JP2010113867A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の固体電解質型燃料スタックを有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a plurality of solid oxide fuel stacks.
従来、この種の燃料電池システムとして特許文献1に開示された構成のものがある。
特許文献1に記載されている燃料電池システムは、酸化物透過型の電解質を有する燃料電池部および燃料を改質した改質ガスを前記燃料電池部に供給する燃料改質部を単位ユニットとする複数の単位ユニットと、この単位ユニットの燃料電池部からの排出ガスおよび前記燃料を、他の単位ユニットの燃料改質部へ導くガス配管部と、前記排出ガスから水または水蒸気を分離する水分離機構と、この分離した水または水蒸気を前記単位ユニットの前記燃料改質部へ導く水配管部とを有することを特徴としたものである。
In the fuel cell system described in
しかしながら、特許文献1に記載のものでは、水は最後段でのみ回収しているため、各段のスタックの間に水の量がかなり溜まり、燃料極が酸化される可能性がある。また、負荷変動時に、必要な水の量だけに関する制御をしていない。
However, in the thing of
そこで本発明は、凝縮器、蒸発器や水タンクを必ずしも必要とすることなく、負荷の変動に伴って必要な水蒸気を確保できる燃料電池システムの提供を目的としている。 Therefore, the present invention has an object to provide a fuel cell system that can ensure necessary water vapor in accordance with load fluctuations without necessarily requiring a condenser, an evaporator, or a water tank.
上記目的を達成するための本発明は、外部負荷の要求出力に応じた流量の燃料ガス及び空気を互いに分離して流通させることによる発電を行う複数の固体電解質型燃料電池スタックを有しているとともに、それらのうちの一の固体電解質型燃料電池スタックを流通して排出された水分を含む燃料オフガスを、他の固体電解質型燃料電池スタックに返戻するためのガス返戻路を配設し、かつ、各ガス返戻路に、これらを流通する燃料オフガスの流量を増減調整するための流量調整器を配した燃料電池システムであって、外部負荷の要求出力に対応する水分の流量を算出する水分量算出手段と、算出した水分の流量を各固体電解質型燃料電池スタックに返戻するように、流量調整器を介して燃料オフガスの送給流量を増減させる燃料オフガス送給手段とを有することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention has a plurality of solid oxide fuel cell stacks that generate power by separating and circulating fuel gas and air at a flow rate corresponding to the required output of an external load. And a gas return path for returning the fuel off-gas containing water discharged through one of the solid oxide fuel cell stacks to the other solid oxide fuel cell stack, and A fuel cell system in which each gas return path is provided with a flow regulator for increasing or decreasing the flow rate of the fuel off-gas flowing therethrough, and the moisture amount for calculating the flow rate of water corresponding to the required output of the external load Calculation means and fuel off-gas supply for increasing / decreasing the supply flow of fuel off-gas via a flow regulator so that the calculated water flow is returned to each solid oxide fuel cell stack It is characterized by having a stage.
本発明によれば、凝縮器、蒸発器や水タンクを必ずしも必要とすることなく、外部負荷の変動に対する水分送給の応答性を高めることができるとともに、長寿命化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the water supply responsiveness to fluctuations in the external load and increase the life without necessarily requiring a condenser, an evaporator or a water tank.
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、図2は、その燃料電池システムの一部をなす演算・制御ユニットの機能を示すブロック図である。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram illustrating functions of an arithmetic / control unit that forms part of the fuel cell system.
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムA1は、炭化水素系燃料を貯留する燃料タンク10、三つの燃料電池B1〜B3、コンプレッサ、燃料ポンプ(いずれも図示しない)、改質器20、及び演算・制御ユニットCの他、燃料電池B1〜B3毎に設けられた酸素分圧計31、電流計32、温度計33、流量計34、流量調整器40〜45等を有して構成されている。
A fuel cell system A1 according to an embodiment of the present invention includes a
コンプレッサは、各燃料電池B1〜B3に空気を送給するためのものであり、また、燃料ポンプは、燃料タンク10に貯留されている炭化水素燃料を各燃料電池B1〜B3に送給するためのものである。
これらコンプレッサと燃料ポンプは、詳細を後述する機能を有する演算・制御ユニットCの配下にあって駆動制御されるようになっている。
The compressor is for supplying air to the fuel cells B1 to B3, and the fuel pump is for supplying hydrocarbon fuel stored in the
These compressors and fuel pumps are controlled under the control of a calculation / control unit C having a function to be described in detail later.
酸素分圧計31は、各燃料電池B1〜B3に返戻される燃料オフガスの酸素分圧を計測するものであり、それら燃料電池B1〜B3にそれぞれ配設されている。
この酸素分圧計31で計測された酸素分圧値は、演算・制御ユニットCに入力されるように配線されている。
The oxygen
The oxygen partial pressure value measured by the oxygen
電流計32は、各燃料電池B1〜B3の後記する固体電解質型燃料電池スタック(以下、たんに「スタック」という。)の出力電流を計測するものである。なお、電流計に代えて電圧計を採用することもできる。
The
温度計33は、各スタック21〜23の温度を計測するものであり、計測した温度データは演算・制御ユニットCに入力されるように配線されている。
流量計34は、各燃料電池B1〜B3に送給される燃料ガスの流量を計測するものであり、計測した燃料ガスの流量は、演算・制御ユニットCに入力されるように配線されている。
The
The
本実施形態に示す燃料電池B1〜B3は、それぞれ複数のセルユニット(図示しない)を互いに間隙をもって積層してなるスタック21〜23を、ケース24に収容した構成のものである。
The fuel cells B <b> 1 to B <b> 3 shown in the present embodiment have a configuration in which stacks 21 to 23 formed by stacking a plurality of cell units (not shown) with gaps are accommodated in a
これらの燃料電池B1〜B3、従ってまた、三つのスタック21〜23は、燃料オフガスの排出経路に沿って直列に配列されている。このように配列することにより、簡素な構造にすることができる。
また、本実施形態においては、燃料電池B1〜B3を互いに同一構造のものを例として説明するが、互いに異なる構造の燃料電池を組み合わせることもできる。
These fuel cells B1 to B3, and therefore the three stacks 21 to 23, are arranged in series along the fuel off-gas discharge path. By arranging in this way, a simple structure can be obtained.
In the present embodiment, the fuel cells B1 to B3 are described as examples having the same structure, but fuel cells having different structures can be combined.
スタック21〜23内外には、モータ等の外部負荷の要求出力に応じた量の燃料ガス及び空気が互いに分離して流通され、これにより発電を行うようにしたものである。
「間隙」は、隣接する他のセルユニットとの間に燃料ガスを流通させるためのものである。
In the
The “gap” is for allowing the fuel gas to flow between other adjacent cell units.
ケース24は、平面視円形にした底壁24aと上壁24bの全周にわたり周壁24cを囲繞形成した気密性を有する円筒形のものである。
図1においては、燃料電池B1のみに、底壁24a,上壁24b,周壁24cに対応する符号を付して、他の燃料電池B2,B3については符号を省略している。
The
In FIG. 1, only the fuel cell B1 is provided with reference numerals corresponding to the
上記周壁24cには、ケース24内に燃料ガスを導入するための第一のガス導入口25、後述する燃料オフガスをケース24内に導入するための第二のガス導入口26、及び当該ケース24から燃料オフガスを排出するためのガス排出口27が開口形成されている。
The
隣り合う燃料電池B1,B2、B2,B3、及び燃料電池B3と燃料電池B1の第二のガス導入口26とガス排出口27との間には、ガス返戻路としての返戻パイプ50〜52が連結されており、それら返戻パイプ50〜52には、それぞれ流量調整器40〜42が配されている。
Between the adjacent fuel cells B1, B2, B2, B3, and between the
本実施形態においては、燃料電池B1のガス排出口27から排出された燃料オフガスが、燃料電池B2に、また、燃料電池B2のガス排出口27から排出された燃料オフガスが、燃料電池B3に、さらに、燃料電池B3のガス排出口27から排出された燃料オフガスが、燃料電池B1にそれぞれ返戻されるように上記返戻パイプ50〜52が配設されている。
すなわち、排出経路の最も最上流側と最も下流側に配列されているスタック21,23間に返戻パイプ52が配設されている。
In the present embodiment, the fuel off-gas discharged from the
That is, the
流量調整器40〜42は所謂方向制御弁であり、返戻パイプ50〜52を流通する燃料オフガスの流量を増減調整するとともに、その燃料オフガスの一部を流通経路外に排出する機能を有するものであり、演算・制御ユニットCによって駆動制御されるようになっている。
すなわち、流量調整器40〜42は、ガス返戻パイプ50〜52を流通する燃料オフガスの一部を流通経路外に排出するためのガス排出器としての機能を併有しているものである。
The
That is, the
60は、燃料ガスを各燃料電池B1〜B3に向けて送給するためのガス送給路であり、これの一端部が改質器20に、また、他端部が燃料電池B3にそれぞれ接続されている。
61,62は、ガス送給路50から燃料電池B1,B2に向けて燃料ガスを分流するための分流路であり、それら分流路61,62には流量調整部43,44が配設され、また、ガス送給路60の終端部には流量調整部45がそれぞれ配設されている。
流量調整部43〜45は、燃料電池B1〜B3に送給する燃料ガスの流量を増減制御するものであり、演算・制御ユニットCの配下にあって駆動制御されるように配線されている。
61 and 62 are branch passages for diverting the fuel gas from the gas supply passage 50 toward the fuel cells B1 and B2, and the flow
The flow
演算・制御ユニットCは、図2に示すように、CPU(Central Processing Unit)、インターフェース回路等からなるコントローラ70と、ハードディスク,半導体メモリ等からなる記憶部71とを有するものである。
記憶部71に記憶されている本燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、下記の各機能を発揮する。
As shown in FIG. 2, the arithmetic / control unit C includes a
By executing the program used in the fuel cell system stored in the
演算・制御ユニットCは、CPU(Central Processing Unit)やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
(1)外部負荷の要求出力に対応する燃料ガスの送給流量を算出する機能。これを「燃料送給量算出手段C1」という。
具体的には、増減する外部負荷の要求出力に対応して、各燃料電池B1〜B3に送給すべき燃料ガスの送給流量を算出する。
スタックに返戻された水分量は、スタックの酸素分圧PO2の値を測定することにより増減調整する。
すなわち、酸素分圧PO2の値が所定値の場合はそのまま運転を継続し、PO2の値>所定値の場合は水分の返戻流量(燃料ガスの返戻流量)を減らし、PO2の値<所定値の場合は水分の返戻流量を増やす。その際に出力値に過不足が発生すれば、燃料ガスの供給流量を再算出して、燃料供給流量を増減させる。
The arithmetic / control unit C includes a CPU (Central Processing Unit), an interface circuit, and the like, and exhibits the following functions by executing a required program.
(1) A function of calculating the fuel gas supply flow rate corresponding to the required output of the external load. This is referred to as “fuel supply amount calculation means C1”.
Specifically, the supply flow rate of the fuel gas to be supplied to each of the fuel cells B1 to B3 is calculated corresponding to the required output of the external load that increases or decreases.
The amount of water returned to the stack is adjusted to increase or decrease by measuring the value of the oxygen partial pressure PO 2 of the stack.
That is, the value of the oxygen partial pressure PO 2 continues as it operated in the case of a predetermined value, in the case of PO 2 values> predetermined value reduces the refunded flow water (refunded flow rate of the fuel gas), the value of the PO 2 < In the case of a predetermined value, the water return flow rate is increased. At this time, if the output value becomes excessive or insufficient, the fuel gas supply flow rate is recalculated to increase or decrease the fuel supply flow rate.
(2)算出した燃料ガスの送給流量に基づいて、流量調整器43〜45を介して、燃料タンク10に貯留されている炭化水素系燃料を各燃料電池B1〜B3に送給させる機能。これを「燃料送給手段C2」という。
すなわち、流量調整器43〜45によって、燃料電池B1〜B3に送給する燃料ガスの流量を増減している。
(2) A function of feeding hydrocarbon fuels stored in the
That is, the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cells B1 to B3 is increased or decreased by the
(3)外部負荷の要求出力に基づいて、その要求出力に対応する水分の流量を算出する機能。この機能を「水分量算出手段C3」という。
換言すると、各スタック21〜23に向けてそれぞれ返戻送給する燃料オフガスの送給流量を算出している。
具体的には、外部負荷の要求出力が増加すると、これに応じて各燃料電池B1〜B3に送給する燃料ガスの流量が増加するが、その燃料ガスの流量増加によって、燃料極にカーボン析出が生じない水分の流量を算出するのである。
燃料ガスの流量と水分の流量量との関係、すなわち、燃料ガスの流量と返戻すべき燃料オフガスの流量の関係は、上記した記憶部71にルックアップテーブル(図示しない)として記憶しておき、そのルックアップテーブルを参照して、各スタック21〜23に向けてそれぞれ返戻する燃料オフガスの送給流量を算出している。
本実施形態において「水分」とは、水と水蒸気の双方を含む概念のものである。なお、算出する水分流量は、炭化水素系燃料の種類によって異なる。
(3) A function of calculating the flow rate of moisture corresponding to the required output based on the required output of the external load. This function is referred to as “moisture amount calculation means C3”.
In other words, the supply flow rate of the fuel off gas to be returned and supplied to each of the
Specifically, when the required output of the external load increases, the flow rate of the fuel gas supplied to each of the fuel cells B1 to B3 increases accordingly, and the carbon deposition on the fuel electrode is caused by the increase in the flow rate of the fuel gas. The flow rate of moisture that does not occur is calculated.
The relationship between the flow rate of the fuel gas and the flow rate of water, that is, the relationship between the flow rate of the fuel gas and the flow rate of the fuel off-gas to be returned is stored in the
In the present embodiment, “moisture” is a concept including both water and water vapor. The calculated water flow rate varies depending on the type of hydrocarbon fuel.
(4)流量調整器40〜42を介して、算出した水分の流量を各スタックに返戻送給するように、燃料オフガスの送給流量を増減させる機能。これを「燃料オフガス送給手段C4」という。
(4) A function of increasing / decreasing the supply flow rate of the fuel off gas so that the calculated water flow rate is returned to each stack via the
(5)ガス排出器としての流量調整器40〜42を介して、他の燃料電池B1〜B3に返戻送給する燃料オフガスの残余のものを排出させる機能。これを「残余ガス排出手段C5」という。
(5) A function of discharging the remaining fuel off-gas to be returned to the other fuel cells B1 to B3 via the
(6)要求出力の増減に応じて、いずれかのスタックを選択する機能。これを「スタック選択手段C6」という。
例えば、要求出力の増加に応じた出力となるように、複数のスタックを組み合わせて選択する。具体的には、各燃料電池B1〜B3の出力を勘案して、要求出力を満たすように、燃料電池B1〜B3の一つ又は二つ以上の組み合わせを選択する。
この場合、燃料電池B1〜B3の各出力と、それらの出力を組み合わせた対応関係をルックアップテーブルとして記憶部71に予め記憶させておく。
(6) A function of selecting one of the stacks according to increase / decrease in request output. This is referred to as “stack selection means C6”.
For example, a plurality of stacks are selected in combination so that an output corresponding to an increase in the required output is obtained. Specifically, considering the outputs of the fuel cells B1 to B3, one or a combination of two or more of the fuel cells B1 to B3 is selected so as to satisfy the required output.
In this case, each output of the fuel cells B1 to B3 and a correspondence relationship obtained by combining these outputs are stored in advance in the
また、選択する順序を予め定めておいてもよい。例えば、排出経路に沿う最上流側のスタック(燃料電池)から、当該下流側のものにかけて順次選択するようにしてもよい。
なお、要求出力の増減に関わらず、全てのスタックを同時に駆動するようにしてもよい。
The order of selection may be determined in advance. For example, the stack may be sequentially selected from the most upstream stack (fuel cell) along the discharge path to the downstream one.
Note that all stacks may be driven at the same time regardless of increase / decrease in request output.
(7)いずれかのスタックにおけるカーボン析出を予測する機能。これを「析出予測手段C7」という。
すなわち、起動時に温度上昇の悪いスタックがある場合には、そのスタックにカーボン析出が予測されるために、そのスタックに返戻送給する水分の流量、すなわち、燃料オフガスの返戻流量を増加させる。
一般的に、スタックの温度が低い場合は、炭素析出がしやすい傾向があるため、スタックの温度と水分量を検知することにより、炭素析出の可能性について予測できる。
(7) A function for predicting carbon deposition in any stack. This is referred to as “deposition prediction means C7”.
That is, when there is a stack with a bad temperature rise at the time of startup, carbon deposition is predicted in the stack, so the flow rate of moisture returned to the stack, that is, the return flow rate of the fuel off gas is increased.
In general, when the temperature of the stack is low, carbon deposition tends to occur easily. Therefore, the possibility of carbon deposition can be predicted by detecting the stack temperature and the amount of moisture.
具体的には、温度計33により起動時のスタックの温度上昇を測定し、その上昇率と予め設定した所定の上昇率と比較することにより行っている。
この場合、「所定の上昇率」については、上記した記憶部71に予め記憶しておく。
なお、返戻する水分の流量を増やすためには、温度上昇の悪いスタックの排出経路の上流側のスタックからの燃料オフガスの流量を増加してもよく、また、全てのスタックからの燃料オフガスの排出流量を増加してもよい。
Specifically, the temperature rise of the stack at startup is measured by the
In this case, the “predetermined rate of increase” is stored in advance in the
In addition, in order to increase the flow rate of returning water, the flow rate of fuel off-gas from the stack upstream of the stack discharge path where the temperature rises poor may be increased, and the discharge of fuel off-gas from all stacks may be increased. The flow rate may be increased.
すなわち、燃料送給量算出手段C1は、カーボン析出が予測されたスタックの出力を補うように、他のスタックに送給する燃料ガスの送給流量を算出する。
燃料オフガス送給手段C4は、カーボン析出が予測されたスタックの出力を補うように算出した他のスタックに送給する燃料ガスの流量に対応する燃料オフガスの返戻流量を増加させる。
That is, the fuel supply amount calculation means C1 calculates the supply flow rate of the fuel gas to be supplied to another stack so as to supplement the output of the stack where carbon deposition is predicted.
The fuel off-gas feeding means C4 increases the return flow rate of the fuel off-gas corresponding to the flow rate of the fuel gas fed to the other stack calculated so as to supplement the output of the stack where carbon deposition is predicted.
(8)各スタックの出力低下を検知する機能。これを「出力低下検知手段C8」という。
具体的には、出力検知器である電流計32によって燃料電池B1〜B3の出力電流を測定することにより、スタックの出力低下を検知する。
出力低下検知手段C8により、いずれかのスタックの出力低下を検知したときには、燃料送給手段C2は、当該スタックの出力低下を補うように、他のスタックへの燃料ガスと燃料オフガスの送給量をそれぞれ増加させる。
(8) A function for detecting a decrease in output of each stack. This is referred to as “output reduction detection means C8”.
Specifically, the output decrease of the stack is detected by measuring the output currents of the fuel cells B1 to B3 by the
When the output reduction of the stack is detected by the output reduction detection means C8, the fuel supply means C2 supplies the fuel gas and the fuel off-gas to the other stack so as to compensate for the output reduction of the stack. Increase each.
以上の構成からなる燃料電池システムの動作について、図3,4を参照して説明する。図3は、負荷変動に対して、全ての燃料電池の出力を高める場合を示すフローチャート、図4は、負荷変動に対して、一つの燃料電池の出力を高める場合を示すフローチャートである。 The operation of the fuel cell system having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing a case where the outputs of all fuel cells are increased with respect to load fluctuations, and FIG. 4 is a flowchart showing a case where the output of one fuel cell is increased with respect to load fluctuations.
<全ての燃料電池の出力を高める場合>
ステップ1(図中、「S1」と略記する。以下同様。):要求出力が増加すると、これに対応して、各燃料電池B1〜B3に送給する燃料ガスの流量を増加する。これにより、各燃料電池B1〜B3の出力が増加する。
<When increasing the output of all fuel cells>
Step 1 (abbreviated as “S1” in the figure. The same applies hereinafter): When the required output increases, the flow rate of the fuel gas supplied to each of the fuel cells B1 to B3 is increased correspondingly. Thereby, the output of each fuel cell B1-B3 increases.
ステップ2:各燃料電池B1〜B3のスタック21〜23の温度を検知するとともに、S/Cの値を算出する。
スタックの温度、燃料量、水分の流量が分かれば、燃料電池に炭素析出をさせないためのS/C値(H2O量/炭化水素量の比率)が経験によって分かっているため、必要な水分の流量を算出できる。
ステップ3:水分の流量の過不足があるか否かを判定し、その流量が足りると判定したときにはステップ4に進み、そうでなければステップ5に進む。
ステップ4:定常運転を継続する。
ステップ5:全てのスタックへの燃料オフガスの返戻送給流量を増減調整する。
Step 2: The temperature of the
If the stack temperature, fuel amount, and water flow rate are known, the S / C value (ratio of H2O amount / hydrocarbon amount) to prevent carbon deposition in the fuel cell is known from experience. Can be calculated.
Step 3: It is determined whether or not there is an excess or deficiency in the flow rate of water. If it is determined that the flow rate is sufficient, the process proceeds to Step 4;
Step 4: Continue normal operation.
Step 5: Increase / decrease the return flow of fuel off gas to all stacks.
<一つの燃料電池の出力を高める場合>
ステップ1(図中、「Sa1」と略記する。以下同様。):要求出力が増加すると、これに対応して、例えば燃料電池B1に送給する燃料ガスの流量を増加する。これにより、その燃料電池B1の出力が増加する。
<When increasing the output of one fuel cell>
Step 1 (abbreviated as “Sa1” in the figure. The same applies hereinafter): When the required output increases, for example, the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell B1 is increased. As a result, the output of the fuel cell B1 increases.
ステップ2:各燃料電池B1〜B3のスタック21〜23の温度を検知するとともに、S/Cの値を算出する。
スタックの温度、燃料量、水分の流量が分かれば、燃料電池に炭素析出をさせないためのS/Cの値(H2O量/炭化水素量の比率)が経験によって分かっているため、必要な水分の流量を算出できる。
ステップ3:水分の流量の過不足があるか否かを判定し、その流量が足りると判定したときにはステップ4に進み、そうでなければステップ5に進む。
ステップ4:定常運転を継続する。
ステップ5:他のスタックへの燃料オフガスの返戻送給流量を増減調整する。
Step 2: The temperature of the
If the stack temperature, fuel amount, and water flow rate are known, the S / C value (ratio of H2O amount / hydrocarbon amount) to prevent carbon deposition in the fuel cell is known from experience, so The flow rate can be calculated.
Step 3: It is determined whether or not there is an excess or deficiency in the flow rate of water. If it is determined that the flow rate is sufficient, the process proceeds to Step 4;
Step 4: Continue normal operation.
Step 5: Increase / decrease the return flow rate of the fuel off gas to the other stack.
次に、図5,6を参照して、一のスタックの温度が上昇しない場合と、一のスタックにカーボン析出が検知された場合について説明する。図5は、一のスタックの温度が上昇しない場合を示すフローチャート、図6は、一のスタックにカーボン析出が検知された場合を示すフローチャートである。 Next, a case where the temperature of one stack does not rise and a case where carbon deposition is detected in one stack will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a flowchart showing a case where the temperature of one stack does not rise, and FIG. 6 is a flowchart showing a case where carbon deposition is detected in one stack.
<一のスタックの温度が上昇しない場合>
ステップ1(図中、「Sb1」と略記する。以下同様。):各燃料電池B1〜B3に配設した温度計33によって測定した温度に基づいて、いずれかのスタックの温度が所定の温度に達したか否かを判定し、当該温度が所定の温度に達しないと判定したときには、ステップ2に進む。このステップは、謂わばスタック温度判定手段である。
「所定の温度」は、例えば起動温度である700度であり、この温度に達しないときに、水分の流量を増加させると、炭素の析出が生じない。このような基準温度は、炭化水素系燃料の種類に応じて予め記憶部71に記憶させておく。
<When the temperature of one stack does not rise>
Step 1 (abbreviated as “Sb1” in the figure. The same applies hereinafter): Based on the temperature measured by the
The “predetermined temperature” is, for example, 700 ° C., which is the starting temperature, and if the water flow rate is increased when this temperature is not reached, no carbon deposition occurs. Such a reference temperature is stored in advance in the
ステップ2:各燃料電池B1〜B3のスタック21〜23の温度、燃料の種類、燃料ガスの流量、S/Cの値をそれぞれ算出する。
ステップ3:各燃料電池B1〜B3のスタック21〜23の温度、燃料の種類、燃料ガスの流量、S/Cの値に基づいて、カーボン析出の可能性について判定し、当該可能性があると判定すればステップ4に進み、そうでなければステップ5に進む。
Step 2: Calculate the temperature of the
Step 3: Based on the temperature of the
ステップ4:当該スタックの上流側のスタックへの燃料オフガスの返戻送給流量を増加させて、ステップ6に進む。
ステップ5:定常運転を継続する。
Step 4: Increase the return flow rate of the fuel off gas to the stack upstream of the stack, and go to Step 6.
Step 5: Continue normal operation.
ステップ6:当該スタックの温度が所定の温度に達したか否かを判定し、当該スタックの温度が所定の温度に達したと判定したときにはステップ7に進み、そうでなければステップ2に戻る。
ステップ7:当該スタックの上流側のスタックへの燃料オフガスの返戻送給流量を元に戻す。
Step 6: It is determined whether or not the temperature of the stack has reached a predetermined temperature. If it is determined that the temperature of the stack has reached a predetermined temperature, the process proceeds to Step 7; otherwise, the process returns to Step 2.
Step 7: Return the return flow rate of the fuel off gas to the stack upstream of the stack.
<一のスタックにカーボン析出が検知された場合>
ステップ1(図中、「Sc1」と略記する。以下同様。):いずれかのスタックに炭素析出(カーボン析出)が検知されたか否かを判定し、炭素析出が検知されと判定したときには、ステップ2に進む。
<When carbon deposition is detected in one stack>
Step 1 (abbreviated as “Sc1” in the figure. The same applies hereinafter): It is determined whether or not carbon deposition (carbon deposition) is detected in any stack. Proceed to 2.
ステップ2:当該スタックの上流側のスタックへの燃料オフガスの返戻送給流量を増加させて、ステップ3に進む。
ステップ3:当該スタックの上流側のスタックへの燃料オフガスの返戻送給流量を増加させて、ステップ4に進む。
ステップ4:当該スタックの出力が増加したか否かを判定し、当該スタックの出力が増加したと判定すればステップ5に進み、そうでなければステップ2に戻る。
ステップ5:当該スタックの上流側のスタックへの燃料ガスの送給流量と、燃料オフガスの返戻送給流量をそれぞれ元に戻す。
Step 2: The flow rate of returning the fuel off gas to the stack upstream of the stack is increased, and the process proceeds to Step 3.
Step 3: The flow rate of returning the fuel off gas to the stack upstream of the stack is increased, and the process proceeds to Step 4.
Step 4: It is determined whether or not the output of the stack has increased. If it is determined that the output of the stack has increased, the process proceeds to Step 5; otherwise, the process returns to Step 2.
Step 5: Return the fuel gas supply flow rate to the upstream stack and the fuel off-gas return supply flow rate to the original values.
以上詳述した一実施形態に係る燃料電池システムによれば、次の効果を得ることができる。
・凝縮器、蒸発器や水タンクを必ずしも必要とすることなく、外部負荷の変動に対する応答性を高めることができるとともに、長寿命化を図ることができる。
・各ガス返戻路に、これらのガス返戻路を流通する燃料オフガスの一部を流通経路外に排出するためのガス排出器を配し、そのガス排出器を介して、他の固体電解質型燃料電池スタックに向けて返戻送給する燃料オフガスの残余のものを排出させているので、次の効果を得ることができる。
According to the fuel cell system according to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
-A condenser, an evaporator, and a water tank are not necessarily required, and the responsiveness to fluctuations in the external load can be improved and the life can be extended.
・ Each gas return passage is provided with a gas discharger for discharging a part of the fuel off-gas flowing through these gas return passages to the outside of the flow passage, and through the gas discharger, another solid oxide fuel Since the remaining fuel off-gas that is returned to the battery stack is discharged, the following effects can be obtained.
(a)すなわち、燃料オフガス中には水蒸気等の水分を多く含んでいる。燃料オフガスの一部を経路外に排出すると、スタックや返戻パイプ等の破損とともに、燃料極の水分による酸化を防止できる。
すなわち、排出しない場合は、ガス溜まりによってスタック内の圧力がどんどん上がり、スタック、パイプ等が破損する場合があり、また水蒸気等の水分の濃度が上がると、燃料電池の燃料極(Niはよく使われている)はその水分によって酸化されやすい。
(b)さらに、燃料オフガスは返戻循環されていくうちに、スタック中の水分がどんどん溜まっていくため、燃料極が酸化される酸素分圧領域に入ると、燃料オフガスの循環量を減らす作業が必要になるが、その作業を行う必要がない。
(A) That is, the fuel off-gas contains a large amount of moisture such as water vapor. If a part of the fuel off-gas is discharged out of the path, the stack and the return pipe are damaged, and oxidation of the fuel electrode due to moisture can be prevented.
In other words, if not discharged, the pressure in the stack may increase rapidly due to gas accumulation, and the stack, pipes, etc. may be damaged, and if the concentration of moisture such as water vapor increases, the fuel electrode of the fuel cell (Ni is often used). Is easily oxidized by the moisture.
(B) Furthermore, as the fuel off-gas is returned and circulated, the water in the stack accumulates more and more. Therefore, when the fuel electrode enters the oxygen partial pressure region where the fuel electrode is oxidized, the work of reducing the amount of fuel off-gas circulation is reduced. You need it, but you don't have to do it.
(c)要求出力の増減に応じて、いずれかの固体電解質型燃料電池スタックを選択することにより、制御性、追従性をより向上させることができる。
(d)カーボン析出が予測された固体電解質型燃料電池スタックに返戻送給する燃料オフガスの流量を増加しているので、当該固体電解質型燃料電池スタックの出力が低下することを防止できる。
(e)カーボンの析出が予測された固体電解質型燃料電池スタックの出力を補うように、他の固体電解質型燃料電池スタックに返戻送給する燃料オフガスの送給流量を増加させているので、要求出力の増加に対応することができる。
(f)いずれかの固体電解質型燃料電池スタックの出力低下を検知したときには、当該固体電解質型燃料電池スタックの出力低下を補うように、他の固体電解質型燃料電池スタックへの燃料ガスと燃料オフガスの送給流量をそれぞれ増加させているので、要求出力の増加に対応することができる。
(C) Controllability and followability can be further improved by selecting one of the solid oxide fuel cell stacks according to the increase or decrease of the required output.
(D) Since the flow rate of the fuel off-gas returned to the solid oxide fuel cell stack where carbon deposition is predicted is increased, it is possible to prevent the output of the solid oxide fuel cell stack from decreasing.
(E) The supply flow rate of the fuel off-gas returned to the other solid oxide fuel cell stack is increased so as to supplement the output of the solid oxide fuel cell stack in which the carbon deposition is predicted. It can cope with the increase in output.
(F) When a decrease in the output of any one of the solid oxide fuel cell stacks is detected, the fuel gas and the fuel off-gas to other solid oxide fuel cell stacks are compensated to compensate for the decrease in the output of the solid oxide fuel cell stack. Since the supply flow rate of each is increased, it is possible to cope with an increase in required output.
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、三つの燃料電池を例として説明したが、二つ又は四つ以上の燃料電池でもよいことは勿論である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following modifications can be made.
In the above-described embodiment, three fuel cells have been described as an example, but it is needless to say that two or four or more fuel cells may be used.
・上述した実施形態においては、三つの燃料電池を、燃料オフガスの排出経路に沿って直列に配列した例について説明したが、一の固体電解質型燃料電池スタックの排出側の返戻路を二つ以上の分岐して、その分岐路にそれぞれ固体電解質型燃料電池スタックを配列した構成にしてもよい。
また、一の固体電解質型燃料電池スタックを流通して排出された燃料オフガスを、他の複数の固体電解質型燃料電池スタックに返戻するように配列してもよい。
In the embodiment described above, an example in which three fuel cells are arranged in series along the fuel off-gas discharge path has been described. However, two or more return paths on the discharge side of one solid oxide fuel cell stack are provided. And a solid oxide fuel cell stack may be arranged on each branch path.
Further, the fuel off-gas discharged through one solid oxide fuel cell stack may be arranged so as to be returned to the other plurality of solid oxide fuel cell stacks.
・上述した実施形態においては、三つの燃料電池について、それぞれ複数のセルユニットを互いに間隙をもって積層してなるスタックを、一つのケースに収容した構成のものを例として説明したが、一つのケースに複数のスタックを収容した構成のものであってもよい。 In the above-described embodiment, for the three fuel cells, a stack formed by stacking a plurality of cell units with a gap between each other has been described as an example. It may be configured to accommodate a plurality of stacks.
・上述した実施形態においては、単一の演算・制御ユニットにより既述した各機能を実現した例について説明したが、複数のコントローラユニットにより、従ってまた、本燃料電池を統制する複数のコンピュータにより分散処理するようにしてもよい。
・上述した実施形態においては、ガス排出器と流量調整器を一体のものを例として説明したが、別体のものを採用してもよいことは勿論である。
In the above-described embodiment, the example in which each function described above is realized by a single arithmetic / control unit has been described. However, it is distributed by a plurality of controller units and therefore by a plurality of computers that control the fuel cell. You may make it process.
-In above-mentioned embodiment, although the gas exhaust device and the flow volume regulator were demonstrated as an example, it is needless to say that a separate thing may be adopted.
21〜23 固体電解質型燃料電池スタック
40〜42 流量調整器
40〜42 ガス排出器としての流量調整器
50〜52 ガス返戻路
C2 燃料送給手段
C3 水分量算出手段
C4 燃料オフガス送給手段
C5 残余ガス排出手段
C6 スタック選択手段
C7 析出予測手段
C8 出力低下検知手段
21-23 Solid oxide fuel cell stacks 40-42 Flow regulators 40-42 Flow regulators 50-52 as gas dischargers Gas return path C2 Fuel supply means C3 Moisture amount calculation means C4 Fuel off-gas supply means C5 Residue Gas discharge means C6 Stack selection means C7 Precipitation prediction means C8 Output drop detection means
Claims (12)
上記外部負荷の要求出力に対応する水分の流量を算出する水分量算出手段と、
算出した水分の流量を各固体電解質型燃料電池スタックに返戻するように、流量調整器を介して燃料オフガスの送給流量を増減させる燃料オフガス送給手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 It has a plurality of solid oxide fuel cell stacks for generating power by separating and circulating fuel gas and air at a flow rate according to the required output of the external load, and one of them is a solid electrolyte type A gas return path for returning the fuel off-gas containing water discharged through the fuel cell stack to the other solid oxide fuel cell stack is provided, and these gas return paths are circulated through each gas return path. A fuel cell system provided with a flow rate regulator for increasing or decreasing the flow rate of fuel off gas,
A moisture amount calculating means for calculating a flow rate of moisture corresponding to the required output of the external load;
A fuel cell system comprising fuel off gas feeding means for increasing / decreasing a fuel off gas feeding flow rate via a flow rate regulator so as to return the calculated water flow rate to each solid oxide fuel cell stack. .
ガス排出器を介して、他の固体電解質型燃料電池スタックに向けて返戻送給する燃料オフガスの残余のものを排出させる残余ガス排出手段を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 Each gas return path is provided with a gas discharger for discharging a part of the fuel off gas flowing through these gas return paths out of the distribution path,
5. A residual gas discharge means for discharging the remaining fuel off-gas to be returned and fed toward another solid oxide fuel cell stack through a gas discharger is provided. The fuel cell system according to claim 1.
燃料オフガス送給手段は、析出予測手段により予測された固体電解質型燃料電池スタックに返戻送給する燃料オフガスの流量を増加させることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 Having a deposition prediction means for predicting carbon deposition in any of the solid oxide fuel cell stacks;
9. The fuel off-gas feeding unit increases the flow rate of the fuel off-gas fed back to the solid oxide fuel cell stack predicted by the deposition predicting unit. 10. Fuel cell system.
出力低下検知手段により、いずれかの固体電解質型燃料電池スタックの出力低下を検知したときには、当該固体電解質型燃料電池スタックの出力低下を補うように、他の固体電解質型燃料電池スタックへの燃料ガスと燃料オフガスの送給流量をそれぞれ増加させることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 An output detector for detecting the output of each solid oxide fuel cell stack is provided, and through the output detector, there is an output decrease detecting means for detecting an output decrease of each solid oxide fuel cell stack. And
When the output decrease of the solid oxide fuel cell stack is detected by the output decrease detection means, the fuel gas to the other solid oxide fuel cell stack is compensated for to compensate for the output decrease of the solid oxide fuel cell stack. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the supply flow rates of the fuel off gas and the fuel off gas are increased.
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