JP2010123374A - Operation method of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To be capable of appropriately corresponding to the change of an oxidant gas flow rate by simple control and preventing deterioration of a cathode electrode as much as possible. <P>SOLUTION: The operation method of a fuel cell system 10 includes the processes of: setting the target operation temperature T1°C for keeping a constant power generation efficiency during the power generation of a fuel cell stack 28; setting the target fuel utilization factor Uf1 of the fuel cell stack 28; calculating an A/F value to be obtained by dividing the supply amount of oxidant gas to the fuel cell stack 28 by the fuel gas supply amount; measuring the power generation temperature of the fuel cell stack 28; comparing the A/F value with a prescribed value which is previously set; and keeping the power generation temperature of the fuel cell stack 28 to the target operation temperature T1°C by adjusting the supply amount of the oxidant gas when it is determined that the A/F value is equal to or higher than the prescribed value. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置からの前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell stack, and the fuel cell stack An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the oxidant gas, a control device for controlling a supply amount of the fuel gas from the fuel gas supply device and a supply amount of the oxidant gas from the oxidant gas supply device; It is related with the operating method of a fuel cell system provided with.

通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(以下、MEAともいう)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. A joined body (hereinafter also referred to as MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.

この種の燃料電池スタックの運転を制御するために、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックに発生する温度差を抑制するために、前記燃料電池スタックの入口において空気と燃料の温度差を測定し、その温度差が小さくなるようにフィードバック制御を行っている。   In order to control the operation of this type of fuel cell stack, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. In order to suppress the temperature difference generated in the fuel cell stack, this fuel cell system measures the temperature difference between air and fuel at the inlet of the fuel cell stack and performs feedback control so that the temperature difference becomes small. Yes.

また、特許文献2に開示されている固体酸化物形燃料電池システムは、空気極に向けて流れる空気を分配して送給するための空気分配送給手段を備えており、前記空気分配送給手段は、中央送給流路部及び端送給流路部を有し、空気流路を流れる空気の流量が多くなると、前記空気分配送給手段は、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が小さくなるように空気を分配送給している。   Further, the solid oxide fuel cell system disclosed in Patent Document 2 is provided with an air content delivery / supply means for distributing and delivering the air flowing toward the air electrode, and the air content delivery / supply system. The means has a central feed flow path section and an end feed flow path section, and when the flow rate of air flowing through the air flow path is increased, the air content delivery feed means is adapted to the total air flow rate flowing through the air flow path. The air is distributed and supplied so that the distribution ratio of the distributed air flow rate distributed and supplied to the end feed flow path portion becomes small.

さらにまた、特許文献3に開示されている固体酸化物形燃料電池の運転方法では、運転中に負荷変動させる場合でも、ハンチングの発生を防止し、スタック内部の温度を発電反応に適した一定の温度に維持するため、発電反応に伴って発電セルに流れる電流量を検出するとともに、この電流量の検出値に応じて酸化剤ガスの供給温度を制御している。   Furthermore, in the operation method of the solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 3, even when the load is fluctuated during operation, the occurrence of hunting is prevented, and the temperature inside the stack is kept constant for the power generation reaction. In order to maintain the temperature, the amount of current flowing through the power generation cell in accordance with the power generation reaction is detected, and the supply temperature of the oxidant gas is controlled according to the detected value of the current amount.

特開2005−071913号公報JP 2005-071913 A 特開2008−159362号公報JP 2008-159362 A 特開2004−349214号公報JP 2004-349214 A

ところで、SOCの運転中には、カソード電極に対してエアポンプの駆動作用下に酸化剤ガスが供給されている。その際、エアポンプの停止等によって酸化剤ガスの供給量が急激に低下すると、アノード電極側からの燃料ガスを含む排ガスが、カソード電極側に向かって逆流するおそれがある。このため、カソード電極は、急激な還元雰囲気下に曝されてしまい、前記カソード電極の構成材料が劣化あるいは損傷するという問題がある。   By the way, during the operation of the SOC, an oxidant gas is supplied to the cathode electrode under the action of the air pump. At this time, if the supply amount of the oxidant gas rapidly decreases due to the stoppage of the air pump or the like, the exhaust gas containing the fuel gas from the anode electrode side may flow backward toward the cathode electrode side. For this reason, the cathode electrode is exposed to a rapid reducing atmosphere, and there is a problem that the constituent material of the cathode electrode is deteriorated or damaged.

しかしながら、上記の特許文献1〜3では、酸化剤ガス供給量が規定量以下に低下することによるカソード電極の劣化に、良好に対応することができないという問題がある。   However, in the above Patent Documents 1 to 3, there is a problem that it is not possible to cope with the deterioration of the cathode electrode due to the oxidant gas supply amount being reduced to a predetermined amount or less.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、酸化剤ガス流量の変動に良好に対応することができ、カソード電極の劣化を可及的に阻止することが可能な燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can easily cope with fluctuations in the oxidant gas flow rate with simple control, and can prevent deterioration of the cathode electrode as much as possible. It aims at providing the operating method of a battery system.

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置からの前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御装置とを備える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 stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell stack, and the fuel cell stack An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the oxidant gas, a control device for controlling a supply amount of the fuel gas from the fuel gas supply device and a supply amount of the oxidant gas from the oxidant gas supply device; It is related with the operating method of a fuel cell system provided with.

この運転方法は、燃料電池スタックの発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度を設定する工程と、前記燃料電池スタックの目標燃料利用率を設定する工程と、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を燃料ガスの供給量で除したA/F値を算出する工程と、前記燃料電池スタックの発電温度を測定する工程と、前記A/F値を、予め設定された規定値と比較する工程と、前記A/F値が前記規定値以上であると判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増減させて前記燃料電池スタックの前記発電温度を前記目標運転温度に維持する工程とを有している。   The operation method includes a step of setting a target operating temperature for maintaining a constant power generation efficiency during power generation of the fuel cell stack, a step of setting a target fuel utilization rate of the fuel cell stack, and the fuel cell stack. The step of calculating an A / F value obtained by dividing the supply amount of the oxidant gas to the supply amount of fuel gas, the step of measuring the power generation temperature of the fuel cell stack, and the A / F value are preset. A step of comparing with the specified value, and when the A / F value is determined to be greater than or equal to the specified value, the supply amount of the oxidant gas is increased or decreased to set the power generation temperature of the fuel cell stack to the target operation. Maintaining the temperature.

また、この運転方法は、燃料電池スタックの発電温度を、目標運転温度と比較する工程を有し、前記発電温度が前記目標運転温度より高いと判断された際、酸化剤ガスの供給量を増加させる一方、前記発電温度が前記目標運転温度より低いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を減少させることが好ましい。   The operation method further includes a step of comparing the power generation temperature of the fuel cell stack with the target operation temperature, and when it is determined that the power generation temperature is higher than the target operation temperature, the supply amount of the oxidant gas is increased. On the other hand, when it is determined that the power generation temperature is lower than the target operation temperature, it is preferable to reduce the supply amount of the oxidant gas.

このため、酸化剤ガスの供給量を増減させるという簡単な制御で、燃料電池スタックの発電温度を、最適な目標運転温度に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になる。   For this reason, the power generation temperature of the fuel cell stack can be maintained at the optimum target operation temperature by simple control of increasing or decreasing the supply amount of the oxidant gas, and efficient operation can be performed.

さらに、この運転方法は、A/F値が規定値未満であると判断された際、発電温度を、目標運転温度よりも低温の修正目標運転温度と比較する工程を有することが好ましい。従って、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガス流量の減少を確認することができる。これにより、燃料電池スタックの運転温度を下げることにより、カソード電極の劣化を防止し且つ最小限の効率低下に抑制して、前記燃料電池スタックの運転を継続させることが可能になる。   Furthermore, this operation method preferably includes a step of comparing the power generation temperature with a corrected target operation temperature lower than the target operation temperature when it is determined that the A / F value is less than the specified value. Accordingly, it is possible to confirm a decrease in the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack. As a result, by lowering the operating temperature of the fuel cell stack, it becomes possible to prevent the cathode electrode from being deteriorated and to suppress the efficiency from being reduced to a minimum, thereby continuing the operation of the fuel cell stack.

さらにまた、この運転方法は、発電温度が修正目標運転温度より高いと判断された際、目標燃料利用率を維持した状態で、目標運転温度を、前記修正目標運転温度以上で且つ前記目標運転温度未満の温度に設定する工程を有することが好ましい。このため、カソード電極の劣化を抑制するとともに、燃料利用率を高く維持し且つ燃料電池スタックの効率の低下を最小限に抑制して、前記燃料電池スタックを運転することができる。   Furthermore, in this operation method, when it is determined that the power generation temperature is higher than the corrected target operating temperature, the target operating temperature is not less than the corrected target operating temperature and the target operating temperature while maintaining the target fuel utilization rate. It is preferable to have the process of setting to temperature below. Therefore, it is possible to operate the fuel cell stack while suppressing deterioration of the cathode electrode, maintaining a high fuel utilization rate, and minimizing a decrease in efficiency of the fuel cell stack.

また、この運転方法は、発電温度が修正目標運転温度より低いと判断された際、目標燃料利用率を低く設定するとともに、目標運転温度を、前記修正目標運転温度に設定する工程を有することが好ましい。従って、カソード電極の劣化を抑制するとともに、燃料電池スタックの効率の低下を最小限に抑制して、前記燃料電池スタックを継続して運転することが可能になる。   In addition, the operation method may include a step of setting the target fuel utilization rate to be low and setting the target operation temperature to the corrected target operation temperature when it is determined that the power generation temperature is lower than the corrected target operation temperature. preferable. Therefore, it is possible to continuously operate the fuel cell stack while suppressing deterioration of the cathode electrode and minimizing a decrease in efficiency of the fuel cell stack.

本発明によれば、燃料電池スタックの発電運転中に、所望の発電温度及び燃料利用率を維持することができ、高効率な発電が確実に遂行される。しかも、カソード電極に劣化が生じない条件の下、酸化剤ガスの供給量を増減させたり、作動温度や燃料利用率を調整したりするという簡単な制御で、燃料電池スタックの発電温度を、最適な目標運転温度に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になる。   According to the present invention, a desired power generation temperature and fuel utilization rate can be maintained during power generation operation of the fuel cell stack, and highly efficient power generation is reliably performed. In addition, under the conditions that the cathode electrode does not deteriorate, the power generation temperature of the fuel cell stack is optimized by simple control such as increasing / decreasing the supply amount of oxidant gas and adjusting the operating temperature and fuel utilization rate. It is possible to maintain the target operation temperature at a high level, and to perform efficient operation.

図1は、本発明の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池システム10の機械系回路を示す概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の回路図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a mechanical circuit of a fuel cell system 10 to which an operation method according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is a circuit diagram of the fuel cell system 10.

燃料電池システム10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム10は、燃料ガス(水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール(SOFCモジュール)12と、前記燃料電池モジュール12に原燃料(例えば、都市ガス)を供給する原燃料供給装置(燃料ガスポンプを含む)16と、前記燃料電池モジュール12に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(空気ポンプを含む)18と、前記燃料電池モジュール12に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)20と、前記燃料電池モジュール12で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置22と、前記燃料電池モジュール12の発電量を制御する制御装置24とを備える。   The fuel cell system 10 is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use. The fuel cell system 10 includes a fuel cell module (SOFC module) 12 that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (a gas in which methane and carbon monoxide are mixed in hydrogen gas) and an oxidant gas (air), and the fuel cell. A raw fuel supply device (including a fuel gas pump) 16 for supplying raw fuel (for example, city gas) to the module 12 and an oxidant gas supply device (including an air pump) for supplying the oxidant gas to the fuel cell module 12 ) 18, a water supply device (including a water pump) 20 for supplying water to the fuel cell module 12, a power conversion device 22 for converting DC power generated in the fuel cell module 12 into required specification power, And a control device 24 for controlling the power generation amount of the fuel cell module 12.

燃料電池モジュール12は、複数の固体酸化物形の燃料電池26が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック28を備える。燃料電池26は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた平板状の電解質・電極接合体(MEA)を備える。   The fuel cell module 12 includes a solid oxide fuel cell stack 28 in which a plurality of solid oxide fuel cells 26 are stacked in the vertical direction. The fuel cell 26 includes, for example, a plate-like electrolyte / electrode assembly (MEA) in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both surfaces of an electrolyte made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia.

図2に示すように、燃料電池スタック28の中心部には、燃料ガス供給連通孔30が積層方向(矢印A方向)に延在して設けられ、前記燃料ガス供給連通孔30から各燃料電池26のアノード電極に燃料ガスが供給される。   As shown in FIG. 2, a fuel gas supply communication hole 30 is provided at the center of the fuel cell stack 28 so as to extend in the stacking direction (the direction of arrow A), and each fuel cell is extended from the fuel gas supply communication hole 30. Fuel gas is supplied to the 26 anode electrodes.

燃料電池スタック28の中央縁部には、燃料ガス供給連通孔30を中心に同心円上に複数の酸化剤ガス供給連通孔32が設けられ、この酸化剤ガス供給連通孔32から各燃料電池26のカソード電極に空気が供給される。酸化剤ガス供給連通孔32は、アノード電極で使用された燃料ガス及びカソード電極で使用された空気を排出する排ガス連通孔34を兼用する。   A plurality of oxidant gas supply communication holes 32 are provided concentrically around the fuel gas supply communication hole 30 at the center edge of the fuel cell stack 28, and each fuel cell 26 is connected through the oxidant gas supply communication hole 32. Air is supplied to the cathode electrode. The oxidant gas supply communication hole 32 also serves as the exhaust gas communication hole 34 for discharging the fuel gas used in the anode electrode and the air used in the cathode electrode.

図1に示すように、燃料電池スタック28の積層方向上端側(又は積層方向下端側)には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック28に供給する前に加熱する熱交換器36と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器38と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器40とが配設される。   As shown in FIG. 1, on the upper end side (or lower end side in the stacking direction) of the fuel cell stack 28, a heat exchanger 36 for heating before supplying the oxidant gas to the fuel cell stack 28, and the raw fuel In order to generate a mixed fuel of water and water vapor, an evaporator 38 for evaporating water and a reformer 40 for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas are provided.

燃料電池スタック28の積層方向下端側(又は積層方向上端側)には、前記燃料電池スタック28を構成する燃料電池26に積層方向(矢印A方向)に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構42が配設される(図2参照)。   On the lower end side (or upper end side in the stacking direction) of the fuel cell stack 28, a load is applied to apply a tightening load along the stacking direction (arrow A direction) to the fuel cells 26 constituting the fuel cell stack 28. A mechanism 42 is disposed (see FIG. 2).

改質器40は、都市ガス(原燃料)中に含まれるエタン(C26)、プロパン(C38)及びブタン(C410)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH4)、水素、COを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The reformer 40 removes higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) contained in city gas (raw fuel). , A pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH 4 ), hydrogen, and CO, and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

燃料電池26は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ、この水素、COがアノード電極に供給される。   The fuel cell 26 has an operating temperature as high as several hundred degrees Celsius. In the electrolyte / electrode assembly, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen and CO, and this hydrogen and CO are supplied to the anode electrode. The

熱交換器36は、燃料電池スタック28から排出される使用済み反応ガス(以下、排ガスともいう)を流すための排ガス通路44と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路46とを有する。空気通路46の上流側は、空気供給管48に連通するとともに、前記空気通路46の下流側は、燃料電池スタック28の酸化剤ガス供給連通孔32に連通する。   The heat exchanger 36 includes an exhaust gas passage 44 for flowing used reaction gas (hereinafter also referred to as exhaust gas) discharged from the fuel cell stack 28, and air for flowing air, which is a fluid to be heated, in a counterflow with the exhaust gas. And a passage 46. The upstream side of the air passage 46 communicates with the air supply pipe 48, and the downstream side of the air passage 46 communicates with the oxidant gas supply communication hole 32 of the fuel cell stack 28.

蒸発器38には、原燃料通路50と水通路52とが設けられる。原燃料通路50は、原燃料供給装置16に接続されるとともに、改質器40は、燃料ガス供給連通孔30に連通する。水通路52は、水供給装置20に接続される一方、酸化剤ガス供給装置18は、空気供給管48に接続される。   The evaporator 38 is provided with a raw fuel passage 50 and a water passage 52. The raw fuel passage 50 is connected to the raw fuel supply device 16, and the reformer 40 communicates with the fuel gas supply communication hole 30. The water passage 52 is connected to the water supply device 20, while the oxidant gas supply device 18 is connected to the air supply pipe 48.

原燃料供給装置16、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20は、制御装置24により制御されるとともに、前記制御装置24には、燃料ガスを検知する検知器56が電気的に接続される。電力変換装置22には、例えば、商用電源58(又は、負荷や2次電池等)が接続される(図2参照)。   The raw fuel supply device 16, the oxidant gas supply device 18, and the water supply device 20 are controlled by a control device 24, and a detector 56 that detects fuel gas is electrically connected to the control device 24. . For example, a commercial power source 58 (or a load, a secondary battery, or the like) is connected to the power conversion device 22 (see FIG. 2).

図1及び図2に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック28の温度を検出する温度センサ60、原燃料供給装置16から蒸発器38に供給される原燃料(燃料ガス)の流量を検出する第1流量センサ62a、及び酸化剤ガス供給装置18から熱交換器36に供給される空気(酸化剤ガス)の流量を検出する第2流量センサ62bを備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell system 10 includes a temperature sensor 60 that detects the temperature of the fuel cell stack 28, and the flow rate of raw fuel (fuel gas) supplied from the raw fuel supply device 16 to the evaporator 38. And a second flow rate sensor 62b for detecting the flow rate of air (oxidant gas) supplied from the oxidant gas supply device 18 to the heat exchanger 36.

温度センサ60、第1流量センサ62a及び第2流量センサ62bは、制御装置24に接続される。制御装置24は、原燃料供給装置16からの燃料ガスの供給量及び酸化剤ガス供給装置18からの空気の供給量を制御する機能も有する。   The temperature sensor 60, the first flow sensor 62a, and the second flow sensor 62b are connected to the control device 24. The control device 24 also has a function of controlling the amount of fuel gas supplied from the raw fuel supply device 16 and the amount of air supplied from the oxidant gas supply device 18.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

図1及び図2に示すように、原燃料供給装置16の駆動作用下に、原燃料通路50には、例えば、都市ガス(CH4、C26、C38、C410を含む)等の原燃料が供給される。一方、水供給装置20の駆動作用下に、水通路52には、水が供給されるとともに、空気供給管48には、酸化剤ガス供給装置18を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。 As shown in FIGS. 1 and 2, under the driving action of the raw fuel supply device 16, for example, city gas (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 10) is provided in the raw fuel passage 50. And other raw fuel is supplied. On the other hand, under the driving action of the water supply device 20, water is supplied to the water passage 52, and oxidant gas is supplied to the air supply pipe 48 via the oxidant gas supply device 18. Is supplied.

蒸発器38では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器40に供給される。混合燃料は、改質器40内で水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック28の燃料ガス供給連通孔30に供給される。 In the evaporator 38, steam is mixed with the raw fuel to obtain a mixed fuel, and this mixed fuel is supplied to the reformer 40. The mixed fuel is steam reformed in the reformer 40, and C 2+ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a reformed gas mainly composed of methane. This reformed gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 30 of the fuel cell stack 28.

一方、空気供給管48から熱交換器36に供給される空気は、この熱交換器36の空気通路46に沿って移動する際、排ガス通路44に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器36で加温された空気は、燃料電池スタック28の酸化剤ガス供給連通孔32に供給される。   On the other hand, when the air supplied from the air supply pipe 48 to the heat exchanger 36 moves along the air passage 46 of the heat exchanger 36, the air is heated between the exhaust gas that moves along the exhaust gas passage 44, which will be described later. Exchange is performed and preheated to the desired temperature. The air heated by the heat exchanger 36 is supplied to the oxidant gas supply communication hole 32 of the fuel cell stack 28.

従って、各燃料電池26のアノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に空気が供給され、化学反応により発電が行われる。反応に使用された燃料ガス及び空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路44を介して燃料電池スタック28から排出される。   Therefore, fuel gas is supplied to the anode electrode of each fuel cell 26 and air is supplied to the cathode electrode, and power generation is performed by a chemical reaction. The exhaust gas containing the fuel gas and air used for the reaction is discharged from the fuel cell stack 28 through the exhaust gas passage 44 as an off gas.

次いで、本実施形態に係る運転方法について、図3に示すフローチャートに沿って説明する。   Next, the operation method according to the present embodiment will be described along the flowchart shown in FIG.

先ず、制御装置24では、燃料電池システム10による目標運転温度T1℃が設定される(ステップS1)。燃料電池スタック28の温度と発電効率とは、図4に示す関係を有しており、スタック温度T1℃で所望の発電効率が得られる一方、スタック温度T2℃までは効率の低下分が比較的少なく、このスタック温度T2℃未満では、効率低下が著しくなる。ここで、スタック温度T1℃は、例えば、750℃〜800℃であり、スタック温度T2℃は、例えば、700℃である。   First, the control device 24 sets a target operating temperature T1 ° C. for the fuel cell system 10 (step S1). The temperature of the fuel cell stack 28 and the power generation efficiency have the relationship shown in FIG. 4, and a desired power generation efficiency can be obtained at the stack temperature T1 ° C., while the decrease in efficiency is relatively low until the stack temperature T2 ° C. If the stack temperature is less than T2 ° C., the efficiency is significantly reduced. Here, the stack temperature T1 ° C. is, for example, 750 ° C. to 800 ° C., and the stack temperature T2 ° C. is, for example, 700 ° C.

次に、ステップS2に進んで、目標燃料利用率Uf1が設定される。燃料利用率Ufは、出力電流/供給燃料が持つ理論電流から算出され、この燃料利用率Ufと発電効率とは、図5に示す関係を有する。目標燃料利用率Uf1は、アノード電極にレドックス反応が発生しない条件で且つ高効率を維持し得る値に設定される。   Next, it progresses to step S2 and the target fuel utilization factor Uf1 is set. The fuel utilization rate Uf is calculated from the output current / theoretical current of the supplied fuel, and the fuel utilization rate Uf and the power generation efficiency have the relationship shown in FIG. The target fuel utilization rate Uf1 is set to a value that can maintain high efficiency under the condition that no redox reaction occurs in the anode electrode.

燃料電池モジュール12では、原燃料供給装置16から原燃料が供給されるとともに、酸化剤ガス供給装置18から空気が供給されている。そして、燃料電池モジュール12に供給される原燃料の供給量は、第1流量センサ62aを介して検出され(ステップS3)、前記燃料電池モジュール12に供給される空気の供給量は、第2流量センサ62bを介して検出される(ステップS4)。   In the fuel cell module 12, raw fuel is supplied from the raw fuel supply device 16 and air is supplied from the oxidant gas supply device 18. The supply amount of raw fuel supplied to the fuel cell module 12 is detected via the first flow rate sensor 62a (step S3), and the supply amount of air supplied to the fuel cell module 12 is the second flow rate. It is detected via the sensor 62b (step S4).

制御装置24では、検出された原燃料供給量と空気供給量とを用いてA/F(空気供給量/原燃料供給量)を算出するとともに(ステップS5)、燃料電池スタック28の発電温度が温度センサ60を介して検出される(ステップS6)。   The control device 24 calculates A / F (air supply amount / raw fuel supply amount) using the detected raw fuel supply amount and air supply amount (step S5), and the power generation temperature of the fuel cell stack 28 is calculated. It is detected via the temperature sensor 60 (step S6).

検出されたA/Fは、規定値と比較される(ステップS7)。このA/Fの規定値は、空気供給量が減少してカソード電極が還元雰囲気に曝されて劣化することがない値に設定される。そして、検出されたA/Fが規定値以上であると判断されると(ステップS7中、YES)、ステップS8に進む。   The detected A / F is compared with a specified value (step S7). The specified value of A / F is set to a value that does not deteriorate due to exposure of the cathode electrode to a reducing atmosphere due to a decrease in the air supply amount. When it is determined that the detected A / F is equal to or greater than the specified value (YES in step S7), the process proceeds to step S8.

ステップS8では、検出された発電温度が、目標運転温度T1℃と比較される。検出された発電温度が、目標運転温度T1℃よりも高いと判断されると(ステップS8中、YES)、ステップS9に進んで、空気の供給量が増加される。このため、燃料電池スタック28では、空気流量の増加によって冷却され、発電温度が低下する。そして、ステップS10に進み、運転が終了するまで上記の処理が行われる。   In step S8, the detected power generation temperature is compared with the target operating temperature T1 ° C. If it is determined that the detected power generation temperature is higher than the target operating temperature T1 ° C. (YES in step S8), the process proceeds to step S9, and the supply amount of air is increased. For this reason, the fuel cell stack 28 is cooled by the increase in the air flow rate, and the power generation temperature is lowered. And it progresses to step S10 and said process is performed until a driving | operation is complete | finished.

ステップS8において、発電温度が、目標運転温度T1℃未満であると判断されると(ステップS8中、NO)、ステップS11に進んで、空気の供給量が減少される。このため、燃料電池スタック28では、冷却機能を有する空気供給量が減少することにより、発電温度が上昇し、この発電温度は、目標運転温度T1℃以上に維持される。   If it is determined in step S8 that the power generation temperature is lower than the target operating temperature T1 ° C. (NO in step S8), the process proceeds to step S11, and the supply amount of air is reduced. For this reason, in the fuel cell stack 28, the power generation temperature rises due to a decrease in the air supply amount having a cooling function, and this power generation temperature is maintained at the target operating temperature T1 ° C. or higher.

一方、ステップS7において、算出されたA/Fが、規定値未満であると判断されると(ステップS7中、NO)、ステップS12に進んで、発電温度がスタック温度T2℃と比較される。このスタック温度T2℃は、図4に示すように、効率の低下が比較的少ない温度に設定される。   On the other hand, if it is determined in step S7 that the calculated A / F is less than the specified value (NO in step S7), the process proceeds to step S12, where the power generation temperature is compared with the stack temperature T2 ° C. As shown in FIG. 4, the stack temperature T2 ° C. is set to a temperature at which the decrease in efficiency is relatively small.

そこで、発電温度が、スタック温度T2℃以上であると判断されると(ステップS12中、YES)、ステップS13に進んで、スタック温度T2℃よりも高い発電温度(T2℃≦発電温度<T1℃)が、修正目標運転温度に設定される。その際、目標燃料利用率Uf1が維持される。この修正目標運転温度に基づいて、燃料電池スタック28が運転される。   Accordingly, when it is determined that the power generation temperature is equal to or higher than the stack temperature T2 ° C. (YES in step S12), the process proceeds to step S13, and the power generation temperature higher than the stack temperature T2 ° C. (T2 ° C. ≦ power generation temperature <T1 ° C.). ) Is set to the corrected target operating temperature. At that time, the target fuel utilization rate Uf1 is maintained. The fuel cell stack 28 is operated based on the corrected target operation temperature.

また、ステップS12において、発電温度が、スタック温度T2℃未満であると判断されると(ステップS12中、NO)、ステップS14に進む。このステップS14では、低い目標燃料利用率Uf2(図5参照)に設定される。燃料利用率が低下されることにより、排ガス通路44に排出される燃料ガス濃度が高くなり、未反応ガスが燃焼することから排ガス温度が高くなってスタック温度が上昇する。従って、燃料電池スタック28の温度を高く維持することができる。   If it is determined in step S12 that the power generation temperature is lower than the stack temperature T2 ° C. (NO in step S12), the process proceeds to step S14. In step S14, a low target fuel utilization rate Uf2 (see FIG. 5) is set. By reducing the fuel utilization rate, the concentration of the fuel gas discharged to the exhaust gas passage 44 increases, and the unreacted gas burns, so the exhaust gas temperature increases and the stack temperature rises. Therefore, the temperature of the fuel cell stack 28 can be kept high.

さらに、ステップS14では、修正目標運転温度T2℃が設定される。最低限の効率低下に維持するためである。そして、目標燃料利用率Uf2及び修正目標運転温度T2℃に基づいて、燃料電池スタック28が運転される。   Further, in step S14, a corrected target operating temperature T2 ° C. is set. This is to maintain the minimum efficiency reduction. Then, the fuel cell stack 28 is operated based on the target fuel utilization rate Uf2 and the corrected target operation temperature T2 ° C.

この場合、本実施形態では、燃料電池スタック28の発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度T1℃を設定する工程(ステップS1)と、前記燃料電池スタック28の目標燃料利用率Uf1を設定する工程(ステップS2)と、前記燃料電池スタック28への酸化剤ガスの供給量を燃料ガスの供給量で除したA/F(空気供給量/燃料ガス供給量)値を算出する工程(ステップS5)と、前記燃料電池スタック28の発電温度を測定する工程(ステップS6)と、前記A/F値を、予め設定された規定値と比較する工程(ステップS7)と、前記A/F値が前記規定値以上であると判断された際(ステップS7中、YES)、前記酸化剤ガスの供給量を増減(ステップS9、S11)させて、前記燃料電池スタック28の前記発電温度を前記目標運転温度T1℃に維持する工程とを有している。   In this case, in the present embodiment, during the power generation of the fuel cell stack 28, a step (step S1) of setting a target operating temperature T1 ° C. for maintaining a constant power generation efficiency, and the target fuel utilization of the fuel cell stack 28 A step of setting the rate Uf1 (step S2) and an A / F (air supply amount / fuel gas supply amount) value obtained by dividing the supply amount of oxidant gas to the fuel cell stack 28 by the supply amount of fuel gas is calculated. A step (step S5) of measuring, a step of measuring the power generation temperature of the fuel cell stack 28 (step S6), a step of comparing the A / F value with a preset specified value (step S7), When it is determined that the A / F value is equal to or greater than the specified value (YES in step S7), the supply amount of the oxidant gas is increased / decreased (steps S9 and S11). The power generation temperature and a step of maintaining said target operating temperature T1 ° C..

このため、燃料電池スタック28の発電運転中に、所望の発電温度(T1℃)、燃料利用率(Uf1)及びA/F値を維持することができ、高効率な発電が確実に遂行される。しかも、カソード電極に劣化が生じない条件の下、酸化剤ガスの供給量を増減させたり、作動温度や燃料利用率を調整したりするという簡単な制御で、燃料電池スタック28の発電温度を、最適な目標運転温度(T1℃)に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になるという効果が得られる(図6中、第1領域参照)。   Therefore, during the power generation operation of the fuel cell stack 28, the desired power generation temperature (T1 ° C.), fuel utilization rate (Uf1), and A / F value can be maintained, and highly efficient power generation is reliably performed. . Moreover, under conditions where the cathode electrode does not deteriorate, the power generation temperature of the fuel cell stack 28 can be controlled by simple control such as increasing or decreasing the supply amount of the oxidant gas or adjusting the operating temperature or the fuel utilization rate. The optimum target operating temperature (T1 ° C.) can be maintained, and an effect that efficient operation can be performed is obtained (see the first region in FIG. 6).

また、この運転方法は、燃料電池スタック28の発電温度を、目標運転温度(T1℃)と比較する工程(ステップS8)を有し、前記発電温度が前記目標運転温度(T1℃)より高いと判断された際(ステップS8中、YES)、酸化剤ガスの供給量を増加させる一方(ステップS9)、前記発電温度が前記目標運転温度(T1℃)より低いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を減少させている(ステップS11)。   In addition, this operation method includes a step (step S8) of comparing the power generation temperature of the fuel cell stack 28 with the target operation temperature (T1 ° C), and when the power generation temperature is higher than the target operation temperature (T1 ° C). When the determination is made (YES in step S8), the supply amount of the oxidant gas is increased (step S9), while when the power generation temperature is determined to be lower than the target operating temperature (T1 ° C.), the oxidant The gas supply amount is decreased (step S11).

従って、酸化剤ガスの供給量を増減させるという簡単な制御で、燃料電池スタック28の発電温度を、最適な目標運転温度(T1℃)に維持することができ、効率的な運転が遂行可能になる。   Therefore, the power generation temperature of the fuel cell stack 28 can be maintained at the optimum target operating temperature (T1 ° C.) by simple control of increasing / decreasing the supply amount of the oxidant gas, and efficient operation can be performed. Become.

さらに、この運転方法は、A/F値が規定値未満であると判断された際(ステップS7中、NO)、発電温度を、目標運転温度よりも低温の修正目標運転温度(T2℃)と比較する工程を有している(ステップS12)。このため、燃料電池スタック28に供給される酸化剤ガス流量の減少を確認して、前記燃料電池スタック28の運転温度を下げることができる。これにより、カソード電極の劣化を防止し且つ最小限の効率低下に抑制して、燃料電池スタック28の運転を継続させることが可能になる。   Further, in this operation method, when it is determined that the A / F value is less than the specified value (NO in step S7), the power generation temperature is set to a corrected target operation temperature (T2 ° C.) lower than the target operation temperature. It has the process of comparing (step S12). For this reason, it is possible to confirm the decrease in the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 28 and to lower the operating temperature of the fuel cell stack 28. As a result, it is possible to prevent the cathode electrode from deteriorating and to suppress the minimum efficiency reduction, and to continue the operation of the fuel cell stack 28.

さらにまた、この運転方法は、発電温度が修正目標運転温度(T2℃)より高いと判断された際(ステップS12中、YES)、目標燃料利用率(Uf1)を維持した状態で、目標運転温度を、前記修正目標運転温度(T2℃)以上で且つ前記目標運転温度(T1℃)未満の温度に設定する工程を有している(ステップS13)。   Furthermore, in this operation method, when it is determined that the power generation temperature is higher than the corrected target operation temperature (T2 ° C.) (YES in step S12), the target operation temperature is maintained while maintaining the target fuel utilization rate (Uf1). Is set to a temperature equal to or higher than the corrected target operating temperature (T2 ° C.) and lower than the target operating temperature (T1 ° C.) (step S13).

従って、A/Fを一定に保つことによってカソード電極の劣化を抑制するとともに、燃料利用率を高く維持し且つ燃料電池スタック28の効率の低下を最小限に抑制して、前記燃料電池スタック28を運転することができる(図6中、第2領域参照)。   Therefore, by keeping the A / F constant, the deterioration of the cathode electrode is suppressed, the fuel utilization rate is maintained high, and the decrease in the efficiency of the fuel cell stack 28 is suppressed to the minimum. The vehicle can be operated (see the second region in FIG. 6).

また、この運転方法は、発電温度が修正目標運転温度(T2℃)より低いと判断された際(ステップS12中、NO)、目標燃料利用率(Uf2)を低く設定するとともに、目標運転温度を、前記修正目標運転温度に設定する工程を有している(ステップS14)。   Further, in this operation method, when it is determined that the power generation temperature is lower than the corrected target operation temperature (T2 ° C.) (NO in step S12), the target fuel utilization rate (Uf2) is set low and the target operation temperature is set to be lower. And a step of setting the corrected target operating temperature (step S14).

このため、低い目標燃料利用率(Uf2)により排ガス温度を高くして燃料電池スタック28を昇温させ、前記燃料電池スタック28の発電温度を修正目標運転温度(T2℃)に維持することができる。これにより、A/Fを一定に保つことによってカソード電極の劣化を抑制するとともに、燃料電池スタック28の効率の低下を最小限に抑制して、前記燃料電池スタック28を継続して運転することが可能になる(図6中、第3領域参照)。   For this reason, the exhaust gas temperature is raised by the low target fuel utilization rate (Uf2) to raise the temperature of the fuel cell stack 28, and the power generation temperature of the fuel cell stack 28 can be maintained at the corrected target operating temperature (T2 ° C.). . Accordingly, the deterioration of the cathode electrode can be suppressed by keeping A / F constant, and the decrease in the efficiency of the fuel cell stack 28 can be suppressed to the minimum, and the fuel cell stack 28 can be continuously operated. This becomes possible (see the third region in FIG. 6).

本発明の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。1 is a schematic configuration explanatory diagram showing a mechanical circuit of a fuel cell system to which an operation method according to an embodiment of the present invention is applied. 前記燃料電池システムの回路図である。It is a circuit diagram of the fuel cell system. 前記運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said driving | running method. スタック温度と発電効率との関係説明図である。It is a relation explanatory view of stack temperature and power generation efficiency. 燃料利用率と発電効率との関係説明図である。It is an explanatory view of the relationship between the fuel utilization rate and the power generation efficiency. 出力とA/F値との関係説明図である。It is an explanatory view of a relation between an output and an A / F value.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム 12…燃料電池モジュール
16…原燃料供給装置 18…酸化剤ガス供給装置
20…水供給装置 22…電力変換装置
24…制御装置 26…燃料電池
28…燃料電池スタック 36…熱交換器
38…蒸発器 40…改質器
60…温度センサ 62a、62b…流量センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell module 16 ... Raw fuel supply device 18 ... Oxidant gas supply device 20 ... Water supply device 22 ... Power converter 24 ... Control device 26 ... Fuel cell 28 ... Fuel cell stack 36 ... Heat exchange Unit 38 ... Evaporator 40 ... Reformer 60 ... Temperature sensor 62a, 62b ... Flow rate sensor

Claims (5)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス供給装置からの前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給量を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの発電中に、一定の発電効率を維持するための目標運転温度を設定する工程と、
前記燃料電池スタックの目標燃料利用率を設定する工程と、
前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの供給量を前記燃料ガスの供給量で除したA/F値を算出する工程と、
前記燃料電池スタックの発電温度を測定する工程と、
前記A/F値を、予め設定された規定値と比較する工程と、
前記A/F値が前記規定値以上であると判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増減させて前記燃料電池スタックの前記発電温度を前記目標運転温度に維持する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell stack;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack;
A control device for controlling the supply amount of the fuel gas from the fuel gas supply device and the supply amount of the oxidant gas from the oxidant gas supply device;
A method for operating a fuel cell system comprising:
Setting a target operating temperature for maintaining a constant power generation efficiency during power generation of the fuel cell stack;
Setting a target fuel utilization rate of the fuel cell stack;
Calculating an A / F value obtained by dividing the supply amount of the oxidant gas to the fuel cell stack by the supply amount of the fuel gas;
Measuring the power generation temperature of the fuel cell stack;
Comparing the A / F value with a preset specified value;
Maintaining the power generation temperature of the fuel cell stack at the target operating temperature by increasing or decreasing the supply amount of the oxidant gas when it is determined that the A / F value is equal to or greater than the specified value;
A method for operating a fuel cell system, comprising:
請求項1記載の運転方法において、前記燃料電池スタックの前記発電温度を、前記目標運転温度と比較する工程を有し、
前記発電温度が前記目標運転温度より高いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を増加させる一方、
前記発電温度が前記目標運転温度より低いと判断された際、前記酸化剤ガスの供給量を減少させ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 according to claim 1, further comprising a step of comparing the power generation temperature of the fuel cell stack with the target operation temperature.
When it is determined that the power generation temperature is higher than the target operating temperature, the supply amount of the oxidant gas is increased,
An operation method of a fuel cell system, wherein when the power generation temperature is determined to be lower than the target operation temperature, the supply amount of the oxidant gas is decreased.
請求項1又は2記載の運転方法において、前記A/F値が前記規定値未満であると判断された際、前記発電温度を、前記目標運転温度よりも低温の修正目標運転温度と比較する工程を有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 according to claim 1 or 2, wherein when the A / F value is determined to be less than the specified value, the power generation temperature is compared with a corrected target operation temperature lower than the target operation temperature. A method for operating a fuel cell system, comprising: 請求項3記載の運転方法において、前記発電温度が前記修正目標運転温度より高いと判断された際、前記目標燃料利用率を維持した状態で、前記目標運転温度を、前記修正目標運転温度以上で且つ前記目標運転温度未満の温度に設定する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。   4. The operation method according to claim 3, wherein when the power generation temperature is determined to be higher than the corrected target operation temperature, the target operation temperature is set to be equal to or higher than the corrected target operation temperature while maintaining the target fuel utilization rate. And a method of operating the fuel cell system, comprising a step of setting the temperature to be lower than the target operating temperature. 請求項3記載の運転方法において、前記発電温度が前記修正目標運転温度より低いと判断された際、前記目標燃料利用率を低く設定するとともに、前記目標運転温度を、前記修正目標運転温度に設定する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。   4. The operation method according to claim 3, wherein when it is determined that the power generation temperature is lower than the corrected target operating temperature, the target fuel utilization rate is set low, and the target operating temperature is set to the corrected target operating temperature. A method of operating a fuel cell system, comprising the step of:
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