If this power generation output exceeds the second set output, the process returns to step S101 via step S103. If the power generation output is equal to or less than the second set output, the process moves from step S102 to step S104, where the flow rate deviation of the fuel gas is calculated as described above, and the flow rate deviation of the fuel gas is calculated using this flow rate deviation. Is monitored (step S105). The management of the flow deviation is performed in the same manner as in the first embodiment. It is determined whether the calculated deviation is equal to or greater than a predetermined flow deviation (for example, 3%). Assuming that the gas supply flow rate deviates from the supply target value, the deviation time is integrated by the integration timer.
この燃料ガスの供給流量の乖離程度の監視が、所定運転時間(例えば、1〜3時間程度)の間行われ、この所定運転時間が経過すると、ステップS103又はステップ106からステップS107に移り、この燃料ガスの供給流量の乖離傾向の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間(乖離積算時間)に基づいて供給流量の乖離傾向が判定され、乖離積算時間が短い(例えば、1分以下である)と、ステップS108からステップS109に進み、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が小さいとして運転モードが継続され、発電効率優先モードの運転が引き続き行われる。また、この乖離積算時間が長い(例えば、5分以上である)と、ステップS108からステップS110を経てステップS111に移り、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が大きいとして、運転モード切換手段は運転モードを切換え、次の所定運転時間において総合効率優先モードの運転が行われる。この乖離積算期間が中程度である(即ち、長くも短くもなく、例えば1〜5分間程度である)場合、ステップS108からステップS110を経てステップS112に移り、燃料電池システムの熱利用の判定が行われる。 Monitoring of the degree of deviation of the supply flow rate of the fuel gas is performed for a predetermined operation time (for example, about 1 to 3 hours), and when the predetermined operation time elapses, the process proceeds from step S103 or step 106 to step S107. A determination is made on the tendency of the fuel gas supply flow rate to deviate. That is, the divergence tendency of the supply flow rate is determined based on the integration time (deviation integration time) of the integration timer. If the divergence integration time is short (for example, 1 minute or less), the process proceeds from step S108 to step S109, and the fuel gas is discharged. The operation mode is continued assuming that the deviation tendency of the supply flow rate is small, and the operation in the power generation efficiency priority mode is continued. If the divergence integration time is long (for example, 5 minutes or more), the process proceeds from step S108 to step S111 via step S110, and determines that the divergence of the supply flow rate of the fuel gas is large. And the operation in the overall efficiency priority mode is performed in the next predetermined operation time. When the divergence accumulation period is medium (that is, neither long nor short, for example, about 1 to 5 minutes), the process proceeds from step S108 to step S112 via step S110, and the determination of the heat utilization of the fuel cell system is determined. Done.
この熱利用判定においては、発電効率優先モードの運転中に貯湯装置における蓄熱不足が発生しているかの判定が行われる。上述したと同様に、蓄熱指数検知手段により蓄熱状態の検知が行われ(ステップS113)、この蓄熱指数検知手段の検知温度に基づいて蓄熱指数演算手段が蓄熱指数を演算し(ステップS114)、この蓄熱指数を用いて貯湯装置における蓄熱不足の監視が行われる(ステップS115)。この蓄熱不足の管理は、例えば第3の実施形態と同様に行われ、この蓄熱指数値が熱不足指数値以下であるかを判断し、熱不足指数値以下であると貯湯装置(貯湯タンク)において蓄熱不足が発生しているとして熱不足時間を積算タイマで積算する。 In this heat utilization determination, it is determined whether or not heat storage shortage occurs in the hot water storage device during operation in the power generation efficiency priority mode. As described above, the heat storage index is detected by the heat storage index detecting means (step S113), and the heat storage index calculating means calculates the heat storage index based on the temperature detected by the heat storage index detecting means (step S114). Monitoring of insufficient heat storage in the hot water storage device is performed using the heat storage index (step S115). The management of the heat storage deficiency is performed, for example, in the same manner as in the third embodiment. It is determined whether the heat storage index value is equal to or less than the heat deficiency index value. In the above, it is assumed that the heat storage shortage has occurred, and the heat shortage time is integrated by the integration timer.
この貯湯装置における蓄熱不足の監視が、所定運転時間(例えば、3〜8時間程度)の間行われ、この所定運転時間が経過すると、ステップ116からステップS117に移り、貯湯装置における熱不足状態の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間(熱不足積算時間)に基づいて蓄熱不足が発生しているかが判定される。
The monitoring of the lack of heat storage in the hot water storage device is performed for a predetermined operation time (for example, about 3 to 8 hours), and when the predetermined operation time elapses, the process proceeds from
熱不足積算時間が熱不足判定時間以上であると、ステップS118からステップS119に進み、貯湯装置における蓄熱状態が不足しているとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱不足の判定を行い、この蓄熱不足の判定に基づいて、運転モード切換手段が運転モードの切換えを行い(ステップS120)、次の所定運転時間において、蓄熱のための熱の発生が多い総合効率優先モードの運転が行われる。また、熱不足積算時間が熱不足判定時間より小さいと、ステップS118からステップS121に移り、貯湯装置における蓄熱状態が不足していないとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱適正と判定し、この運転モードが継続され(ステップS122)、発電効率優先モードの運転が引き続き行われる。 If the accumulated heat deficiency time is equal to or longer than the heat deficiency determination time, the process proceeds from step S118 to step S119, where it is determined that the heat storage state in the hot water storage device is insufficient, and the heat storage state determination means determines the heat storage deficiency. Based on the determination, the operation mode switching means switches the operation mode (step S120), and in the next predetermined operation time, the operation in the overall efficiency priority mode in which much heat is generated for heat storage is performed. If the accumulated heat shortage time is shorter than the heat shortage determination time, the process proceeds from step S118 to step S121, where it is determined that the heat storage state in the hot water storage device is not insufficient, and the heat storage state determination means determines that the heat storage is appropriate. The operation is continued (step S122), and the operation in the power generation efficiency priority mode is continuously performed.
このように、この発電効率優先モードの運転においては、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が優先的に判断され、この乖離傾向が小さいと発電効率優先モードの運転が継続して行われるが、この乖離傾向が大きくなると運転モードが切り換えられ、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えて運転される。また、この乖離傾向が中程度である場合には、熱利用を考慮して判断(この場合、蓄熱不足の判断)され、貯湯装置において蓄熱不足が生じていないと発電効率優先モードの運転が継続して行われるが、蓄熱不足が生じていると運転モードが切り換えられ、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えて運転される。 As described above, in the operation in the power generation efficiency priority mode, the divergence tendency of the supply flow rate of the fuel gas is determined with priority, and when the divergence tendency is small, the operation in the power generation efficiency priority mode is continuously performed. When the deviation tendency increases, the operation mode is switched, and the operation is switched from the power generation efficiency priority mode to the comprehensive efficiency priority mode. When the deviation tendency is moderate, a determination is made in consideration of heat utilization (in this case, determination of insufficient heat storage), and if there is no insufficient heat storage in the hot water storage device, the operation in the power generation efficiency priority mode is continued. However, if the heat storage is insufficient, the operation mode is switched, and the operation is switched from the power generation efficiency priority mode to the overall efficiency priority mode.
次に、図16を参照して、燃料電池システムの総合効率優先モードの運転について説明する。この総合効率優先モードの運転においても、上述したと同様に、燃料電池セルスタックの発電端出力(即ち、AC発電出力)の検知が行われ(ステップS123)、この発電端出力に基づき燃料電池セルスタックの発電出力が演算され、この発電出力が第2設定出力(例えば、約390W)を超えているか判断される(ステップS124)。 Next, the operation of the fuel cell system in the overall efficiency priority mode will be described with reference to FIG. In the operation in the overall efficiency priority mode as well, the power generation end output of the fuel cell stack (ie, AC power generation output) is detected in the same manner as described above (step S123), and the fuel cell The power generation output of the stack is calculated, and it is determined whether the power generation output exceeds the second set output (for example, about 390 W) (step S124).
この発電出力が第2設定出力を超えているとステップS125を経てステップS123に戻る。また、この発電出力が第2設定出力以下であると、ステップS124からステップS126に移り、上述したようにして燃料ガスの流量偏差の演算が行われ、この流量偏差を用いて燃料ガスの流量偏差の監視が行われる(ステップS127)。この流量偏差の管理は、発電効率優先モードの運転のときと同様に行われ、燃料ガスの供給流量が供給目標値から乖離していると、その乖離時間を積算タイマで積算する。 If this power generation output exceeds the second set output, the process returns to step S123 via step S125. If the power generation output is equal to or less than the second set output, the process proceeds from step S124 to step S126, where the calculation of the fuel gas flow deviation is performed as described above, and the fuel gas flow deviation is calculated using this flow deviation. Is monitored (step S127). This flow rate deviation is managed in the same manner as in the operation in the power generation efficiency priority mode. If the supply flow rate of the fuel gas deviates from the target supply value, the deviation time is integrated by the integration timer.
この燃料ガスの供給流量の乖離程度の監視が、所定運転時間の間行われると、ステップS125又はステップ128からステップS129に移り、この燃料ガスの供給流量の乖離傾向の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間(乖離積算時間)に基づいて供給流量の乖離傾向が判定され、乖離積算時間が長い(例えば、5分以上である)と、ステップS130からステップS131に進み、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が大きいとして運転モードが継続され、総合効率優先モードの運転が引き続き行われる。また、この乖離積算時間が短い(例えば、1分以下である)と、ステップS130からステップS132を経てステップS133に移り、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が小さいとして、運転モード切換手段は運転モードを切換え、次の所定運転時間において発電効率優先モードの運転が行われる。この乖離積算期間が中程度である(例えば、1〜5分間である)場合、ステップS130からステップS132を経てステップS134に移り、燃料電池システムの熱利用の判定が行われる。 When the degree of deviation of the supply flow rate of the fuel gas is monitored for a predetermined operation time, the process proceeds from step S125 or step 128 to step S129, and the deviation tendency of the supply flow rate of the fuel gas is determined. That is, the divergence tendency of the supply flow rate is determined based on the integration time (deviation integration time) of the integration timer. If the divergence integration time is long (for example, 5 minutes or more), the process proceeds from step S130 to step S131, and the fuel gas The operation mode is continued assuming that the divergence tendency of the supply flow rate is large, and the operation in the overall efficiency priority mode is continued. If the divergence accumulation time is short (for example, 1 minute or less), the process proceeds from step S130 to step S133 via step S132, and assuming that the divergence tendency of the supply flow rate of the fuel gas is small, the operation mode switching means sets the operation mode to the operation mode. And the operation in the power generation efficiency priority mode is performed in the next predetermined operation time. When the divergence accumulation period is medium (for example, 1 to 5 minutes), the process proceeds from step S130 to step S134 via step S132, and the determination of heat utilization of the fuel cell system is performed.
この熱利用判定においては、総合効率優先モードの運転中に貯湯装置における蓄熱余剰が発生しているかの判定が行われる。上述したと同様に、蓄熱指数検知手段により蓄熱状態の検知が行われ(ステップS135)、この蓄熱指数検知手段の検知温度に基づいて蓄熱指数演算手段が蓄熱指数を演算し(ステップS136)、この蓄熱指数を用いて貯湯装置における蓄熱余剰の監視が行われる(ステップS137)。この蓄熱余剰の管理は、例えば第3の実施形態と同様に行われ、この蓄熱指数値が熱余剰指数値以上であるかを判断し、熱余剰指数値以上であると貯湯装置(貯湯タンク)において蓄熱余剰が発生しているとして熱余剰時間を積算タイマで積算する。 In this heat utilization determination, it is determined whether or not the heat storage surplus occurs in the hot water storage device during the operation in the overall efficiency priority mode. As described above, the heat storage index detecting means detects the heat storage state (step S135), and the heat storage index calculating means calculates the heat storage index based on the detected temperature of the heat storage index detecting means (step S136). The surplus of heat storage in the hot water storage device is monitored using the heat storage index (step S137). The management of the heat storage surplus is performed, for example, in the same manner as in the third embodiment. It is determined whether the heat storage index value is equal to or greater than the heat surplus index value. , The heat surplus time is accumulated by the accumulation timer assuming that the heat accumulation surplus has occurred.
この貯湯装置における蓄熱余剰の監視が、所定運転時間(例えば、1〜3時間程度)の間行われ、この所定運転時間が経過すると、ステップ138からステップS139に移り、貯湯装置における熱余剰状態の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間(熱余剰積算時間)に基づいて蓄熱余剰が発生しているかが判定される。 The monitoring of the surplus heat storage in the hot water storage device is performed for a predetermined operation time (for example, about 1 to 3 hours). When the predetermined operation time elapses, the process proceeds from step 138 to step S139, and the surplus heat state of the hot water storage device is determined. A determination is made. That is, it is determined whether or not the heat storage surplus has occurred based on the integration time (heat excess integration time) of the integration timer.
熱余剰積算時間が熱余剰判定時間以上であると、ステップS140からステップS141に進み、貯湯装置における蓄熱状態が余剰であるとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱余剰の判定を行い、この蓄熱余剰の判定に基づいて、運転モード切換手段が運転モードの切換えを行い(ステップS142)、次の所定運転時間において、蓄熱のための熱の発生が少ない発電効率優先モードの運転が行われる。また、熱余剰積算時間が熱余剰判定時間より小さいと、ステップS140からステップS143に移り、貯湯装置における蓄熱状態が余剰でないとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱適正と判定し、この運転モードが継続され(ステップS144)、総合効率優先モードの運転が引き続き行われる。 If the accumulated heat surplus time is equal to or longer than the heat surplus determination time, the process proceeds from step S140 to step S141, and assuming that the heat storage state in the hot water storage device is surplus, the heat storage state determination means makes a heat storage surplus determination. , The operation mode switching means switches the operation mode (step S142), and in the next predetermined operation time, the operation in the power generation efficiency priority mode in which less heat is generated for heat storage is performed. If the accumulated heat surplus time is smaller than the heat surplus determination time, the process proceeds from step S140 to step S143, where the heat storage state in the hot water storage device is not excessive, and the heat storage state determination means determines that the heat storage is appropriate, and the operation mode is continued. (Step S144) The operation in the overall efficiency priority mode is continuously performed.
このように、この総合効率優先モードの運転においても、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が優先的に判断され、この乖離傾向が大きいと総合効率優先モードの運転が継続して行われるが、この乖離傾向が小さくなると運転モードが切り換えられ、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えて運転される。また、この乖離傾向が中程度である場合には、熱利用を考慮して判断(この場合、蓄熱余剰の判断)され、貯湯装置において蓄熱余剰が生じていないと総合効率優先モードの運転が継続して行われるが、蓄熱余剰が生じていると運転モードが切り換えられ、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えて運転される。 As described above, even in the operation in the overall efficiency priority mode, the divergence tendency of the supply flow rate of the fuel gas is determined with priority. If the divergence tendency is large, the operation in the overall efficiency priority mode is continuously performed. When the deviation tendency decreases, the operation mode is switched, and the operation is switched from the overall efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode. When the deviation tendency is moderate, a determination is made in consideration of heat utilization (in this case, determination of excess heat storage), and if there is no excess heat storage in the hot water storage device, the operation in the overall efficiency priority mode is continued. The operation mode is switched when there is excess heat storage, and the operation is switched from the overall efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode.
以上、本発明に従う燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 Although various embodiments of the fuel cell system according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、蓄熱指数検知手段102として貯湯タンク50に配設された5つの温水温度センサ104〜112から構成しているが、2〜4つ又は6つ以上の温水温度センサから構成するようにしてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the heat storage index detecting means 102 is configured from the five hot
また、例えば、上述した実施形態では、貯湯装置44の蓄熱状態を判定するために蓄熱指数という概念を用いているが、このような概念を用いることなく、この熱利用の判定を温度センサ(温度検知手段を構成する)を用いて簡易的に行うようにしてもよい。例えば、蓄熱不足については、温度センサは貯湯装置44の貯湯タンク50内の中央部付近よりも下の位置(例えば、図10における第4温水温度センサ110の位置付近)に設けられ、この温度センサの検知温度に基づいて次のように熱利用の判定を行うことができる。この温度センサの検知温度が熱不足温度値(例えば、50℃程度に設定される)を超えないか、或いはこの熱不足温度値を超える時間(即ち、熱不足積算時間)が熱不足判定時間以下であるときに蓄熱不足と判定することができる。また、蓄熱余剰については、温度センサは、貯湯装置44の貯湯タンク50内の底部又は貯湯水循環流路52の上流側部60内に設けられ、この温度センサの検知温度が熱余剰温度値(例えば、50℃程度に設定される)を超えるか、或いはこの熱余剰温度を超える時間(即ち、熱余剰積算時間)が熱余剰判定時間以上であるときに蓄熱余剰と判定することができる。
Further, for example, in the above-described embodiment, the concept of the heat storage index is used to determine the heat storage state of the hot
2,2A 燃料電池システム
4 改質器
6 燃料電池セルスタック
28 燃料ガス流量センサ
44 貯湯装置
64 ヒータ手段
76 発電端出力検知センサ
80,80A コントローラ
82 燃料ガス流量偏差演算手段
84 運転モード切換手段
102 蓄熱指数検知手段
116 蓄熱指数演算手段
118 蓄熱状態判定手段
132 最大蓄熱指数抽出手段
134 熱不足指数演算手段
136 熱余剰指数演算手段
2, 2A
Claims (6)
燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスを排出するための排気ガス排出流路と、排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置と、前記燃料電池セルスタックの発電電力の一部を熱として回収するためのヒータ手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、電力負荷に追従して前記燃料電池セルスタックの発電電力が変動するように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、発電効率優先モードと総合効率優先モードとの運転を切り換えるための運転モード切換手段を含み、
前記運転モード切換手段により前記発電効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの発電出力が第1設定出力と定格出力との間の発電効率優先第1発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量が増加し、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第1設定出力以下である発電効率優先第2発電範囲では燃料ガスの供給流量を一定に保持した状態で前記燃料電池セルスタックの発電端出力が低下するように制御し、
また、前記運転モード切換手段により前記総合効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が第2設定出力と前記定格出力との間の総合効率優先第1発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量を増加させ、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第2設定出力以下である総合効率優先第2発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力を一定に保持するとともに前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の一部を前記ヒータ手段に通電して熱として回収して前記貯湯装置で温水として蓄熱するように制御し、
前記総合効率優先モードにおける前記第2設定出力は、前記発電効率優先モードにおける前記第1設定出力よりも大きくなるように設定されているとともに、前記第1設定出力における総合効率は、前記総合効率優先モードの方が前記発電効率優先モードよりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel gas supply unit for supplying a fuel gas, a water supply unit for supplying reforming water, a reformer for steam reforming the fuel gas, and the fuel gas reformed by the reformer. A fuel cell stack for generating power by oxidizing and reducing reformed fuel gas and oxidizing material, an exhaust gas discharge passage for discharging exhaust gas from the fuel cell stack, and recovering heat of the exhaust gas as hot water Hot water storage device, a heater means for recovering a part of the generated power of the fuel cell stack as heat, and a control means for controlling the fuel gas supply means and the water supply means, The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the fuel gas supply unit and the water supply unit so that the generated power of the fuel cell stack varies according to an electric power load.
The control means includes an operation mode switching means for switching operation between a power generation efficiency priority mode and an overall efficiency priority mode,
When the power generation efficiency priority mode is set by the operation mode switching means, the power generation output of the fuel cell stack is in the power generation efficiency priority first power generation range between the first set output and the rated output. The supply flow rate of the fuel gas increases as the power generation output increases, and the fuel gas supply flow rate is kept constant in the power generation efficiency priority second power generation range in which the power generation output of the fuel cell stack is equal to or less than the first set output. In such a state, the output of the fuel cell stack is controlled such that the output of the power generation end is reduced,
When the overall efficiency priority mode is set by the operation mode switching means, the fuel output of the fuel cell stack in the overall efficiency priority first power generation range between the second set output and the rated output is the fuel output. A fuel gas supply flow rate is increased with an increase in the power generation output of the battery cell stack, and the fuel cell in the overall efficiency priority second power generation range in which the power generation output of the fuel cell stack is equal to or less than the second set output. While maintaining the power generation output of the stack constant, a part of the power generation output of the fuel cell stack is supplied to the heater means to recover as heat, and to store heat as hot water in the hot water storage device,
The second setting output in the overall efficiency priority mode is set to be larger than the first setting output in the power generation efficiency priority mode, and the overall efficiency in the first setting output is the total efficiency priority. A fuel cell system wherein the mode is larger than the power generation efficiency priority mode.
The hot water storage device includes a hot water storage tank that stores hot water, and a hot water storage water circulation path that circulates hot water in the hot water storage tank through a heat recovery heat exchanger provided in the exhaust gas discharge flow path. A temperature detecting means for detecting the temperature of the stored hot water is provided at the bottom of the hot water circulation path or at a position upstream of the heat exchanger for heat recovery, and the control means further comprises: A heat storage state determination unit that determines a heat storage state is included.In the operation in the power generation efficiency priority mode, the heat storage state determination unit determines whether or not a heat shortage has occurred based on the temperature detected by the temperature detection unit. When the heat storage state determining means determines that the heat storage is insufficient, the operation mode switching means switches the operation from the power generation efficiency priority mode to the overall efficiency priority mode, and In the operation of (1), the heat storage state determination means determines whether or not a heat surplus has occurred based on the temperature detected by the temperature detection means, and when the heat storage state determination means determines that the heat storage is excessive, the operation mode switching means 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operation switches from the overall efficiency priority mode to the power generation efficiency priority mode. 4.
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