JP7226129B2 - Fuel cell system and its control method - Google Patents
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Description
本開示は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する複数の単セルを含む燃料電池スタックを含む燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to a fuel cell system including a fuel cell stack including a plurality of single cells that generate power through an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and a method of controlling the fuel cell system.
従来、この種の燃料電池システムとして、アノードガスの原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、改質水を供給するための水ポンプと、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質燃料ガスおよびカソードガス(酸化材)の酸化および還元により発電する燃料電池スタックと、燃料ポンプおよび水ポンプを制御するためのコントローラとを含むものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池システムのコントローラは、燃料電池システムの運転状態が部分負荷運転状態であるときに、部分負荷運転状態に対応した部分負荷通常燃料利用率を燃料利用率に設定すると共に、部分負荷運転状態で発電電流が静定状態に維持されると、発電効率を高めるために部分負荷高燃料利用率を燃料利用率に設定する。更に、当該コントローラは、部分負荷通常燃料利用率を設定した際に、燃料電池セルスタックの発電電流と改質器におけるスチームカーボン比(S/C)との関係に基づいて通常S/Cをスチームカーボン比に設定し、部分負荷高燃料利用率を設定した際に、通常S/Cよりも小さい低S/Cをスチームカーボン比に設定する。これにより、低S/Cの設定により改質燃料ガスに含まれるスチーム(水蒸気)の量が減少することで、燃料利用率を大きくしたことによる燃料電池スタックの温度低下が抑制される。 Conventionally, this type of fuel cell system includes a fuel pump for supplying raw fuel gas for anode gas, a water pump for supplying reforming water, and a reformer for steam reforming the raw fuel gas. , a fuel cell stack that generates electricity by oxidation and reduction of a reformed fuel gas and a cathode gas (oxidant), and a controller for controlling a fuel pump and a water pump (see, for example, Patent Document 1). When the operating state of the fuel cell system is the partial load operating state, the controller of the fuel cell system sets the partial load normal fuel utilization rate corresponding to the partial load operating state to the fuel utilization rate, and sets the partial load operating state to the partial load normal fuel utilization rate. When the generated current is maintained in a static state at , the partial load high fuel utilization rate is set as the fuel utilization rate in order to increase the power generation efficiency. Furthermore, when the partial load normal fuel utilization rate is set, the controller steams the normal S/C based on the relationship between the generated current of the fuel cell stack and the steam carbon ratio (S/C) in the reformer. When the carbon ratio is set and the partial load high fuel utilization rate is set, a low S/C smaller than the normal S/C is set as the steam carbon ratio. As a result, the amount of steam (water vapor) contained in the reformed fuel gas is reduced by setting the low S/C, thereby suppressing the temperature drop of the fuel cell stack due to the increased fuel utilization rate.
上述のような燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度を直接測定するのは困難であることから、燃料電池スタックの近傍に配置された温度センサにより当該燃料電池スタックの温度に相関する温度が検出される。そして、燃料電池スタックの温度を適正範囲内に維持して燃料電池スタックの性能や耐久性を良好に確保するために、当該温度センサの検出値が目標温度になるように燃料電池システムの各種制御パラメータが設定される。しかしながら、上述のように、燃料電池スタックの状態に応じて改質器におけるスチームカーボン比を変化させた場合、温度センサの検出値が目標温度になるように燃料電池システムを制御しても、燃料電池スタックの温度を適正に維持し得なくなることがある。 Since it is difficult to directly measure the temperature of the fuel cell stack in the fuel cell system as described above, a temperature sensor placed near the fuel cell stack detects a temperature correlated with the temperature of the fuel cell stack. be done. In order to keep the temperature of the fuel cell stack within an appropriate range and ensure good performance and durability of the fuel cell stack, various controls of the fuel cell system are performed so that the detected value of the temperature sensor reaches the target temperature. parameters are set. However, as described above, when the steam carbon ratio in the reformer is changed according to the state of the fuel cell stack, even if the fuel cell system is controlled so that the detected value of the temperature sensor becomes the target temperature, the fuel It may become impossible to maintain the temperature of the battery stack properly.
そこで、本開示は、燃料電池システムの効率を向上させつつ、燃料電池スタックの温度を適正に維持して当該燃料電池スタックの性能や耐久性を良好に確保することを主目的とする。 Therefore, the main object of the present disclosure is to improve the efficiency of a fuel cell system and maintain the temperature of the fuel cell stack appropriately to ensure good performance and durability of the fuel cell stack.
本開示の燃料電池システムは、それぞれアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する複数の単セルを含む燃料電池スタックと、原燃料ガスを水蒸気改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの温度に相関する温度を検出する温度センサと、前記燃料電池スタックの定格運転中に第1条件が成立した際に、前記改質器におけるスチームカーボン比の目標比を予め定められた基準比よりも小さくして前記スチームカーボン比が前記目標比に一致するように前記改質器への水蒸気の供給量を調整すると共に、前記温度センサにより検出される前記温度が前記スチームカーボン比の前記目標比に基づいて補正された目標温度に一致するように前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を調整する制御装置とを含むものである。 The fuel cell system of the present disclosure includes a fuel cell stack including a plurality of single cells that generate power through an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and a reformer that steam reforms raw fuel gas to generate the anode gas. a temperature sensor for detecting a temperature correlated with the temperature of the fuel cell stack; and steam in the reformer when a first condition is satisfied during rated operation of the fuel cell stack. Adjusting the amount of steam supplied to the reformer so that the target ratio of the carbon ratio is smaller than a predetermined reference ratio so that the steam carbon ratio matches the target ratio, and the temperature sensor detects the target ratio. a control device for adjusting the supply amount of the cathode gas to the fuel cell stack so that the temperature obtained coincides with the target temperature corrected based on the target ratio of the steam carbon ratio.
本開示の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの定格運転中に第1条件が成立した際に、改質器におけるスチームカーボン比の目標比が予め定められた基準比よりも小さく設定され、当該スチームカーボン比が目標比に一致するように改質器への水蒸気の供給量が調整される。これにより、原燃料ガスの改質に要するエネルギを減らすと共にアノードガス中の水蒸気量を減らして燃料電池システムの効率を向上させることができる。ここで、本発明者らの研究によれば、定格運転中の第1条件の成立に応じてスチームカーボン比を小さくした場合、燃料電池スタックの温度と温度センサの検出値との間の相関にズレを生じ、それにより燃料電池スタックの温度を適正に維持し得なくなることが判明した。これを踏まえて、本開示の燃料電池システムでは、スチームカーボン比の目標比が基準比よりも小さく設定されると、当該目標比に基づいて目標温度が補正されると共に温度センサにより検出される温度が当該目標温度に一致するように燃料電池スタックへのカソードガスの供給量が調整される。これにより、スチームカーボン比を小さくすることで燃料電池スタックの温度と温度センサの検出値との間の相関にズレを生じても、燃料電池スタックの温度を適正に維持することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させつつ、燃料電池スタックの温度を適正に維持して当該燃料電池スタックの性能や耐久性を良好に確保することが可能となる。 In the fuel cell system of the present disclosure, when the first condition is satisfied during rated operation of the fuel cell stack, the target ratio of the steam carbon ratio in the reformer is set smaller than the predetermined reference ratio, and the steam The amount of steam supplied to the reformer is adjusted so that the carbon ratio matches the target ratio. As a result, the energy required for reforming the raw fuel gas can be reduced, and the amount of water vapor in the anode gas can be reduced, thereby improving the efficiency of the fuel cell system. Here, according to the research of the present inventors, when the steam carbon ratio is reduced in accordance with the establishment of the first condition during rated operation, the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the detected value of the temperature sensor is It has been found that there is a misalignment which makes it impossible to properly maintain the temperature of the fuel cell stack. Based on this, in the fuel cell system of the present disclosure, when the target ratio of the steam carbon ratio is set smaller than the reference ratio, the target temperature is corrected based on the target ratio and the temperature detected by the temperature sensor is corrected. is adjusted to match the target temperature. As a result, even if the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the detected value of the temperature sensor deviates due to the reduced steam carbon ratio, the temperature of the fuel cell stack can be properly maintained. As a result, while improving the efficiency of the fuel cell system, it is possible to properly maintain the temperature of the fuel cell stack and ensure good performance and durability of the fuel cell stack.
また、前記制御装置は、前記定格運転中に前記第1条件が成立した際に、前記スチームカーボン比の前記目標比を前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量が少ないほど小さくなるように設定すると共に、前記目標温度を前記目標比に基づいて高く補正するものであってもよい。これにより、スチームカーボン比を小さくすることで燃料電池スタックの温度と温度センサの検出値との間の相関にズレを生じても、燃料電池スタックの温度低下を良好に抑制することが可能となる。 Further, when the first condition is satisfied during the rated operation, the control device sets the target ratio of the steam carbon ratio to be smaller as the amount of the cathode gas supplied to the fuel cell stack is smaller. In addition to setting, the target temperature may be corrected to be higher based on the target ratio. As a result, even if the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the detected value of the temperature sensor deviates due to the reduced steam carbon ratio, it is possible to satisfactorily suppress the decrease in the temperature of the fuel cell stack. .
更に、前記第1条件は、少なくとも前記改質器に供給される前記原燃料ガスと前記水蒸気との混合ガスの温度が予め定められた範囲内に含まれる際に成立してもよい。これにより、スチームカーボン比を小さくするために水蒸気の供給量を減少させたことによる改質器の故障の発生を良好に抑制することが可能となる。 Furthermore, the first condition may be satisfied when at least the temperature of the mixed gas of the raw fuel gas and the steam supplied to the reformer is within a predetermined range. As a result, it is possible to satisfactorily suppress the occurrence of failures in the reformer due to the reduction in the amount of steam supplied in order to reduce the steam carbon ratio.
また、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの前記定格運転中に第2条件が成立した際に、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率の目標利用率を予め定められた基準利用率よりも大きくして前記燃料利用率が前記目標利用率に一致するように前記改質器への前記原燃料ガスの供給量を調整すると共に、前記温度センサにより検出される前記温度が前記燃料利用率の前記目標利用率に基づいて補正された前記目標温度に一致するように前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を調整するものであってもよい。すなわち、本発明者らの研究によれば、定格運転中の第2条件の成立に応じて燃料利用率を大きくした場合にも、燃料電池スタックの温度と温度センサの検出値との間の相関にズレを生じ、それにより燃料電池スタックの温度を適正に維持し得なくなることが判明した。これを踏まえて、かかる態様の燃料電池システムでは、燃料利用率の目標利用率が基準利用率よりも大きく設定されると、当該目標利用率に基づいて目標温度が補正されると共に温度センサにより検出される温度が当該目標温度に一致するように燃料電池スタックへのカソードガスの供給量が調整される。これにより、燃料利用率を大きくすることで燃料電池スタックの温度と温度センサの検出値との間の相関にズレを生じても、燃料電池スタックの温度を適正に維持することができる。そして、かかる燃料電池システムにおいて、定格運転中に燃料利用率の変更とスチームカーボン比の変更とを並行して実行することで、燃料利用率を大きくして発電効率を向上させつつ、スチームカーボン比を小さくしてエネルギ効率を高めると共に燃料利用率を大きくしたことによる燃料電池スタックの温度低下を良好に抑制することが可能となる。 Further, the control device increases a target fuel utilization rate of the fuel cell stack higher than a predetermined reference utilization rate when a second condition is satisfied during the rated operation of the fuel cell stack. to adjust the supply amount of the raw fuel gas to the reformer so that the fuel utilization rate coincides with the target utilization rate, and the temperature detected by the temperature sensor determines the target fuel utilization rate. The amount of the cathode gas supplied to the fuel cell stack may be adjusted so as to match the target temperature corrected based on the utilization rate. That is, according to the research of the present inventors, even when the fuel utilization rate is increased according to the establishment of the second condition during rated operation, the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the detected value of the temperature sensor It has been found that the temperature of the fuel cell stack cannot be maintained properly. Based on this, in the fuel cell system of this aspect, when the target utilization rate of the fuel utilization rate is set higher than the reference utilization rate, the target temperature is corrected based on the target utilization rate and detected by the temperature sensor. The amount of cathode gas supplied to the fuel cell stack is adjusted so that the temperature to be supplied matches the target temperature. As a result, even if the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the detected value of the temperature sensor deviates due to the increase in the fuel utilization rate, the temperature of the fuel cell stack can be properly maintained. In such a fuel cell system, by simultaneously changing the fuel utilization rate and the steam carbon ratio during rated operation, the fuel utilization rate is increased and the power generation efficiency is improved, while the steam carbon ratio is increased. can be reduced to improve the energy efficiency, and the decrease in the temperature of the fuel cell stack due to the increase in the fuel utilization rate can be suppressed satisfactorily.
更に、前記制御装置は、前記定格運転中の前記第2条件の成立に応じて前記燃料利用率の前記目標利用率を前記基準利用率から予め定められた上限値まで段階的に大きく設定し、前記目標温度を前記目標利用率に基づいて高く補正するものであってもよい。これにより、燃料電池スタックの温度低下を良好に抑制しながら、燃料利用率を大きくしていくことが可能となる。 Further, the control device gradually increases the target utilization rate of the fuel utilization rate from the reference utilization rate to a predetermined upper limit value according to the establishment of the second condition during the rated operation, The target temperature may be corrected higher based on the target utilization rate. As a result, it becomes possible to increase the fuel utilization rate while satisfactorily suppressing a decrease in the temperature of the fuel cell stack.
また、前記第2条件は、少なくとも前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度が予め定められた範囲内に含まれる際に成立してもよい。これにより、アノードガス中の燃料成分の燃焼性が悪化している状態で燃料利用率を大きくして発電効率を悪化させてしまうのを抑制することが可能となる Further, the second condition may be satisfied at least when the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack is within a predetermined range. As a result, it is possible to suppress deterioration of the power generation efficiency by increasing the fuel utilization rate in a state where the combustibility of the fuel component in the anode gas is deteriorated.
本開示の燃料電池システムの制御方法は、それぞれアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する複数の単セルを含む燃料電池スタックと、原燃料ガスを水蒸気改質して前記アノードガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックの温度に相関する温度を検出する温度センサとを含む燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックの定格運転中に第1条件が成立した際に、前記改質器におけるスチームカーボン比の目標比を予め定められた基準比よりも小さくして前記スチームカーボン比が前記目標比に一致するように前記改質器への水蒸気の供給量を調整すると共に、前記温度センサにより検出される前記温度が前記スチームカーボン比の前記目標比に基づいて補正された目標温度に一致するように前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を調整するものである。 A control method for a fuel cell system according to the present disclosure includes a fuel cell stack including a plurality of single cells each generating power through an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and steam reforming raw fuel gas to generate the anode gas. and a temperature sensor for detecting a temperature correlated with the temperature of the fuel cell stack, wherein when a first condition is satisfied during rated operation of the fuel cell stack and adjusting the steam supply amount to the reformer so that the target ratio of the steam carbon ratio in the reformer is smaller than a predetermined reference ratio and the steam carbon ratio matches the target ratio. and adjusting the supply amount of the cathode gas to the fuel cell stack so that the temperature detected by the temperature sensor coincides with the target temperature corrected based on the target ratio of the steam carbon ratio. is.
かかる方法によれば、燃料電池システムの効率を向上させつつ、燃料電池スタックの温度を適正に維持して当該燃料電池スタックの性能や耐久性を良好に確保することが可能となる。 According to such a method, it is possible to improve the efficiency of the fuel cell system, maintain the temperature of the fuel cell stack appropriately, and ensure good performance and durability of the fuel cell stack.
次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。 Next, embodiments for carrying out the invention of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1は、本開示の燃料電池システム10を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム10は、アノードガス(燃料ガス)中の水素とカソードガス(酸化剤ガス)である空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタックFCSを有する発電ユニット20と、湯水を貯留する貯湯タンク101を有する給湯ユニット100と、システム全体を制御する制御装置80とを含む。発電ユニット20は、2つの燃料電池スタックFCSや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース31、気化器(蒸発器)33、2つの改質器34等を含む発電モジュール30と、発電モジュール30の気化器33に例えば天然ガスやLPガスといった原燃料ガス(原燃料)を供給するための原燃料ガス供給系統40と、発電モジュール30の燃料電池スタックFCSにカソードガスとしての空気を供給するための空気供給系統50と、発電モジュール30の気化器33に改質水を供給するための改質水供給系統55と、発電モジュール30で発生した排熱を回収するための排熱回収系統60と、燃料電池スタックFCSの出力端子に接続されたパワーコンディショナ71と、これらを収容する筐体22とを含む。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a
本実施形態において、発電モジュール30の2つの燃料電池スタックFCSは、間隔をおいて互いに対向するように、モジュールケース31内に配置されたマニホールド32上に設置される。各燃料電池スタックFCSは、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図1中左右方向(水平方向)に配列された複数の固体酸化物形の単セルCを含む。各単セルCのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルCの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルCのカソード電極の周囲には、空気(カソードガス)を流通させる図示しない空気通路が単セルCの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルCのアノードガス通路は、マニホールド32に形成されたアノードガス通路に接続され、各単セルCの空気通路は、モジュールケース31内の空気通路に接続される。更に、2つの燃料電池スタックFCSの間(近傍)には、両者との距離が同一になるように温度センサ94が設置されている。温度センサ94は、各燃料電池スタックFCSの温度に相関する温度T4を検出する。
In this embodiment, the two fuel cell stacks FCS of the
発電モジュール30の気化器33および改質器34は、モジュールケース31内の2つの燃料電池スタックFCSの上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタックFCSの上方に気化器33および一方の改質器34が配置され、他方の燃料電池スタックFCSの上方に他方の改質器34が配置される。更に、一方の燃料電池スタックFCSと気化器33および一方の改質器34との間、並びに他方の燃料電池スタックFCSと他方の改質器34との上下方向における間には、燃料電池スタックFCSの作動や、気化器33および改質器34での反応に必要な熱を発生させる燃焼部35が画成されており、各燃焼部35には、点火ヒータ36が設置されている。
The
気化器33は、燃焼部35からの熱により原燃料ガス供給系統40からの原燃料ガスと改質水供給系統55からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器33により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器33からガス通路を介して2つの改質器34に流入する。また、気化器33と各改質器34とを結ぶガス通路には、当該混合ガスの温度T1を検出する温度センサ91が2つの改質器34に近接するように設置されている。
The
改質器34は、その内部に充填された例えばRu系またはNi系の改質触媒を有し、燃焼部35からの熱の存在下で、改質触媒による気化器33からの混合ガスの反応(水蒸気改質反応)によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器34は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応(一酸化炭素シフト反応)によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器34によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器34により生成されたアノードガスは、図示しない配管やマニホールド32のアノードガス通路を介して各単セルCのアノード電極に供給される。
The
また、燃料電池スタックFCSの各単セルCのカソード電極には、モジュールケース31内の空気通路を介して酸素を含むカソードガスとしての空気が供給される。各単セルCのカソード電極では、酸化物イオン(O2
-)が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルCにおいて電気化学反応(発電)に使用されなかったアノードガス(以下、「アノードオフガス」という)および空気(以下、「カソードオフガス」という)は、各単セルCのアノードガス通路や空気通路から上方の燃焼部35へと流出する。
Also, air as a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode of each unit cell C of the fuel cell stack FCS through the air passage in the
各単セルCから燃焼部35に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルCから燃焼部35に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ36により点火させられて燃焼部35でオフガス(アノードオフガス)が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタックFCSの作動や、気化器33での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器34での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部35では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼触媒37を介して熱交換器62へ供給される。燃焼触媒37は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。更に、燃焼触媒37と熱交換器62との間のガス通路には、燃焼触媒37から流出する燃焼排ガスの温度T8を検出する温度センサ98が設置されている。
The anode off-gas that has flowed into the
図1に示すように、原燃料ガス供給系統40は、天然ガスやLPガスを供給する原燃料供給源1と気化器33とを結ぶ原燃料ガス供給管41と、当該原燃料ガス供給管41に組み込まれた原燃料ガス供給弁(電磁開閉弁)42および原燃料ポンプ44と、気化器33と原燃料ポンプ44との間に位置するように原燃料ガス供給管41に組み込まれた例えば常温脱硫式の脱硫器45とを含む。更に、原燃料ガス供給管41には、当該原燃料ガス供給管41内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ48や、原燃料ガス供給管41を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ49が設置されている。
As shown in FIG. 1 , a raw fuel
空気供給系統50は、モジュールケース31内の空気通路に接続される空気供給管51と、空気供給管51のガス入口に設置されたエアフィルタ52と、空気供給管51に組み込まれたブロワ53とを含む。ブロワ53を作動させることで、エアフィルタ52を介して吸入されたカソードガスとしての空気が当該ブロワ53により上記空気通路を介して各燃料電池スタックFCSへと圧送(供給)される。また、空気供給管51には、当該空気供給管51を流通する空気の単位時間あたりの流量を検出する流量センサ54が設置されている。
The
改質水供給系統55は、気化器33に接続される改質水供給管56と、改質水供給管56に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク57と、改質水供給管56に組み込まれた改質水ポンプ58と、改質水供給管56に設置された流量センサ(図示省略)とを含む。改質水ポンプ58を作動させることで、改質水タンク57内の改質水が当該改質水ポンプ58により気化器33へと圧送(供給)される。また、改質水タンク57内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。
The reforming
排熱回収系統60は、給湯ユニット100の貯湯タンク101に接続された循環配管61と、循環配管61を流通する湯水と発電モジュール30の燃焼部35からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器62と、循環配管61に組み込まれた循環ポンプ63とを含む。循環ポンプ63を作動させることで、当該循環ポンプ63により貯湯タンク101に貯留されている湯水を熱交換器62へと導入し、熱交換器62で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク101へと返送することができる。更に、排熱回収系統60は、循環配管61に組み込まれたラジエータと、ラジエータに空気を送り込むラジエータファン(電動ファン)と、発電モジュール30からの電力を消費して循環配管61内の湯水を加熱する電気ヒータ(例えば、セラミックヒータ)と、電気ヒータにより加熱された湯水の温度を検出するサーミスタ(温度センサ)とを含む(何れも図示省略)。
The exhaust
また、排熱回収系統60の熱交換器62(燃焼排ガスのガス通路)は、配管を介して改質水タンク57に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク101からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管を介して改質水タンク57内に導入される。更に、熱交換器62の燃焼排ガスのガス通路は、排気管68に接続されている。これにより、発電モジュール30の燃焼部35から排出されて熱交換器62で水分が除去された排ガスは、排気管68を介して大気中に排出される。
In addition, the heat exchanger 62 (the gas passage of the combustion exhaust gas) of the exhaust
パワーコンディショナ71は、各燃料電池スタックFCSからの直流電力を昇圧するDC/DCコンバータや、DC/DCコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータ等を含む(何れも図示省略)。パワーコンディショナ71(インバータ)の出力端子は、系統電源2に接続された電力ライン3に接続される。これにより、各燃料電池スタックFCSからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷4に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム10は、パワーコンディショナ71に接続された電源基板72を含む。電源基板72は、各燃料電池スタックFCSからの直流電力や系統電源2からの交流電源を低圧の直流電力に変換し、原燃料ガス供給弁42や原燃料ポンプ44、ブロワ53、改質水ポンプ58、循環ポンプ63、ラジエータファン等の補機類、温度センサ91,94,98といったセンサ類、更には制御装置80等に当該直流電力を供給する。また、パワーコンディショナ71や電源基板72等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ71や電源基板72等を冷却するための冷却ファン(図示省略)と、換気ファン24とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ71や電源基板72の発熱部に空気を送り込み、当該発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファン24により大気中に排出される。
The
制御装置80は、CPU81や、各種プログラムを記憶するROM82、データを一時的に記憶するRAM83、入力ポートおよび出力ポート等(何れも図示省略)を含むコンピュータである。制御装置80は、2つの燃料電池スタックFCSから出力される電流I(スタック電流)を検出する図示しない電流センサや、2つの燃料電池スタックFCSから出力される電圧V(スタック電圧)を検出する図示しない電圧センサ、温度センサ91,94,98、圧力センサ48、流量センサ49、排熱回収系統60のサーミスタ等の検出値、流量センサ54等からの信号等を入力する。また、制御装置80は、これらのセンサからの信号等に基づいて、原燃料ガス供給弁42や原燃料ポンプ44、ブロワ53、改質水ポンプ58、点火ヒータ36、換気ファン24、循環ポンプ63、ラジエータファン、電気ヒータ、パワーコンディショナ71(DC/DCコンバータおよびインバータ)、電源基板72,図示しない表示パネル等への制御信号を生成し、これらの機器を制御する。更に、制御装置80には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置80は、燃料電池システム10のユーザーにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。
The
また、本実施形態の燃料電池システム10では、発電モジュール30の運転状態が部分負荷運転状態から定格運転状態に移行すると、各燃料電池スタックFCSにおける燃料利用率Ufの目標利用率Uftag(目標Uf)が予め定められた基準利用率Ufref(例えば、80%前後の値)に設定される。また、発電モジュール30の運転状態が定格運転状態に移行すると、各改質器34におけるスチームカーボン比SC(原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比)の目標比SCtag(目標S/C)が予め定められた基準比SCref(例えば、2.5~2.7程度の値)に設定される。そして、運転状態が定格運転状態に移行すると、予め定められた範囲内の空燃比で発電モジュール30が定格運転されると共に、各燃料電池スタックFCSにおける燃料利用率Ufが基準利用率Ufrefになり、かつ各改質器34におけるスチームカーボン比SCが目標比SCtagになるように、原燃料ガス、空気および改質水の供給量が制御される。
In addition, in the
続いて、図2から図7を参照しながら、発電モジュール30が定格運転される際の燃料電池システム10の制御手順について説明する。
Next, a control procedure of the
図2は、発電モジュール30が定格運転されている際に制御装置80により所定時間おきに実行される燃料利用率調整ルーチンの一例を示すフローチャートである。図2のルーチンの開始に際して、制御装置80(CPU81)は、上述の電流センサにより検出される2つの燃料電池スタックFCSからの電流Iや、電圧センサにより検出される2つの燃料電池スタックFCSからの電圧V、温度センサ94,98により検出される温度T4,T8といった制御に必要なデータを取得する(ステップS100)。次いで、制御装置80は、電流I、電圧Vおよび温度T4がそれぞれについて予め定められた出力安定化範囲内に含まれているか否かを判定する(ステップS110)。ステップS110にて電流I、電圧Vおよび温度T4の少なくとも何れか1つが対応する出力安定化範囲内に含まれていないと判定した場合(ステップS110:NO)、制御装置80は、発電モジュール30すなわち各燃料電池スタックFCSの出力が安定していないとみなし、その時点で図2のルーチンを一旦終了させる。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a fuel utilization rate adjustment routine that is executed by the
一方、ステップS110にて電流I、電圧Vおよび温度T4がそれぞれに対応した出力安定化範囲内に含まれていると判定した場合(ステップS110:YES)、制御装置80は、温度センサ98により検出された燃焼排ガスの温度T8が予め定められた許容範囲内(例えば、所定温度以下)に含まれているか否かを判定する(ステップS120)。ステップS120にて温度T8が当該許容範囲内に含まれていないと判定した場合(ステップS120:NO)、制御装置80は、燃焼触媒37で燃焼する未燃燃料の量が比較的多く、燃料利用率Ufを高くすることができないとみなし、その時点で図2のルーチンを一旦終了させる。
On the other hand, if it is determined in step S110 that current I, voltage V, and temperature T4 are within their corresponding output stabilization ranges (step S110: YES),
これに対して、ステップS110にて電流I、電圧Vおよび温度T4がそれぞれに対応した出力安定化範囲内に含まれていると判定した後、ステップS120にて温度T8が上記許容範囲内に含まれていると判定した場合(ステップS110およびS120:YES)、制御装置80は、その時点で設定されている目標利用率Uftag(前回Uftag、定格運転移行後におけるステップS130の初回実行時は、前回Uftag=基準利用率Ufref)に所定値ΔUf(例えば、0.2~0.3%程度の正の値)を加算した値を新たな目標利用率Uftagに設定する(ステップS130)。
On the other hand, after it is determined in step S110 that current I, voltage V, and temperature T4 are within their corresponding output stabilization ranges, temperature T8 is within the allowable range in step S120. (steps S110 and S120: YES), the
ステップS130の処理の後、制御装置80は、発電モジュール30の運転状態に応じた原燃料ガスの目標供給量(単位時間あたりの流量)をステップS130にて設定した目標利用率Uftag(所定値ΔUf)で減少側に補正すると共に、流量センサ49により検出される流量が当該目標供給量になるように原燃料ポンプ44をフィードバック制御する(ステップS140)。更に、制御装置80は、ステップS130の処理を開始してから所定時間(例えば、5分程度)が経過したか否かを判定し(ステップS150)、当該所定時間が経過したと判定するまで、ステップS140の処理を所定時間間隔で繰り返し実行する。
After the process of step S130, the
ステップS150にて上記所定時間が経過したと判定すると(ステップS150:YES)、制御装置80は、目標利用率Uftagが予め定められた基準利用率Ufrefよりも大きい上限値Ufmax(例えば、基準利用率Ufref+1%程度の値)に達しているか否かを判定する(ステップS160)。ステップS160にて目標利用率Uftagが上限値Ufmaxに達していないと判定した場合(ステップS160:NO)、制御装置80は、ステップS130にて新たな目標利用率Uftagに設定すると共に、上記所定時間が経過したと判定するまで、ステップS140の処理を繰り返し実行する。そして、制御装置80は、ステップS160にて目標利用率Uftagが上限値Ufmaxに達したと判定すると(ステップS160:YES)、その時点で図2の燃料利用率調整ルーチンを一旦終了させる。
When it is determined in step S150 that the predetermined time has passed (step S150: YES), the
かかる燃料利用率調整ルーチンが実行される結果、発電モジュール30の定格運転中に各燃料電池スタックFCSの出力が安定し、かつ燃焼排ガスの温度T8が上記許容範囲内に含まれると(第2条件が成立すると)、図3に示すように、燃料利用率Ufの目標利用率Uftagが基準利用率Ufrefから予め定められた上限値Ufmaxまで時間の経過と共に段階的に大きく設定され、当該燃料利用率Ufが目標利用率Uftagに一致するように原燃料ポンプ44から流出する原燃料ガスが減らされる。これにより、発電モジュール30の定格運転中に燃料利用率Ufを徐々に大きくして各燃料電池スタックFCSにおける発電効率を高めることが可能となる。
As a result of executing this fuel utilization rate adjustment routine, when the output of each fuel cell stack FCS is stabilized during the rated operation of the
図4は、発電モジュール30が定格運転されている際に、制御装置80により図2の燃料利用率調整ルーチンと並行して所定時間おきに実行されるスチームカーボン比調整ルーチンの一例を示すフローチャートである。図4のルーチンの開始に際して、制御装置80(CPU81)は、電流センサにより検出される電流Iや、電圧センサにより検出される電圧V、温度センサ91,94により検出される温度T1,T4といった制御に必要なデータを取得する(ステップS200)。次いで、制御装置80は、電流I、電圧Vおよび温度T4がそれぞれについて予め定められた出力安定化範囲(それぞれ図2のステップS110で用いられるものと同一のもの)内に含まれているか否かを判定する(ステップS210)。ステップS210にて電流I、電圧Vおよび温度T4の少なくとも何れか1つが対応する出力安定化範囲内に含まれていないと判定した場合(ステップS210:NO)、制御装置80は、発電モジュール30の出力が安定していないとみなし、その時点で図4のルーチンを一旦終了させる。
FIG. 4 is a flow chart showing an example of a steam carbon ratio adjustment routine that is executed by the
一方、ステップS210にて電流I、電圧Vおよび温度T4がそれぞれに対応した出力安定化範囲内に含まれていると判定した場合(ステップS210:YES)、制御装置80は、温度センサ91により検出された混合ガスの温度T1が予め定められた許容範囲内(例えば、所定温度以下)に含まれているか否かを判定する(ステップS220)。ステップS220にて温度T1が当該許容範囲内に含まれていないと判定した場合(ステップS220:NO)、制御装置80は、混合ガスの温度T1が比較的高く、スチームカーボン比SCを小さくすることができないとみなし、その時点で図4のルーチンを一旦終了させる。これに対して、ステップS210にて電流I、電圧Vおよび温度T4がそれぞれに対応した出力安定化範囲内に含まれていると判定した後、ステップS220にて温度T1が上記許容範囲内に含まれていると判定した場合(ステップS210およびS220:YES)、制御装置80は、流量センサ54により検出された空気の流量すなわち空気供給量Aを取得し(ステップS230)、空気供給量Aに基づいてスチームカーボン比SCの目標比SCtagを設定する(ステップS240)。
On the other hand, if it is determined in step S210 that current I, voltage V, and temperature T4 are within their corresponding output stabilization ranges (step S210: YES),
ステップS240において、制御装置80は、図5に例示する目標スチームカーボン比設定マップからステップS230にて取得した空気供給量Aに対応した目標比SCtagを導出する。本実施形態において、目標スチームカーボン比設定マップは、定格運転中の空気供給量Aが比較的少ないときに目標比SCtagを予め定められた基準比SCrefよりも小さい下限値SCmin(例えば、0.2前後の値)にすると共に、空気供給量Aが増加するにつれて目標比SCtagを大きくし(基準比SCrefに近づけ)、かつ空気供給量Aがブロワ53の性能等から定まる最大空気供給量Amaxに近づくと目標比SCtagを基準比SCrefにするように予め作成(適合)され、制御装置80のROM82に格納されている。
At step S240, the
ステップS240にて目標比SCtagを設定した後、制御装置80は、設定した目標比SCtagと基準比SCrefとの差分等に基づいて改質水ポンプ58から気化器33に供給される改質水(各改質器34に供給される水蒸気)の流量を減少させるための流量補正値を設定し(ステップS250)、図4のルーチンを一旦終了させる。ステップS250にて改質水の流量補正値が設定されると、気化器33に対する改質水の供給量を当該流量補正値分だけ減少させるように改質水ポンプ58がフィードバック制御される。
After setting the target ratio SCtag in step S240, the
すなわち、燃料電池システム10では、発電モジュール30の定格運転中に各燃料電池スタックFCSの出力が安定し、かつ混合ガスの温度T1が上記許容範囲内に含まれると(第1条件が成立すると)に、スチームカーボン比SCの目標比SCtagが各燃料電池スタックFCSに対する空気供給量Aが少ないほど小さくなるように設定され、当該スチームカーボン比SCが目標比SCtagに一致するように各改質器34への水蒸気の供給量が減少させられる。これにより、原燃料ガスの改質に要するエネルギを減らすと共にアノードガス中の水蒸気量を減らして燃料電池システム10の効率を向上させ、更に、燃料利用率Ufを大きくしたことによる各燃料電池スタックFCSの温度低下を良好に抑制することが可能となる。
That is, in the
ここで、本実施形態の燃料電池システム10では、燃料利用率Ufが上記基準利用率Ufrefであり、かつスチームカーボン比SCが上記基準比SCrefである状態で発電モジュール30(各燃料電池スタックFCS)が定格運転される際に、温度センサ94が各燃料電池スタックFCSの温度を精度よく反映した温度T4を出力するように、当該温度センサ94や制御装置80が構成(適合)されている。ただし、本発明者らの研究によれば、定格運転中に図2のステップS110およびS120における判定結果(第2条件の成立)に応じて燃料利用率Ufの目標利用率Uftagが大きく設定されたり、図4のステップS210およびS220における判定結果(第1条件の成立)に応じてスチームカーボン比SCの目標比SCtagが小さく設定されたりすると、各燃料電池スタックFCSの温度と温度センサ94により検出される温度T4との間の相関にズレを生じ、それにより各燃料電池スタックFCSの温度を適正に維持し得なくなることが判明した。これを踏まえて、本開示の燃料電池システム10では、各燃料電池スタックFCSの温度と温度センサ94により検出される温度T4との間の相関にズレを生じても各燃料電池スタックFCSの温度を適正に維持すべく、発電モジュール30の定格運転中に制御装置80によって図6に示す空気供給量制御ルーチンが所定時間おきに実行される。
Here, in the
図6のルーチンの開始に際して、制御装置80(CPU81)は、別途設定されている燃料利用率Ufの目標利用率Uftagやスチームカーボン比SCの目標比SCtagを取得し(ステップS300)、目標利用率Uftagに対応した補正温度ΔTUfおよび目標比SCtagに対応した補正温度ΔTSCを設定する(ステップS310)。ステップS310において、制御装置80は、図7に例示する第1補正温度設定マップからステップS300にて取得した目標利用率Uftagに対応した補正温度ΔTUfを導出すると共に、図8に例示する第2補正温度設定マップからステップS300にて取得した目標比SCtagに対応した補正温度ΔTSCを導出する。
At the start of the routine of FIG. 6, the control device 80 (CPU 81) acquires the separately set target utilization Uftag of the fuel utilization Uf and the target ratio SCtag of the steam carbon ratio SC (step S300). A corrected temperature ΔT Uf corresponding to Uftag and a corrected temperature ΔT SC corresponding to the target ratio SCtag are set (step S310). In step S310, the
本実施形態において、第1補正温度設定マップは、図7に示すように、目標利用率Uftagが基準利用率Ufrefであるときに補正温度ΔTUfをゼロにすると共に、目標利用率Uftagが上限値Ufmaxに向けて大きくなるにつれて補正温度ΔTUfを高くするように予め作成(適合)され、制御装置80のROM82に格納されている。本実施形態において、目標利用率Uftagが上限値Ufmaxであるときの補正温度ΔTUfは、例えば1~2℃程度である。また、第2補正温度設定マップは、図8に示すように、目標比SCtagが基準比SCrefであるときに補正温度ΔTSCをゼロにすると共に、目標比SCtagが下限値SCminに向けて小さくなるにつれて補正温度ΔTSCを高くするように予め作成(適合)され、制御装置80のROM82に格納されている。本実施形態において、目標比SCtagが下限値SCminであるときの補正温度ΔTSCは、例えば3~5℃程度である。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the first correction temperature setting map sets the correction temperature ΔT Uf to zero when the target utilization rate Uftag is the reference utilization rate Ufref, and the target utilization rate Uftag is set to the upper limit value. It is prepared (adapted) in advance so that the corrected temperature ΔT Uf increases as it increases toward Ufmax, and is stored in the
ステップS310にて補正温度ΔTUfおよびΔTSCを設定した後、制御装置80は、予め定められたベース温度T4base(例えば、650°程度の一定値)と補正温度ΔTUfおよびΔTSCとの和を温度センサ94により検出される温度T4の目標温度T4tagに設定し(ステップS320)する。更に、制御装置80は、予め定められた範囲内の空燃比で発電モジュール30が定格運転されると共に、温度センサ94により検出される温度T4が目標温度T4tagになるように各燃料電池スタックFCSへの空気供給量の目標値である目標空気供給量を設定する(ステップS330)。そして、制御装置80は、流量センサ54により検出される流量が目標空気供給量になるようにブロワ53をフィードバック制御し(ステップS340)、図6のルーチンを一旦終了させる。
After setting the correction temperatures ΔT Uf and ΔT SC in step S310, the
上述のように、本開示の燃料電池システム10では、発電モジュール30の定格運転中に各燃料電池スタックFCSの出力が安定し、かつ燃焼排ガスの温度T8が許容範囲内に含まれると(第2条件が成立すると)に、各燃料電池スタックFCSにおける燃料利用率Ufの目標利用率Uftagが予め定められた基準利用率Ufrefよりも大きく設定されると共に当該燃料利用率Ufが目標利用率Uftagに一致するように各改質器34への原燃料ガスの供給量が調整される(図2)。これにより、各燃料電池スタックFCSにおける燃料利用率Ufを大きくして発電効率を向上させることが可能となる。
As described above, in the
また、発電モジュール30の定格運転中に各燃料電池スタックFCSの出力が安定し、かつ各改質器34への混合ガスの温度T1が許容範囲内に含まれると(第1条件が成立すると)、各改質器34におけるスチームカーボン比SCの目標比SCtagが予め定められた基準比SCrefよりも小さく設定されると共に、当該スチームカーボン比SCが目標比SCtagに一致するように各改質器34への水蒸気の供給量が調整される(図4)。これにより、原燃料ガスの改質に要するエネルギを減らすと共にアノードガス中の水蒸気量を減らして燃料電池システム10の効率を向上させることができる。
Further, when the output of each fuel cell stack FCS is stabilized during rated operation of the
更に、燃料電池システム10では、燃料利用率Ufの目標利用率Uftagが基準利用率Ufrefよりも大きく設定されたり、スチームカーボン比SCの目標比SCtagが基準比SCrefよりも小さく設定されたりすると、目標利用率Uftagおよび目標比SCtagの少なくとも何れか一方に基づいて温度センサ94により検出される温度T4の目標温度T4tagが補正されると共に当該温度T4が目標温度T4tagに一致するように各燃料電池スタックFCSへの空気供給量が調整される(図6)。これにより、燃料利用率Ufを大きくしたり、スチームカーボン比SCを小さくしたりすることで各燃料電池スタックFCSの温度と温度センサ94の検出値との間の相関にズレを生じても、燃料電池スタックFCSの温度を適正に維持することが可能となる。
Furthermore, in the
そして、発電モジュール30の定格運転中に燃料利用率Ufの変更とスチームカーボン比SCの変更とを並行して実行することで、燃料利用率Ufを大きくして発電効率を向上させつつ、スチームカーボン比SCを小さくしてエネルギ効率を高めると共に燃料利用率Ufを大きくしたことによる各燃料電池スタックFCSの温度低下を良好に抑制することができる。この結果、燃料電池システム10では、効率を向上させつつ、各燃料電池スタックFCSの温度を適正に維持して当該燃料電池スタックFCSの性能や耐久性を良好に確保することが可能となる。
By simultaneously changing the fuel utilization rate Uf and changing the steam carbon ratio SC during the rated operation of the
また、燃料電池システム10では、図2のステップS110およびS120における肯定判定(第2条件の成立)に応じて燃料利用率Ufの目標利用率Uftagが基準利用率Ufrefから予め定められた上限値Ufmaxまで段階的に大きく設定され(図2のステップS140-S160)、温度T4の目標温度T4tagが目標利用率Uftagに基づいて高く補正される(図6のステップS300-S320)。これにより、各燃料電池スタックFCSの温度低下を良好に抑制しながら、燃料利用率Ufを大きくしていくことが可能となる。加えて、燃料電池システム10では、各燃料電池スタックFCSから排出される燃焼排ガスの温度T8が予め定められた許容範囲内に含まれることを条件に目標利用率Uftagが大きく設定される(図2のステップS120-S160)。これにより、アノードガス中の燃料成分の燃焼性が悪化している状態で燃料利用率Ufを大きくして発電効率を悪化させてしまうのを抑制することができる。
Further, in the
更に、燃料電池システム10において、図4のステップS210およびS220にて肯定判定がなされると(第1条件が成立すると)、スチームカーボン比SCの目標比SCtagは、各燃料電池スタックFCSへの空気の供給量が少ないほど小さくなるように設定され(図4のステップS230-S240)、温度T4の目標温度T4tagは、目標比SCtagに基づいて高く補正される(図6のステップS300-S320)。これにより、スチームカーボン比SCを小さくすることで各燃料電池スタックFCSの温度と温度センサ94の検出値との間の相関にズレを生じても、各燃料電池スタックFCSの温度低下を良好に抑制することが可能となる。そして、燃料電池システム10では、各改質器34に供給される原燃料ガスと水蒸気との混合ガスの温度T1が予め定められた許容範囲内に含まれることを条件に目標比SCtagが小さく設定される(図4のステップS220ーS240)。これにより、各改質器34の温度が高い状態でスチームカーボン比SCを小さくするために水蒸気の供給量を減少させたことによる各改質器34の故障の発生を良好に抑制することができる。
Furthermore, in the
なお、図6のステップS320では、目標利用率Uftagに対応した補正温度ΔTUfと目標比SCtagに対応した補正温度ΔTSCとの大きい方のみがベース温度T4baseに加算されてもよい。また、上記燃料電池システム10において、図2のルーチンの実行すなわち燃料利用率Ufの調整が省略されてもよい。更に、燃料電池システム10は、単一の燃料電池スタックFCSを含むものであってもよく、3つ以上の燃料電池スタックFCSを含むものであってもよい。
In step S320 of FIG. 6, only the larger one of the correction temperature ΔT Uf corresponding to the target utilization rate Uftag and the correction temperature ΔT SC corresponding to the target ratio SCtag may be added to the base temperature T4base. Further, in the
そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。 It goes without saying that the invention of the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present disclosure. Furthermore, the above-described embodiment is merely one specific form of the invention described in the Summary of the Invention column, and does not limit the elements of the invention described in the Summary of the Invention column.
本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The invention of the present disclosure can be used in the manufacturing industry of fuel cell systems and the like.
1 原燃料供給源、2 系統電源、3 電力ライン、4 負荷、10 燃料電池システム、20 発電ユニット、22 筐体、24 換気ファン、30 発電モジュール、31 モジュールケース、32 マニホールド、33 気化器、34 改質器、35 燃焼部、36 点火ヒータ、37 燃焼触媒、40 原燃料ガス供給系統、41 原燃料ガス供給管、42 原燃料ガス供給弁、44 原燃料ポンプ、45 脱硫器、48 圧力センサ、49 流量センサ、50 空気供給系統、51 空気供給管、52 エアフィルタ、53 ブロワ、54 流量センサ、55 改質水供給系統、56 改質水供給管、57 改質水タンク、58 改質水ポンプ、60 排熱回収系統、61 循環配管、62 熱交換器、63 循環ポンプ、68 排気管、71 パワーコンディショナ、72 電源基板、80 制御装置、81 CPU、82 ROM、83 RAM、91,94,98 温度センサ、100 給湯ユニット、101 貯湯タンク、C 単セル、FCS 燃料電池スタック。 1 raw fuel supply source, 2 system power supply, 3 power line, 4 load, 10 fuel cell system, 20 power generation unit, 22 housing, 24 ventilation fan, 30 power generation module, 31 module case, 32 manifold, 33 vaporizer, 34 reformer, 35 combustion unit, 36 ignition heater, 37 combustion catalyst, 40 raw fuel gas supply system, 41 raw fuel gas supply pipe, 42 raw fuel gas supply valve, 44 raw fuel pump, 45 desulfurizer, 48 pressure sensor, 49 flow sensor, 50 air supply system, 51 air supply pipe, 52 air filter, 53 blower, 54 flow sensor, 55 reformed water supply system, 56 reformed water supply pipe, 57 reformed water tank, 58 reformed water pump , 60 exhaust heat recovery system, 61 circulation pipe, 62 heat exchanger, 63 circulation pump, 68 exhaust pipe, 71 power conditioner, 72 power supply board, 80 control device, 81 CPU, 82 ROM, 83 RAM, 91, 94, 98 temperature sensor, 100 hot water supply unit, 101 hot water storage tank, C single cell, FCS fuel cell stack.
Claims (7)
前記燃料電池スタックの温度に相関する温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックの定格運転中に第1条件が成立した際に、前記改質器におけるスチームカーボン比の目標比を予め定められた基準比よりも小さくして前記スチームカーボン比が前記目標比に一致するように前記改質器への水蒸気の供給量を調整すると共に、前記温度センサにより検出される前記温度が前記スチームカーボン比の前記目標比に基づいて補正された目標温度に一致するように前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を調整する制御装置とを備える燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell stack including a plurality of single cells each generating power through an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and a reformer steam reforming raw fuel gas to generate the anode gas ,
a temperature sensor that detects a temperature correlated with the temperature of the fuel cell stack;
When a first condition is established during rated operation of the fuel cell stack, the target ratio of the steam carbon ratio in the reformer is made smaller than a predetermined reference ratio so that the steam carbon ratio reaches the target ratio. The amount of steam supplied to the reformer is adjusted so that the temperature detected by the temperature sensor matches the target temperature corrected based on the target ratio of the steam carbon ratio. and a controller that adjusts the supply amount of the cathode gas to the fuel cell stack.
前記制御装置は、前記定格運転中に前記第1条件が成立した際に、前記スチームカーボン比の前記目標比を前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量が少ないほど小さくなるように設定すると共に、前記目標温度を前記目標比に基づいて高く補正する燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1,
The control device sets the target ratio of the steam carbon ratio so as to decrease as the amount of the cathode gas supplied to the fuel cell stack decreases when the first condition is satisfied during the rated operation. and a fuel cell system that corrects the target temperature to be higher based on the target ratio.
前記第1条件は、少なくとも前記改質器に供給される前記原燃料ガスと前記水蒸気との混合ガスの温度が予め定められた範囲内に含まれる際に成立する燃料電池システム。 3. In the fuel cell system according to claim 1,
In the fuel cell system, the first condition is satisfied when at least the temperature of the mixed gas of the raw fuel gas and the steam supplied to the reformer is within a predetermined range.
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの前記定格運転中に第2条件が成立した際に、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率の目標利用率を予め定められた基準利用率よりも大きくして前記燃料利用率が前記目標利用率に一致するように前記改質器への前記原燃料ガスの供給量を調整すると共に、前記温度センサにより検出される前記温度が前記燃料利用率の前記目標利用率に基づいて補正された前記目標温度に一致するように前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を調整する燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
When a second condition is satisfied during the rated operation of the fuel cell stack, the control device increases a target fuel utilization rate of the fuel cell stack above a predetermined reference utilization rate to increase the fuel utilization rate. The amount of the raw fuel gas supplied to the reformer is adjusted so that the fuel utilization rate matches the target utilization rate, and the temperature detected by the temperature sensor determines the target utilization rate of the fuel utilization rate. a fuel cell system that adjusts the supply amount of the cathode gas to the fuel cell stack so as to match the target temperature corrected based on the above.
前記制御装置は、前記定格運転中の前記第2条件の成立に応じて前記燃料利用率の前記目標利用率を前記基準利用率から予め定められた上限値まで段階的に大きく設定し、前記目標温度を前記目標利用率に基づいて高く補正する燃料電池システム。 5. The fuel processing system of claim 4, wherein
The control device gradually increases the target utilization rate of the fuel utilization rate from the reference utilization rate to a predetermined upper limit value in accordance with the establishment of the second condition during the rated operation, and the target A fuel cell system that corrects the temperature to be higher based on the target utilization rate.
前記第2条件は、少なくとも前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度が予め定められた範囲内に含まれる際に成立する燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 4 or 5,
A fuel cell system in which the second condition is satisfied when at least the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack is within a predetermined range.
前記燃料電池スタックの定格運転中に第1条件が成立した際に、前記改質器におけるスチームカーボン比の目標比を予め定められた基準比よりも小さくして前記スチームカーボン比が前記目標比に一致するように前記改質器への水蒸気の供給量を調整すると共に、前記温度センサにより検出される前記温度が前記スチームカーボン比の前記目標比に基づいて補正された目標温度に一致するように前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を調整する燃料電池システムの制御方法。 a fuel cell stack including a plurality of single cells each generating power through an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas; a reformer for steam reforming raw fuel gas to generate the anode gas; A control method for a fuel cell system including a temperature sensor that detects a temperature correlated with the temperature,
When a first condition is established during rated operation of the fuel cell stack, the target ratio of the steam carbon ratio in the reformer is made smaller than a predetermined reference ratio so that the steam carbon ratio reaches the target ratio. The amount of steam supplied to the reformer is adjusted so that the temperature detected by the temperature sensor matches the target temperature corrected based on the target ratio of the steam carbon ratio. A fuel cell system control method for adjusting the supply amount of the cathode gas to the fuel cell stack.
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