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JP7003655B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP7003655B2
JP7003655B2 JP2017253866A JP2017253866A JP7003655B2 JP 7003655 B2 JP7003655 B2 JP 7003655B2 JP 2017253866 A JP2017253866 A JP 2017253866A JP 2017253866 A JP2017253866 A JP 2017253866A JP 7003655 B2 JP7003655 B2 JP 7003655B2
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正樹 市川
則天 中谷
光国 太田
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Aisin Seiki Co Ltd
Aisin Corp
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Description

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

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、改質ガスを燃料ガスとして用いて発電する燃料電池、原料を改質した改質ガスを生成する改質器（改質部）、燃料電池の発電に利用されなかった燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼部、および、改質部または燃焼部の温度を検出する温度検出部を備えている。 As a type of fuel cell system, the one shown in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the fuel cell system is a fuel cell that generates power by using a reformed gas as a fuel gas, and a reformer (reformer) that generates a reformed gas obtained by reforming a raw material. Part), a combustion part that burns the fuel off gas that was not used for power generation of the fuel cell to heat the reformer, and a temperature detection part that detects the temperature of the reformer or the combustion part.

燃料電池システムは、温度検出部によって検出された温度に基づいて、改質部の温度または燃焼部の温度が、改質部における原料の改質に適した温度となるように、改質部に供給される原料の流量ひいては燃料電池に供給される燃料ガスの流量を制御する。これにより、改質効率を維持しつつ、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。燃料電池の発電効率は、燃料電池が発電する電力に対して燃料電池に供給される燃料ガスの流量が少ないほど高くなる。 Based on the temperature detected by the temperature detection unit, the fuel cell system is used in the reforming unit so that the temperature of the reforming unit or the temperature of the combustion unit becomes a temperature suitable for reforming the raw material in the reforming unit. It controls the flow rate of the supplied raw material and thus the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell. As a result, it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell while maintaining the reforming efficiency. The power generation efficiency of the fuel cell becomes higher as the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell is smaller than the power generated by the fuel cell.

国際公開２０１０／０１０６９９号International Publication 2010/010699

上述した特許文献１の燃料電池システムにおいては、改質効率を維持しつつ改質部の温度または燃焼部の温度を制御しているため、燃焼部においては、十分に安定した燃焼状態を保つ必要がある。このため、燃焼部を燃焼させる燃料オフガスの流量ひいては燃料ガスの流量は、燃焼部にて燃料オフガスを燃焼させるための最小限必要な燃料ガスの流量に対して余裕のある流量となる。一方で、燃料電池の発電効率をさらに向上させたいとの要望がある。 In the fuel cell system of Patent Document 1 described above, since the temperature of the reforming section or the temperature of the combustion section is controlled while maintaining the reforming efficiency, it is necessary to maintain a sufficiently stable combustion state in the combustion section. There is. Therefore, the flow rate of the fuel off gas that burns the combustion section, and thus the flow rate of the fuel gas, is a flow rate that has a margin with respect to the minimum flow rate of the fuel gas required for burning the fuel off gas in the combustion section. On the other hand, there is a desire to further improve the power generation efficiency of fuel cells.

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電の高効率化を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to improve the efficiency of fuel cell power generation in a fuel cell system.

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、燃料電池から導出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼させる燃焼部と、燃料電池によって発電された発電電力を検知する電力検知装置と、燃焼部の温度である燃焼部温度を検出する温度センサと、燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、電力検知装置によって検知された発電電力に基づいて、燃料供給部によって供給される燃料ガスの流量を第一流量に設定する燃料流量設定部と、電力検知装置によって検知された発電電力が所定電力範囲内であるか否かを判定する電力判定部と、温度センサによって検出された燃焼部温度が所定温度範囲内であるか否かを判定する温度判定部と、電力判定部によって発電電力が所定電力範囲内であると判定され、かつ、温度判定部によって燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態が第一所定時間継続する毎に、燃料流量設定部によって設定された燃料ガスの流量を第一流量から段階的に減少させるように変更する燃料流量変更部と、を備えている。 In order to solve the above problems, the fuel cell system according to claim 1 includes a fuel cell that generates power from a fuel gas and an oxidant gas, a fuel supply unit that supplies the fuel gas to the fuel cell, and an oxidant to the fuel cell. An oxidant gas supply unit that supplies gas, a combustion unit that burns fuel off gas and oxidant off gas derived from a fuel cell, a power detection device that detects the generated power generated by the fuel cell, and a combustion unit. It is a fuel cell system including a temperature sensor that detects the temperature of the combustion part, which is the temperature, and a control device that controls at least the fuel cell, and the control device is based on the generated power detected by the power detection device. A fuel flow rate setting unit that sets the flow rate of the fuel gas supplied by the fuel supply unit to the first flow rate, and a power determination unit that determines whether or not the generated power detected by the power detection device is within a predetermined power range. , The temperature determination unit that determines whether the fuel temperature detected by the temperature sensor is within the predetermined temperature range, and the power determination unit determines that the generated power is within the predetermined power range, and the temperature determination unit. Every time the state determined by the combustion unit temperature to be within the predetermined temperature range continues for the first predetermined time, the fuel flow rate set by the fuel flow rate setting unit is gradually reduced from the first flow rate. It is equipped with a fuel flow rate changing unit to be changed.

これによれば、燃料電池によって発電された発電電力が所定電力範囲内であり、かつ、燃焼部の温度が所定温度範囲内である状態が第一所定時間継続する毎に、燃料ガスの流量が段階的に減少する。すなわち、発電電力が安定している状態かつ燃焼部の燃焼状態が安定している状態にて、燃料ガスの流量を段階的に減少させることができる。よって、燃焼部の燃焼状態を確認しつつ、燃焼部にて燃料オフガスを燃焼させるための最小限必要な燃料ガスの流量にまで燃料ガスの流量を減少させることができる。したがって、燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電の高効率化を図ることができる。 According to this, every time the generated power generated by the fuel cell is within the predetermined power range and the temperature of the combustion portion is within the predetermined temperature range for the first predetermined time, the flow rate of the fuel gas is increased. It gradually decreases. That is, the flow rate of the fuel gas can be gradually reduced in a state where the generated power is stable and the combustion state of the combustion portion is stable. Therefore, the flow rate of the fuel gas can be reduced to the minimum required flow rate of the fuel gas for burning the fuel off gas in the combustion unit while checking the combustion state of the combustion unit. Therefore, in the fuel cell system, it is possible to improve the efficiency of fuel cell power generation.

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概要図である。It is a schematic diagram of the fuel cell system in one Embodiment of this invention. 図１に示す燃料電池システムのブロック図である。It is a block diagram of the fuel cell system shown in FIG. 図１に示す制御装置が実行するフローチャートである。It is a flowchart which the control device shown in FIG. 1 executes. 図１に示す制御装置が実行するフローチャートである。It is a flowchart which the control device shown in FIG. 1 executes. 図３Ａおよび図３Ｂに示すフローチャートが実行された場合の燃料電池システムの動作を示すタイムチャートであり、上から下に順に、燃料利用率、燃料ガスの流量、空気利用率、空気の流量、発電電力、第一燃焼部温度および第二燃焼部温度を示している。It is a time chart showing the operation of the fuel cell system when the flowcharts shown in FIGS. 3A and 3B are executed, and is a fuel utilization rate, a fuel gas flow rate, an air utilization rate, an air flow rate, and power generation in order from top to bottom. It shows the electric power, the temperature of the first combustion part, and the temperature of the second combustion part.

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。 Hereinafter, an embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a power generation unit 10 and a hot water storage tank 21.

発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。 The power generation unit 10 includes a housing 10a, a fuel cell module 11, a heat exchanger 12, a power conversion device 13, a water tank 14, and a control device 15. The fuel cell module 11 includes at least a fuel cell 34 as described later.

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１の排気口３１ａから排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。熱交換器１２は排気口３１ａに接続された排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。 The heat exchanger 12 is a heat exchanger in which the combustion exhaust gas exhausted from the exhaust port 31a of the fuel cell module 11 is supplied and the hot water stored from the hot water storage tank 21 is supplied, and the combustion exhaust gas and the hot water stored water exchange heat. be. An exhaust pipe 11d connected to an exhaust port 31a is connected (penetrated) to the heat exchanger 12. The heat exchanger 12 is connected to the condensed water supply pipe 12a connected to the water tank 14.

貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配置されている。 The hot water storage tank 21 stores hot water, and a hot water storage water circulation line 22 through which the hot water is circulated (circulated in the direction of the arrow in the figure) is connected. On the hot water storage water circulation line 22, the hot water storage water circulation pump 22a and the heat exchanger 12 are arranged in order from the lower end to the upper end.

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却されるとともに、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化し、改質水として貯留する。 In the heat exchanger 12, the combustion exhaust gas from the fuel cell module 11 is introduced into the heat exchanger 12 through the exhaust pipe 11d, and heat is exchanged with the hot water to be cooled and the combustion exhaust gas is cooled. The water vapor contained in it is condensed. The exhaust gas after cooling is discharged to the outside through the exhaust pipe 11d. Further, the condensed condensed water is supplied to the water tank 14 through the condensed water supply pipe 12a. The water tank 14 purifies the condensed water with an ion exchange resin and stores it as reformed water.

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。 The waste heat recovery system 20 is configured from the heat exchanger 12, the hot water storage tank 21, and the hot water storage water circulation line 22 described above. The waste heat recovery system 20 collects and stores the waste heat of the fuel cell module 11 in the hot water storage water.

さらに、電力変換装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。 Further, the power conversion device 13 inputs a DC voltage output from the fuel cell 34, converts it into a predetermined AC voltage, and is connected to an AC system power supply 16a and an external power load 16c (for example, an electric appliance). Output to line 16b.

また、電力変換装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して、後述する補機（各ポンプ１１ａ１，１１ｂ１、ブロワ１１ｃ１など）や制御装置１５に出力する。 Further, the power conversion device 13 inputs the AC voltage from the system power supply 16a via the power supply line 16b and converts it into a predetermined DC voltage to control the auxiliary equipment (each pump 11a1, 11b1, blower 11c1, etc.) described later. Output to device 15.

制御装置１５は、少なくとも燃料電池３４を制御するものである。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。制御装置１５は、燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電電力を外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように制御する（負荷追従運転）。 The control device 15 controls at least the fuel cell 34. The control device 15 drives an auxiliary machine to control the operation of the fuel cell system 1. The control device 15 controls the generated power of the fuel cell 34 so as to be the power consumption of the external power load 16c during the power generation operation of the fuel cell system 1 (load follow-up operation).

次に、燃料電池モジュールについて詳細に説明する。
燃料電池モジュール３０は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成され、排気口３１ａが設けられている。 Next, the fuel cell module will be described in detail.
The fuel cell module 30 includes a casing 31, an evaporation unit 32, a reforming unit 33, and a fuel cell 34. The casing 31 is made of a heat insulating material and is formed in a box shape, and is provided with an exhaust port 31a.

燃料電池モジュール３０は、蒸発部３２に、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。原料ポンプ１１ａ１は、改質用原料を送るポンプである。原料ポンプ１１ａ１が改質用原料を送ることによって、後述するように、燃料ガスが燃料電池３４に供給される。原料ポンプ１１ａ１は、本発明の燃料供給部に相当する。 In the fuel cell module 30, one end is connected to the evaporation unit 32 and the other end of the reforming raw material supply pipe 11a to which the reforming raw material is supplied is connected to the supply source Gs. The supply sources Gs are, for example, a gas supply pipe for city gas and a gas cylinder for LP gas. The raw material supply pipe 11a for reforming is provided with a raw material pump 11a1. The raw material pump 11a1 is a pump that sends a reforming raw material. When the raw material pump 11a1 sends the reforming raw material, the fuel gas is supplied to the fuel cell 34 as described later. The raw material pump 11a1 corresponds to the fuel supply unit of the present invention.

また、蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続されて改質水が供給される改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。改質水供給管１１ｂは、改質水を送る改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。 Further, one end (lower end) is connected to the water tank 14 and the other end of the reformed water supply pipe 11b to which the reformed water is supplied is connected to the evaporation unit 32. The reformed water supply pipe 11b is provided with a reformed water pump 11b1 for sending the reformed water.

また、燃料電池モジュール３０は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてケーシング３１内に酸化剤ガスであるカソードエア（空気）が燃料電池に供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。カソードエアブロワ１１ｃ１は、カソードエアを送るポンプである。カソードエアブロワ１１ｃ１は、後述するように、燃料電池３４にカソードエアを供給される。カソードエアブロワ１１ｃ１は、本発明の酸化剤ガス供給部に相当する。 Further, one end of the fuel cell module 30 is connected to the cathode air blower 11c1 and the other end of the cathode air supply pipe 11c in which the cathode air (air) which is an oxidant gas is supplied to the fuel cell is connected to the inside of the casing 31. ing. The cathode air blower 11c1 is a pump that sends cathode air. The cathode air blower 11c1 is supplied with cathode air to the fuel cell 34, as will be described later. The cathode air blower 11c1 corresponds to the oxidant gas supply unit of the present invention.

蒸発部３２は、改質水から水蒸気を生成するものである。蒸発部３２は、具体的には、後述する燃焼ガスにより加熱されて、水タンク１４から供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。また、蒸発部３２は、供給源Ｇｓから供給された改質用原料を予熱する。 The evaporation unit 32 generates steam from the reformed water. Specifically, the evaporation unit 32 is heated by a combustion gas described later to evaporate the reformed water supplied from the water tank 14 to generate steam. Further, the evaporation unit 32 preheats the reforming raw material supplied from the supply source Gs.

蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料とを混合して改質部３３に供給する。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。 The evaporation unit 32 mixes the steam generated in this way with the preheated reforming raw material and supplies it to the reforming unit 33. Examples of the reforming raw material include reforming gas fuels such as natural gas and LP gas, and reforming liquid fuels such as kerosene, gasoline, and methanol, and natural gas will be described in the present embodiment.

改質部３３は、供給源Ｇｓからの改質用原料と蒸発部３２からの水蒸気とから改質ガスを生成して燃料電池３４に供給するものである。改質部３３は、具体的には、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出する。 The reforming unit 33 generates a reforming gas from the reforming raw material from the supply source Gs and the steam from the evaporation unit 32, and supplies the reforming gas to the fuel cell 34. Specifically, the reforming unit 33 is heated by a combustion gas described later to supply the heat required for the steam reforming reaction, so that the mixed gas (raw material for reforming, steam) supplied from the evaporation unit 32 is supplied. ) To generate and derive a reforming gas.

改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだ改質ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。 The reforming unit 33 is filled with a catalyst (for example, a Ru or Ni-based catalyst), and the mixed gas reacts with the catalyst to be reformed to produce a reformed gas containing hydrogen gas, carbon monoxide, and the like. It is produced (so-called steam reforming reaction). The reformed gas includes hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, unreformed natural gas (methane gas), and reformed water (steam) that was not used for reforming. The steam reforming reaction is an endothermic reaction.

燃料電池３４は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電するものである。燃料ガスは、改質ガスである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。 The fuel cell 34 generates electricity from the fuel gas and the oxidant gas. The fuel gas is a reformed gas. The fuel cell 34 is configured by stacking a plurality of cells 34a composed of a fuel electrode, an air electrode (oxidizing agent electrode), and an electrolyte interposed between the two electrodes. The fuel cell 34 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell, and uses zirconium oxide, which is a kind of solid oxide, as an electrolyte.

燃料電池３４の燃料極には、燃料として改質ガス（水素、一酸化炭素、メタンガスなど）が供給される。セル３４ａの燃料極側には、燃料ガス（改質ガス）が流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。燃料電池３４は、比較的高温の動作温度にて発電が行われる。 A reformed gas (hydrogen, carbon monoxide, methane gas, etc.) is supplied as fuel to the fuel electrode of the fuel cell 34. A fuel flow path 34b through which a fuel gas (reformed gas) flows is formed on the fuel electrode side of the cell 34a. An air flow path 34c through which air (cathode air), which is an oxidant gas, flows is formed on the air electrode side of the cell 34a. The fuel cell 34 generates electricity at a relatively high operating temperature.

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３９を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口（図示なし）に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。 The fuel cell 34 is provided on the manifold 35. The reforming gas from the reforming section 33 is supplied to the manifold 35 via the reforming gas supply pipe 39. The lower end (one end) of the fuel flow path 34b is connected to the fuel outlet (not shown) of the manifold 35 so that the reformed gas derived from the fuel outlet is introduced from the lower end and led out from the upper end. It has become.

カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。 The cathode air sent out by the cathode air blower 11c1 is supplied through the cathode air supply pipe 11c, is introduced from the lower end of the air flow path 34c, and is led out from the upper end.

また、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間には、第一燃焼部３６（本発明の燃焼部に相当）が設けられている。第一燃焼部３６は、燃料電池３４から導出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼させるものである。すなわち、第一燃焼部３６は、燃料オフガスが燃焼する空間である。燃料オフガスは、発電に利用されなかった燃料ガス（改質ガス）である。酸化剤オフガスは、発電に利用されなかった酸化剤ガス（カソードエア（空気））である。第一燃焼部３６には、燃料オフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａが設けられている。 Further, a first combustion unit 36 (corresponding to the combustion unit of the present invention) is provided between the fuel cell 34, the evaporation unit 32, and the reforming unit 33. The first combustion unit 36 burns the fuel off gas and the oxidant off gas derived from the fuel cell 34. That is, the first combustion unit 36 is a space where the fuel off gas burns. Fuel off gas is fuel gas (reformed gas) that was not used for power generation. The oxidant off gas is an oxidant gas (cathode air (air)) that was not used for power generation. The first combustion unit 36 is provided with a pair of ignition heaters 36a for igniting the fuel off gas.

第一燃焼部３６は、燃料オフガスが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。その燃焼ガスが蒸発部３２および改質部３３を加熱する。また、第一燃焼部３６は、燃料電池モジュール３０内の温度を燃料電池３４の動作温度にする。さらに、第一燃焼部３６では、燃料オフガスが燃焼されて、比較的高温の燃焼排ガスが発生している。比較的高温の燃焼排ガスは、排気口３１ａおよび排気管１１ｄを介して熱交換器１２に導出される。 In the first combustion unit 36, the fuel off gas is burned to generate a combustion gas (flame 37). The combustion gas heats the evaporation unit 32 and the reforming unit 33. Further, the first combustion unit 36 sets the temperature inside the fuel cell module 30 to the operating temperature of the fuel cell 34. Further, in the first combustion unit 36, the fuel off gas is burned to generate a relatively high temperature combustion exhaust gas. The relatively high temperature combustion exhaust gas is led out to the heat exchanger 12 via the exhaust port 31a and the exhaust pipe 11d.

また、排気口３１ａには、第二燃焼部３８が設けられている。第二燃焼部３８は、燃焼排ガスのうち第一燃焼部３６で燃焼されなかった燃料オフガスを可燃性ガス（未燃焼可燃性ガス）として導入し、燃焼して導出するものである。未燃焼可燃性ガスは、例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素などである。第二燃焼部３８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばセラミックハニカムまたは、メタルハニカムと貴金属の触媒である。）で構成されている。 Further, the exhaust port 31a is provided with a second combustion unit 38. The second combustion unit 38 introduces the fuel off gas that was not burned by the first combustion unit 36 among the combustion exhaust gas as a combustible gas (uncombustible combustible gas), and burns and derives the gas. The unburnable combustible gas is, for example, hydrogen, methane gas, carbon monoxide and the like. The second combustion unit 38 is composed of a combustion catalyst (for example, a ceramic honeycomb or a catalyst of a metal honeycomb and a noble metal) which is a catalyst for combusting a combustible gas.

第二燃焼部３８には、燃焼触媒ヒータ３８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ３８ａは、未燃焼可燃性ガスを燃焼させる燃焼触媒を加熱するものである。燃焼触媒ヒータ３８ａは、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱する。 The second combustion unit 38 is provided with a combustion catalyst heater 38a. The combustion catalyst heater 38a heats a combustion catalyst that burns an unburnable combustible gas. The combustion catalyst heater 38a heats the combustion catalyst to the active temperature of the catalyst.

また、燃料電池システム１は、電流センサ４０ａ、電圧センサ４０ｂ、第一温度センサ４１（本発明の温度センサに相当）、および、第二温度センサ４２をさらに備えている。 Further, the fuel cell system 1 further includes a current sensor 40a, a voltage sensor 40b, a first temperature sensor 41 (corresponding to the temperature sensor of the present invention), and a second temperature sensor 42.

電流センサ４０ａは、燃料電池３４の発電電流を検出するものである。電圧センサ４０ｂは、燃料電池３４の発電電圧を検出するものである。電流センサ４０ａおよび電圧センサ４０ｂは、電力変換装置１３に配置されている。電流センサ４０ａの検出結果および電圧センサ４０ｂの検出結果は、制御装置１５に出力される。 The current sensor 40a detects the generated current of the fuel cell 34. The voltage sensor 40b detects the generated voltage of the fuel cell 34. The current sensor 40a and the voltage sensor 40b are arranged in the power conversion device 13. The detection result of the current sensor 40a and the detection result of the voltage sensor 40b are output to the control device 15.

第一温度センサ４１は、第一燃焼部３６の温度である第一燃焼部温度（本発明の燃焼部温度に相当）を検出するものである。第一温度センサ４１は、第一燃焼部３６において火炎３７が直接接触しない部位に配置され、配置された位置の温度を検出する。第一温度センサ４１の検出結果は、制御装置１５に出力される。 The first temperature sensor 41 detects the temperature of the first combustion unit (corresponding to the temperature of the combustion unit of the present invention), which is the temperature of the first combustion unit 36. The first temperature sensor 41 is arranged in a portion of the first combustion unit 36 where the flame 37 does not come into direct contact, and detects the temperature at the arranged position. The detection result of the first temperature sensor 41 is output to the control device 15.

第二温度センサ４２は、第二燃焼部３８の温度である第二燃焼部温度を検出するものである。第二温度センサ４２は、第二燃焼部３８に配置された位置の温度を検出する。第二温度センサ４２の検出結果は、制御装置１５に出力される。 The second temperature sensor 42 detects the temperature of the second combustion unit, which is the temperature of the second combustion unit 38. The second temperature sensor 42 detects the temperature at the position arranged in the second combustion unit 38. The detection result of the second temperature sensor 42 is output to the control device 15.

次に、制御装置１５について詳細に説明する。制御装置１５は、図２に示すように、電力算出部１５０、燃料流量設定部１５ａ、ポンプ駆動部１５ｂ、電力判定部１５ｃ、温度判定部１５ｄ、第一状態判定部１５ｅ、燃料流量変更部１５ｆ、空気流量設定部１５ｇ（本発明の酸化剤ガス流量設定部に相当）、ブロワ駆動部１５ｈ、空気流量変更部１５ｉ（本発明の酸化剤ガス流量変更部に相当）、第二状態判定部１５ｊ、吹き消え判定部１５ｋ、下限流量設定部１５ｍおよび着火制御部１５ｎを備えている。 Next, the control device 15 will be described in detail. As shown in FIG. 2, the control device 15 includes a power calculation unit 150, a fuel flow rate setting unit 15a, a pump drive unit 15b, a power determination unit 15c, a temperature determination unit 15d, a first state determination unit 15e, and a fuel flow rate change unit 15f. , Air flow rate setting unit 15 g (corresponding to the oxidant gas flow rate setting unit of the present invention), blower drive unit 15h, air flow rate changing unit 15i (corresponding to the oxidant gas flow rate changing unit of the present invention), second state determination unit 15j It is provided with a blowout determination unit 15k, a lower limit flow rate setting unit 15m, and an ignition control unit 15n.

電力算出部１５０は、電流センサ４０ａの検出結果および電圧センサ４０ｂの検出結果を用いて燃料電池３４の発電電力を算出するものである。このように、電流センサ４０ａ、電圧センサ４０ｂおよび電力算出部１５０は、燃料電池３４によって発電された発電電力を検知する電力検知装置４０に相当する。なお、電力検知装置４０において、電流センサ４０ａおよび電圧センサ４０ｂに代えて、燃料電池３４の発電電力を検出する電力センサとしても良い。この場合、電力算出部１５０を、電力センサの検出結果を取得する電力取得部とする。 The power calculation unit 150 calculates the generated power of the fuel cell 34 by using the detection result of the current sensor 40a and the detection result of the voltage sensor 40b. As described above, the current sensor 40a, the voltage sensor 40b, and the power calculation unit 150 correspond to the power detection device 40 that detects the generated power generated by the fuel cell 34. In the power detection device 40, instead of the current sensor 40a and the voltage sensor 40b, a power sensor that detects the generated power of the fuel cell 34 may be used. In this case, the power calculation unit 150 is a power acquisition unit that acquires the detection result of the power sensor.

燃料流量設定部１５ａは、電力算出部１５０によって算出された発電電力に基づいて、原料ポンプ１１ａ１によって供給される燃料ガスの流量（単位時間当たりの流量）を第一流量に設定するものである。燃料流量設定部１５ａは、燃料電池３４の発電電力と第一流量との相関関係を示す第一マップ（図示なし）を使用して、電力算出部１５０によって算出された発電電力から第一流量を導出する。第一マップは、制御装置１５の記憶部（図示なし）に記憶されている。 The fuel flow rate setting unit 15a sets the flow rate (flow rate per unit time) of the fuel gas supplied by the raw material pump 11a1 as the first flow rate based on the generated power calculated by the power calculation unit 150. The fuel flow rate setting unit 15a uses a first map (not shown) showing the correlation between the generated power of the fuel cell 34 and the first flow rate, and sets the first flow rate from the generated power calculated by the power calculation unit 150. Derived. The first map is stored in a storage unit (not shown) of the control device 15.

ポンプ駆動部１５ｂは、原料ポンプ１１ａ１によって送出される改質用原料ひいては燃料ガスの流量が燃料流量設定部１５ａによって設定された第一流量となるように、原料ポンプ１１ａ１の駆動量を制御するものである。原料ポンプ１１ａ１は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されているため、原料ポンプ１１ａ１への制御指令値は、デューティ比にて算出される。 The pump drive unit 15b controls the drive amount of the raw material pump 11a1 so that the flow rate of the reforming raw material delivered by the raw material pump 11a1 and thus the fuel gas becomes the first flow rate set by the fuel flow rate setting unit 15a. Is. Since the raw material pump 11a1 is PWM (Pulse Width Modulation) controlled, the control command value to the raw material pump 11a1 is calculated by the duty ratio.

電力判定部１５ｃは、電力算出部１５０によって算出された発電電力が所定電力範囲内であるか否かを判定するものである。所定電力範囲は、例えば上限を燃料電池３４の最大出力値とし、下限を燃料電池３４の最大出力値の９０％とする範囲である。 The power determination unit 15c determines whether or not the generated power calculated by the power calculation unit 150 is within a predetermined power range. The predetermined power range is, for example, a range in which the upper limit is the maximum output value of the fuel cell 34 and the lower limit is 90% of the maximum output value of the fuel cell 34.

温度判定部１５ｄは、第一温度センサ４１によって検出された第一燃焼部温度が所定温度範囲内であるか否かを判定するものである。所定温度範囲は、第一燃焼部３６が燃焼状態である場合であって、燃料電池３４が所定電力範囲内にて動作している場合における第一温度センサ４１の配置された位置の温度に基づいて設定されている。所定温度範囲は、予め実験等によって実測されて導出されている。 The temperature determination unit 15d determines whether or not the temperature of the first combustion unit detected by the first temperature sensor 41 is within a predetermined temperature range. The predetermined temperature range is based on the temperature at the position where the first temperature sensor 41 is arranged when the first combustion unit 36 is in the combustion state and the fuel cell 34 is operating within the predetermined power range. Is set. The predetermined temperature range is actually measured and derived by experiments or the like in advance.

第一状態判定部１５ｅは、電力判定部１５ｃによって発電電力が所定電力範囲内であると判定され、かつ、温度判定部１５ｄによって第一燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態（以下、第一状態とする。）が第一所定時間Ｔ１継続したか否かを判定するものである。第一所定時間Ｔ１は、例えば２分である。 In the first state determination unit 15e, the power generation unit 15c determines that the generated power is within the predetermined power range, and the temperature determination unit 15d determines that the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range. (Hereinafter referred to as the first state) is used to determine whether or not T1 has continued for the first predetermined time. The first predetermined time T1 is, for example, 2 minutes.

燃料流量変更部１５ｆは、第一状態判定部１５ｅによって第一状態が第一所定時間Ｔ１継続したと判定される毎に、燃料流量設定部１５ａによって設定された燃料ガスの流量を第一流量から段階的に減少させるように変更するものである（詳細は後述する）。 The fuel flow rate changing unit 15f changes the flow rate of the fuel gas set by the fuel flow rate setting unit 15a from the first flow rate each time the first state determination unit 15e determines that the first state continues T1 for the first predetermined time. It is changed so that it is gradually reduced (details will be described later).

燃料流量変更部１５ｆは、例えば、燃料ガスの流量を第一所定流量ずつ減少させる。第一所定流量は、例えば、燃料ガスの最大流量（燃料電池３４の最大出力時の燃料ガスの流量に相当）のおよそ２％に設定されている。 The fuel flow rate changing unit 15f, for example, reduces the flow rate of the fuel gas by the first predetermined flow rate. The first predetermined flow rate is set to, for example, about 2% of the maximum flow rate of the fuel gas (corresponding to the flow rate of the fuel gas at the maximum output of the fuel cell 34).

また、燃料流量変更部１５ｆは、燃料電池３４の燃料利用率が高くなるように、燃料ガスの流量を減少させるように変更する。燃料電池３４の燃料利用率は、燃料電池３４に供給される燃料ガスの流量に対する燃料電池３４の発電に利用される燃料ガスの流量の割合（燃料利用率＝（燃料電池３４の発電に利用される燃料ガスの流量）／（燃料電池３４に供給される燃料ガスの流量））である。燃料流量変更部１５ｆは、具体的には、発電に利用される燃料ガスの流量を変更せずに、発電に利用されずに燃料電池３４から導出される燃料オフガスの流量を減少させるように、燃料ガスの流量を減少させる。 Further, the fuel flow rate changing unit 15f is changed so as to reduce the flow rate of the fuel gas so that the fuel utilization rate of the fuel cell 34 becomes high. The fuel utilization rate of the fuel cell 34 is the ratio of the flow rate of the fuel gas used for power generation of the fuel cell 34 to the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell 34 (fuel utilization rate = (used for power generation of the fuel cell 34). (Flow rate of fuel gas) / (flow rate of fuel gas supplied to the fuel cell 34)). Specifically, the fuel flow rate changing unit 15f reduces the flow rate of the fuel off gas derived from the fuel cell 34 without being used for power generation without changing the flow rate of the fuel gas used for power generation. Reduce the flow of fuel gas.

また、燃料流量変更部１５ｆは、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された後に、第一燃焼部３６が燃焼状態になった場合、第一流量以下、かつ、下限流量設定部１５ｍによって設定された下限燃料流量以上の燃料ガスの流量の範囲にて、燃料ガスの流量を第一流量から段階的に減少させるように変更する（詳細は後述する）。 Further, when the first combustion unit 36 is in the combustion state after the blowout determination unit 15k determines that the blowout has occurred, the fuel flow rate changing unit 15f is equal to or less than the first flow rate and the lower limit flow rate setting unit. The fuel gas flow rate is changed to be gradually reduced from the first flow rate within the range of the fuel gas flow rate equal to or higher than the lower limit fuel flow rate set by 15 m (details will be described later).

空気流量設定部１５ｇは、電力算出部１５０によって算出された発電電力に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１によって供給される空気の流量（単位時間当たりの流量）を第二流量に設定するものである。空気流量設定部１５ｇは、燃料電池３４の発電電力と第二流量との相関関係を示す第二マップ（図示なし）を使用して、電力算出部１５０によって算出された発電電力から第二流量を導出する。第二マップは、制御装置１５の記憶部に記憶されている。 The air flow rate setting unit 15g sets the flow rate (flow rate per unit time) of the air supplied by the cathode air blower 11c1 as the second flow rate based on the generated power calculated by the power calculation unit 150. The air flow rate setting unit 15g uses a second map (not shown) showing the correlation between the generated power of the fuel cell 34 and the second flow rate, and sets the second flow rate from the generated power calculated by the power calculation unit 150. Derived. The second map is stored in the storage unit of the control device 15.

ブロワ駆動部１５ｈは、カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出される空気の流量が空気流量設定部１５ｇによって設定された第二流量となるように、カソードエアブロワ１１ｃ１の駆動量を制御するものである。カソードエアブロワ１１ｃ１は、ＰＷＭ制御されているため、カソードエアブロワ１１ｃ１への制御指令値は、デューティ比にて算出される。 The blower drive unit 15h controls the drive amount of the cathode air blower 11c1 so that the flow rate of the air sent out by the cathode air blower 11c1 becomes the second flow rate set by the air flow rate setting unit 15g. Since the cathode air blower 11c1 is PWM controlled, the control command value to the cathode air blower 11c1 is calculated by the duty ratio.

空気流量変更部１５ｉは、燃料流量変更部１５ｆによって燃料ガスの流量が変更される場合、空気の流量を空気流量設定部１５ｇによって設定された第二流量から変更するものである。空気流量変更部１５ｉは、空気の流量を減少させる場合に、空気利用率が高くなるようにする。 When the flow rate of the fuel gas is changed by the fuel flow rate changing unit 15f, the air flow rate changing unit 15i changes the air flow rate from the second flow rate set by the air flow rate setting unit 15g. The air flow rate changing unit 15i increases the air utilization rate when the air flow rate is reduced.

空気利用率は、燃料電池３４に供給される空気の流量に対する燃料電池３４の発電に利用される空気の流量の割合（空気利用率＝（燃料電池３４の発電に利用される空気の流量）／（燃料電池３４に供給される空気の流量））である。空気流量変更部１５ｉは、具体的には、発電に利用される空気の流量を変更せずに、発電に利用されずに燃料電池３４から導出される空気（酸化剤オフガス）の流量を減少させるように、空気の流量を減少させる。 The air utilization rate is the ratio of the flow rate of air used for power generation of the fuel cell 34 to the flow rate of air supplied to the fuel cell 34 (air utilization rate = (flow rate of air used for power generation of the fuel cell 34) /. (Flow rate of air supplied to the fuel cell 34)). Specifically, the air flow rate changing unit 15i reduces the flow rate of the air (oxidizer off gas) derived from the fuel cell 34 without being used for power generation without changing the flow rate of the air used for power generation. As such, reduce the flow rate of air.

また、空気流量変更部１５ｉは、燃料オフガスの流量に対する酸化剤オフガスの流量の割合が所定比率以上となるように、空気の流量を第二流量から変更する。所定比率は、１より大きい値に設定されている。 Further, the air flow rate changing unit 15i changes the air flow rate from the second flow rate so that the ratio of the oxidant off gas flow rate to the fuel off gas flow rate is equal to or higher than a predetermined ratio. The predetermined ratio is set to a value larger than 1.

空気流量変更部１５ｉは、具体的には、燃料流量変更部１５ｆによって燃料ガスの流量が実際に変更される前に、空気の流量を、第二流量から第二所定流量だけ少なくするように変更する（詳細は後述する）。第二所定流量は、燃料ガスの流量が第一流量、あるいは第一流量から変更された場合においても、燃料オフガスの流量に対する酸化剤オフガスの流量の割合が所定比率以上となるように設定されている。 Specifically, the air flow rate changing unit 15i is changed so that the air flow rate is reduced from the second flow rate by the second predetermined flow rate before the fuel gas flow rate is actually changed by the fuel flow rate changing unit 15f. (Details will be described later). The second predetermined flow rate is set so that the ratio of the flow rate of the oxidant off gas to the flow rate of the fuel off gas is equal to or higher than the predetermined ratio even when the flow rate of the fuel gas is changed from the first flow rate or the first flow rate. There is.

第二状態判定部１５ｊは、空気流量変更部１５ｉによって空気の流量が変更された場合、温度判定部１５ｄによって第一燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態（以下、第二状態とする。）が第二所定時間Ｔ２継続したか否かを判定するものである。 The second state determination unit 15j is in a state where the temperature of the first combustion unit is determined to be within a predetermined temperature range by the temperature determination unit 15d when the air flow rate is changed by the air flow rate change unit 15i (hereinafter, the second state determination unit 15j). It is determined whether or not the state) has continued for T2 for the second predetermined time.

第二状態判定部１５ｊによって第二状態が第二時間継続したと判定された場合、燃料流量設定部１５ａによって設定された燃料ガスの流量が燃料流量変更部１５ｆによって変更される（詳細は後述する）。第二所定時間Ｔ２は、本実施形態においては第一所定時間Ｔ１より短い時間（例えば１分）に設定されている。 When the second state determination unit 15j determines that the second state has continued for the second time, the fuel flow rate set by the fuel flow rate setting unit 15a is changed by the fuel flow rate changing unit 15f (details will be described later). ). The second predetermined time T2 is set to a shorter time (for example, 1 minute) than the first predetermined time T1 in the present embodiment.

吹き消え判定部１５ｋは、第二温度センサ４２によって検出された第二燃焼部温度から、第一燃焼部３６の燃焼状態が解消される吹き消えが発生しているか否かを判定するものである。第一燃焼部３６の吹き消えは、第一燃焼部３６の少なくとも一部の燃焼状態が解消（終了）することである。第一燃焼部３６の吹き消えは、想定されていない燃料ガスの濃度や流量の変化によって生じる。 The blowout determination unit 15k determines from the temperature of the second combustion unit detected by the second temperature sensor 42 whether or not the blowout that eliminates the combustion state of the first combustion unit 36 has occurred. .. Blow-out of the first combustion unit 36 means that at least a part of the combustion state of the first combustion unit 36 is eliminated (finished). The blowout of the first combustion unit 36 is caused by an unexpected change in the concentration or flow rate of the fuel gas.

燃料電池システム１の発電運転中において第一燃焼部３６が燃焼状態であるときにおいて、第一燃焼部３６の少なくとも一部が吹き消えた場合、第二燃焼部３８によって燃焼される上述した未燃焼可燃性ガスの流量が増加するため、第二燃焼部３８の温度が上昇する。これにより、第二温度センサ４２の検出温度が第一判定温度以上となった場合、吹き消え判定部１５ｋは、第一燃焼部３６の吹き消えが発生したと判定する。第一判定温度は、予め実験等によって実測されて導出されている。 When the first combustion unit 36 is in a combustion state during the power generation operation of the fuel cell system 1, if at least a part of the first combustion unit 36 is blown out, the above-mentioned unburned unit is burned by the second combustion unit 38. Since the flow rate of the combustible gas increases, the temperature of the second combustion unit 38 rises. As a result, when the detection temperature of the second temperature sensor 42 becomes equal to or higher than the first determination temperature, the blowout determination unit 15k determines that the blowout of the first combustion unit 36 has occurred. The first determination temperature is actually measured and derived by experiments or the like in advance.

下限流量設定部１５ｍは、燃料流量変更部１５ｆによって燃料ガスの流量が変更された後、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された場合、第一流量より少なく、かつ、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された時点における燃料ガスの流量より多い流量を、燃料ガスの流量の下限値である下限燃料流量に設定する。 The lower limit flow rate setting unit 15m is less than the first flow rate and is blown out when it is determined by the blowout determination unit 15k that the blowout has occurred after the fuel flow rate is changed by the fuel flow rate changing part 15f. A flow rate larger than the flow rate of the fuel gas at the time when it is determined by the determination unit 15k that the blowout has occurred is set as the lower limit fuel flow rate, which is the lower limit of the flow rate of the fuel gas.

下限流量設定部１５ｍは、具体的には、下限燃料流量を、吹き消えが発生したと判定された時点の燃料ガスの流量に対して、燃料流量変更部１５ｆによって変更される直前の燃料ガスの流量に設定する。すなわち、下限燃料流量は、吹き消えが発生したと判定された時点の燃料ガスの流量から、第一所定流量だけ多い燃料ガスの流量に設定される。 Specifically, the lower limit flow rate setting unit 15m sets the lower limit fuel flow rate of the fuel gas immediately before being changed by the fuel flow rate changing unit 15f with respect to the flow rate of the fuel gas at the time when it is determined that the blowout has occurred. Set to flow rate. That is, the lower limit fuel flow rate is set to the flow rate of the fuel gas which is larger by the first predetermined flow rate from the flow rate of the fuel gas at the time when it is determined that the blowout has occurred.

着火制御部１５ｎは、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された場合、第一燃焼部３６を着火する着火制御を実行するものである。着火制御部１５ｎは、着火ヒータをオンして着火制御を開始する。着火制御部１５ｎは、第一温度センサ４１によって検出された第一燃焼部温度が第二判定温度以上となった場合、着火制御を終了する。第二判定温度は、予め実験等によって導出されて設定されている。 The ignition control unit 15n executes ignition control for igniting the first combustion unit 36 when it is determined by the blowout determination unit 15k that the blowout has occurred. The ignition control unit 15n turns on the ignition heater and starts ignition control. The ignition control unit 15n ends the ignition control when the temperature of the first combustion unit detected by the first temperature sensor 41 becomes equal to or higher than the second determination temperature. The second determination temperature is derived and set in advance by an experiment or the like.

なお、着火制御部１５ｎは、着火制御が開始された時点から、第三所定時間（例えば３０秒）経過した時点においても、第一燃焼部３６が着火されない場合、例えば原料ポンプ１１ａ１の異常により燃料が供給されていないことが考えられる。この場合、着火制御部１５ｎは、燃料電池システム１をシャットダウンする。 If the first combustion unit 36 is not ignited even after a third predetermined time (for example, 30 seconds) has elapsed from the time when the ignition control is started, the ignition control unit 15n is fueled, for example, due to an abnormality in the raw material pump 11a1. Is not supplied. In this case, the ignition control unit 15n shuts down the fuel cell system 1.

次に、上述した燃料電池システム１が実行する高効率発電運転について、図３Ａおよび図３Ｂに示すフローチャートを用いて説明する。高効率発電運転は、燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電効率の向上させる運転である。なお、下限燃料流量の初期値は、ゼロに設定されている。 Next, the high-efficiency power generation operation executed by the fuel cell system 1 described above will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. 3A and 3B. The high-efficiency power generation operation is an operation for improving the power generation efficiency of the fuel cell 34 during the power generation operation of the fuel cell system 1. The initial value of the lower limit fuel flow rate is set to zero.

燃料電池システム１の発電運転中において、高効率発電運転が実行されていない場合、通常発電運転が実行される。通常発電運転は、上述した負荷追従運転であり、燃料電池３４の発電電力に応じて、燃料ガスの流量が第一流量に設定され（燃料流量設定部１５ａ）、かつ空気の流量が第二流量に設定されて（空気流量設定部１５ｇ）、燃料電池３４において発電が行われる。 If the high-efficiency power generation operation is not executed during the power generation operation of the fuel cell system 1, the normal power generation operation is executed. The normal power generation operation is the load follow-up operation described above, and the flow rate of the fuel gas is set to the first flow rate (fuel flow rate setting unit 15a) according to the generated power of the fuel cell 34, and the flow rate of the air is the second flow rate. Is set to (air flow rate setting unit 15 g), and power is generated in the fuel cell 34.

制御装置１５は、通常発電運転が行われている場合に、ステップＳ１０２にて、吹き消えが発生したか否かを判定する（吹き消え判定部１５ｋ）。例えば改質用原料の濃度の変動により燃料オフガスの濃度に変動が生じて第一燃焼部３６の吹き消えが発生した場合、上述したように第二燃焼部３８の温度が上昇する。これにより、第二温度センサ４２によって検出された第二燃焼部温度が第一判定温度以上となった場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１０４にて着火制御を実行する（着火制御部１５ｎ）。 The control device 15 determines in step S102 whether or not the blowout has occurred (blowout determination unit 15k) when the normal power generation operation is being performed. For example, when the concentration of the fuel off gas fluctuates due to the fluctuation of the concentration of the reforming raw material and the first combustion unit 36 is blown out, the temperature of the second combustion unit 38 rises as described above. As a result, when the temperature of the second combustion unit detected by the second temperature sensor 42 becomes equal to or higher than the first determination temperature, the control device 15 determines "YES" in step S102 and controls ignition in step S104. (Ignition control unit 15n).

改質用原料の濃度の変動が解消され、着火ヒータ３６ａがオンされたことにより、第一燃焼部３６が着火されたために、第一温度センサ４１によって検出された第一燃焼部温度が第二判定温度以上となった場合、着火制御が終了する。続けて、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１０２に戻し、通常発電運転を継続する。 Since the fluctuation of the concentration of the reforming raw material was eliminated and the ignition heater 36a was turned on, the first combustion unit 36 was ignited, so that the temperature of the first combustion unit detected by the first temperature sensor 41 was the second. When the temperature exceeds the judgment temperature, the ignition control ends. Subsequently, the control device 15 returns the program to step S102 and continues the normal power generation operation.

一方、第一燃焼部３６の燃焼状態が安定しており、第一燃焼部３６にて吹き消えが発生していない場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１０６にて、第一状態（発電電力が所定電力範囲内であり、かつ、第一燃焼部温度が所定温度範囲内である状態）が、第一所定時間Ｔ１継続したか否かを判定する（電力判定部１５ｃ、温度判定部１５ｄ、第一状態判定部１５ｅ）。 On the other hand, when the combustion state of the first combustion unit 36 is stable and the blowout does not occur in the first combustion unit 36, the control device 15 determines “NO” in step S102 and steps S106. In, it is determined whether or not the first state (the state in which the generated power is within the predetermined power range and the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range) continues T1 for the first predetermined time (power). Judgment unit 15c, temperature determination unit 15d, first state determination unit 15e).

例えば外部電力負荷１６ｃの消費電力ひいては発電電力が変動したことにより発電電力が所定電力範囲から外れたため、または、第一燃焼部３６の燃焼状態が不安定になって第一燃焼部温度が所定温度範囲から外れたために、第一所定時間Ｔ１が経過する前に第一状態が解消された場合、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて「ＮＯ」と判定する。そして、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１０２に戻して、第一燃焼部３６の燃焼状態が継続している間、ステップＳ１０２，Ｓ１０６を繰り返し実行する。 For example, the generated power is out of the predetermined power range due to the power consumption of the external power load 16c and the generated power fluctuating, or the combustion state of the first combustion unit 36 becomes unstable and the temperature of the first combustion unit becomes the predetermined temperature. If the first state is resolved before the first predetermined time T1 elapses because it is out of the range, the control device 15 determines “NO” in step S106. Then, the control device 15 returns the program to step S102, and repeatedly executes steps S102 and S106 while the combustion state of the first combustion unit 36 continues.

一方、外部電力負荷１６ｃの消費電力の変動が比較的小さく、かつ第一燃焼部３６の燃焼状態が安定しているために、第一状態が第一所定時間Ｔ１継続した場合、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１０８にて空気の流量を変更する（空気流量変更部１５ｉ）。 On the other hand, since the fluctuation of the power consumption of the external power load 16c is relatively small and the combustion state of the first combustion unit 36 is stable, when the first state continues T1 for the first predetermined time, the control device 15 , "YES" is determined in step S106, and the air flow rate is changed in step S108 (air flow rate changing unit 15i).

続けて制御装置１５は、ステップＳ１１０にてステップＳ１０２と同様に、吹き消えが発生したか否かを判定する（吹き消え判定部１５ｋ）。この吹き消えは、例えば空気の流量が変更されて第一燃焼部３６の燃焼状態が不安定となることにより発生する。 Subsequently, the control device 15 determines in step S110 whether or not blowout has occurred (blown-out determination unit 15k) in the same manner as in step S102. This blowout occurs, for example, when the flow rate of air is changed and the combustion state of the first combustion unit 36 becomes unstable.

上述したステップＳ１０８にて空気の流量が変更されて、第一燃焼部３６の吹き消えが発生したことにより、第二燃焼部温度が第一判定温度以上となった場合、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１２にて空気の流量を第二流量に戻す。さらに、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて着火制御を実行する（着火制御部１５ｎ）。そして、上述したように着火制御が終了した場合、プログラムをステップＳ１０２に戻し、通常発電運転を継続する。 When the temperature of the second combustion unit becomes equal to or higher than the first determination temperature due to the change of the air flow rate in step S108 described above and the extinction of the first combustion unit 36, the control device 15 steps. In S110, "YES" is determined, and in step S112, the air flow rate is returned to the second flow rate. Further, the control device 15 executes ignition control in step S104 (ignition control unit 15n). Then, when the ignition control is completed as described above, the program is returned to step S102, and the normal power generation operation is continued.

一方、ステップＳ１０８にて空気の流量が変更されたときにおいても、第一燃焼部３６にて吹き消えが発生していない場合、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１１４にて第二状態（第一燃焼部温度が所定温度範囲内である状態）が第二所定時間Ｔ２継続したか否かを判定する（第二状態判定部１５ｊ）。 On the other hand, even when the flow rate of air is changed in step S108, if the blowout does not occur in the first combustion unit 36, the control device 15 determines "NO" in step S110 and steps. In S114, it is determined whether or not the second state (the state in which the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range) continues for T2 for the second predetermined time (second state determination unit 15j).

例えば比較的長期間の使用により燃料電池３４が劣化している状態において、空気の流量が変更されたとき、第一燃焼部温度が上昇する。これにより、第一燃焼部温度が所定温度範囲から外れたために、第二所定時間Ｔ２が経過する前に第二状態が解消された場合、制御装置１５は、ステップＳ１１４にて「ＮＯ」と判定する。そして、第一燃焼部３６の燃焼状態が継続している間、ステップＳ１１０，Ｓ１１４を繰り返し実行する。 For example, in a state where the fuel cell 34 has deteriorated due to use for a relatively long period of time, the temperature of the first combustion unit rises when the flow rate of air is changed. As a result, if the second state is resolved before the second predetermined time T2 elapses because the temperature of the first combustion unit is out of the predetermined temperature range, the control device 15 determines "NO" in step S114. do. Then, steps S110 and S114 are repeatedly executed while the combustion state of the first combustion unit 36 continues.

なお、上述したように燃料電池３４が劣化しているときに、後述する高効率発電運転によって燃料利用率を上げるように燃料ガスの流量を変更した場合、燃料電池３４の劣化がさらに促進することが考えられる。すなわち、高効率発電運転が実行される前に、空気の流量を変更することにより、高効率発電運転を実際に実行してもよいか、確認することができる。 When the fuel cell 34 is deteriorated as described above, if the flow rate of the fuel gas is changed so as to increase the fuel utilization rate by the high-efficiency power generation operation described later, the deterioration of the fuel cell 34 is further promoted. Can be considered. That is, it is possible to confirm whether or not the high-efficiency power generation operation may actually be executed by changing the air flow rate before the high-efficiency power generation operation is executed.

一方、空気の流量が変更されても第一燃焼部３６の燃焼状態が安定しており、第二状態が第二所定時間Ｔ２継続した場合、制御装置１５は、ステップＳ１１４にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１６にて高効率運転を開始する。 On the other hand, when the combustion state of the first combustion unit 36 is stable even if the air flow rate is changed and the second state continues for T2 for the second predetermined time, the control device 15 says "YES" in step S114. The determination is made, and high-efficiency operation is started in step S116.

制御装置１５は、ステップＳ１１８にて、変更後の燃料ガスの流量が下限燃料流量以上であるか否かを判定する。下限燃料流量が初期値（ゼロ）である場合、現時点の燃料ガスの流量である第一流量が、第一所定流量だけ減少するように変更された場合においても下限燃料流量以上となるため、制御装置１５は、ステップＳ１１８にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１２０にて燃料ガスの流量を変更する（燃料流量変更部１５ｆ）。 In step S118, the control device 15 determines whether or not the flow rate of the changed fuel gas is equal to or greater than the lower limit fuel flow rate. When the lower limit fuel flow rate is the initial value (zero), the first flow rate, which is the current flow rate of the fuel gas, is equal to or higher than the lower limit fuel flow rate even when the first flow rate is changed to decrease by the first predetermined flow rate. The device 15 determines "YES" in step S118, and changes the flow rate of the fuel gas in step S120 (fuel flow rate changing unit 15f).

続けて、制御装置１５は、ステップＳ１２２にてステップＳ１０２と同様に、吹き消えが発生したか否かを判定する（吹き消え判定部１５ｋ）。燃料ガスの流量が変更されても第一燃焼部３６の吹き消えが発生していない場合、制御装置１５は、ステップＳ１２２にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１２４にてステップＳ１０６と同様に、第一状態が第一所定時間Ｔ１継続したか否かを判定する（電力判定部１５ｃ、温度判定部１５ｄ、第一状態判定部１５ｅ）。 Subsequently, the control device 15 determines in step S122 whether or not blowout has occurred (blown-out determination unit 15k) in the same manner as in step S102. If the first combustion unit 36 is not blown out even if the flow rate of the fuel gas is changed, the control device 15 determines "NO" in step S122, and in step S124, similarly to step S106. It is determined whether or not the first state has continued T1 for the first predetermined time (power determination unit 15c, temperature determination unit 15d, first state determination unit 15e).

外部電力負荷１６ｃの使用ひいては消費電力の変動が比較的小さく、かつ燃料ガスの流量が変更されても第一燃焼部３６の燃焼状態が安定しているために、第一状態が第一所定時間Ｔ１継続した場合、制御装置１５は、ステップＳ１２４にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１１８に戻す。 Since the fluctuation of the power consumption is relatively small due to the use of the external power load 16c and the combustion state of the first combustion unit 36 is stable even if the flow rate of the fuel gas is changed, the first state is the first predetermined time. When T1 is continued, the control device 15 determines "YES" in step S124, and returns the program to step S118.

このように、第一燃焼部３６の吹き消えが発生せず、かつ、変更後の燃料ガスの流量が下限燃料流量以上である場合であって、第一状態が継続する場合、上述したステップＳ１１８～Ｓ１２４が繰り返し実行される。これにより、燃料ガスの流量が、第一所定時間Ｔ１毎に、段階的に第一所定流量だけ減少するように変更される。 As described above, when the blowout of the first combustion unit 36 does not occur and the flow rate of the fuel gas after the change is equal to or higher than the lower limit fuel flow rate and the first state continues, the above-mentioned step S118 ~ S124 is repeatedly executed. As a result, the flow rate of the fuel gas is changed so as to gradually decrease by the first predetermined flow rate every T1 for the first predetermined time.

一方、後述するように下限燃料流量がゼロより大きい流量に設定された後に、上述したステップＳ１１８～Ｓ１２４が繰り返し実行されている場合において、変更後の燃料ガスの流量が下限燃料流量より少なくなる場合、制御装置１５は、ステップＳ１１８にて「ＮＯ」と判定し、燃料ガスの流量を変更せずに、ステップＳ１２２，Ｓ１２４を実行した後にステップＳ１１８に戻す。すなわち、この場合、燃料ガスの流量が変更されずに高効率発電運転が継続する。 On the other hand, when the above-mentioned steps S118 to S124 are repeatedly executed after the lower limit fuel flow rate is set to a flow rate larger than zero as described later, the changed fuel gas flow rate becomes smaller than the lower limit fuel flow rate. The control device 15 determines "NO" in step S118, executes steps S122 and S124 without changing the flow rate of the fuel gas, and then returns to step S118. That is, in this case, the high-efficiency power generation operation continues without changing the flow rate of the fuel gas.

また、上述したステップＳ１１８～Ｓ１２４が繰り返し実行されている場合において、第一燃焼部３６において吹き消えが発生した場合、制御装置１５は、ステップＳ１２２にて「ＹＥＳ」と判定する。この場合、制御装置１５は、ステップＳ１２６にて下限燃料流量を設定し（下限流量設定部１５ｍ）、ステップＳ１２８にて高効率発電運転を終了する。これにより、通常発電運転が再度実行される。さらに制御装置１５は、ステップＳ１３０にてステップＳ１０４と同様に着火制御を実行し（着火制御部１５ｎ）、プログラムをステップＳ１０２に戻す。 Further, when the above-mentioned steps S118 to S124 are repeatedly executed and the blowout occurs in the first combustion unit 36, the control device 15 determines "YES" in the step S122. In this case, the control device 15 sets the lower limit fuel flow rate in step S126 (lower limit flow rate setting unit 15 m), and ends the high-efficiency power generation operation in step S128. As a result, the normal power generation operation is executed again. Further, the control device 15 executes ignition control in step S130 in the same manner as in step S104 (ignition control unit 15n), and returns the program to step S102.

さらに、上述したステップＳ１１８～Ｓ１２４が繰り返し実行されている場合において、外部電力負荷１６ｃが変動して発電電力が所定電力範囲から外れたため、または燃料ガスの流量が減少して第一燃焼部３６の燃焼状態が不安定になったことにより第一燃焼部温度が所定温度範囲から外れたために、第一所定時間Ｔ１が経過する前に第一状態が解消された場合、制御装置１５は、ステップＳ１２４にて「ＮＯ」と判定する。続けて、制御装置１５は、ステップＳ１３２にて高効率発電を終了して、プログラムをステップＳ１０２に戻す。 Further, when the above-mentioned steps S118 to S124 are repeatedly executed, the external power load 16c fluctuates and the generated power deviates from the predetermined power range, or the flow rate of the fuel gas decreases and the first combustion unit 36 When the first state is canceled before the first predetermined time T1 elapses because the temperature of the first combustion unit is out of the predetermined temperature range due to the unstable combustion state, the control device 15 is set to step S124. Judges as "NO". Subsequently, the control device 15 ends the high-efficiency power generation in step S132, and returns the program to step S102.

次に、上述したフローチャートが実行された場合における燃料電池システム１の動作について、図４のタイムチャートを用いて説明する。発電電力が所定電力範囲内であり、第一燃焼部温度が所定温度範囲内であり、かつ、下限燃料流量が初期値（ゼロ）である状態にて通常発電運転が開始された時点（時刻ｔ１）から説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 1 when the above-mentioned flowchart is executed will be described with reference to the time chart of FIG. When the normal power generation operation is started (time t1) when the generated power is within the predetermined power range, the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range, and the lower limit fuel flow rate is the initial value (zero). ).

通常発電運転が開始された時点（時刻ｔ１）から、吹き消えが発生せず、第一状態（発電電力が所定電力範囲内であり、かつ、第一燃焼部温度が所定温度範囲内である状態）が第一所定時間Ｔ１経過した時点に（時刻ｔ２）、制御装置１５は、空気利用率が増加するように、空気の流量を第二流量から第二所定流量だけ減少するように変更する（ステップＳ１０８）。 From the time when the normal power generation operation is started (time t1), the blowout does not occur, and the first state (the generated power is within the predetermined power range and the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range). ) Elapses the first predetermined time T1 (time t2), the control device 15 changes the air flow rate from the second flow rate to the second predetermined flow rate so that the air utilization rate increases (). Step S108).

空気の流量が変更された時点（時刻ｔ２）から、吹き消えが発生せず、かつ、第二状態（第一燃焼部３６の温度が所定温度範囲内である状態）が第二所定時間Ｔ２が経過した時点に（時刻ｔ３）、高効率発電運転が開始されて（ステップＳ１１６）、燃料利用率が増加するように、燃料ガスの流量が第一流量から第一所定流量だけ減少するように第三流量に変更される（ステップＳ１２０）。この場合、燃料オフガスの流量が減少するため、第一燃焼部温度が僅かに低下する。 From the time when the air flow rate is changed (time t2), the second predetermined time T2 is the second state (the state in which the temperature of the first combustion unit 36 is within the predetermined temperature range) without the blowout occurring. When the lapse of time (time t3), the high-efficiency power generation operation is started (step S116), so that the flow rate of the fuel gas decreases from the first flow rate by the first predetermined flow rate so that the fuel utilization rate increases. It is changed to three flow rates (step S120). In this case, since the flow rate of the fuel off gas decreases, the temperature of the first combustion part decreases slightly.

燃料ガスの流量が第三流量に変更された時点（時刻ｔ３）から、吹き消えが発生せず、第一状態が継続しているため、第一所定時間Ｔ１が経過する毎に、第一所定時間Ｔ１が経過した時点に（時刻ｔ４，ｔ５）、燃料ガスの流量が第一所定流量だけ減少するように第四流量、第五流量の順に変更される（ステップＳ１２０）。 From the time when the flow rate of the fuel gas is changed to the third flow rate (time t3), the blowout does not occur and the first state continues. Therefore, every time the first predetermined time T1 elapses, the first predetermined When the time T1 has elapsed (time t4, t5), the flow rate of the fuel gas is changed in the order of the fourth flow rate and the fifth flow rate so as to decrease by the first predetermined flow rate (step S120).

そして、この燃料ガスの流量が第五流量に変更された時点（時刻ｔ５）から第一所定時間Ｔ１が経過する前に、燃料ガスの流量が低下して燃料オフガスの流量が不足したために、吹き消えが発生（時刻ｔ６）したことにより、第一燃焼部温度が徐々に低下するとともに、第二燃焼部温度が上昇する。 Then, before the first predetermined time T1 elapses from the time when the flow rate of the fuel gas is changed to the fifth flow rate (time t5), the flow rate of the fuel gas decreases and the flow rate of the fuel off gas becomes insufficient. Due to the disappearance (time t6), the temperature of the first combustion unit gradually decreases and the temperature of the second combustion unit rises.

そして、第二燃焼部温度が第一判定温度以上となった時点（時刻ｔ７）に、下限燃料流量が設定される（ステップＳ１２６）。この場合、燃料ガスの流量が第五流量である場合に吹き消えが発生したと判定されたため、第五流量に変更される直前の第四流量が下限燃料流量に設定される。 Then, the lower limit fuel flow rate is set at the time when the temperature of the second combustion unit becomes equal to or higher than the first determination temperature (time t7) (step S126). In this case, since it is determined that the blowout has occurred when the flow rate of the fuel gas is the fifth flow rate, the fourth flow rate immediately before being changed to the fifth flow rate is set as the lower limit fuel flow rate.

さらに、高効率発電運転が終了して通常発電運転に戻るため（ステップＳ１２８）、燃料ガスの流量が第一流量に設定され、空気の流量が第二流量に設定される。続けて、着火制御が開始される（ステップＳ１３０）。これにより、第一燃焼部３６が着火されて第一燃焼部温度が上昇し、第一燃焼部温度が第二判定温度に到達した時点に（時刻ｔ８）、着火制御が終了される。 Further, since the high-efficiency power generation operation ends and returns to the normal power generation operation (step S128), the flow rate of the fuel gas is set to the first flow rate, and the flow rate of the air is set to the second flow rate. Subsequently, the ignition control is started (step S130). As a result, the ignition control is terminated when the first combustion unit 36 is ignited, the temperature of the first combustion unit rises, and the temperature of the first combustion unit reaches the second determination temperature (time t8).

着火制御が終了した時点（時刻ｔ８）から、吹き消えが発生せず、第一状態が第一所定時間Ｔ１が経過した時点に（時刻ｔ９）、空気の流量を変更する（ステップＳ１０８）。さらに、吹き消えが発生せず、かつ、第二状態が第二所定時間Ｔ２が経過した時点に（時刻ｔ１０）、高効率発電運転が開始される（ステップＳ１１６）。 From the time when the ignition control is completed (time t8), the air flow rate is changed (step S108) when the blowout does not occur and the first state is the time when the first predetermined time T1 has elapsed (time t9). Further, the high-efficiency power generation operation is started at the time when the second state is the second predetermined time T2 (time t10) and the blowout does not occur (step S116).

そして、吹き消えが発生せず、第一状態が継続している間、第一所定時間Ｔ１が経過する毎に、第一所定時間Ｔ１が経過した時点に、燃料ガスの流量が第三流量、第四流量の順に変更される（時刻ｔ１０，ｔ１１）。上述したように、下限燃料流量が第四流量に設定されているため、燃料ガスの流量が第四流量に設定された時点（時刻ｔ１１）から第一所定時間Ｔ１が経過した時点においても（時刻ｔ１２）、燃料ガスの流量が変更されない。 Then, every time the first predetermined time T1 elapses while the first state continues without extinguishing, the flow rate of the fuel gas becomes the third flow rate at the time when the first predetermined time T1 elapses. It is changed in the order of the fourth flow rate (time t10, t11). As described above, since the lower limit fuel flow rate is set to the fourth flow rate, even when the first predetermined time T1 has elapsed from the time when the fuel gas flow rate is set to the fourth flow rate (time t11) (time). t12), the flow rate of fuel gas is not changed.

そして、外部電力負荷１６ｃが変動して発電電力が低下したため、所定電力範囲から外れたことにより、第一状態が解消された時点（時刻ｔ１３）に、高効率発電運転が終了して通常発電運転が再度実行される（ステップＳ１２４，Ｓ１３２）。さらに、外部電力負荷１６ｃが変動して発電電力が高くなることにより、発電電力が所定電力範囲内となった時点（時刻ｔ１４）から、吹き消えが発生せず、第一状態が第一所定時間Ｔ１継続した時点（時刻ｔ１５）に、空気の流量が変更される（ステップＳ１０８）。その後、吹き消えが発生せず、第一状態が継続する限り、第四流量を燃料ガスの流量の下限値とした高効率発電運転が継続される。 Then, since the external power load 16c fluctuates and the generated power decreases, the high-efficiency power generation operation ends at the time when the first state is resolved (time t13) due to the deviation from the predetermined power range, and the normal power generation operation is completed. Is executed again (steps S124 and S132). Further, since the external power load 16c fluctuates and the generated power becomes high, the generated power does not blow out from the time when the generated power falls within the predetermined power range (time t14), and the first state is the first predetermined time. At the time when T1 is continued (time t15), the flow rate of air is changed (step S108). After that, as long as the first state does not occur and the first state continues, the high-efficiency power generation operation with the fourth flow rate as the lower limit of the fuel gas flow rate is continued.

本実施形態によれば、燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池３４と、燃料電池３４に燃料ガスを供給する原料ポンプ１１ａ１と、燃料電池３４に酸化剤ガスを供給するカソードエアブロワ１１ｃ１と、燃料電池３４から導出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼させる第一燃焼部３６と、燃料電池３４によって発電された発電電力を検知する電力検知装置４０と、第一燃焼部３６の温度である第一燃焼部温度を検出する第一温度センサ４１と、燃料電池３４を少なくとも制御する制御装置１５と、を備えている。制御装置１５は、電力検知装置４０によって検知された発電電力に基づいて、原料ポンプ１１ａ１によって供給される燃料ガスの流量を第一流量に設定する燃料流量設定部１５ａと、電力検知装置４０によって検知された発電電力が所定電力範囲内であるか否かを判定する電力判定部１５ｃと、第一温度センサ４１によって検出された第一燃焼部温度が所定温度範囲内であるか否かを判定する温度判定部１５ｄと、電力判定部１５ｃによって発電電力が所定電力範囲内であると判定され、かつ、温度判定部１５ｄによって第一燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態（第一状態）が第一所定時間Ｔ１継続する毎に、燃料流量設定部１５ａによって設定された燃料ガスの流量を第一流量から段階的に減少させるように変更する燃料流量変更部１５ｆと、を備えている。 According to the present embodiment, the fuel cell system 1 supplies the fuel cell 34 that generates power from the fuel gas and the oxidant gas, the raw material pump 11a1 that supplies the fuel gas to the fuel cell 34, and the oxidant gas to the fuel cell 34. The cathode air blower 11c1 to be supplied, the first combustion unit 36 that burns the fuel off gas and the oxidant off gas derived from the fuel cell 34, the power detection device 40 that detects the generated power generated by the fuel cell 34, and the power detection device 40. It includes a first temperature sensor 41 that detects the temperature of the first combustion unit, which is the temperature of the first combustion unit 36, and a control device 15 that at least controls the fuel cell 34. The control device 15 is detected by the fuel flow rate setting unit 15a that sets the flow rate of the fuel gas supplied by the raw material pump 11a1 to the first flow rate based on the generated power detected by the power detection device 40, and the power detection device 40. The power determination unit 15c that determines whether or not the generated power generation power is within the predetermined power range, and the first combustion unit temperature detected by the first temperature sensor 41 determines whether or not the temperature is within the predetermined temperature range. A state in which the generated power is determined to be within the predetermined power range by the temperature determination unit 15d and the power determination unit 15c, and the temperature of the first combustion unit is determined to be within the predetermined temperature range by the temperature determination unit 15d (No. 1). A fuel flow rate changing unit 15f that changes the flow rate of the fuel gas set by the fuel flow rate setting unit 15a so as to gradually decrease from the first flow rate each time the first predetermined time T1 continues. ing.

これによれば、第一状態が第一所定時間Ｔ１継続する毎に、燃料ガスの流量が段階的に減少する。すなわち、発電電力が安定している状態かつ第一燃焼部３６の燃焼状態が安定している状態にて、燃料ガスの流量を段階的に減少させることができる。よって、第一燃焼部３６の燃焼状態を確認しつつ、第一燃焼部３６にて燃料オフガスを燃焼させるための最小限必要な燃料ガスの流量にまで燃料ガスの流量を減少させることができる。したがって、燃料電池システム１において、燃料電池３４の発電の高効率化を図ることができる。 According to this, every time the first state continues for T1 for the first predetermined time, the flow rate of the fuel gas gradually decreases. That is, the flow rate of the fuel gas can be gradually reduced in a state where the generated power is stable and the combustion state of the first combustion unit 36 is stable. Therefore, while confirming the combustion state of the first combustion unit 36, the flow rate of the fuel gas can be reduced to the minimum required flow rate of the fuel gas for burning the fuel off gas in the first combustion unit 36. Therefore, in the fuel cell system 1, it is possible to improve the efficiency of power generation of the fuel cell 34.

また、燃料流量変更部１５ｆは、燃料電池３４の燃料利用率を高くするように、燃料ガスの流量を変更する。
これによれば、燃料電池３４の発電電力を維持しつつ、燃料電池３４の発電の高効率化を図ることができる。 Further, the fuel flow rate changing unit 15f changes the flow rate of the fuel gas so as to increase the fuel utilization rate of the fuel cell 34.
According to this, it is possible to improve the efficiency of the power generation of the fuel cell 34 while maintaining the power generated by the fuel cell 34.

また、制御装置１５は、電力検知装置４０によって検知された発電電力に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１によって供給される空気の流量を第二流量に設定する空気流量設定部１５ｇと、燃料流量変更部１５ｆによって燃料ガスの流量が変更される場合、燃料オフガスの流量に対する酸化剤オフガスの流量の割合が所定比率以上となるように、空気の流量を空気流量設定部１５ｇによって設定された第二流量から変更する空気流量変更部１５ｉと、をさらに備えている。 Further, the control device 15 includes an air flow rate setting unit 15g for setting the flow rate of the air supplied by the cathode air blower 11c1 as the second flow rate based on the generated power detected by the power detection device 40, and a fuel flow rate changing unit. When the flow rate of the fuel gas is changed by 15f, the flow rate of the air is set from the second flow rate set by the air flow rate setting unit 15g so that the ratio of the flow rate of the oxidant off gas to the flow rate of the fuel off gas becomes equal to or more than a predetermined ratio. It is further provided with an air flow rate changing unit 15i to be changed.

これによれば、燃料ガスの流量が変更される場合、燃料オフガスの流量に対する酸化剤オフガスの流量の割合が所定比率以上となるように、空気の流量が変更される。よって、第一燃焼部３６の燃焼状態がより安定した状態にて、燃料電池３４の発電の高効率化を図ることができる。 According to this, when the flow rate of the fuel gas is changed, the flow rate of the air is changed so that the ratio of the flow rate of the oxidant off gas to the flow rate of the fuel off gas becomes equal to or more than a predetermined ratio. Therefore, it is possible to improve the efficiency of power generation of the fuel cell 34 in a state where the combustion state of the first combustion unit 36 is more stable.

また、制御装置１５は、第一燃焼部３６の燃焼状態が解消される吹き消えが発生しているか否かを判定する吹き消え判定部１５ｋと、燃料流量変更部１５ｆによって燃料ガスの流量が変更された後、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された場合、第一流量より少なく、かつ、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された時点における燃料ガスの流量より多い流量を、燃料ガスの流量の下限値である下限燃料流量に設定する下限流量設定部１５ｍと、をさらに備えている。燃料流量変更部１５ｆは、吹き消え判定部１５ｋによって吹き消えが発生したと判定された後に、第一燃焼部３６が燃焼状態になった場合、第一流量以下、かつ、下限流量設定部１５ｍによって設定された下限燃料流量以上の燃料ガスの流量の範囲にて、燃料ガスの流量を第一流量から段階的に減少させるように変更する。 Further, in the control device 15, the flow rate of the fuel gas is changed by the blowout determination unit 15k for determining whether or not the blowout in which the combustion state of the first combustion unit 36 is eliminated has occurred, and the fuel flow rate change unit 15f. If it is determined by the blowout determination unit 15k that the blowout has occurred, the flow rate of the fuel gas is less than the first flow rate and at the time when the blowout determination unit 15k determines that the blowout has occurred. Further, a lower limit flow rate setting unit 15 m for setting a larger flow rate to the lower limit fuel flow rate, which is a lower limit value of the fuel gas flow rate, is provided. When the first combustion unit 36 is in a combustion state after the fuel flow rate changing unit 15f is determined to have been blown out by the blowout determination unit 15k, the fuel flow rate changing unit 15f is equal to or less than the first flow rate and is determined by the lower limit flow rate setting unit 15m. The fuel gas flow rate is changed to be gradually reduced from the first flow rate within the range of the fuel gas flow rate equal to or higher than the set lower limit fuel flow rate.

これによれば、燃料ガスの流量が減少して第一燃焼部３６の吹き消えが発生した後、第一燃焼部３６が再度燃焼状態となり、燃料ガスの流量の減少が再度実行される場合には、吹き消えが発生した時点の燃料ガスの流量より多い流量を、燃料ガスの流量の下限値とする。このため、吹き消えが発生した時点の燃料ガスの流量より多い流量にて、燃料ガスの流量の減少が再度実行される。よって、第一燃焼部３６の吹き消えの発生を抑制しつつ、燃料電池３４の発電の高効率化を図ることができる。 According to this, when the flow rate of the fuel gas decreases and the first combustion unit 36 is blown out, the first combustion unit 36 is put into the combustion state again, and the decrease in the flow rate of the fuel gas is executed again. Sets the lower limit of the fuel gas flow rate to be larger than the fuel gas flow rate at the time when the blowout occurs. Therefore, the decrease in the flow rate of the fuel gas is executed again at a flow rate higher than the flow rate of the fuel gas at the time when the blowout occurs. Therefore, it is possible to improve the efficiency of power generation of the fuel cell 34 while suppressing the occurrence of the blowout of the first combustion unit 36.

なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、下限流量設定部１５ｍは、下限燃料流量を、吹き消えが発生したと判定された時点の燃料ガスの流量に対して、燃料流量変更部１５ｆによって変更される直前の燃料ガスの流量に設定しているが、これに対して、燃料流量変更部１５ｆによって変更される直前の燃料ガスの流量より多い流量に設定しても良い。 Although an example of the fuel cell system is shown in the above-described embodiment, the present invention is not limited to this, and other configurations may be adopted. For example, the lower limit flow rate setting unit 15m sets the lower limit fuel flow rate to the flow rate of the fuel gas immediately before being changed by the fuel flow rate changing unit 15f with respect to the flow rate of the fuel gas at the time when it is determined that the blowout has occurred. However, on the other hand, the flow rate may be set to be larger than the flow rate of the fuel gas immediately before being changed by the fuel flow rate changing unit 15f.

また、上述した実施形態において、吹き消え判定部１５ｋは、第一燃焼部３６の吹き消えが発生したか否かを、第二燃焼部温度に基づいて判定しているが、これに代えて、第一燃焼部温度に基づいて判定するようにしてもよい。この場合、第一燃焼部温度が第二判定温度より低い第三判定温度以下となった場合、第一燃焼部３６の吹き消えが発生したと判定される。 Further, in the above-described embodiment, the blowout determination unit 15k determines whether or not the blowout of the first combustion unit 36 has occurred based on the temperature of the second combustion unit. The determination may be made based on the temperature of the first combustion unit. In this case, when the temperature of the first combustion unit is lower than the second determination temperature and is equal to or lower than the third determination temperature, it is determined that the first combustion unit 36 has been blown out.

また、上述した実施形態において、高効率発電運転にて燃料ガスの流量が変更される前に、空気の流量が変更されているが、これに代えて、燃料ガスの流量の変更と同時に、または、燃料ガスの流量を変更した後に、空気の流量を変更しても良い。さらに、空気の流量の変更を燃料ガスの流量の変更と同様に、段階的に変更するようにしても良い。また、空気の流量を第二流量のまま変更しなくても良い。 Further, in the above-described embodiment, the air flow rate is changed before the fuel gas flow rate is changed in the high-efficiency power generation operation. , The flow rate of air may be changed after changing the flow rate of fuel gas. Further, the change of the air flow rate may be changed stepwise in the same manner as the change of the fuel gas flow rate. Further, it is not necessary to change the air flow rate as the second flow rate.

また、上述した実施形態において、燃料流量変更部１５ｆは、第一所定時間Ｔ１経過する毎に燃料ガスの流量を第一所定流量の一定量を減少させるように変更しているが、これに代えて、第一所定時間Ｔ１経過する毎に異なる流量を減少させるように変更しても良い。 Further, in the above-described embodiment, the fuel flow rate changing unit 15f is changed so that the flow rate of the fuel gas is reduced by a certain amount every time the first predetermined time T1 elapses. Therefore, the flow rate may be changed so as to decrease each time T1 elapses for the first predetermined time.

また、上述した実施形態において、下限燃料流量は、燃料流量設定部１５ａによって設定され、燃料流量変更部１５ｆによって変更された燃料ガスの流量から設定されるが、これに代えて、改質用原料供給管１１ａに改質用原料の流量を検出する流量センサ（図示なし）を配置して、流量センサの検出結果から下限燃料流量を設定するようにしても良い。この場合、燃料ガスの流量の制御指令値でなく、燃料ガスの実際の流量に基づいて下限燃料流量が設定されるため、下限燃料流量を精度よく設定することができる。 Further, in the above-described embodiment, the lower limit fuel flow rate is set by the fuel flow rate setting unit 15a and is set from the fuel gas flow rate changed by the fuel flow rate changing unit 15f. A flow rate sensor (not shown) for detecting the flow rate of the reforming raw material may be arranged in the supply pipe 11a, and the lower limit fuel flow rate may be set from the detection result of the flow rate sensor. In this case, since the lower limit fuel flow rate is set based on the actual flow rate of the fuel gas instead of the control command value of the flow rate of the fuel gas, the lower limit fuel flow rate can be set accurately.

また、上述した実施形態において、第一状態は、電力判定部１５ｃによって発電電力が所定電力範囲内であると判定され、かつ、温度判定部１５ｄによって第一燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態であるが、これに代えて、発電電力が燃料電池３４の最大発電電力であり、かつ、温度判定部１５ｄによって第一燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態としても良い。この場合、電力判定部１５ｃは、発電電力が燃料電池３４の最大発電電力であるか否かを判定する。また、燃料流量変更部１５ｆは、発電電力が燃料電池３４の最大発電電力であり、かつ、温度判定部１５ｄによって第一燃焼部温度が所定温度範囲内であると判定された状態が第一所定時間Ｔ１継続する毎に、燃料ガスの流量を段階的に減少するように変更する。 Further, in the above-described embodiment, in the first state, the power generation unit 15c determines that the generated power is within the predetermined power range, and the temperature determination unit 15d determines that the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range. However, instead of this, it is determined that the generated power is the maximum generated power of the fuel cell 34 and the temperature of the first combustion unit is within the predetermined temperature range by the temperature determination unit 15d. It may be in a state. In this case, the power determination unit 15c determines whether or not the generated power is the maximum generated power of the fuel cell 34. Further, the fuel flow rate changing unit 15f is in a state where the generated power is the maximum generated power of the fuel cell 34 and the temperature of the first combustion unit is determined by the temperature determination unit 15d to be within a predetermined temperature range. Every time the time T1 continues, the flow rate of the fuel gas is changed to gradually decrease.

１…燃料電池システム、１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ａ１…原料ポンプ（燃料供給部）、１１ｃ１…カソードエアブロワ（酸化剤ガス供給部）、１５…制御装置、１５ａ…燃料流量設定部、１５ｃ…電力判定部、１５ｄ…温度判定部、１５ｅ…第一状態判定部、１５ｆ…燃料流量変更部、１５ｇ…空気流量設定部（酸化剤ガス流量設定部）、１５ｉ…空気流量変更部（酸化剤ガス流量変更部）、１５ｊ…第二状態判定部、１５ｋ…吹き消え判定部、１５ｍ…下限流量設定部、１５ｎ…着火制御部、３４…燃料電池、３６…第一燃焼部（燃焼部）、４０…電力検知装置、４１…第一温度センサ、４２…第二温度センサ、Ｔ１…第一所定時間、Ｔ２…第二所定時間。 1 ... Fuel cell system, 11 (30) ... Fuel cell module, 11a1 ... Raw material pump (fuel supply unit), 11c1 ... Cathode air blower (oxidizer gas supply unit), 15 ... Control device, 15a ... Fuel flow rate setting unit, 15c ... Power determination unit, 15d ... Temperature determination unit, 15e ... First state determination unit, 15f ... Fuel flow rate changing unit, 15g ... Air flow rate setting unit (oxidizer gas flow rate setting unit), 15i ... Air flow rate changing unit (oxidation) Agent gas flow rate changing unit), 15j ... second state determination unit, 15k ... blowout determination unit, 15m ... lower limit flow rate setting unit, 15n ... ignition control unit, 34 ... fuel cell, 36 ... first combustion unit (combustion unit) , 40 ... power detection device, 41 ... first temperature sensor, 42 ... second temperature sensor, T1 ... first predetermined time, T2 ... second predetermined time.

Claims (4)

燃料ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池から導出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃料電池によって発電された発電電力を検知する電力検知装置と、
前記燃焼部の温度である燃焼部温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記電力検知装置によって検知された前記発電電力に基づいて、前記燃料供給部によって供給される前記燃料ガスの流量を第一流量に設定する燃料流量設定部と、
前記電力検知装置によって検知された前記発電電力が所定電力範囲内であるか否かを判定する電力判定部と、
前記温度センサによって検出された前記燃焼部温度が所定温度範囲内であるか否かを判定する温度判定部と、
前記電力判定部によって前記発電電力が前記所定電力範囲内であると判定され、かつ、前記温度判定部によって前記燃焼部温度が前記所定温度範囲内であると判定された状態が第一所定時間継続する毎に、前記燃料流量設定部によって設定された前記燃料ガスの流量を前記第一流量から段階的に減少させるように変更する燃料流量変更部と、を備えている燃料電池システム。 Fuel cells that generate electricity from fuel gas and oxidant gas,
A fuel supply unit that supplies the fuel gas to the fuel cell,
An oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to the fuel cell,
A combustion unit that burns the fuel off gas and the oxidant off gas derived from the fuel cell,
A power detection device that detects the generated power generated by the fuel cell, and
A temperature sensor that detects the temperature of the combustion unit, which is the temperature of the combustion unit,
A fuel cell system including a control device for at least controlling the fuel cell.
The control device is
A fuel flow rate setting unit that sets the flow rate of the fuel gas supplied by the fuel supply unit to the first flow rate based on the generated power detected by the power detection device.
A power determination unit that determines whether or not the generated power detected by the power detection device is within a predetermined power range, and
A temperature determination unit for determining whether or not the temperature of the combustion unit detected by the temperature sensor is within a predetermined temperature range, and a temperature determination unit.
The state in which the generated power is determined by the power determination unit to be within the predetermined power range and the temperature of the combustion unit is determined to be within the predetermined temperature range by the temperature determination unit continues for the first predetermined time. A fuel cell system including a fuel flow rate changing unit that changes the flow rate of the fuel gas set by the fuel flow rate setting unit so as to gradually decrease from the first flow rate. 前記燃料流量変更部は、前記燃料電池の燃料利用率を高くするように、前記燃料ガスの流量を減少させるように変更する請求項１に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel flow rate changing unit is changed so as to increase the fuel utilization rate of the fuel cell and reduce the flow rate of the fuel gas. 前記制御装置は、
前記電力検知装置によって検知された前記発電電力に基づいて、前記酸化剤ガス供給部によって供給される前記酸化剤ガスの流量を第二流量に設定する酸化剤ガス流量設定部と、
前記燃料流量変更部によって前記燃料ガスの流量が変更される場合、前記燃料オフガスの流量に対する前記酸化剤オフガスの流量の割合が所定比率以上となるように、前記酸化剤ガスの流量を前記酸化剤ガス流量設定部によって設定された前記第二流量から変更する酸化剤ガス流量変更部と、をさらに備えている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。 The control device is
An oxidant gas flow rate setting unit that sets the flow rate of the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply unit to the second flow rate based on the generated power detected by the power detection device.
When the flow rate of the fuel gas is changed by the fuel flow rate changing unit, the flow rate of the oxidant gas is changed to the oxidant so that the ratio of the flow rate of the oxidant off gas to the flow rate of the fuel off gas is equal to or more than a predetermined ratio. The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising an oxidant gas flow rate changing unit that changes from the second flow rate set by the gas flow rate setting unit. 前記制御装置は、
前記燃焼部の燃焼状態が解消される吹き消えが発生しているか否かを判定する吹き消え判定部と、
前記燃料流量変更部によって前記燃料ガスの流量が変更された後、前記吹き消え判定部によって前記吹き消えが発生したと判定された場合、前記第一流量より少なく、かつ、前記吹き消え判定部によって前記吹き消えが発生したと判定された時点における前記燃料ガスの流量より多い流量を、前記燃料ガスの流量の下限値である下限燃料流量に設定する下限流量設定部と、をさらに備え、
前記燃料流量変更部は、
前記吹き消え判定部によって前記吹き消えが発生したと判定された後に、前記燃焼部が燃焼状態になった場合、
前記第一流量以下、かつ、前記下限流量設定部によって設定された前記下限燃料流量以上の前記燃料ガスの流量の範囲にて、前記燃料ガスの流量を前記第一流量から段階的に減少させるように変更する請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control device is
A blowout determination unit that determines whether or not a blowout that eliminates the combustion state of the combustion unit has occurred, and a blowout determination unit.
After the flow rate of the fuel gas is changed by the fuel flow rate changing unit, when it is determined by the blowout determination unit that the blowout has occurred, the flow rate is less than the first flow rate and the blowout determination unit determines. Further provided with a lower limit flow rate setting unit for setting a flow rate higher than the flow rate of the fuel gas at the time when it is determined that the blowout has occurred is set to the lower limit fuel flow rate which is the lower limit value of the flow rate of the fuel gas.
The fuel flow rate changing unit is
When the combustion unit is in a combustion state after it is determined by the blowout determination unit that the blowout has occurred.
The flow rate of the fuel gas is gradually reduced from the first flow rate within the range of the flow rate of the fuel gas equal to or lower than the first flow rate and equal to or higher than the lower limit fuel flow rate set by the lower limit flow rate setting unit. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, which is changed to.
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