JP2009295534A - Fuel cell system and operation method for fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体酸化物形燃料電池などの高温で動作する燃料電池を用いた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system using a fuel cell that operates at a high temperature, such as a solid oxide fuel cell, and a method for operating the fuel cell system.
従来より、燃料電池は、有害物質を発生しないクリーンな発電システムとして注目を集めている。その中でも、固体酸化物形燃料電池は、高分子電解質形燃料電池と比べ、高温動作することから、発電と高温エネルギー活用の両面からエネルギー効率が良いものである。 Conventionally, fuel cells have attracted attention as a clean power generation system that does not generate harmful substances. Among them, the solid oxide fuel cell operates at a higher temperature than the polymer electrolyte fuel cell, and is therefore energy efficient in terms of both power generation and utilization of high temperature energy.
固体酸化物形燃料電池(以下、SOFCと呼ぶ)は、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層とで挟み込んだ単セルと呼ばれる積層構造を有し、空気極層側に酸化剤ガス(酸素)が供給され、燃料極層側に燃料ガス(H2 、CO、CH4 等)が供給される。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) has a laminated structure called a single cell in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer from both sides. An oxidant gas (oxygen) is supplied to the electrode layer side, and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side.
空気極層側に供給された酸化剤ガスは、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との境界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。 The oxidant gas supplied to the air electrode layer side passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer at this portion and receives oxide ions (O 2- ) is ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer.
燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。この単セルを多数積層した構造をスタックと呼んでおり、セル単位あるいはスタック単位で燃料ガスの供給を行い、負荷への電力を生成(発電)する。 Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer. A structure in which a large number of single cells are stacked is called a stack, and fuel gas is supplied in units of cells or in units of stacks to generate (generate power) power to a load.
SOFCの定常発電温度は例えば950℃とされる。SOFCを起動する際には、常温状態のSOFCを定常発電温度まで上昇させる必要がある。このために、SOFC全体を電気ヒータで加熱したり、酸化剤ガスの供給ラインに電気ヒータを設け、加熱して高温とした酸化剤ガスを空気極へ供給するなどの方法が採られている(例えば、特許文献1参照)。 The steady power generation temperature of the SOFC is 950 ° C., for example. When starting the SOFC, it is necessary to raise the SOFC in the normal temperature state to the steady power generation temperature. For this purpose, methods such as heating the entire SOFC with an electric heater, or providing an electric heater in the oxidant gas supply line, and supplying the heated oxidant gas to a high temperature by heating to the air electrode are adopted ( For example, see Patent Document 1).
燃料ガスには、水素ガスを用いることが最も好適であるが、水素は入手が困難なため、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質し、燃料極層に導入することが一般的である。また、酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることが最も好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。 Hydrogen gas is most preferably used as the fuel gas. However, since hydrogen is difficult to obtain, a hydrocarbon-based fuel such as natural gas or propane gas is reformed into a hydrogen-rich fuel gas, and the fuel electrode is used. It is common to introduce into the layer. As the oxidant gas, it is most preferable to use oxygen gas, but air is generally used because of the problem of availability.
図12に従来のSOFCを用いた燃料電池システムの概略を示す。この燃料電池システムは、発電部本体であるモジュール100と、このモジュール100に燃料ガスや酸化剤ガスなどを供給する周辺システムとからなる。
FIG. 12 shows an outline of a conventional fuel cell system using SOFC. This fuel cell system includes a
モジュール100は、燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)が供給されて発電するSOFC(以下、発電素子と呼ぶ)が設置される発電室1、発電室1より排出されるオフガス(発電に使用されなかった燃料ガス+空気)を燃焼させる燃焼室4、空気を発電室1に送るとともに発電反応熱とオフガスの燃焼熱を利用して空気を暖める空気分配器5、および発電反応熱とオフガスの燃焼熱を利用して燃料(都市ガス)を水素リッチな燃料ガス(改質ガス)に改質する改質熱交換器2とを含む。
The
周辺システムは、燃料,空気,純水などの供給部(図示せず)などに加えて、酸化剤ガスとして供給される空気を予熱する空気予熱器(ヒータ)3などの熱供給源を含む。なお、空気予熱器3などの熱供給源はモジュール100に内蔵されることもある。6は発電室1に接続される負荷である。
The peripheral system includes a heat supply source such as an air preheater (heater) 3 that preheats air supplied as an oxidant gas, in addition to a supply unit (not shown) such as fuel, air, and pure water. A heat supply source such as the
改質熱交換器2は、蒸発器2−1と燃料予熱器2−2と改質器2−3とを備えており、蒸発器2−1は純水を蒸気として燃料予熱器2−2への燃料に含ませる。蒸気が含まれた燃料は、燃料予熱器2−2において予熱され、改質器2−3に導かれて、水素リッチな燃料ガスに改質される。
The reforming
この蒸気を用いた改質は、水蒸気改質と呼ばれ、水素発生効率がよいので、用いられることが多い。この蒸気を用いた改質は吸熱反応であり、改質熱交換器2が改質動作を行える温度は、水蒸気改質の場合、一般に400℃程度以上である。
This reforming using steam is called steam reforming and is often used because of its high hydrogen generation efficiency. The reforming using steam is an endothermic reaction, and the temperature at which the reforming
改質熱交換器2では、蒸発器2−1での蒸気の生成、燃料予熱器2−2での燃料の予熱、改質器2−3での燃料の改質に熱量が必要であり、この熱量の供給を受けるための通路として燃焼室4からの燃焼ガス(以下、この燃焼ガスも含めて燃焼室4からの排気ガスと呼ぶ)の排出通路L1が設けられている。
In the reforming
この燃料電池システムにおいて、運転モードは、起動モード,定常モード,停止モードの3つのモードに分けられる。起動モード開始時には、システムが常温であるため、発電室1の発電素子が発電可能な温度まで、また改質熱交換器2の改質器2−3が改質動作可能な温度まで、システムを暖める必要がある。定常モードにおいては、発電素子の耐熱温度を超えた温度で長時間運転すると発電素子が破損するため、発電室1を耐熱温度より低い温度に保つ必要がある。また、発電効率が高くなる発電室温度範囲も存在するため、運転中は発電室1の温度制御を実施する必要がある。停止モードにおいては、発電室1などの高温部を冷却しながら、システムを停止させる必要がある。
In this fuel cell system, the operation mode is divided into three modes: a start mode, a steady mode, and a stop mode. At the start of the start-up mode, since the system is at room temperature, the system is brought to a temperature at which the power generation element in the
〔起動モード〕
燃料電池システムは、運転の開始が指示されると、起動モードに入る。起動モードの開始時には、改質熱交換器2への燃料の代わりにパージガスを供給した状態で、空気予熱器3をオンとし、空気予熱器3によって予熱された高温の空気を空気分配器5を介して発電室1に供給する。この空気予熱器3からの予熱された空気の供給を受けて発電室1の温度が上昇して行く。
[Startup mode]
When the start of operation is instructed, the fuel cell system enters an activation mode. At the start of the start mode, the
発電室1の温度上昇に貢献し予熱された空気は、パージガスも含めて、燃焼室4および空気分配器5周辺を通り、排出通路L1を通って、排ガスとして排出される。ここで、改質熱交換器2の蒸発器2−1,燃料予熱器2−2,改質器2−3は、排出通路L1を通るガス〔燃焼室4からの排気ガス(空気+パージガス)〕からの熱量の供給を受ける。
The preheated air that contributes to the temperature increase in the
この熱量の供給を受けて、改質器2−3の温度(改質器温度)が例えば700℃に達すると、それまでのパージガスに代えて改質熱交換器2への燃料の供給が開始され、蒸発器2−1からの蒸気を含んだ燃料が燃料予熱器2−2を介して改質器2−3に導かれ、水素リッチな燃料ガスに改質され、発電室1に供給される。
When the temperature of the reformer 2-3 (reformer temperature) reaches, for example, 700 ° C. in response to the supply of this heat amount, the supply of fuel to the reforming
この燃料ガスの供給を受けて、発電室1での発電が開始されると共に、発電室1から排出される燃料と空気のオフガスが燃焼室4内で混合して燃焼させられ、この燃焼室4からの排気ガス(燃焼ガス)が空気分配器5周辺を通り、排出通路L1を通って、モジュール外に排出される(以下、モジュール外に排出されるガスを排ガスという)。なお、発電室1での発電開始時には、発電室1に対して負荷6が接続され、発電素子からの電流が負荷6へ流れる。
Upon receipt of this fuel gas supply, power generation in the
これにより、空気予熱器3での空気の予熱によらずとも、燃焼室4からの排気ガス(燃焼ガス)の熱量の供給を受けて、改質熱交換器2での燃料ガスの改質を継続することができる。通常は、この時点で、空気予熱器3をオフとする。
Thus, the fuel gas is reformed in the reforming
なお、発電室1内の発電素子は600℃程度より発電が可能であるため、発電室1の温度(発電室温度)が600℃程度に達した時点で改質交換器2への燃料の供給を開始し、発電室1での発電を行わせて、起動における温度上昇のための熱源として発電反応熱を利用することもある(例えば、特許文献2参照)。
Since the power generation element in the
〔定常モード〕
発電室1の温度が上昇して行き、負荷6への電流(負荷電流)が定常運転で設定された値まで上昇すると、定常モード(定常運転動作)に入る。発電反応は発熱反応であるため、発電中は発電室1の温度を発電素子の耐熱温度以下に制御する必要がある。また、発電素子の発電可能温度を下回らないように制御する必要もある。そこで、この定常モードでは、空気予熱器3をオン/オフしたり、空気予熱器3を介して発電室1へ供給する空気の流量を増減させたりして、発電室1の温度を定常発電温度に保つ。
(Steady mode)
When the temperature of the
〔停止モード〕
システムを停止させる場合、空気予熱器3をオフとすると共に、改質熱交換器2への燃料に代えてパージガスを導入し、発電室1における発電および燃焼室4における燃焼という発熱反応を停止させ、空気予熱器3を介して導入される空気とパージガスとによって発電室1の冷却を行う。
[Stop mode]
When stopping the system, the
しかしながら、このような燃料電池システムでは、運転の継続時間に応じて発電素子が劣化し、燃料電池システムの出力(装置出力〔W〕=負荷電流〔A〕×発電電圧〔V〕)が低下して行く。 However, in such a fuel cell system, the power generation element deteriorates according to the duration of operation, and the output of the fuel cell system (device output [W] = load current [A] × power generation voltage [V]) decreases. Go.
図13にNEDOプロジェクトで実施された「信頼性向上に関する研究開発」(非特許文献1参照)において得られているSOFCの劣化挙動(円筒平板形単セルの長期耐久試験結果)を示す。同図には、発電素子(セル)が経時的に劣化して行き、発電電圧が低下して行く様子が示されている。 FIG. 13 shows the deterioration behavior of SOFC (results of long-term durability test of a cylindrical flat plate single cell) obtained in “Research and Development for Reliability Improvement” (see Non-Patent Document 1) conducted in the NEDO project. This figure shows a state in which the power generation element (cell) deteriorates with time and the generated voltage decreases.
この経時変化は、ベースライン運転(燃料電池システムに対する電力負荷を一定とする運転)や負荷変動運転(燃焼電池システムに対する電力負荷の変動に燃料電池システムの出力を追従させる運転)といった運転方法を問わず、発生する。また、同図に示されているように、発電素子の劣化の度合いは、負荷電流密度の大きさにも依存する。また、この発電素子の劣化は、起動・停止の頻度などにも依存する可能性があることが指摘されている。現時点において、発電素子の劣化の原因や機構に関しては十分解明されたとは言えない状況であるが、発電素子に使用される材料の熱拡散などが原因の1つであると言われている。 This change over time does not depend on operation methods such as baseline operation (operation in which the power load on the fuel cell system is constant) and load fluctuation operation (operation in which the output of the fuel cell system follows the fluctuation of the power load on the combustion cell system). Occur. As shown in the figure, the degree of deterioration of the power generating element also depends on the magnitude of the load current density. In addition, it has been pointed out that the deterioration of the power generation element may depend on the frequency of starting and stopping. At present, the cause and mechanism of the degradation of the power generation element are not sufficiently elucidated, but it is said that one of the causes is thermal diffusion of materials used for the power generation element.
例えば、この燃料電池システムをコジェネレーションシステムとして用いているような場合、発電素子の劣化による発電電圧の低下によって、必要な電力を供給することが困難になることが予想される。これを回避する方法として、必要電力量に対して十分余裕を持った発電容量を持つ燃料電池システムとすることが考えられるが、この場合にはシステムが必要以上に大きくなり、かつシステムの構築に過大な費用を必要とする。 For example, when this fuel cell system is used as a cogeneration system, it is expected that it will be difficult to supply necessary power due to a decrease in the generated voltage due to deterioration of the power generation element. As a method of avoiding this, it is conceivable to use a fuel cell system having a power generation capacity with a sufficient margin with respect to the required amount of electric power. Excessive costs are required.
また、別の回避方法として、発電電圧の低下にあわせて発電素子を定期的に交換する方法も考えられる。しかしながら、この方法では発電素子の交換に要する費用と手間が大きく、システムのランニングコストが増大する。また、発電素子を部分的に交換することができるシステムでは、システムの停止および再起動により、交換する必要がないものとして残された発電素子まで劣化させる可能性がある。このように、発電素子の劣化およびそれに伴う起動・停止は、発電素子の寿命を短くし、システムのランニングコストをさらに増大させる。 Further, as another avoidance method, a method of periodically replacing the power generation element in accordance with a decrease in the generated voltage can be considered. However, in this method, the cost and labor required for replacing the power generation element are large, and the running cost of the system increases. Further, in a system in which the power generating elements can be partially replaced, there is a possibility that the remaining power generating elements that are not required to be replaced may be deteriorated by stopping and restarting the system. As described above, the deterioration of the power generation element and the start / stop associated therewith shorten the life of the power generation element and further increase the running cost of the system.
なお、引用文献3には、燃料電池発電装置に、外部負荷に応じて燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とを制御して運転する自動運転モードと、燃料ガスの流量と必要に応じて空気の流量とをほぼ一定に制御した状態で、引き出す電流をほぼ一定にした時の出力電圧を測定する評価モードとを選択可能に構成し、評価モードでは、現在の出力電圧と、記憶手段に記憶された過去の出力電圧又はシミュレーションにより計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池発電装置の劣化状態を診断するようにした燃料電池発電装置が示されている。
この引用文献3に示された燃料電池発電装置では、運転中においても燃料電池発電装置の劣化状態を正確に診断することができるため、燃料電池発電装置を常に良好な状態で稼働させることができるという効果が得られる。しかしながら、この燃料電池発電装置では、燃料電池発電装置が劣化していると診断された場合、その旨をモニタに表示するなどしてオペレータに通知するのみである。この場合、オペレータは、その通知を受けて、燃料電池発電装置の運転を停止し、保守、点検を行うなどの処理を実施し、発電素子の交換が必要と判断すれば、発電素子の交換を行う。
In the fuel cell power generation device shown in this cited
この引用文献3に示された燃料電池発電装置において、劣化状態と診断された場合に、その劣化状態を補償して運転を継続しようとする考えはない。したがって、引用文献3に示された燃料電池発電装置でも、発電素子の交換頻度が多くなり、上述した問題の解決策を提供しているとは言えない。
In the fuel cell power generation device shown in this cited
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発電素子の劣化に伴う燃料電池システムの出力の劣化を補償することにより、発電素子を従来に比べて長期間使用することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such problems. The object of the present invention is to compensate for the deterioration of the output of the fuel cell system accompanying the deterioration of the power generation element, so that the power generation element can be compared with the conventional one. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be used for a long time and a method for operating the fuel cell system.
また、発電素子の交換頻度を減らすことができ、要求される電力に対して、必要以上の出力容量を持つシステムとせずとも、従来に比べて長期間に渡り、要求されるシステムの出力を維持可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。 In addition, the frequency of replacement of the power generation elements can be reduced, and the required system output can be maintained for a long time compared to the conventional system, even if the system does not have an output capacity more than necessary for the required power. It is an object to provide a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system.
また、発電素子の劣化状態を知り、発電素子の劣化に伴う破損が発生する前に、発電素子の交換時期が来たことを知らせることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。 Also provided is a fuel cell system capable of knowing the deterioration state of the power generation element and notifying that it is time to replace the power generation element before the damage caused by the deterioration of the power generation element occurs, and a method for operating the fuel cell system There is to do.
このような目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料改質部の改質器温度を制御する制御部を設けたものである。 In order to achieve such an object, the fuel cell system of the present invention combusts a power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate power, and gas discharged from the power generation unit. A fuel cell system comprising a combustion section and a fuel reforming section that uses a calorific value of exhaust gas from the combustion section as a fuel gas to a power generation section using a reformer that reforms fuel. A control unit for controlling the reformer temperature of the reforming unit is provided.
改質反応による水素生成量は化学平衡論により燃料改質部の改質器温度に依存する。図14に都市ガスの主成分であるメタンを改質した場合の燃料改質部の改質器温度と改質ガス組成の関係を示す。この図から、燃料改質部の改質器温度400℃程度からメタンの改質反応が始まり700℃以上の温度ではほぼ全てのメタンが改質され、400〜700℃の温度範囲において改質ガス中の水素や一酸化炭素の濃度の変化が発生していることが分かる。図15に非特許文献2に示された燃料ガス中の水素および一酸化炭素濃度と発電素子(セル)の発電電圧(セル電圧)の関係を示す。この図から燃料ガス中の水素および一酸化炭素濃度が高いほど発電電圧が上昇することが分かる。
The amount of hydrogen produced by the reforming reaction depends on the reformer temperature of the fuel reforming section according to the chemical equilibrium theory. FIG. 14 shows the relationship between the reformer temperature of the fuel reforming section and the reformed gas composition when methane, which is the main component of city gas, is reformed. From this figure, the reforming reaction of methane starts from a reformer temperature of about 400 ° C. in the fuel reforming section, almost all methane is reformed at a temperature of 700 ° C. or higher, and reformed gas in the temperature range of 400 to 700 ° C. It can be seen that changes in the concentration of hydrogen and carbon monoxide are occurring. FIG. 15 shows the relationship between the hydrogen and carbon monoxide concentrations in the fuel gas shown in
本発明の燃料電池システムでは、燃料改質部の改質器温度を制御することにより、燃料ガス中の水素や一酸化炭素の濃度を変化させる。例えば、初期の燃料改質部の改質器温度を600℃とし、発電電圧が低下した場合、燃料改質部の改質器温度を上げ、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度を上げる。これにより、発電電圧の低下を防ぎ、燃料電池システムの出力の劣化を補償することが可能となる。 In the fuel cell system of the present invention, the concentration of hydrogen or carbon monoxide in the fuel gas is changed by controlling the reformer temperature of the fuel reforming section. For example, when the reformer temperature in the initial fuel reforming section is set to 600 ° C. and the power generation voltage decreases, the reformer temperature in the fuel reforming section is increased, and the gas concentrations of hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas are increased. increase. As a result, it is possible to prevent a decrease in the generated voltage and compensate for the deterioration in the output of the fuel cell system.
本発明の燃料電池システムの一例として、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第1の通路と、燃料改質部を含む第1の通路をバイパスする第2の通路と、第1の通路および第2の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって燃料改質部の改質器温度を制御する制御部とを設ける構成が考えられる。 As an example of the fuel cell system of the present invention, a first passage for guiding exhaust gas from the combustion section to the fuel reforming section, a second passage that bypasses the first passage including the fuel reforming section, And a control unit for controlling the reformer temperature of the fuel reforming unit by adjusting the calorific value of the exhaust gas from the combustion unit passing through the calorie adjusting unit. The structure which provides is considered.
この構成において、熱量調節部は、第1の通路と第2の通路の両方に設けてもよいし、第1の通路と第2の通路の何れか一方にのみ設けるようにしてもよい。一方にのみ熱量調節部を設けるようにした場合、その熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することにより、相関を利用して、残る一方の通路を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することが可能である。なお、熱量調節部としては、バルブなどのガス流量調節機構を用いるとよい。また、両方に熱量調節部を設けるようにした場合、熱量調節部の何れか一方を全開とした状態で、他方の熱量調節部の開度を調節するようにするとよい。 In this configuration, the heat quantity adjusting unit may be provided in both the first passage and the second passage, or may be provided only in one of the first passage and the second passage. When only one side is provided with a calorific value adjusting unit, by adjusting the calorific value of the exhaust gas from the combustion unit that passes through the calorific value adjusting unit, the correlation is utilized, and the combustion unit that passes through the remaining one passage is used. It is possible to adjust the amount of heat of the exhaust gas. It should be noted that a gas flow rate adjusting mechanism such as a valve may be used as the heat amount adjusting unit. Further, in the case where both of the heat quantity adjusting parts are provided, it is preferable that the opening degree of the other heat quantity adjusting part is adjusted in a state where any one of the heat quantity adjusting parts is fully opened.
また、この構成において、外部熱源器を設け、この外部熱源器からの温度調整されたガスを第1の通路に加えるようにしてもよい。また、第1の通路の外部熱源器からの温度調整されたガスが加えられる箇所に、混合空間部を設けるようにしてもよい。また、混合空間部に、その空間部内のガスの混合を促進するガス混合促進手段を設けるようにしてもよい。また、燃料改質部の改質器に補助熱源器を設けるようにしてもよい。 In this configuration, an external heat source device may be provided, and the temperature-adjusted gas from the external heat source device may be added to the first passage. Moreover, you may make it provide a mixing space part in the location where the temperature-controlled gas from the external heat source device of a 1st channel | path is added. Moreover, you may make it provide the gas mixing promotion means which accelerates | stimulates mixing of the gas in the space part in the mixing space part. In addition, an auxiliary heat source device may be provided in the reformer of the fuel reforming unit.
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第1の通路と、燃料改質部を含む第1の通路をバイパスする第2の通路と、第1の通路および第2の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって燃料改質部の改質器温度を調整するようにしたものである。 The operating method of the fuel cell system of the present invention includes a power generation unit using a fuel cell that generates power by being supplied with fuel gas and oxidant gas, a combustion unit that burns gas discharged from the power generation unit, Using a reformer that reforms the fuel using the amount of heat of the exhaust gas from the combustion section, the fuel reforming section that converts the fuel gas to the power generation section, and the exhaust gas from the combustion section is guided to the fuel reforming section. A fuel cell system comprising: a first passage; a second passage that bypasses the first passage including the fuel reforming portion; and a heat amount adjustment unit provided in at least one of the first passage and the second passage. As a fuel cell system output deterioration compensation operation, the fuel reforming is performed by adjusting the heat quantity of the exhaust gas from the combustion section that passes through the heat quantity adjustment section so as to keep the output value of the fuel cell system at a predetermined standard output. The reformer temperature In which it was to be an integer.
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第1の通路と、燃料改質部を含む第1の通路をバイパスする第2の通路と、第1の通路および第2の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、予め定められた運転パラメータが設定された条件で運転を行い、その時の燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって燃料改質部の改質器温度を調整するようにしたものである。 The operating method of the fuel cell system of the present invention includes a power generation unit using a fuel cell that generates power by being supplied with fuel gas and oxidant gas, a combustion unit that burns gas discharged from the power generation unit, Using a reformer that reforms the fuel using the amount of heat of the exhaust gas from the combustion section, the fuel reforming section that converts the fuel gas to the power generation section, and the exhaust gas from the combustion section is guided to the fuel reforming section. A fuel cell system comprising: a first passage; a second passage that bypasses the first passage including the fuel reforming portion; and a heat amount adjustment unit provided in at least one of the first passage and the second passage. In order to compensate the deterioration of the output of the fuel cell system, the operation is performed under the condition where a predetermined operation parameter is set, and the output value of the fuel cell system at that time is adjusted to a predetermined standard output. Pass through It is obtained so as to adjust the reformer temperature of the fuel reformer unit by regulating the amount of heat of exhaust gas from the combustion section.
本発明の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムの出力の劣化補償動作は、燃料電池システムの出力値が予め定められた条件を満たした時に行うようにする。例えば、予め定められた周期に従って行ったり、燃料電池システムの出力値が予め定められた閾値(劣化下限値)を下回った場合に行ったり、手動で行ったりする。 In the operation method of the fuel cell system of the present invention, the output deterioration compensation operation of the fuel cell system is performed when the output value of the fuel cell system satisfies a predetermined condition. For example, it is performed in accordance with a predetermined cycle, performed when the output value of the fuel cell system falls below a predetermined threshold (deterioration lower limit value), or manually.
本発明の燃料電池システムの運転方法において、燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合、警告を発するようにしてもよい。また、燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合、その後の燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止し、以降、燃料電池システムの出力値が予め定められている下限値を逸脱した場合に、燃料電池システムの運転を停止するようにしてもよい。また、燃料電池の発電素子の破損を検出するようにし、発電素子の破損が検出された場合、燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止するようにしてもよい。 In the operation method of the fuel cell system of the present invention, a warning may be issued when the reformer temperature of the fuel reforming unit deviates from a predetermined range. Further, when the reformer temperature of the fuel reforming unit deviates from a predetermined range, the subsequent deterioration compensation operation of the output of the fuel cell system is prohibited, and thereafter, the output value of the fuel cell system is determined in advance. The operation of the fuel cell system may be stopped when the lower limit is exceeded. Further, it is possible to detect the damage of the power generation element of the fuel cell, and to prohibit the deterioration compensation operation of the output of the fuel cell system when the damage of the power generation element is detected.
また、本発明の燃料電池システムの運転方法において、燃料改質部の改質器に補助熱源器を設け、燃料電池システムの劣化を補償する際、燃料改質部の改質器温度を熱量調節部を通過する燃焼ガスの熱量の調節によって調整できなくなった場合、燃料改質部の改質器温度を補助熱源器から燃料改質部の改質器へ供給する熱量の調節によって調整するようにしてもよい。 Further, in the operation method of the fuel cell system of the present invention, when the auxiliary heat source device is provided in the reformer of the fuel reforming unit and the deterioration of the fuel cell system is compensated, the reformer temperature of the fuel reforming unit is adjusted by the amount of heat. If it becomes impossible to adjust by adjusting the amount of heat of the combustion gas passing through the section, the reformer temperature of the fuel reforming section is adjusted by adjusting the amount of heat supplied from the auxiliary heat source to the reformer of the fuel reforming section. May be.
本発明によれば、燃料改質部の改質器温度を制御することにより、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度を調整することが可能となる。これにより、発電素子の経時劣化によるシステムの出力の低下が起きた場合でも、燃焼ガス中の水素や一酸化炭素濃度を上げて、発電電圧の低下を防ぎ、燃料電池システムの出力の劣化を補償することが可能となり、発電素子を従来に比べて長期間使用することができるようになる。 According to the present invention, the gas concentration of hydrogen or carbon monoxide in the fuel gas can be adjusted by controlling the reformer temperature of the fuel reforming section. As a result, even if the output of the system decreases due to deterioration of the power generation element over time, the concentration of hydrogen or carbon monoxide in the combustion gas is increased to prevent a decrease in power generation voltage and compensate for the deterioration of the output of the fuel cell system. This makes it possible to use the power generating element for a longer period of time than in the past.
また、本発明によれば、発電素子の交換周期を長くし、発電素子の交換頻度を減らすことができると共に、発電素子の経時変化によるシステムの長期間の出力低下を防ぐことが可能となり、要求される電力に対して、必要以上の出力容量を持つシステムとせずとも、従来に比べて長期間に渡り、要求されるシステムの出力を維持することが可能となる。 In addition, according to the present invention, it is possible to lengthen the replacement cycle of the power generation element and reduce the frequency of replacement of the power generation element, and to prevent a long-term output decrease of the system due to the time-dependent change of the power generation element. Even if the system does not have an output capacity more than necessary with respect to the generated power, it is possible to maintain the required system output for a long period of time compared to the conventional system.
また、システムの起動・停止は発電素子を劣化させる可能性があると言われている。本発明では、システムの起動・停止を少なくすることができるため、さらに発電素子の劣化を抑えることができ、したがって発電素子交換に伴う費用の発生を抑えることができる。 In addition, it is said that starting and stopping the system may deteriorate the power generation element. In the present invention, since the start / stop of the system can be reduced, it is possible to further suppress the deterioration of the power generation element, and therefore, it is possible to suppress the generation of costs associated with the replacement of the power generation element.
また、本発明によれば、発電素子の劣化状態を知り、発電素子の劣化に伴う破損が発生する前に、発電素子の交換時期が来たことを知らせるようにすることも可能となる。 In addition, according to the present invention, it is possible to know the state of deterioration of the power generation element, and to notify that the time for replacement of the power generation element has come before damage due to deterioration of the power generation element occurs.
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態1〕
図1はこの発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略を示すシステム構成図である。同図において、図12と同一符号は図12を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an outline of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 12 denote the same or equivalent components as those described with reference to FIG.
この実施の形態では、改質熱交換器2への燃焼室4からの排気ガスの排出通路L1を第1の排出通路(以下、改質熱交換器流路と呼ぶ)とし、改質熱交換器2を含む改質熱交換器流路L1に並列に第2の排出通路(以下、バイパス流路と呼ぶ)L2を設け、改質熱交換器流路L1にバルブV1を、バイパス流路L2にバルブV2を設けている。
In this embodiment, the exhaust gas exhaust passage L1 from the
なお、この実施の形態では、改質熱交換器流路L1とバイパス流路L2の入口側の合流点P1を流入口(燃焼室4からの排気ガスの流入口)とも呼び、改質熱交換器流路L1とバイパス流路L2の出口側の合流点P2を排出口(燃焼室4からの排気ガスの排出口)とも呼ぶ。排出口P2より排出されるガスは、タービンシステムや蒸気発生器などの排熱利用機器に送られ、有効利用することもできる。 In this embodiment, the junction P1 on the inlet side of the reforming heat exchanger flow path L1 and the bypass flow path L2 is also referred to as an inflow (exhaust gas inflow from the combustion chamber 4). The junction P2 on the outlet side of the vessel channel L1 and the bypass channel L2 is also referred to as an exhaust port (exhaust gas exhaust port from the combustion chamber 4). The gas discharged from the discharge port P2 can be sent to a waste heat utilization device such as a turbine system or a steam generator for effective use.
改質熱交換器2に対しては、この改質熱交換器2への燃料の供給通路L3と、起動モードや停止モードで使用されるパージガスの供給通路L5とが設けられ、燃料の供給通路L3にはバルブV3が、パージガスの供給通路L5にはバルブV5が設けられている。
The reforming
また、空気予熱器(ヒータ)3への酸化剤ガスの供給通路L4にはバルブV4が設けられ、改質熱交換器2に対してはその改質器2−3内の温度を改質器温度T1として検出する温度センサ7が設けられている。また、発電室1に対しては、発電室1内の温度を発電室温度T2として検出する温度センサ8と、発電室1内の発電素子の電圧を発電電圧Vとして検出する電圧計9が設けられている。
Further, a valve V4 is provided in the supply path L4 for the oxidant gas to the air preheater (heater) 3, and for the reforming
また、この燃料電池システムには、温度センサ7からの改質器温度T1、温度センサ8からの発電室温度T2、電圧計9からの発電電圧Vを入力とし、バルブV1〜V5や空気予熱器3の動作を制御する制御装置としてコントローラ10が設けられている。コントローラ10は、プロセッサ(CPU)10aや記憶装置10bからなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。また、コントローラ10に対しては、コントローラ10からの各種の情報を通知する通知装置11が設けられている。
In addition, the reformer temperature T1 from the
なお、この実施の形態では、発電室1が本発明で言う発電部に対応し、改質器2−3を含む改質熱交換器2が燃料改質部に対応し、燃焼室4が燃焼部に対応し、コントローラ10が制御部に対応し、バルブV1,V2が熱量調節部に対応する。なお、本実施形態では、蒸発器2−1と燃料予熱器2−2と改質器2−3とを一体化した改質熱交換器2を備えるシステムを示したが、システムの形態によっては蒸発器2−1や燃料予熱器2−2を、あるいはその両方を改質器2−3と分離して設置するものもあり、本燃料改質部は、少なくとも改質器2−3を備えるものとする。
In this embodiment, the
また、この実施の形態において、発電室温度T2としては、代表点1点を測定したものに限られない。例えば、発電室温度として複数点を測定している場合、発電素子の耐熱温度範囲で制御するために、モジュール構造として最も温度が上がりやすいポイントを制御点として用いることで、発電素子の破損を防ぐ制御が可能となる。 Further, in this embodiment, the power generation chamber temperature T2 is not limited to that measured at one representative point. For example, when measuring multiple points as the temperature of the power generation chamber, in order to control within the heat resistant temperature range of the power generation element, the point where the temperature rises most easily as the module structure is used as a control point, thereby preventing damage to the power generation element. Control becomes possible.
その他、発電室温度T2の測定に関しては、複数ポイント測定値の演算結果(例えば、温度変化率が最も高いポイント)などを用いる方法や、代表ポイント以外の複数ポイント測定値に対する温度上昇値の状態量制約を考慮できる制御則(例えば、モデル予測制御)を用いる方法もあり、モジュール構造に合わせて方法を選択すればよい。 In addition, regarding the measurement of the power generation chamber temperature T2, a method using a calculation result (for example, a point having the highest temperature change rate) of a multipoint measurement value, a state quantity of a temperature increase value with respect to a multipoint measurement value other than the representative point There is also a method that uses a control law (for example, model predictive control) that can take constraints into consideration, and the method may be selected according to the module structure.
また、モジュールの構成として、発電室内を適当な発電単位ごとにユニット化している場合がある。このような場合にも、ユニットごとに温度を測定し、温度を複数点測定している場合と同様の方法によって、発電室温度T2を決定すればよい。 Moreover, as a structure of a module, the power generation chamber may be unitized for every appropriate power generation unit. Even in such a case, the power generation chamber temperature T <b> 2 may be determined by measuring the temperature for each unit and using the same method as when measuring a plurality of temperatures.
以下、コントローラ10が実行する本実施の形態特有の制御動作について説明する。なお、この制御動作に入る運転開始前の状態として、バルブV1〜V5は全てオフ(全閉)とされ、空気予熱器3もオフとされているものとする。
Hereinafter, a control operation unique to the present embodiment executed by the
〔起動モード〕
コントローラ10は、運転の開始が指示されると、この時点を起動モードの開始時とし、バルブV1,V4,V5をオン(全開)とし、空気予熱器3をオンとする(図2参照)。これにより、空気予熱器3への酸化剤ガス(空気)の供給が開始される。また、改質熱交換器2へのパージガスの供給が開始される。
[Startup mode]
When the
空気予熱器3に流入した空気は、空気予熱器3で暖められ、空気分配器5を通して、発電室1内の空気極へ送られる。改質熱交換器2へ流入したパージガスは、改質熱交換器2を通って、発電室1の燃料極へ送られる。起動の際に、パージガスを供給する理由は、改質触媒の酸化を防ぐためである。なおパージガスとして、例えば窒素に3%以下の水素を混ぜた弱還元性のガスが使用される。
The air that has flowed into the
発電室1に供給された空気予熱器3からの空気は、発電室1を暖めながら、燃焼室4へ到達し、発電室1から排出されるパージガスと混合される。そして、この混合ガスが燃焼室4からの排気ガスとして、流入口P1に至り、改質熱交換器通路L1へ送られる。この場合、バルブV2は全閉とされていることから、燃焼室4からの排気ガスの全量が改質熱交換器通路L1へ送られる。改質熱交換器通路L1に送られた燃焼室4からの排気ガスは、改質熱交換器2の温度上昇に貢献した後、排ガスとして排出される。
The air from the
コントローラ10は、改質器温度T1が500℃に達すると、バルブV5をオフとし、バルブV3をオンとする(図3参照)。これにより、供給通路L5からの改質熱交換器2へのパージガスの供給が断たれ、供給通路L3からの改質熱交換器2への燃料(都市ガス)の供給が開始される。
When the reformer temperature T1 reaches 500 ° C., the
改質熱交換器2は、供給通路L3からの燃料の供給が開始されると、その燃料に蒸発器2−1からの蒸気を含ませ、燃料予熱器2−2を介して改質器2−3に導き、水素リッチな燃料ガスに改質し、発電室1に供給する。これにより、発電室1から排出される燃料ガスと空気とが燃焼室4内で混合される。ここで、燃焼室4内の温度が燃料の着火温度(450℃〜500℃)を超えれば、燃焼室4内で燃焼が開始される。
When the supply of fuel from the supply passage L3 is started, the reforming
発電室温度T2が600℃以上となると発電室1での発電を開始させる。この場合、発電室1に対して負荷6を接続し、発電素子からの電流を負荷6に流す。これは発電反応の熱を初期昇温に利用するためである。なお、空気予熱器3の能力が高ければ、定常発電温度付近で発電動作に移ってもよい。
When the power generation chamber temperature T2 becomes 600 ° C. or higher, power generation in the
コントローラ10は、発電室温度T2が定常発電温度(例えば、950℃)に近くなったら、バルブV3,V4の開度を制御しつつ、ガス流量をシステムの仕様に応じた燃料利用率η1,空気利用率η2に調整する。
When the power generation chamber temperature T2 approaches the steady power generation temperature (for example, 950 ° C.), the
この際、空気流量が小さくなる場合には、発電室温度T2が上昇する。この場合、コントローラ10は、発電室温度T2をモニタしながら、バイパス流路L2のバルブV2の開度をPID制御する。すなわち、バイパス流路L2のバルブV2の開度をPID制御することにより、改質熱交換器流路L1を流れる排気ガスの流量を減らし、改質器温度T1を下げ、燃料ガスに含まれる炭化水素の一部を発電素子上で改質する内部改質を発電室1において発生させ、この時の改質反応熱(吸熱反応熱)により発電室温度T2の上昇を抑える。
At this time, when the air flow rate becomes small, the power generation chamber temperature T2 rises. In this case, the
そして、コントローラ10は、燃料利用率η1、空気利用率η2、負荷電流Iおよび発電室温度T2が定常運転状態となれば起動を終了し、定常モードへ移行する。なお、本実施の形態において、起動終了時の改質器温度T1は、例えば600℃程度とする。また、起動終了時において、バイパス流路L2のバルブV2は全閉状態ではなく、PID制御状態とされ、バイパス流路L2には燃焼室4からの排気ガスが分流して流れているものとする(図4参照)。
Then, the
コントローラ10は、定常モードへ移行する際、その時点(起動終了時点)での燃料電池システムの出力(以下、単にシステムの出力と言う)を初期出力とし、この初期出力を記憶装置10b内に標準出力として保存する。この例では、起動終了時点での発電電圧Vを標準出力V0として記憶装置10b内に保存する。なお、予めシステムの電力出力仕様が決まっている場合であれば、その電力出力仕様から得られる定格発電電圧を標準出力として保存しておくようにしてもよい。
When the
また、コントローラ10は、定常モードへ移行する際、その時点(起動終了時点)での燃料利用率η1,空気利用率η2,負荷電流I,改質器温度T1など標準出力V0を得るための必要な条件である標準状態を示す運転パラメータを記憶装置10b内に保存する。
Further, when the
〔定常モード〕
コントローラ10は、起動モードの終了時を定常モードの開始時として、発電室温度T2を950℃(定常発電温度)に保つように、空気予熱器3のオン/オフ制御(発電室1へ供給する空気の温度制御)やバルブV4の開度θ4のPID制御(発電室1へ供給する空気の流量制御)を開始する(図5参照)。
(Steady mode)
The
〔劣化補償〕
この燃料電池システムでは、運転の継続時間に応じて発電素子が劣化し、システムの出力(装置出力〔W〕=負荷電流〔A〕×発電電圧〔V〕)が低下して行く。本実施の形態において、コントローラ10は、この定常モードにおけるシステムの出力の劣化を次のようにして補償する。
[Degradation compensation]
In this fuel cell system, the power generation element deteriorates according to the duration of operation, and the output of the system (device output [W] = load current [A] × power generation voltage [V]) decreases. In the present embodiment, the
〔ベースライン運転時の劣化補償〕
ベースライン運転(燃料電池システムに対する電力負荷を一定とする運転)時、コントローラ10は、発電電圧Vを監視し、この発電電圧Vと劣化判断の閾値として定められている劣化下限値VLthとを比較する。この劣化下限値VLthは、装置の仕様として予め定めておいてもよいし、標準出力V0の98%を劣化下限値VLthとするなど、標準出力V0に対する割合として定めるようにしてもよい。この場合、劣化下限値VLthは、システム仕様における最低発電電圧VLMIN よりも大きな値、あるいは同等の値となるように設定することが好ましい。
[Degradation compensation during baseline operation]
During baseline operation (operation in which the power load on the fuel cell system is constant), the
ここで、コントローラ10は、発電電圧Vが劣化下限値VLthを下回ったことを確認すると(図6(d)に示すt1点)、システムの出力の劣化補償動作として、発電電圧Vを標準出力V0に戻すように、バルブV2の開度θ2の調節によって改質器温度T1を調整する。
Here, when the
すなわち、バルブV2の開度θ2を閉方向へ調節することによって、改質熱交換器流路L1を流れる排気ガスの流量を増大させ、改質器温度T1を上昇させる。改質器温度T1が上昇すると、燃料ガス中の水素および一酸化炭素の濃度が上昇し、発電電圧Vが上昇する。このようにして、コントローラ10は、発電電圧Vが標準出力V0に一致するまで、バルブV2の開度θ2を閉方向へ調節し、改質器温度T1を上昇させる。
That is, by adjusting the opening degree θ2 of the valve V2 in the closing direction, the flow rate of the exhaust gas flowing through the reforming heat exchanger flow path L1 is increased, and the reformer temperature T1 is raised. When the reformer temperature T1 increases, the concentration of hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas increases, and the power generation voltage V increases. In this way, the
以下同様にして、コントローラ10は、発電電圧Vが劣化下限値VLthを下回る毎に(図6(d)に示すt2点、t3点)、発電電圧Vを標準出力V0に戻すように、バルブV2の開度θ2の調節によって改質器温度T1を調整する。
Similarly, the
コントローラ10は、改質器温度T1の調整後、その調整後の改質器温度T1を改質器温度の設定値T1setとして記憶装置10bに記憶させ、改質器温度T1がT1setとなるようにバルブV2の開度θ2を制御する。これにより、発電電圧Vの低下が防がれ、システムの出力の劣化が補償される。
After adjusting the reformer temperature T1, the
なお、劣化補償動作が行われる毎に記憶装置10bに保存されている標準状態を定義する改質器温度を書き替え、次回の劣化補償動作の際の運転パラメータとして使用するようにしてもよい。
Each time the deterioration compensation operation is performed, the reformer temperature defining the standard state stored in the
なお、この例では、発電電圧Vが劣化下限値VLthを下回ったときに劣化補償動作が行われるものとしたが、定期的(例えば、500時間毎(長周期))に劣化補償動作を行わせるようにしてもよい(図7参照)。また、バルブV1,V2等の開度制御等を判断する制御周期(例えば、1〜2秒(短周期))で劣化補償動作を行わせるようにしてもよい。また、発電電圧Vが劣化下限値VLthを下回ったときに行う劣化補償動作(非定周期の劣化補償動作)と、定期的(長周期)や制御周期(短周期)で行う劣化補償動作(定周期の劣化補償動作)とを組み合わせてもよく、ユーザからの指示があった場合に劣化補償動作が行われるようにしてもよい。 In this example, the deterioration compensation operation is performed when the power generation voltage V falls below the deterioration lower limit value VLth. However, the deterioration compensation operation is performed periodically (for example, every 500 hours (long cycle)). You may make it (refer FIG. 7). Further, the deterioration compensation operation may be performed in a control cycle (for example, 1 to 2 seconds (short cycle)) for determining opening degree control of the valves V1, V2, and the like. In addition, a degradation compensation operation (non-constant period degradation compensation operation) performed when the generated voltage V falls below the degradation lower limit value VLth, and a degradation compensation operation (constant period) (periodic) (periodically long) or control cycle (short period). (Period degradation compensation operation) may be combined, and the degradation compensation operation may be performed in response to an instruction from the user.
〔負荷変動運転時の劣化補償〕
負荷変動運転(燃焼電池システムに対する電力負荷の変動に燃料電池システムの出力を追従させる運転)時、コントローラ10は、定期的(例えば、500時間毎)に、記憶装置10bに保存されている標準状態にシステムの運転条件を調整する。すなわち、起動終了時点での燃料利用率η1,空気利用率η2,負荷電流I,改質器温度T1など標準出力V0を得るための必要な条件である標準状態を示す運転パラメータを取得し、この運転パラメータに従ってシステムの運転条件を標準状態に調整する。この時、必要であれば、電力負荷を模擬する電子負荷装置などを用いてもよい。
[Deterioration compensation during load fluctuation operation]
During load fluctuation operation (operation in which the output of the fuel cell system follows the fluctuation of the power load on the combustion cell system), the
そして、この標準状態へのシステムの運転条件の調整後、コントローラ10は、システムの出力の劣化補償動作として、システムの運転条件を標準状態に調整した後の発電電圧Vと標準出力V0とを比較し、発電電圧Vを標準出力V0に戻すように、バルブV2の開度θ2の調節によって改質器温度T1を調整する。
After the adjustment of the system operating condition to the standard state, the
すなわち、バルブV2の開度θ2を閉方向へ調節することによって、改質熱交換器流路L1を流れる排気ガスの流量を増大させ、改質器温度T1を上昇させる。改質器温度T1が上昇すると、燃料ガス中の水素および一酸化炭素の濃度が上昇し、発電電圧Vが上昇する。このようにして、コントローラ10は、発電電圧Vが標準出力V0に一致するまで、バルブV2の開度θ2を閉方向へ調節し、改質器温度T1を上昇させる。
That is, by adjusting the opening degree θ2 of the valve V2 in the closing direction, the flow rate of the exhaust gas flowing through the reforming heat exchanger flow path L1 is increased, and the reformer temperature T1 is raised. When the reformer temperature T1 increases, the concentration of hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas increases, and the power generation voltage V increases. In this way, the
コントローラ10は、この劣化補償動作によって発電電圧Vを標準出力V0に戻した後、その時の改質器温度T1を改質器温度の設定値T1setとして記憶装置10bに記憶させ、元の負荷変動運転に戻る。この負荷変動運転では、次の劣化補償動作が行われるまで、記憶装置10bに記憶されている改質器温度の設定値T1setを用い、改質器温度T1がT1setとなるようにバルブV2の開度θ2を制御する。
The
なお、劣化補償動作が行われる毎に記憶装置10bに保存されている標準状態を定義する改質器温度を書き替え、次回の劣化補償動作の際の運転パラメータとして使用するようにしてもよい。
Each time the deterioration compensation operation is performed, the reformer temperature defining the standard state stored in the
また、この例では、定期的に劣化補償動作が行われるようにしたが、ベースライン運転時の劣化補償と同様にして、ユーザからの指示があった場合に劣化補償動作が行われるようにしてもよい。 In this example, the deterioration compensation operation is periodically performed. However, in the same manner as the deterioration compensation during the baseline operation, the deterioration compensation operation is performed when an instruction from the user is given. Also good.
〔改質器温度の変化による発電室温度の変化〕
改質器温度T1を変化させることによって発電室1へ供給する燃料ガス中の水素や一酸化炭素の濃度を変化させた場合、発電室温度T2が変化する。発電室温度T2が上昇し過ぎた場合には発電素子が劣化する可能性があるため、発電室温度T2の調整が必要となる場合がある。この場合、コントローラ10は、バルブV4の開度を制御することにより、発電室1への空気流量を増減し、発電室温度T2の調整を行う。
[Changes in the temperature of the power generation chamber due to changes in the reformer temperature]
When the concentration of hydrogen or carbon monoxide in the fuel gas supplied to the
発電室1への空気流量の増減は燃焼室4からの排気ガスの温度を変化させることがある。これにより、バルブV2の開度を変更しない場合でも、改質器温度T1が変化し、システムの出力が変化することがある。この場合、コントローラ10は、記憶装置10bに記憶されている改質器温度の設定値T1setとなるようにバルブV2の開度θ2を制御するので、発電室1への空気流量の増減によるシステムの出力の変化が生じることはない。
Increasing or decreasing the air flow rate to the
〔バルブV1,V2の開度制御について〕
上述した実施の形態では、一形態として、バルブV1を全開とし、バルブV2の開度を制御(PID制御)するようにしたが、バルブV2の開度を全開とし、バルブV1の開度を制御(PID制御)するようにしてもよい。バルブV1,V2を同時に締め切った場合、発電室1の内部の圧力が上昇して発電素子が破損する場合がある。したがって、バルブV1,V2のどちらかが必ず開いている状態の制御が必要であり、これを実現するために、バルブV1を全開としてバルブV2の開度を制御したり、バルブV2の開度を全開としてバルブV1の開度を制御したりするシーケンスを採用する。
[Opening control of valves V1 and V2]
In the embodiment described above, as one form, the valve V1 is fully opened and the opening degree of the valve V2 is controlled (PID control). However, the opening degree of the valve V2 is fully opened and the opening degree of the valve V1 is controlled. (PID control) may be performed. If the valves V1 and V2 are closed at the same time, the pressure inside the
このシーケンスでは、バルブV2の開度を小さくすることで改質器温度T1を上昇させることができ、バルブV1の開度を大きくすることで改質器温度T1を上昇させることができる。したがって、このシーケンスを採用することにより、発電素子を破損させることなく、改質器の温度制御が可能となる。なお、場合によっては、バルブV1,V2が共に全閉とならないことを条件として、バルブV1,V2の開度を制御するようにすることもあり得る。 In this sequence, the reformer temperature T1 can be increased by decreasing the opening degree of the valve V2, and the reformer temperature T1 can be increased by increasing the opening degree of the valve V1. Therefore, by adopting this sequence, it is possible to control the temperature of the reformer without damaging the power generating element. In some cases, the opening degree of the valves V1 and V2 may be controlled on condition that both the valves V1 and V2 are not fully closed.
例えば、バルブV1が全開で、バルブV2を制御している状態において、バルブV2も全開となった場合に、バルブV1の制御を開始する方法が考えられる。これにより、バルブV1,V2のどちらかのみを制御する場合よりも大きな温度範囲で改質器温度T1を制御することができる。 For example, in a state where the valve V1 is fully opened and the valve V2 is controlled, a method of starting control of the valve V1 when the valve V2 is also fully opened can be considered. Thereby, the reformer temperature T1 can be controlled in a larger temperature range than when only one of the valves V1 and V2 is controlled.
また、上述した実施の形態では、改質熱交換器流路L1にバルブV1を設け、バイパス流路L2にバルブV2を設けるようにしたが、改質熱交換器流路L1にバルブV1を設けるのみとしてもよく、バイパス流路L2にバルブV2を設けるのみとしてもよい。この場合、バルブが存在しない流路には各流路の圧力損失関係によって決まる最低限の流量の排気ガスが流れることになり、何れか一方の流路に設けられたバルブの開度を調整することによって改質器温度T1を調整することができる。 Further, in the embodiment described above, the valve V1 is provided in the reforming heat exchanger flow path L1, and the valve V2 is provided in the bypass flow path L2, but the valve V1 is provided in the reforming heat exchanger flow path L1. Alternatively, only the valve V2 may be provided in the bypass flow path L2. In this case, the exhaust gas having the minimum flow rate determined by the pressure loss relationship of each flow path flows through the flow path in which no valve exists, and the opening degree of the valve provided in one of the flow paths is adjusted. Thus, the reformer temperature T1 can be adjusted.
但し、バイパス流路L2にバルブV2を設けるのみの構成とした場合、改質熱交換器2での改質には最低限の温度(例えば、450℃)が必要であるため、この温度を確保することができるような形態で改質熱交換器流路L1の管路設計を行うようにすることが肝要である。
However, when only the valve V2 is provided in the bypass flow path L2, a minimum temperature (for example, 450 ° C.) is required for reforming in the reforming
バルブV2の開度を全開とし、バルブV1の開度を制御するようにした場合、バルブV1が全閉となる場合が存在する。このような状態が長期間続くと、改質器温度T1が低下し、システムが正常に動作しなくなることが考えられる。しかしながら、この場合、劣化補償動作後に定められる改質器温度の設定値T1setを保つようにバルブV1が制御されるため、バルブV1が長期間全閉状態となることがなく、システムの動作に問題は生じない。 When the opening degree of the valve V2 is fully opened and the opening degree of the valve V1 is controlled, the valve V1 may be fully closed. If such a state continues for a long period of time, the reformer temperature T1 may decrease and the system may not operate normally. However, in this case, since the valve V1 is controlled so as to maintain the set value T1set of the reformer temperature determined after the deterioration compensation operation, the valve V1 is not fully closed for a long period of time, and there is a problem in the operation of the system. Does not occur.
なお、ここでは確実に発電室1の内圧を高めないことを条件とする改質器の温度制御方法を示したが、排気部分を閉塞させない制御条件が分かっている場合であれば、モデル制御などを用いた高度な制御方法を用いて、バルブV1,V2の開度を同時に変更するような制御も可能である。
Here, the temperature control method of the reformer is shown on the condition that the internal pressure of the
また、この実施の形態では、起動モード時、空気予熱器3によって予熱された高温の空気を空気分配器5を介して発電室1に供給するようにしたが、不完全燃焼による還元ガスを供給できるバーナ(還元燃焼バーナ)を設け、この還元燃焼バーナからの還元ガスを発電室1へ供給するようにしてもよい。なお、この場合、還元ガスは発電室1の燃料極へ供給するようにする。
In this embodiment, in the start-up mode, the high-temperature air preheated by the
〔実施の形態2〕
図8に本発明に係る燃料電池システムの他の実施の形態(実施の形態2)の概略を示す。この実施の形態2では、改質熱交換器2への排気ガスの流入口P1に温度調整されたガスを供給する外部熱源器12が設けられている。この例では、外部熱源器12として、バーナ(外部加熱源)12−1とブロワ(外部冷却源)12−2が設けられている。バーナ12−1への燃料の供給通路L6にはバルブV6が設けられている。
[Embodiment 2]
FIG. 8 shows an outline of another embodiment (Embodiment 2) of the fuel cell system according to the present invention. In the second embodiment, an external
また、この実施の形態2では、バルブV1に対し、最低開度θ1MIN (例えば、θ1MIN =10%)を定めている。この最低開度θ1MIN はコントローラ10の記憶装置10bに記憶されている。また、流入口P1のガスの温度をT3として温度センサ13で検出するようにし、この温度センサ13が検出するガス温度T3をコントローラ10へ送るようにしている。
In the second embodiment, the minimum opening θ1 MIN (for example, θ1 MIN = 10%) is determined for the valve V1. This minimum opening θ1 MIN is stored in the
この実施の形態2において、定常モード時、バルブV1が全開で、かつバルブV2が全閉となっている場合は、改質熱交換器2に供給される熱が不足していることを示している。この場合、コントローラ10は、バルブV6をオンとしてバーナ12−1へ燃料を供給し、バーナ12−1からの燃焼ガスを流入口P1へ送る。この際、コントローラ10は、流入口P1のガス温度T3を予め定められたガス温度に調整するように、バーナ12−1からの燃焼ガスの供給量を調整する。
In the second embodiment, when the valve V1 is fully open and the valve V2 is fully closed in the steady mode, it indicates that the heat supplied to the reforming
逆に、バルブV2が全開で、かつバルブV1が最低開度θ1MIN になった場合には、改質熱交換器2が加熱され過ぎていることを示している。この場合、コントローラ10は、ブロワ12−2を作動させ、冷却ガス(例えば、空気)を流入口P1へ送る。この際、コントローラ10は、流入口P1のガス温度T3を予め定められたガス温度に調整するように、ブロワ12−2からの冷却ガスの供給量を調整する。
Conversely, when the valve V2 is fully open and the valve V1 reaches the minimum opening degree θ1 MIN , it indicates that the reforming
なお、この実施の形態2において、バルブV1に最低開度θ1MIN を定めている理由は、冷却ガスを送り込むことによって流入口P1における排気ガスの温度を下げても、バルブV1が閉じた状態では改質熱交換器流路L1に排気ガスが流れず、改質器温度T1を低下させることができないためである。なお、バルブV1を全閉にしても、改質の吸熱反応により改質器温度は低下する方向に作用するため、場合によってはバルブV1を全閉にするような制御も可能である。 In the second embodiment, the reason why the minimum opening θ1 MIN is determined for the valve V1 is that even if the temperature of the exhaust gas at the inlet P1 is lowered by sending the cooling gas, the valve V1 is closed. This is because the exhaust gas does not flow through the reforming heat exchanger flow path L1, and the reformer temperature T1 cannot be lowered. Even when the valve V1 is fully closed, the reformer temperature acts in a direction to decrease due to the endothermic reaction of reforming. Therefore, depending on the case, it is possible to control the valve V1 to be fully closed.
外部熱源器12を用いる場合、図9に示すように、流入口P1に燃焼室4からの排気ガスと外部熱源器12からのガスとの混合空間部としてバッファ14を設け、このバッファ14にその空間部内のガスの混合を促進するガス混合促進手段としてミキサ15を設けるようにするとよい。このようなバッファ14やミキサ15を設けることによってガス温度に偏りが生じにくくすることができる。
When the
この実施の形態2では、外部熱源器12としてバーナ12−1やブロワ12−2を用いるものとしているが、外部熱源器12はこのようなバーナやブロワに限られるものではない。また、バーナ12−1やブロワ12−2によって排気ガスの温度を制御するのではなく、改質器2−3に送られるガスを電気的に加熱・冷却するような構成としてもよい。改質熱交換器2に送られるガスの加熱・冷却方法は、他にも種々考えられ、どのような方法を用いてもよい。
In the second embodiment, the burner 12-1 and the blower 12-2 are used as the external
〔実施の形態3〕
図10に補助熱源器としてヒータ16を改質器2−3に設置した例(実施の形態3)を示す。この実施の形態3では、定常モード時、バルブV1が全開で、かつバルブV2が全閉となっている場合、コントローラ10は、ヒータ16をオンとし、改質器2−3を直接加熱する。
[Embodiment 3]
FIG. 10 shows an example (Embodiment 3) in which a
この方法であれば、ヒータ16を動作させる場合にはバルブV1は全開となっており、かつバルブV2は全閉となっているため、ヒータ16の制御はバルブV1,V2の開度に依存しないことになる。したがって、バルブ制御との干渉がなく、改質器温度T1をヒータ16単独で制御することができる。
In this method, when the
なお、改質器2−3に設置する補助熱源器として、必要であれば、ペルチェ素子などの冷却源を設けるようにしてもよい。また、改質器2−3に設置する補助熱源器は、ヒータやペルチェ素子に限られるものではない。 If necessary, a cooling source such as a Peltier element may be provided as an auxiliary heat source installed in the reformer 2-3. Further, the auxiliary heat source installed in the reformer 2-3 is not limited to a heater or a Peltier element.
〔改質器温度が改質器動作可能温度範囲から逸脱した場合〕
改質器2−3は温度が低すぎる場合には改質動作が行えず、温度が高すぎると改質器内の改質触媒や改質器筐体が損傷することがある。改質動作が可能となる温度は、改質触媒として用いられる材料にもよるが概ね450℃以上であり、改質器の耐熱性は耐熱ステンレスを使用した場合でも800℃が上限である。したがって、改質器2−3には、動作可能な温度範囲(改質器動作可能温度範囲)が存在することになる。
[When the reformer temperature deviates from the reformer operating temperature range]
If the temperature of the reformer 2-3 is too low, the reforming operation cannot be performed. If the temperature is too high, the reforming catalyst and the reformer casing in the reformer may be damaged. The temperature at which the reforming operation is possible depends on the material used as the reforming catalyst, but is generally 450 ° C. or higher. The upper limit of the heat resistance of the reformer is 800 ° C. even when heat resistant stainless steel is used. Therefore, the reformer 2-3 has an operable temperature range (reformer operable temperature range).
そこで、コントローラ10は、改質器2−3を破損させないために、改質器温度T1をモニタし、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲から逸脱しないように、改質器温度T1の調整を規制する。具体的には、コントローラ10内の記憶装置10bに改質器動作可能温度範囲を記憶させておき、改質器温度T1がこの改質器動作可能温度範囲を逸脱した場合、その改質器温度T1を改質器動作可能温度範囲の上限値および下限値で規制すると共に、その後の劣化補償動作を禁止し、改質器動作可能温度範囲を超える改質器温度T1の調整が行われないようにする。また、通知装置11を介し、ユーザに対して警告を発する。
Therefore, the
発電素子の劣化はシステムの出力の単調減少として現れる。このため、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲から逸脱する条件は、通常、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達したことを意味する。この状態でさらに発電素子の劣化が進んだ場合、劣化補償動作を行って改質器温度T1を上昇させると、改質器2−3が損傷を受ける虞がある。 The deterioration of the power generation element appears as a monotonic decrease in the output of the system. For this reason, the condition that the reformer temperature T1 deviates from the reformer operable temperature range usually means that the reformer temperature T1 has reached the high temperature side limit of the reformer operable temperature range. If the power generation element further deteriorates in this state, the reformer 2-3 may be damaged if the deterioration compensation operation is performed to raise the reformer temperature T1.
改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界を逸脱した場合、コントローラ10は、その改質温度T1を改質器動作可能温度範囲の上限値で規制すると共に、その後の劣化補償動作を禁止する。したがって、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界を超えて上昇して行くことがなく、改質器2−3が損傷を受ける虞を回避することができる。また、この場合、通知装置11を介してユーザに対して警告が発せられるので、この警告によって使用している発電素子の交換時期が来たことを知ることができる。
When the reformer temperature T1 deviates from the high temperature side limit of the reformer operable temperature range, the
なお、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達した時に直ぐに警告と合わせて発電素子の交換時期が来たことを通知するようにしてもよいが、改質器温度T1を改質器動作可能温度範囲の上限値としたまま運転を継続し、システムの出力が発電素子の交換時期を判断するための閾値として予め定められている下限値に達した時点でシステムの運転を停止し、発電素子の交換時期が来たことを通知するようにしてもよい。 In addition, when the reformer temperature T1 reaches the high temperature side limit of the reformer operable temperature range, it may be notified together with a warning that the power generation element replacement time has come. The operation is continued while the temperature T1 is set to the upper limit value of the reformer operable temperature range, and the system is reached when the output of the system reaches a lower limit value set in advance as a threshold value for judging the replacement timing of the power generation element. The operation may be stopped and notification that the time for replacement of the power generation element has come may be provided.
この場合、発電素子の交換時期を判断するための下限値は、劣化補償動作を行う際の劣化下限値と同一である必要はなく、劣化下限値よりも低い値としてもよい。このような場合でも、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達した時点で警告を発することで、発電素子の交換時期が近いことを知るための情報として有効に活用することができる。これにより、発電素子の劣化による発電素子の破損を回避しつつ、システムの運転を長期間に亘って継続することができる。 In this case, the lower limit value for determining the replacement timing of the power generation element is not necessarily the same as the lower limit value for deterioration when performing the deterioration compensation operation, and may be a value lower than the lower limit value for deterioration. Even in such a case, when the reformer temperature T1 reaches the high temperature side limit of the reformer operable temperature range, it is effective as information for knowing that the power generation element replacement time is near by issuing a warning. Can be used. Thereby, the operation of the system can be continued for a long time while avoiding damage to the power generation element due to deterioration of the power generation element.
〔発電素子が損傷を受けた場合〕
上述した実施の形態1〜3において、周辺機器の異常などにより運転条件が正しく設定されず、発電室1内の発電素子が損傷を受けることがある。発電素子の破損が起きた場合には、経時劣化と同じくシステムの出力が低下する。この場合、発電素子の破損によるシステムの出力低下も発電素子の劣化によるシステムの出力低下と同様に、劣化補償動作が行われることになる。
[When the power generation element is damaged]
In the first to third embodiments described above, the operating conditions may not be set correctly due to abnormalities in peripheral devices, and the power generation elements in the
しかしながら、発電素子の破損によるシステムの出力低下は、破損箇所における燃料と空気(酸素)の直接反応による燃料濃度の低下で発生することが一般的である。このため、燃料ガス中の水素あるいは一酸化炭素の濃度を上昇させてもシステムの出力を上昇させることはできない。 However, the output reduction of the system due to the breakage of the power generating element is generally caused by the decrease of the fuel concentration due to the direct reaction between fuel and air (oxygen) at the breakage point. For this reason, even if the concentration of hydrogen or carbon monoxide in the fuel gas is increased, the output of the system cannot be increased.
したがって、発電素子が破損すると、繰り返される劣化補償動作によって、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界まで上昇することになる。この場合、警告が発せられたり、発電素子の交換時期が通知されたりする。したがって、発電素子が破損した場合であっても、速やかにそれに対処することが可能となる。 Therefore, when the power generating element is damaged, the reformer temperature T1 rises to the high temperature side limit of the reformer operable temperature range by repeated deterioration compensation operation. In this case, a warning is issued or the time for replacing the power generation element is notified. Therefore, even when the power generation element is damaged, it is possible to quickly cope with it.
〔多数の発電素子を用いる場合〕
発電室1では、多数の発電素子を用いることが多く、発電素子ごと、あるいは適当な間隔の発電素子ごとに発電中の電位を測定していることが多い。このような状況で発電素子の破損が発生すると、破損位置の発電電位が低下していることが確認できる。また、発電素子の破損位置では、燃料と空気の直接反応により温度が局部的に上昇することが知られている。したがって、このような局部的な発電電位の低下や局部的な温度上昇などを測定することにより、発電素子破損が検出できる場合には、劣化補償動作を行わずに、発電素子交換の警告を即座に行うようにしてもよい。
[When using multiple power generation elements]
The
例えば、多数の発電素子を用いる場合、発電素子の破損を検出するセンサ(発電素子破損検出センサ)17を設け、このセンサ17の出力をコントローラ10へ与えるようにする。この場合、コントローラ10は、センサ17から発電素子の破損が知らされると、その後の劣化補償動作を禁止し、通知装置11を介してユーザへ即座に発電素子の交換の警告を発する。
For example, when a large number of power generation elements are used, a sensor (power generation element breakage detection sensor) 17 for detecting breakage of the power generation element is provided and the output of the
〔実施の形態4〕
劣化補償動作に関しては、改質器温度を独立に制御するという点のみを考えれば、改質熱交換器流路L1を流れる排気ガスの流量を制御せずとも、改質器2−3にヒータやペルチェ素子などの補助熱源器を設置し、この補助熱源器から改質器2−3へ供給する熱量を調節することにより、改質器温度T1を調整するようにすることも可能である。
[Embodiment 4]
With regard to the deterioration compensation operation, considering only that the reformer temperature is controlled independently, the heater is connected to the reformer 2-3 without controlling the flow rate of the exhaust gas flowing through the reforming heat exchanger flow path L1. It is also possible to adjust the reformer temperature T1 by installing an auxiliary heat source device such as a Peltier element and adjusting the amount of heat supplied from the auxiliary heat source device to the reformer 2-3.
図11に、改質熱交換器流路L1に対してバイパス流路L2を設けずに、改質器2−23に補助熱源器としてヒータ18を設置した例(実施の形態4)を示す。
FIG. 11 shows an example (Embodiment 4) in which a
このシステムにおいて、コントローラ10は、発電素子の劣化によりシステムの出力が低下する場合、劣化補償動作として、ヒータ18で改質器2−3を暖めることによって改質器温度T1を上昇させ、燃焼ガス中の水素および一酸化炭素の濃度を上昇させる。ヒータ18の制御は、改質器温度T1をモニタすることにより、PID制御などの方法を用いて行う。
In this system, when the output of the system decreases due to deterioration of the power generation element, the
ヒータ18の制御中、改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲を逸脱する場合には、ヒータ18の動作を改質器動作可能温度範囲内で規制することによって改質器2−3を保護する。また、ヒータ18の動作により改質器温度T1が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達した場合には、その後の劣化補償動作を禁止すると共に、警告を発生したり、発電素子の交換時期に到達したことを通知したりする。
When the reformer temperature T1 deviates from the reformer operable temperature range during the control of the
なお、図11に示されるように、改質器2−3の出口付近にヒータ18を設置することにより、改質器2−3の出口の燃料ガス中の水素や一酸化炭素の濃度を制御し易くなり、劣化補償動作を行うのに好ましい構成となる。しかし、ヒータ18の設置位置は、これに限定されるものではない。
As shown in FIG. 11, the concentration of hydrogen or carbon monoxide in the fuel gas at the outlet of the reformer 2-3 is controlled by installing a
なお、各実施形態において、蒸発器2−1と燃料予熱器2−2と改質器2−3とを一体化した改質熱交換器2を備えるシステムを示したが、この形態に限定されない。蒸発器2−1や燃料予熱器2−2を、あるいはその両方を改質器2−3と分離して設置するものも含まれる。また、改質方法も水蒸気改質に限らず、部分酸化改質法や併用改質法などにも適応可能である。
In addition, in each embodiment, although the system provided with the reforming
また、各実施形態において、燃料改質部への燃焼ガスの熱量を調節する熱量調節部としてバルブを用い、その制御方法としてPID制御を示したが、これらに限定されない。 Further, in each embodiment, a valve is used as a heat amount adjusting unit for adjusting the heat amount of the combustion gas to the fuel reforming unit, and PID control is shown as the control method thereof, but the present invention is not limited thereto.
以上のとおり、本願発明により、燃料改質部の改質器温度を制御することにより、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度を調整することが可能となる。これにより、発電素子の経時劣化によるシステムの出力の低下が起きた場合でも、燃焼ガス中の水素や一酸化炭素濃度を上げて、発電電圧の低下を防ぎ、燃料電池システムの出力の劣化を補償することが可能となり、発電素子を従来に比べて長期間使用することができるようになる。 As described above, according to the present invention, it is possible to adjust the gas concentration of hydrogen or carbon monoxide in the fuel gas by controlling the reformer temperature of the fuel reforming section. As a result, even if the output of the system decreases due to deterioration of the power generation element over time, the concentration of hydrogen or carbon monoxide in the combustion gas is increased to prevent a decrease in power generation voltage and compensate for the deterioration of the output of the fuel cell system. This makes it possible to use the power generating element for a longer period of time than in the past.
また、本発明によれば、発電素子の交換周期を長くし、発電素子の交換頻度を減らすことができると共に、発電素子の経時変化によるシステムの長期間の出力低下を防ぐことが可能となり、要求される電力に対して、必要以上の出力容量を持つシステムとせずとも、従来に比べて長期間に渡り、要求されるシステムの出力を維持することが可能となる。 In addition, according to the present invention, it is possible to lengthen the replacement cycle of the power generation element and reduce the frequency of replacement of the power generation element, and to prevent a long-term output decrease of the system due to the time-dependent change of the power generation element. Even if the system does not have an output capacity more than necessary with respect to the generated power, it is possible to maintain the required system output for a long period of time compared to the conventional system.
1…発電室、2…改質熱交換器、3…空気予熱器(ヒータ)、2−1…蒸発器、2−2…燃料予熱器、2−3…改質器、4…燃焼室、5…空気分配器、6…負荷、7,8…温度センサ、9…電圧計、10…コントローラ、10a…プロセッサ(CPU)、10b…記憶装置、11…通知装置、V1〜V6…バルブ、12…外部熱源器、12−1…バーナ、12−2…ブロワ、13…温度センサ、14…バッファ、15…ミキサ、16…ヒータ、17…センサ(発電素子破損検出センサ)、18…ヒータ、L1…第1の排出通路(改質熱交換器流路)、L2…第2の排出通路(バイパス通路)、L3,L6…燃料の供給通路、L4…酸化剤ガスの供給通路、L5…パージガスの供給通路、P1…流入口(排気ガスの流入口)、P2…排出口(排気ガスの排出口)、100…モジュール。
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記燃料改質部の改質器温度を制御する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit In a fuel cell system comprising a fuel reforming unit that uses a reformer to reform the fuel gas to the power generation unit,
A fuel cell system comprising a control unit for controlling a reformer temperature of the fuel reforming unit.
前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第1の通路と、
前記燃料改質部を含む前記第1の通路をバイパスする第2の通路と、
前記第1の通路および前記第2の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、
前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することによって前記燃料改質部の改質器温度を制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit In a fuel cell system comprising a fuel reforming unit that uses a reformer to reform the fuel gas to the power generation unit,
A first passage for guiding exhaust gas from the combustion section to the fuel reforming section;
A second passage that bypasses the first passage including the fuel reforming section;
A calorific value adjusting portion provided in at least one of the first passage and the second passage;
And a controller that controls the reformer temperature of the fuel reforming unit by adjusting the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit that passes through the calorific value adjusting unit.
温度調整されたガスを前記第1の通路に加える外部熱源器を備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
A fuel cell system comprising: an external heat source device for adding a temperature-adjusted gas to the first passage.
前記第1の通路の前記外部熱源器からの温度調整されたガスが加えられる箇所に混合空間部が設けられている
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
A fuel cell system, wherein a mixing space is provided in the first passage where a temperature-adjusted gas from the external heat source is added.
前記混合空間部にその空間部内のガスの混合を促進するガス混合促進手段が設けられている
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
A gas mixing promoting means for promoting mixing of the gas in the space is provided in the mixing space.
前記燃料改質部の改質器に補助熱源器が設けられている
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
An auxiliary heat source is provided in the reformer of the fuel reforming section. A fuel cell system comprising:
前記補助熱源器を制御することによって前記燃料改質部の改質器温度を制御する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit In a fuel cell system comprising: a fuel reforming unit that uses a reformer that reforms the fuel as a fuel gas to the power generation unit; and an auxiliary heat source provided in the reformer of the fuel reforming unit.
A fuel cell system comprising: a control unit that controls a reformer temperature of the fuel reforming unit by controlling the auxiliary heat source unit.
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit A fuel reformer that uses the reformer to reform the fuel as fuel gas to the power generation unit, a first passage that guides exhaust gas from the combustion unit to the fuel reformer, and the fuel reformer An operation method of a fuel cell system, comprising: a second passage that bypasses the first passage including a portion; and a heat amount adjusting portion provided in at least one of the first passage and the second passage. ,
As the output deterioration compensation operation of the fuel cell system, the adjustment of the amount of heat of the exhaust gas from the combustion unit that passes through the heat amount adjustment unit so as to keep the output value of the fuel cell system at a predetermined standard output. A method for operating a fuel cell system, comprising: a deterioration compensation step of adjusting a reformer temperature of a fuel reforming section.
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、予め定められた運転パラメータが設定された条件で運転を行い、その時の前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit A fuel reformer that uses the reformer to reform the fuel as fuel gas to the power generation unit, a first passage that guides exhaust gas from the combustion unit to the fuel reformer, and the fuel reformer An operation method of a fuel cell system, comprising: a second passage that bypasses the first passage including a portion; and a heat amount adjusting portion provided in at least one of the first passage and the second passage. ,
As the output deterioration compensation operation of the fuel cell system, the operation is performed under a condition in which a predetermined operation parameter is set, and the output value of the fuel cell system at that time is maintained at a predetermined standard output. A method for operating a fuel cell system, comprising: a deterioration compensation step of adjusting a reformer temperature of the fuel reforming unit by adjusting an amount of heat of exhaust gas from the combustion unit passing through the adjusting unit.
前記燃料電池システムは、
前記燃料改質部の改質器に設けられた補助熱源器を備え、
前記劣化補償ステップは、
前記燃料改質部の改質器温度を前記熱量調節部を通過する燃焼ガスの熱量の調節によって調整できなくなった場合、前記燃料改質部の改質器温度を前記補助熱源器から前記燃料改質部の改質器へ供給する熱量の調節によって調整する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 The operation method of the fuel cell system according to claim 8 or 9,
The fuel cell system includes:
An auxiliary heat source provided in the reformer of the fuel reforming section,
The deterioration compensation step includes:
When it becomes impossible to adjust the reformer temperature of the fuel reforming unit by adjusting the heat quantity of the combustion gas passing through the calorific value adjusting unit, the reformer temperature of the fuel reforming unit is changed from the auxiliary heat source to the fuel reforming unit. A method for operating a fuel cell system, comprising adjusting the amount of heat supplied to the reformer of the mass part.
前記劣化補償ステップは、
前記第1の通路および前記第2の通路に設けられた熱量調節部の何れか一方を全開とした状態で他方の熱量調節部の開度を調節する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 The operation method of the fuel cell system according to claim 8 or 9,
The deterioration compensation step includes:
An operating method of a fuel cell system, wherein the opening degree of the other heat quantity adjusting unit is adjusted in a state where any one of the heat quantity adjusting units provided in the first passage and the second passage is fully opened. .
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記補助熱源器を制御することによって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit A fuel cell system comprising: a fuel reforming unit that uses a reformer that reforms the fuel as fuel gas for the power generation unit; and an auxiliary heat source device provided in the reformer of the fuel reforming unit Because
As an output deterioration compensation operation of the fuel cell system, the reformer temperature of the fuel reforming unit is controlled by controlling the auxiliary heat source so as to keep the output value of the fuel cell system at a predetermined standard output. A method for operating a fuel cell system, comprising a deterioration compensation step for adjusting.
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、予め定められた運転パラメータが設定された条件で運転を行い、その時の前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記補助熱源器を制御することによって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A power generation unit using a fuel cell that is supplied with fuel gas and an oxidant gas to generate power, a combustion unit that burns the gas discharged from the power generation unit, and a fuel that uses the amount of heat of exhaust gas from the combustion unit A fuel cell system comprising: a fuel reforming unit that uses a reformer that reforms the fuel as fuel gas for the power generation unit; and an auxiliary heat source device provided in the reformer of the fuel reforming unit Because
As the output deterioration compensation operation of the fuel cell system, the auxiliary operation is performed so that the operation is performed under a condition in which a predetermined operation parameter is set, and the output value of the fuel cell system at that time is maintained at a predetermined standard output. A method of operating a fuel cell system, comprising: a deterioration compensation step of adjusting a reformer temperature of the fuel reforming unit by controlling a heat source device.
前記劣化補償ステップは、
前記燃料電池システムの出力値が予め定められた条件を満たした時に、前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 In the driving | operation method of the fuel cell system described in any one of Claims 8-13,
The deterioration compensation step includes:
An operation method of a fuel cell system, comprising performing an output deterioration compensation operation of the fuel cell system when an output value of the fuel cell system satisfies a predetermined condition.
前記劣化補償ステップは、
予め定められた周期に従って前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 In the driving | operation method of the fuel cell system described in any one of Claims 8-13,
The deterioration compensation step includes:
An operation method of a fuel cell system, comprising performing an output deterioration compensation operation of the fuel cell system according to a predetermined cycle.
前記燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合には警告を発するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system according to any one of claims 8 to 15,
A method of operating a fuel cell system, comprising the step of issuing a warning when the reformer temperature of the fuel reforming section deviates from a predetermined range.
前記燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合には、その後の前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system according to any one of claims 8 to 15,
A fuel cell system comprising a step of prohibiting a subsequent output deterioration compensation operation of the fuel cell system when the reformer temperature of the fuel reforming unit deviates from a predetermined range. Driving method.
前記燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合には、その後の前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止し、以降、前記燃料電池システムの出力値が予め定められている下限値に達した時点で前記燃料電池システムの運転を停止するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system according to any one of claims 8 to 15,
When the reformer temperature of the fuel reforming unit deviates from a predetermined range, the subsequent deterioration compensation operation of the fuel cell system is prohibited, and thereafter, the output value of the fuel cell system is A method of operating the fuel cell system, comprising: stopping the operation of the fuel cell system when a predetermined lower limit value is reached.
前記燃料電池の発電素子の破損を検出するステップと、
前記発電素子の破損が検出された場合、その後の前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止するステップと
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system according to any one of claims 8 to 15,
Detecting breakage of the power generating element of the fuel cell;
And a step of prohibiting a subsequent deterioration compensation operation of the output of the fuel cell system when damage to the power generation element is detected.
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