JP2011060586A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は低出力発電運転によりフラッディングが発生するおそれがある燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which flooding may occur due to low power generation operation.
燃料電池システムは、アノードガスが供給されるアノード極とカソードガスが供給されるカソード極とを有し且つアノードガスおよびカソードガスで発電する燃料電池と、燃料電池のアノード極にアノードガスを供給するためのアノードガス供給系と、燃料電池のカソード極にカソードガスを供給するためのカソードガス供給系と、アノードガス供給系およびカソードガス供給系を制御する制御部とを備えている。 The fuel cell system has an anode electrode to which an anode gas is supplied and a cathode electrode to which a cathode gas is supplied, and generates a fuel cell using the anode gas and the cathode gas, and supplies the anode gas to the anode electrode of the fuel cell. An anode gas supply system, a cathode gas supply system for supplying cathode gas to the cathode electrode of the fuel cell, and a controller for controlling the anode gas supply system and the cathode gas supply system.
燃料電池が発電運転するとき、燃料電池の内部に水が溜まり、フラッディングが発生するおそれがある。フラッディングは、燃料電池の内部に形成されている流路を水で狭めて流路抵抗を増加させることをいう。この場合、燃料電池の発電出力が低下するおそれがある。フラッディングは、燃料電池の低出力発電運転が長時間継続されているとき、発生し易い。その理由としては、低出力発電運転では、燃料電池に供給されるアノードガスの単位時間あたりの流量が小さいため、燃料電池の内部に存在する水を燃料電池の外部に持ち出す駆動力が小さいためである。 When the fuel cell performs a power generation operation, water accumulates inside the fuel cell, and flooding may occur. Flooding means that the flow path resistance is increased by narrowing the flow path formed inside the fuel cell with water. In this case, the power generation output of the fuel cell may be reduced. Flooding is likely to occur when the low power generation operation of the fuel cell is continued for a long time. The reason is that in low power generation operation, the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the fuel cell is small, so the driving force to bring water existing inside the fuel cell to the outside of the fuel cell is small. is there.
特許文献1には、フラッディングを抑える燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、低出力発電運転が長時間継続して運転され、低出力発電運転の連続実行時間が第1の時間が経過するとき、第1の時間よりも短い第2の時間ぶん、燃料電池の発電出力を一定に維持しつつ、アノードガス利用率を低減させる利用率低下工程を実施させる。利用率低下工程では、燃料電池に供給されるアノードガスの単位時間当たりの流量が増加するため、アノードガスの流速が早く、燃料電池の内部の水が燃料電池の外部に持ち出され、フラッディングが抑えられる。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system that suppresses flooding. According to this system, when the low output power generation operation is continuously operated for a long time, and the continuous execution time of the low output power generation operation passes the first time, the second time shorter than the first time, A utilization rate lowering step for reducing the anode gas utilization rate is performed while maintaining the power generation output of the fuel cell constant. In the utilization rate reduction process, the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the fuel cell increases, so the flow rate of the anode gas is high, the water inside the fuel cell is taken out of the fuel cell, and flooding is suppressed. It is done.
特許文献1に示すシステムを、改質器を搭載するタイプの燃料電池システムに適用する場合には、次のような不具合が発生するおそれがある。すなわち、燃料電池の発電出力を一定に維持しつつ、アノードガス利用率を低減させる利用率低下工程を実施させるため、燃料電池に供給されるアノードガスの単位時間当たりの流量が増加し、ひいては燃料電池から吐出されるアノードオフガスに含まれる未反応の活物質(水素)の濃度が増加する。この場合、アノードオフガスを改質器の燃焼部に帰還させて再燃焼させることが多いため、燃焼部の燃焼が激しくなり、燃焼部ひいては改質部の温度が過剰に高温となり、改質温度の精密な制御が困難となるおそれがある。 When the system shown in Patent Document 1 is applied to a fuel cell system of a type equipped with a reformer, the following problems may occur. That is, the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the fuel cell increases in order to perform the utilization rate lowering process for reducing the anode gas utilization rate while maintaining the power generation output of the fuel cell constant, and as a result The concentration of the unreacted active material (hydrogen) contained in the anode off gas discharged from the battery increases. In this case, the anode off-gas is often returned to the combustion section of the reformer and recombusted, so that combustion in the combustion section becomes intense, and the temperature of the combustion section and thus the reforming section becomes excessively high. Precise control may be difficult.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、フラッディング抑制発電処理において燃料電池のアノードガス利用率の低下を抑制しつつ発電運転し、燃料電池から吐出されるアノードオフガスに含まれる未反応の活物質(例えば水素)の濃度が増加することを抑制し、且つ、フラッディングが発生し易い低出力発電運転が長時間継続するときであっても、フラッディングを抑制させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances. In the flooding suppression power generation process, power generation operation is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate of the fuel cell, and unreacted contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell. A fuel cell system that is advantageous for suppressing flooding even when low-power generation operation in which the concentration of the active material (for example, hydrogen) increases and flooding is likely to occur is continued for a long time. It is an issue to provide.
本発明に係る燃料電池システムは、アノードガスが供給されるアノード極とカソードガスが供給されるカソード極とを有する燃料電池と、燃料電池のアノード極にアノードガスを供給するためのアノードガス供給系と、燃料電池のカソード極にカソードガスを供給するためのカソードガス供給系と、アノードガス供給系およびカソードガス供給系を制御する制御部とを具備しており、制御部は、燃料電池の内部にフラッディングを発生させ易い低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1以上を経過するとき、低出力発電運転に対して燃料電池におけるアノードガス利用率の低下を抑制するように発電運転しつつ、フラッディングを抑制させるフラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2(t2<t1)実行する第1制御を行う。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having an anode electrode supplied with anode gas and a cathode electrode supplied with cathode gas, and an anode gas supply system for supplying anode gas to the anode electrode of the fuel cell. A cathode gas supply system for supplying a cathode gas to the cathode electrode of the fuel cell, and a control unit for controlling the anode gas supply system and the cathode gas supply system. When the low output continuous execution time of the low output power generation operation that is likely to cause flooding exceeds the first predetermined time t1 or more, the power generation is performed so as to suppress the decrease in the anode gas utilization rate in the fuel cell with respect to the low output power generation operation. The first control is executed to execute the flooding suppression power generation process for suppressing flooding for a second predetermined time t2 (t2 <t1) while driving. Cormorant.
燃料電池の低出力発電運転では、燃料電池のガス流路を流れるガスの流速が遅いため、生成水がガスにより排出されにくい傾向があり、フラッディングを発生させる頻度が増加する。フラッディング抑制発電処理としては、例えば、燃料電池のガス流路を流れる流速を低出力発電運転よりも速くすることにより行い得る。この場合、生成水が反応ガスにより燃料電池の外部に持ち出され易く、燃料電池のフラッディングが抑えられる。 In the low power generation operation of the fuel cell, since the flow rate of the gas flowing through the gas flow path of the fuel cell is slow, the generated water tends not to be discharged by the gas, and the frequency of occurrence of flooding increases. The flooding suppression power generation process can be performed, for example, by making the flow velocity flowing through the gas flow path of the fuel cell faster than the low-power power generation operation. In this case, the generated water is easily taken out of the fuel cell by the reaction gas, and flooding of the fuel cell is suppressed.
またフラッディング抑制発電処理としては、発電運転しつつ燃料電池の内部の温度を昇温させることにより行い得る。この場合、燃料電池の内部の液相状の水は気相化されやすいため、フラッディングが抑えられる。また、フラッディング処理としては、燃料電池に供給されるアノードガスおよびカソードガスのうちの少なくとも一方の湿度を低下させることにより行い得る。 The flooding suppression power generation process can be performed by raising the temperature inside the fuel cell while generating power. In this case, since the liquid-phase water inside the fuel cell is easily vaporized, flooding can be suppressed. Further, the flooding process can be performed by reducing the humidity of at least one of the anode gas and the cathode gas supplied to the fuel cell.
上記したようにフラッディングが発生し易い低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1以上を経過するとき、燃料電池の内部にフラッディングが発生する頻度が高くなる。そこで、フラッディングが実際に発生する前に、あるいは、フラッディングが発生したとしてもフラッディングの初期の段階において、制御部は、電力負荷の要求の大小に拘わらず、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2(t2<t1)実行する第1制御を行う。この結果、燃料電池のフラッディングが抑えられ、フラッディングに起因する発電電力の低下が抑えられる。なおフラッディング抑制発電処理といえども長時間連続すると、燃料電池における水の残留量が増加する場合には、フラッディング抑制発電処理を既定時間内で済ませることが好ましい。 As described above, when the low output continuous execution time of the low output power generation operation in which flooding is likely to occur exceeds the first predetermined time t1, the frequency of occurrence of flooding in the fuel cell increases. Therefore, before the flooding actually occurs, or even if the flooding occurs, the control unit performs the flooding suppression power generation process for the second predetermined time t2 regardless of the magnitude of the power load request. (T2 <t1) The first control to be executed is performed. As a result, flooding of the fuel cell is suppressed, and a decrease in generated power due to flooding is suppressed. Even if the flooding suppression power generation process is continued for a long time, it is preferable to perform the flooding suppression power generation process within a predetermined time if the residual amount of water in the fuel cell increases.
本発明によれば、フラッディングを発生させ易い低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1以上を経過するとき、制御部は、燃料電池におけるアノードガス利用率の低下を抑制させるように発電運転しつつ、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2(t1>t2)実行する第1制御を行う。このため燃料電池の内部に存在していた水が燃料電池の外部に持ち出され、結果としてフラッディングが抑えられ、フラッディングに起因する発電電力の低下が抑えられる。 According to the present invention, when the low output continuous execution time of the low output power generation operation in which flooding is likely to occur exceeds the first predetermined time t1, the control unit suppresses the decrease in the anode gas utilization rate in the fuel cell. During the power generation operation, the first control is executed to execute the flooding suppression power generation process for a second predetermined time t2 (t1> t2). For this reason, the water existing inside the fuel cell is taken out of the fuel cell. As a result, flooding is suppressed, and a decrease in generated power due to flooding is suppressed.
本発明によれば、フラッディング抑制発電処理において、燃料電池におけるアノードガス利用率の低下を抑制しつつ発電運転する。このため、燃料電池のアノード極から吐出されるアノードオフガスに含まれる未反応の活物質(例えば水素)の濃度が増加することを抑制することができる。従って改質器を搭載しているタイプのシステムに適用するとき、フラッディング抑制発電処理において、アノードオフガスに含まれる未反応の活物質(水素)が多量に改質器の燃焼部に供給されることが抑えられ、燃焼部の温度を制御する制御性が確保される。更に、改質器を搭載せずに、燃料ガス(アノードガスともいう)を貯蔵する貯蔵部を搭載するタイプのシステムに適用するとき、フラッディング抑制発電処理において、アノードオフガスに含まれる未反応の活物質(例えば水素)が多量に燃料電池のアノード極に供給されることが抑えられ、燃料電池の発電出力を制御する制御性が確保される。 According to the present invention, in the flooding-suppressing power generation process, the power generation operation is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate in the fuel cell. For this reason, it can suppress that the density | concentration of the unreacted active material (for example, hydrogen) contained in the anode off gas discharged from the anode electrode of a fuel cell increases. Therefore, when applied to a system equipped with a reformer, a large amount of unreacted active material (hydrogen) contained in the anode off-gas is supplied to the combustion section of the reformer in the flooding-suppressing power generation process. And the controllability for controlling the temperature of the combustion section is ensured. Furthermore, when applied to a system of a type equipped with a storage unit for storing fuel gas (also referred to as anode gas) without being equipped with a reformer, unreacted activity contained in the anode off-gas in the flooding suppression power generation process. A large amount of a substance (for example, hydrogen) is suppressed from being supplied to the anode electrode of the fuel cell, and controllability for controlling the power generation output of the fuel cell is ensured.
本発明によれば、燃料電池の発電運転は、低出力発電運転と、低出力発電運転よりも高い出力で運転する高出力発電運転とに大別される。高出力発電運転は、第1高出力発電運転および第2高出力発電運転に大別される。フラッディング抑制発電処理は、第1高出力発電運転および/または第2高出力発電運転とすることができる。 According to the present invention, the power generation operation of the fuel cell is roughly divided into a low output power generation operation and a high output power generation operation that operates at a higher output than the low output power generation operation. The high output power generation operation is roughly divided into a first high output power generation operation and a second high output power generation operation. The flooding suppression power generation process can be a first high-power power generation operation and / or a second high-power power generation operation.
本発明の一視点によれば、定格発電出力が例えば1000Wのとき、低出力発電運転は最低発電出力〜400W以下にでき、第1高出力発電運転は400W超え〜800W以下、第2高出力発電運転は800W超え〜定格発電出力が例示される。換言すると、定格発電出力を100%とすると、低出力発電運転は最低発電出力〜40%以下にでき、第1高出力発電運転は40%超え〜80%以下、第2高出力発電運転は80%超え〜100%が例示される。燃料電池の種類によっては、定格発電出力が1000Wのとき、低出力発電運転は最低発電出力〜300W以下にでき、第1高出力発電運転は300W超え〜800W以下、第2高出力発電運転は800W超え〜定格発電出力が例示される。換言すると、定格発電出力を100%とすると、低出力発電運転は最低発電出力〜30%以下にでき、第1高出力発電運転は30%超え〜80%以下、第2高出力発電運転は80%超え〜100%が例示される。あるいは、定格発電出力を100%とすると、低出力発電運転は最低発電出力〜35%以下にでき、第1高出力発電運転は35%超え〜75%以下、第2高出力発電運転は75%超え〜100%が例示される。ここで、最低発電出力は、これ以上低いと、燃料電池の発電運転が継続しない出力をいう。定格発電出力とは、指定された条件の下で製造者が連続して運転を保証する使用上の限界をいい、一般的には、銘板やカタログ等に記載されている。 According to one aspect of the present invention, when the rated power output is, for example, 1000 W, the low power generation operation can be set to the lowest power generation output to 400 W or less, the first high output power generation operation exceeds 400 W to 800 W or less, and the second high output power generation. The operation is exemplified to be over 800 W to rated power output. In other words, if the rated power generation output is 100%, the low power generation operation can be set to the lowest power generation output to 40% or less, the first high output power generation operation exceeds 40% to 80% or less, and the second high output power generation operation is 80%. Exceeding% to 100% is exemplified. Depending on the type of fuel cell, when the rated power output is 1000 W, the low power generation operation can be made to the lowest power generation output to 300 W or less, the first high power generation operation is over 300 W to 800 W or less, and the second high output power operation is 800 W. Exceeding to rated power output is exemplified. In other words, when the rated power generation output is 100%, the low power generation operation can be set to the lowest power generation output to 30% or less, the first high power generation operation is more than 30% to 80% or less, and the second high power generation operation is 80%. Exceeding% to 100% is exemplified. Alternatively, assuming that the rated power output is 100%, the low power generation operation can be reduced to the lowest power generation output to 35% or less, the first high power generation operation is over 35% to 75% or less, and the second high output power operation is 75% Exceeding 100% is exemplified. Here, if the minimum power generation output is lower than this, the power generation operation of the fuel cell is not continued. The rated power output refers to the limit of use that guarantees continuous operation by the manufacturer under specified conditions, and is generally described in nameplates and catalogs.
フラッディングを発生させ易い低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1以上を経過するとき、制御部は、ユーザ等による電力負荷の要求の大小に拘わらず、高出力発電運転を第2所定時間t2(t2<t1)実行することによりフラッディング抑制発電処理を実行することが好ましい。フラッディング抑制発電処理は、アノードガス利用率の低下を抑制しつつ行う。ここで、アノードガス利用率とは、燃料電池のアノード極に供給されたアノードガスの含まれる全活物質のうち、発電反応として消費されたアノードガスの活物質の割合(モル%)を意味する。上記のフラッディング抑制発電処理では、電力負荷の要求の大小に拘わらず、低出力発電運転の場合よりも燃料電池の発電電力を増加させる。従って、フラッディング抑制発電処理では、低出力発電運転の場合よりも、燃料電池に供給される単位時間あたりのアノードガスおよびカソードガスの流量は増加する。この結果、燃料電池のガス流路を流れる流速を低出力発電運転よりも速くする。これにより生成水が反応ガスにより燃料電池の外部に持ち出され易く、燃料電池のフラッディングが抑えられる。この場合、アノードガス利用率の低下を抑制されている。この場合、電力負荷で消費される電力よりも余剰の発電電力が発生するおそれがある。なお、t2/t1=0.001〜0.1の範囲内、0.01〜0.1の範囲内、0.02〜0.1の範囲内で適宜設定できる。 When the low output continuous execution time of the low output power generation operation in which flooding is likely to occur exceeds the first predetermined time t1, the control unit performs the high output power generation operation regardless of the power load demand by the user or the like. 2 It is preferable to execute the flooding suppression power generation process by executing a predetermined time t2 (t2 <t1). The flooding suppression power generation process is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate. Here, the anode gas utilization rate means the ratio (mol%) of the active material of the anode gas consumed as a power generation reaction among all the active materials contained in the anode gas supplied to the anode electrode of the fuel cell. . In the flooding-suppressing power generation process, the generated power of the fuel cell is increased as compared with the case of the low-power power generation operation regardless of the power load requirement. Therefore, in the flooding suppression power generation process, the flow rates of the anode gas and the cathode gas per unit time supplied to the fuel cell are increased as compared with the case of the low power generation operation. As a result, the flow velocity flowing through the gas flow path of the fuel cell is made faster than in the low-output power generation operation. As a result, the generated water is easily taken out of the fuel cell by the reaction gas, and the flooding of the fuel cell is suppressed. In this case, a decrease in the anode gas utilization rate is suppressed. In this case, there is a possibility that surplus generated power may be generated than the power consumed by the power load. In addition, it can set suitably in the range of t2 / t1 = 0.001-0.1, the range of 0.01-0.1, and the range of 0.02-0.1.
本発明の一視点によれば、フラッディング抑制発電処理において発生した余剰の発電電力を熱エネルギまたは電気エネルギとして蓄積させるエネルギ蓄積部が設けられている。この場合、余剰の発電電力を電気ヒータで発熱させて温水を直接的または間接的に生成し、その温水を貯湯槽に蓄積できる。また、蓄電池やキャパシタ等の蓄電要素に蓄電できる。 According to one aspect of the present invention, an energy storage unit is provided that stores surplus generated power generated in the flooding suppression power generation process as thermal energy or electrical energy. In this case, surplus generated power can be generated by an electric heater to generate hot water directly or indirectly, and the hot water can be stored in a hot water storage tank. Moreover, it can be stored in a storage element such as a storage battery or a capacitor.
上記した第1所定時間t1の長さは、低出力発電運転によって燃料電池の内部に生成された水によりフラッディングが発生して燃料電池の発電電力が低下する時間に相当するように、燃料電池の種類、低出力発電運転における発電条件等によって決定される。第1所定時間t1としては、例えば1時間以上、3時間以上、5時間以上、8時間以上、10時間以上、20時間以上等に適宜設定される。 The length of the first predetermined time t1 described above corresponds to the time when the generated power of the fuel cell is reduced due to flooding caused by the water generated inside the fuel cell by the low power generation operation. It is determined depending on the type and power generation conditions in the low power generation operation. The first predetermined time t1 is appropriately set to, for example, 1 hour or more, 3 hours or more, 5 hours or more, 8 hours or more, 10 hours or more, 20 hours or more, or the like.
フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2(t2<t1)の長さは、燃料電池の内部に存在する液相または気相状の水を、高出力発電運転における反応ガスにより燃料電池から持ち出させ、フラッディングの発生を抑制できる時間に相当するように、燃料電池の種類、発電条件等によって決定されることが好ましい。第2所定時間t2としては第1所定時間t1よりも短いものであり、例えば1分間以上、5分間以上、10分間以上、20分間以上等に設定される。第2所定時間t2が過剰に長いと、余剰の発電電力が増加する可能性が高く、更に生成水が増加する可能性が高いことがある。このため、第2所定時間t2の上限値として10分間、15分間、20分間、30分間とすることができる。 The length of the second predetermined time t2 (t2 <t1) during which the flooding-suppressing power generation process is executed is such that the liquid phase or vapor phase water present inside the fuel cell is converted into the fuel cell by the reaction gas in the high power generation operation. It is preferable to be determined by the type of fuel cell, power generation conditions, etc. so as to correspond to a time during which the generation of flooding can be suppressed. The second predetermined time t2 is shorter than the first predetermined time t1, and is set to, for example, 1 minute or more, 5 minutes or more, 10 minutes or more, 20 minutes or more. If the second predetermined time t2 is excessively long, there is a high possibility that surplus generated power will increase, and there is a high possibility that the generated water will further increase. Therefore, the upper limit value of the second predetermined time t2 can be 10 minutes, 15 minutes, 20 minutes, and 30 minutes.
本発明の一視点によれば、低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第3所定時間t3(t1>t3)以上実行され、その後、低出力発電運転に戻ったとき、制御部は、高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t3)に基づいて、第1所定時間t1および第2所定時間t2を補正することが好ましい。第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第3所定時間t3(t1>t3)以上実行されるときがある。この場合、高出力発電運転が過剰に長時間でなければ、低出力発電運転により燃料電池の内部に発生していた水が高出力発電運転により燃料電池外に吐出され、フラッディングが発生しにくくなる。このため、制御部は、高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t3)に基づいて、第1所定時間t1および/または第2所定時間t2を補正することが好ましい。 According to one aspect of the present invention, the high output power generation operation is executed for the third predetermined time t3 (t1> t3) or more before the continuous execution time of the low output power generation operation passes the end of the first predetermined time t1. Thereafter, when returning to the low output power generation operation, the control unit may correct the first predetermined time t1 and the second predetermined time t2 based on the execution time ta (t1> ta ≧ t3) of the high output power generation operation. preferable. Before the end of the first predetermined time t1, the high output power generation operation may be executed for a third predetermined time t3 (t1> t3) or longer. In this case, if the high output power generation operation is not excessively long, water generated inside the fuel cell by the low output power generation operation is discharged out of the fuel cell by the high output power generation operation, and flooding is less likely to occur. . For this reason, it is preferable that the control unit corrects the first predetermined time t1 and / or the second predetermined time t2 based on the execution time ta (t1> ta ≧ t3) of the high-output power generation operation.
例えば、高出力発電運転の実行時間taが長くなると、燃料電池の内部に発生していた水が高出力発電運転により燃料電池外に持ち出され、フラッディングが発生しにくくなる。これを考慮し、制御部は、第1所定時間t1の終期を経過する前において、現在計測されている第1所定時間t1を延長させ、第1所定時間t1の終期を遅くするように補正することが好ましい。また、制御部は、次回のフラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を短縮させるように補正できる。 For example, when the execution time ta of the high-output power generation operation becomes long, water generated inside the fuel cell is taken out of the fuel cell by the high-output power generation operation, and flooding is less likely to occur. In consideration of this, the control unit corrects the first predetermined time t1 that is currently measured to be extended and the end of the first predetermined time t1 to be delayed before the end of the first predetermined time t1 has elapsed. It is preferable. Further, the control unit can correct the second predetermined time t2 during which the next flooding suppression power generation process is executed to be shortened.
本発明の一視点によれば、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第3所定時間t3以上(t1>t3)実行され、その後、低出力発電運転に戻ったとき、制御部は、高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t3)に基づいて、第1所定時間t1の計測をリセットして、第1所定時間t1の再計測を開始することができる。ここで、前述したように、第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第3所定時間t3(t1>t3)以上実行されるときがある。この場合、低出力発電運転により燃料電池の内部に発生していた水が、高出力発電運転により燃料電池外に持ち出され、フラッディングが発生しにくくなる。このため、制御部は、第1所定時間t1の終期を経過する前において第1所定時間t1の計測をリセットして、第1所定時間t1を最初から再計測することが好ましい。例えば、高出力発電運転の実行時間taが既定時間以内で長くなると、燃料電池の内部に発生していた水が高出力発電運転により燃料電池外に吐出される量が増加するため、これを考慮し、制御部は、第1所定時間t1の計測をリセットする。 According to one aspect of the present invention, the high output power generation operation is executed for the third predetermined time t3 or more (t1> t3) before the low output continuous execution time of the low output power generation operation passes the end of the first predetermined time t1. After that, when returning to the low output power generation operation, the control unit resets the measurement of the first predetermined time t1 based on the execution time ta (t1> ta ≧ t3) of the high output power generation operation, Remeasurement of the predetermined time t1 can be started. Here, as described above, before the end of the first predetermined time t1, the high power generation operation may be executed for the third predetermined time t3 (t1> t3) or longer. In this case, water generated inside the fuel cell by the low output power generation operation is taken out of the fuel cell by the high output power generation operation, and flooding hardly occurs. For this reason, it is preferable that the control unit resets the measurement of the first predetermined time t1 and remeasures the first predetermined time t1 from the beginning before the end of the first predetermined time t1 has elapsed. For example, if the execution time ta of the high-output power generation operation becomes longer than the predetermined time, the amount of water generated inside the fuel cell is discharged outside the fuel cell by the high-power generation operation. Then, the control unit resets the measurement of the first predetermined time t1.
本発明の一視点によれば、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第4所定時間t4以上(t1>t4)実行され、その後、低出力発電運転に戻ったとき、制御部は、高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t4)と、第1所定時間t1の起算開始時刻から、高出力発電運転が開始されるまでの経過時間txとに基づいて、第1所定時間t1および/または第2所定時間t2を補正することが好ましい。ここで、低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第4所定時間t4以上(t1>t4)実行されたとき、低出力発電運転により燃料電池の内部に発生していた生成水が、高出力発電運転により燃料電池外に持ち出され、フラッディングが発生しにくくなる。このため、制御部は、高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t4)と、経過時間txとに基づいて、第1所定時間t1および/または第2所定時間t2を補正することが好ましい。例えば、高出力発電運転に係る実行時間taが長いと、これが既定時間以内であれば、燃料電池の内部の生成水が持ち出される可能性が高いため、フラッディングが発生しにくくなり、第1所定時間t1を延長させるように補正するか、あるいは、第2所定時間t2を短縮させるように補正することが好ましい。経過時間txが長い程、現時点では燃料電池の内部は過剰な湿潤ではなく、適度な湿潤であると推定されるため、第1所定時間t1を延長させるように補正するか、あるいは、第2所定時間t2を短縮させるように補正することが好ましい。上記した各補正は時間の他に発電出力の大きさを考慮することができる。 According to one aspect of the present invention, the high output power generation operation is executed for the fourth predetermined time t4 or more (t1> t4) before the low output continuous execution time of the low output power generation operation passes the end of the first predetermined time t1. After that, when returning to the low power generation operation, the control unit starts the high output power generation operation from the execution time ta (t1> ta ≧ t4) of the high output power generation operation and the start time of the first predetermined time t1. It is preferable to correct the first predetermined time t1 and / or the second predetermined time t2 based on the elapsed time tx until the start. Here, when the high output power generation operation is executed for the fourth predetermined time t4 or more (t1> t4) before the end of the first predetermined time t1 has elapsed before the continuous execution time of the low output power generation operation has elapsed, the low output power generation operation is performed. As a result, the generated water generated inside the fuel cell is taken out of the fuel cell by the high-output power generation operation, and flooding is less likely to occur. For this reason, the control unit can correct the first predetermined time t1 and / or the second predetermined time t2 based on the execution time ta (t1> ta ≧ t4) of the high-output power generation operation and the elapsed time tx. preferable. For example, if the execution time ta related to the high-output power generation operation is long, if it is within a predetermined time, there is a high possibility that the generated water inside the fuel cell is taken out, so that it is difficult for flooding to occur, and the first predetermined time It is preferable that correction is made so that t1 is extended or correction is made so that the second predetermined time t2 is shortened. As the elapsed time tx is longer, it is estimated that the inside of the fuel cell is not excessively wet at the present time and is moderately wet. Therefore, the first predetermined time t1 is corrected to be extended, or the second predetermined time is set. It is preferable to correct so as to shorten the time t2. Each correction described above can take into account the magnitude of the power generation output in addition to time.
本発明の一視点によれば、スタック冷却水でスタックを冷却させる場合には、フラッディング抑制発電処理を実行するとき、スタック冷却水の流量(リットル/秒)を低出力発電運転よりも増加させ、ひいては貯湯槽に蓄熱させることにしても良い。 According to one aspect of the present invention, when the stack is cooled with the stack cooling water, when the flooding suppressing power generation process is executed, the flow rate (liter / second) of the stack cooling water is increased as compared to the low power generation operation, Eventually, heat may be stored in the hot water tank.
本発明の一視点によれば、アノードガス供給系は、原料を改質させることにより燃料電池に供給するアノードガスを生成させる改質部と、改質部を改質反応に適する温度領域に加熱する燃焼部と、燃料電池のアノード極から吐出されたアノードオフガスを燃焼部に供給して燃焼部で燃焼させるアノードオフガス通路とを備えていることが好ましい。ただし この構造に限定されるものではない。 According to one aspect of the present invention, the anode gas supply system includes a reforming unit that generates anode gas to be supplied to the fuel cell by reforming the raw material, and the reforming unit is heated to a temperature range suitable for the reforming reaction. It is preferable to include a combustion section that performs this operation, and an anode offgas passage that supplies the anode offgas discharged from the anode electrode of the fuel cell to the combustion section and burns it in the combustion section. However, it is not limited to this structure.
(実施形態1)
図1は実施形態1を示す。燃料電池システム(以下システムともいう)は、燃料電池で形成されたスタック1と、アノードガスをスタック1のアノード極10に供給するアノードガス供給系2と、カソードガスをスタック1のカソード極11に供給するカソードガス供給系5と、スタック1を冷却させる冷却系6と、制御部700とを有する。アノードガス供給系2は、原料源21とスタック1のアノード極10とを繋ぐアノードガス供給通路20と、アノードガス供給通路20に設けられた原料バルブ22および原料ポンプ23(原料搬送源)と、アノードガス供給通路20に設けられ原料を水蒸気で改質させてガス状のアノードガス(水素含有ガス、アノードガス)を形成する改質器24と、改質器24の出口側のバルブ25vと、アノードガス供給通路20に設けられガス状のアノードガスの水分を低下させる凝縮器27と、アノードガス供給通路20を開閉させる入口バルブ28と、スタック1のアノード極10から排出されたアノードガスのオフガスを燃焼部26に供給させるアノードオフガス通路29と、アノードオフガス通路29に設けられた出口バルブ30と、オフガスの水分を低下させる凝縮器29hとを有する。アノードガス供給通路20には脱硫器97(有害成分低減器)が設けられている。脱硫器97の脱硫材97a(有害成分低減材)は、改質部25に供給される前の原料に含まれている有害成分としての硫黄成分を低減させる機能を有する。アノードガス供給通路20には、バイパスバルブ45をもつバイパス通路46が設けられている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a first embodiment. A fuel cell system (hereinafter also referred to as a system) includes a stack 1 formed of a fuel cell, an anode gas supply system 2 that supplies anode gas to the anode electrode 10 of the stack 1, and a cathode gas to the cathode electrode 11 of the stack 1. A cathode
スタック1は多数の膜電極接合体(MEA)を有する。MEAは、アノード極10及びカソード極11に挟持された固体高分子型のイオン伝導膜12(例えば炭化フッ素系、炭化水素系またはガラス系)を有する。従って実施形態1に用いた燃料電池は固体高分子型燃料電池である。燃料電池は酸化還元反応により電気エネルギを発生させるものである。MEAは、シート型でも良いし、チューブ型でも良い。アノード極10内の圧力を検知するセンサ10s、カソード極11内の圧力を検知するセンサ11sとが設けられている。スタック1は、遮断機能および接続機能をもつブレーカ47およびインバータ48を介して商用電源49と接続されて系統連系されている。インバータ48はインバータコントローラ7をもつ。スタック1の電力で不足するときには、商用電源49の電力で電力負荷49x(例えば、システムの内部に設けられている内部負荷、システムの外部に設けられている外部負荷)を作動させる。
The stack 1 has a large number of membrane electrode assemblies (MEAs). The MEA has a solid polymer type ion conductive membrane 12 (for example, fluorine-based, hydrocarbon-based, or glass-based) sandwiched between an anode 10 and a cathode 11. Therefore, the fuel cell used in Embodiment 1 is a polymer electrolyte fuel cell. A fuel cell generates electric energy by an oxidation-reduction reaction. The MEA may be a sheet type or a tube type. A
図1に示すように、改質器24は、原料を気相状または液相状の水で改質させる改質部25と、改質反応に適するように改質部25を加熱させる燃焼部26(加熱部)とを有する。改質部25内の圧力を検知するセンサ25sが設けられている。図1に示すように、改質部25に改質用の気相状または液相状の水を供給する改質水系34が設けられている。
As shown in FIG. 1, a reformer 24 includes a reforming
改質水系34は、システムの凝縮水を改質用の水として貯留するタンク35と、タンク35と改質部25とを繋ぐ改質水通路36と、改質水通路36に設けられた水ポンプ37(水搬送源)および水バルブ38と、液相状の水を気相化させて水蒸気とする蒸発部39とを有する。タンク35の水量を検知するセンサ93,94が設けられている。蒸発部39は改質器24と別体でも良いし、改質器24に一体に搭載されていても良い。
The reforming
改質水系34には水精製系9が接続されている。水精製系9は、タンク35に供給する原料水を精製させるものであり、原料水を供給するバルブ90と、イオン交換樹脂等の水精製作用を有する第1水精製材91aを有する第1水精製部91と、イオン交換樹脂等の水精製作用を有する第2水精製材92aを有する第2水精製部92とをもつ。システムの各凝縮器で生成された凝縮水は、重力等により水精製部91,92に供給されるようになっている。
A
更に図1に示すように、アノードガス供給系2は、アノードガス供給通路20と燃焼部26とを連通させるバルブ40aをもつ分岐路40と、空気通路41と、空気通路41に設けられたポンプ42(燃焼用空気搬送源)とを有する。空気通路41は、カソードガス供給通路52と連通していても良い。原料源21の原料は分岐路40から燃焼ガスとして燃焼部26に供給される。ポンプ42が作動すると、燃焼用空気が燃焼部26に供給される。ひいては燃焼ガスが燃焼部26で燃焼され、改質部25を加熱させる。なお、改質部25で改質される原料はガス状でも良いし、液状でも良いが、都市ガス等のガス状が好ましい。場合によっては、原料としては、都市ガスに代えて、LPG、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、ガソリン、バイオガス等が例示できる。燃焼部26で燃焼された排ガスは、排気路43に放出され、凝縮器43hにより水分を低下させた後に外部に排出される。
Further, as shown in FIG. 1, the anode gas supply system 2 includes a
図1に示すように、カソードガス供給系5は、加湿路50aおよび吸湿路50bを区画する水分保持部材50cをもつ加湿器50と、カソードガス(空気)をフィルタ51(浄化材)で浄化させた後に加湿器50の加湿路50aを介してスタック1のカソード極11に供給するカソードガス供給通路52と、カソードガス供給通路52に設けられたカソードガスポンプ53(カソードガス搬送源)と、カソードガス供給通路52を開閉させる入口バルブ54と、スタック1のカソード極11から吐出された湿ったカソードオフガスを加湿器50の吸湿路50bおよび凝縮器55hを介して水分を低下させた後に外部に吐出させるカソードガス吐出通路55と、カソードガス吐出通路55に連通し加湿器50の吸湿路50bを迂回させる復路用の迂回路56と、スタック1のカソード極11から吐出されたカソードオフガスを迂回路56に流す復路用の迂回バルブ57とを有する。カソードガス供給通路52には、これを流れるカソードガス(空気)の単位時間あたりの流量を検知するセンサ52sが設けられている。
As shown in FIG. 1, the cathode
水分保持部材50cは、水分保持性およびガスバリヤ性を有しており、例えばイオン交換膜等で形成されている。図1から理解できるように、迂回バルブ57は、加湿器50の吸湿路50bに流れる流量と迂回路56に流れる流量との比を可変にできる。更に、カソードガス供給通路52に連通し加湿器50の加湿路50aを迂回させる往路用の迂回路58と、スタック1のカソード極11に供給される直前のカソードガスを迂回路58に流す往路用の迂回バルブ59とを有する。迂回バルブ59は、加湿器50の加湿路50aに流れる流量と迂回路58に流れる流量との比を可変にできる。なお、場合によっては、往路用の迂回路58と往路用の迂回バルブ59とを廃止することもできる。
The
冷却系6は、スタック1の内部に形成されている冷媒通路13に連通する循環通路60と、冷媒(冷却水等の冷却液)を循環通路60において循環させる冷媒ポンプ61(冷媒搬送源)と、循環通路60に設けられ循環通路60の冷媒の温度を検知する温度センサ62と、循環通路60の冷媒を加熱させるヒータ63(電力消費要素)とを有する。なお、スタック1の起動時に、制御部700は商用電源49または蓄電要素79の電力によりヒータ63を発熱させて循環通路60の冷媒を予熱させ、スタック1を予熱させることができる。循環通路60の冷媒の温度は、スタック1の運転温度に実質的に相当する。更に冷却系6は、循環通路60から分岐する分岐路65と、冷媒処理部66と、冷媒処理部66に流れる流量を検知する流量センサまたは冷媒処理部66内の液位を検知する液位センサで形成されたセンサ67とを有する。冷媒処理部66の冷媒処理材66aは、冷媒(例えば冷却水等の冷却液)に含まれている不純物を低減させて冷媒の電気絶縁性を高めるように、イオン交換樹脂等で形成されている。冷媒ポンプ61が作動すれば、冷媒が循環通路60およびスタック1の冷媒通路13に循環し、スタック1の熱を奪うことができる。このとき、冷媒は冷媒処理材66aにより電気絶縁性が高められる。
The
貯湯系8が設けられている。貯湯系8は、貯湯通路80と、循環通路60と貯湯通路80とを熱交換させる熱交換器81と、貯湯通路80の水を搬送させるポンプ82(貯湯水搬送源)と、貯湯通路80に繋がる貯湯槽85と、貯湯槽85内の水が不足したら補充水(例えば水道水)を補充する補充通路84と、貯湯槽85の温水を消費させる温水消費通路85xとを有する。ポンプ82が作動すれば、貯湯通路80の水が搬送され、循環通路60の熱エネルギが貯湯通路80に伝達され、貯湯通路80の水温が上昇し、ひいては貯湯槽85の熱エネルギが上昇する。熱交換器81と貯湯槽85との間に設けられているラジエータ装置89が設けられている。ラジエータ装置89は、ラジエータファン89aをもつ。貯湯槽85の温水が満タンであるとき、ラジエータファン89aが回転駆動して送風し、ラジエータ装置89の放熱を促進させ、貯湯通路80の水温を低下させることができる。
A hot
スタック1の発電運転時には、スタック1と電力負荷49xとを電気接続した状態で、制御部700は、アノードガスバルブ22を開放した状態でポンプ23を作動させて、原料源21のガス状の原料を改質器24の改質部25に供給し、更に、水ポンプ37を作動させ、タンク35の改質用水を蒸発部39により水蒸気化した後に改質部25に供給する。この結果、原料は改質部25で水蒸気改質されてアノードガス(水素含有ガス)となる。そのアノードガスは凝縮器27で過剰の水分を落とした後、開放している入口バルブ28からスタック1のアノード極10に供給される。更に、制御部700は、バルブ54,57,59を開放した状態でカソードガスポンプ53を作動させて、カソードガス(空気)をフィルタ51を通過させ、加湿器50の加湿路50aで加湿させた後、スタック1のカソード極11の入口に供給する。これによりスタック1が発電運転する。
During the power generation operation of the stack 1, the
但し、起動当初では、改質器24で改質されたアノードガスの組成の安定性が充分でないときがあるため、制御部700は、入口バルブ28および出口バルブ30を閉鎖した状態で、バイパスバルブ45を開放し、アノードガスをバイパス通路46を介して燃焼部26に流して燃焼部26で燃焼させ、スタック1のアノード極10に流さない。改質されたアノードガスの組成が安定すると、制御部700は、入口バルブ28および出口バルブ30を開放させ、パスバルブ45を閉鎖し、アノードガスをバイパス通路45ではなくスタック1のアノード極10に供給する。
However, since the composition of the anode gas reformed by the reformer 24 may not be sufficiently stable at the beginning of startup, the
発電運転において、スタック1のアノード極10の出口から吐出されたアノードガスのオフガスは、可燃成分(未反応水素)を有するため、アノードオフガス通路29を流れ、凝縮器29hで水分を低下させた後、燃焼部26に吐出され、燃焼される。燃焼排ガスは排気路43から外方に排出される。これに対して、スタック1のカソード極11の出口から吐出されたカソードオフガスは、カソードガス吐出通路55から加湿器50の吸湿路50bに流れる。迂回バルブ57の制御により、カソードオフガスが加湿器50の吸湿路50bに流れる流量と、カソードオフガスが迂回路56に流れる流量との比率を可変に制御できる。上記したシステムの各機器および各要素は、筐体500の収容室501に収容されている。
In the power generation operation, the anode gas off-gas discharged from the outlet of the anode electrode 10 of the stack 1 has a combustible component (unreacted hydrogen), and therefore flows through the anode off-
図2に示すように、凝縮器27,43h,29h,55hは、熱交換器の1種であり、これらの凝縮器27,43h,29h,55hを通過するガスに含まれている水蒸気を冷却により凝縮させる。凝縮器27,43h,29h,55hを冷却させるための熱交換媒体(冷却水)が流れる熱交換通路520がポンプ521(熱交換媒体搬送源)と共に設けられている。これにより熱交換通路520を流れる熱交換媒体はシステムで発生する排熱を回収し、その排熱を熱交換器87を介して貯湯通路80の水に伝達させる。これにより貯湯槽85に温水として蓄積される熱エネルギを高める。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、制御部700は、入力処理回路70と、タイマー機能をもつCPU71と、メモリとしてのメモリ72,73と、出力処理回路74とを有する。制御部700は、バルブ22,25v,28,30,40a,90,54,57,59、ポンプ23,37,42,61,53,82,521、ヒータ63,ラジエータファン89aといった補機等を制御する。これらの各補機を駆動させる電力は、基本的には、スタック1の発電電力により賄われ、不足するときには商用電源49の電力を消費させる。
As shown in FIG. 3, the
ところで本実施形態によれば、スタック1の発電運転は、低出力側から、低出力発電運転、第1高出力発電運転および第2高出力発電運転に大別される。定格発電出力が1000Wのとき、低出力発電運転は最低発電出力〜400W以下にでき、第1高出力発電運転は400W超え〜800W以下、第2高出力発電運転は800W超え〜定格発電出力とされる。換言すると、定格発電出力を100%とすると、低出力発電運転は最低発電出力〜40%以下にでき、第1高出力発電運転は40%超え〜80%以下、第2高出力発電運転は80%超え〜100%とされる。 By the way, according to the present embodiment, the power generation operation of the stack 1 is roughly divided into the low power generation operation, the first high power power generation operation, and the second high power power generation operation from the low output side. When the rated power output is 1000 W, the low power generation operation can be set to the lowest power generation output to 400 W or less, the first high power generation operation is over 400 W to 800 W or less, and the second high power generation operation is over 800 W to the rated power output. The In other words, if the rated power generation output is 100%, the low power generation operation can be set to the lowest power generation output to 40% or less, the first high output power generation operation exceeds 40% to 80% or less, and the second high output power generation operation is 80%. % To 100%.
本実施形態によれば、低出力発電運転はフラッディングを発生させ易い傾向がある。アノードガスやカソードガスの流速が遅いため、スタック1の内部の水をスタック1の外部に持ち出すことが容易ではないためである。低出力発電運転の低出力連続実行時間が長い時間、すなわち、第1所定時間t1(以上)を経過するときがある。例えば、夜間における連続的な発電運転である。また、システムの発電電力で駆動される電力負荷49xのうちの一部のみ使用されている場合である。このように低出力発電運転が長時間にわたり連続する場合、フラッディングが発生する確率が高いと推定される。そこで、低出力発電運転が第1所定時間t1継続するときには、制御部700は、ユーザ等による電力負荷49xの要求の有無および要求の大きさに拘わらず、高出力発電運転を第2所定時間t2(t1>t2)実行することによりフラッディング抑制発電処理を実行する。高出力発電運転は発電出力をできるだげ一定に維持することが好ましい。フラッディング抑制発電処理を構成する高出力発電運転においては、スタック1の内部に供給される反応ガス(アノード極10に供給されるアノードガス、カソード極11に供給されるカソードガス)の単位時間あたりの流量が大きく、且つ、ガスの流速が速く、スタック1の内部のガス流路に存在する水をスタック1の外部に持ち出し易い。このため高出力発電運転を実行すれば、スタック1の内部の過剰湿潤状態を乾燥方向に移行させることができる。但し、高出力発電運転は連続して過剰に長時間運転されると、余剰の熱や余剰の電力を発生させるおそれがあるため、フラッディング抑制発電処理の時間の上限を規定することが好ましい。
According to the present embodiment, the low power generation operation tends to easily generate flooding. This is because the flow rate of the anode gas and cathode gas is slow, and it is not easy to take out the water inside the stack 1 to the outside of the stack 1. There are times when the low output continuous operation time of the low output power generation operation is long, that is, the first predetermined time t1 (or more) elapses. For example, continuous power generation operation at night. In addition, only a part of the
上記したフラッディング抑制発電処理では、スタック1におけるアノードガス利用率の低下を抑制しつつ、つまり、低出力発電運転に対してアノードガス利用率の低下を抑制しつつ行う。このようにフラッディング抑制発電処理では、制御部700は、低出力発電運転に対してアノードガス利用率の低下を抑制するため、ユーザ等による電力負荷49xの要求の大小に拘わらず、低出力発電運転の場合よりもスタック1の発電電力が増加する。従って、本実施形態に係るフラッディング抑制発電処理においては、低出力発電運転の場合よりも、スタック1に供給される単位時間あたりのアノードガス(燃料ガス)およびカソードガス(酸化剤ガス)の単位時間当たりの流量は増加する。従って、電力負荷49xで消費される電力よりも余剰の発電電力が発生するおそれがある。
The above-described flooding suppression power generation process is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate in the stack 1, that is, while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate with respect to the low power generation operation. As described above, in the flooding suppression power generation process, the
そこで本実施形態によれば、フラッディング抑制発電処理において発生した余剰の発電電力を熱エネルギまたは電気エネルギとして蓄積させるエネルギ蓄積部が設けられている。この場合、余剰の発電電力を電気ヒータ63で発熱させて温水を直接的または間接的に生成し、その温水を熱交換器81および貯湯通路80を介してエネルギ蓄積部としての貯湯槽85に蓄積する蓄熱操作を実行できる。また、スイッチング素子79aをオンにし、エネルギ蓄積部として機能する蓄電池および/またはキャパシタからなる蓄電要素79に電気エネルギを蓄電する蓄電操作を実行できる。この場合、冬季や寒冷地等では、余剰の発電電力を利用すべく、ヒータ63をオンさせて温水を生成し、その温水をエネルギ蓄積部としての貯湯槽85に蓄積させる蓄熱操作を優先させ、貯湯槽85の温水が満タンのときに、二義的に、蓄電要素79に蓄電させる蓄電操作を行うことにしても良い。あるいは、夏季や酷暑地では、余剰の発電電力を蓄電要素79に蓄電させる蓄電操作を優先させ、蓄電要素79が満充電のときに、二義的に、余剰の発電電力をヒータ63で発熱させた温水の熱エネルギをエネルギ蓄積部としての貯湯槽85に温水として蓄積する蓄熱操作を実行することにしても良い。また、蓄電要素79が満充電であり、且つ、貯湯槽85の温水が満タンであるときには、熱交換器81と貯湯槽85との間に設けられているラジエータ装置89のラジエータファン89aを回転駆動させて、ラジエータ装置89の放熱を促進させ、貯湯通路80の熱交換器81の上流の水温を低下させることにしても良い。
Therefore, according to the present embodiment, an energy storage unit that stores surplus generated power generated in the flooding suppression power generation process as thermal energy or electrical energy is provided. In this case, surplus generated power is generated by the
本実施形態によれば、上記した第1所定時間t1は、低出力発電運転によってスタック1の内部に生成された水によりフラッディングが発生してスタック1の発電電力が低下する時間に相当するように、スタック1の種類、低出力発電運転における発電条件等によって決定されることが好ましい。第1所定時間t1は、基本的には例えば3時間、5時間、8時間、10時間等として予め設定されている。 According to the present embodiment, the first predetermined time t1 described above corresponds to a time during which flooding occurs due to water generated inside the stack 1 due to low power generation operation and the generated power of the stack 1 decreases. It is preferable to be determined by the type of the stack 1, the power generation conditions in the low-power power generation operation, and the like. The first predetermined time t1 is basically set in advance as, for example, 3 hours, 5 hours, 8 hours, 10 hours, or the like.
また、フラッディング抑制発電処理が実行される時間である第2所定時間t2(t2<t1)は、高出力発電運転によってスタック1の内部に存在する液相または気相状の水を反応ガスによりスタック1から吐出させて、フラッディングの発生を抑制できる時間に相当するように、スタック1の種類、発電条件等によって決定されることが好ましい。第2所定時間t2は、スタック1の種類等に応じて、例えば1分間、5分間、10分間、20分間等と予め設定されている。第2所定時間t2が過剰に長いと、余剰の発電電力が増加する可能性が高い。 In addition, the second predetermined time t2 (t2 <t1), which is the time during which the flooding suppression power generation process is executed, is performed by stacking the liquid phase or vapor phase water present in the stack 1 with the reactive gas by the high output power generation operation. 1 is preferably determined according to the type of stack 1, power generation conditions, and the like so as to correspond to a time during which discharge can be performed from 1 and the occurrence of flooding can be suppressed. The second predetermined time t2 is set in advance as, for example, 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, or the like according to the type of the stack 1 or the like. If the second predetermined time t2 is excessively long, there is a high possibility that surplus generated power will increase.
さて本実施形態の要部について更に説明を加える。フラッディングが発生し易い低出力発電運転が連続して行われているとき、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1を経過するとき、制御部700は、このままではフラッディングが発生するおそれがあると推定し、ユーザ等による電力負荷49xの要求の大小に拘わらず、高出力発電運転を第2所定時間t2(t1>t2)実行することによりフラッディング抑制発電処理を実行する。フラッディング抑制発電処理では、アノードガス利用率の低下を抑制しつつ、つまり、低出力発電運転に対してアノードガス利用率を維持しつつ、スタック1のアノード極10に供給するアノードガスの単位時間当たりの流量、スタック1のカソード極に供給するカソードガス(空気)の単位時間当たりの流量を増加させる。この場合、改質部25に供給される改質水の単位時間あたりの流量を増加させる。
Now, further description will be made on the main part of the present embodiment. When the low output power generation operation in which flooding is likely to occur is continuously performed, when the low output continuous execution time of the low output power generation operation has passed the first predetermined time t1, the
この結果、フラッディング抑制発電処理では、低出力発電運転の場合よりも、スタック1に供給される単位時間あたりのアノードガスおよびカソードガスの流量は増加する。従って、電力負荷49xで消費される電力よりも余剰の発電電力が発生するおそれがある。そこで、フラッディング抑制発電処理において発生した余剰の発電電力を熱エネルギまたは電気エネルギとして蓄積させるエネルギ蓄積部としての貯湯槽85と蓄電要素79とが設けられている。この場合、余剰の発電電力を電気ヒータ63で発熱させて循環通路60の水を加熱させ、ひいては熱交換器81を介して貯湯槽85に温水として蓄積できる。また、余剰の発電電力を電気エネルギとしてスタック1に繋がる蓄電要素79にも蓄電できる。
As a result, in the flooding suppression power generation process, the flow rates of the anode gas and the cathode gas per unit time supplied to the stack 1 are increased as compared with the case of the low output power generation operation. Therefore, there is a possibility that surplus generated power may be generated than the power consumed by the
上記した第1所定時間t1および第2所定時間t2は、マップとして制御部700のメモリ72のエリアに予め格納されている。ここで、第2所定時間t2は、高出力発電運転によってスタック1の内部に存在する液相状の水を反応ガスによりスタック1から吐出させて、フラッディングの発生を抑制できる時間に相当するように、スタック1の種類、発電条件等によって決定される。第2所定時間t2は例えば1分間、5分間、10分間、20分間等として設定される。ここで、第2所定時間t2が過剰に長い場合には、余剰の発電電力が増加する可能性が高いし、フラッディングの発生させるおそれがある。このため、第2所定時間t2の上限値として、例えば30分間とすることができる。
The first predetermined time t1 and the second predetermined time t2 described above are stored in advance in the area of the
さて、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1を経過するとき、制御部700は、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2ぶん実行する。この場合、アノード極10に供給されるアノードガスの流量(L/sec)を増加させると共に、カソード極11に供給されるカソードガスの流量(L/sec)を増加させることができる。これによりアノード極10のガス流速、カソード極11のガス流速が速くなるため、スタック1の内部に存在する水は移動され易くなる。この結果、フラッディング抑制発電処理における反応ガスによりスタック1の外部に吐出され、フラッディングが未然に防止される。また、フラッディングの初期であっても、フラッディング抑制発電処理における反応ガスによりスタック1の外部に吐出され、フラッディングが防止される。なお第2所定時間t2経過すれば、制御部700は、ユーザの要求に応じて、再び、低出力発電運転を実行させることができる。
When the low output continuous execution time of the low output power generation operation passes the first predetermined time t1, the
フラッディング抑制のために、特許文献1のように、低出力発電運転に対してアノードガス利用率を積極的に低下させつつ、高出力発電運転によりフラッディング抑制発電処理を行うことも考えられる。この場合、スタック1のアノード極10に供給されるアノードガスの流量を増加させてアノードガスの利用率を低下させるため、スタック1のアノード極10から吐出されるアノードオフガスに含まれる未反応活物質(水素)の濃度が過剰に増加する。すなわち、アノード極10からアノードオフガス通路29を介して改質器24の燃焼部26に供給されるアノードオフガス含まれる未反応水素の濃度が増加する。このため、改質器24の燃焼部26の燃焼が過剰になり、燃焼部26の燃焼を厳密に制御しなければ、改質部25の温度が過剰に高温となるおそれがある。
In order to suppress flooding, it is also conceivable to perform flooding-suppressing power generation processing by high-power power generation operation while actively reducing the anode gas utilization rate with respect to low-power power generation operation as in Patent Document 1. In this case, in order to increase the flow rate of the anode gas supplied to the anode electrode 10 of the stack 1 and reduce the utilization rate of the anode gas, the unreacted active material contained in the anode off-gas discharged from the anode electrode 10 of the stack 1 The concentration of (hydrogen) increases excessively. That is, the concentration of unreacted hydrogen contained in the anode off gas supplied from the anode 10 to the
この点本実施形態によれば、フラッディング抑制発電処理は、低出力発電運転に対してアノードガス利用率の低下を抑制しつつ行われる。よって、スタック1のアノード極10に供給されるアノードガスの単位時間あたりの流量が増加するものの、アノードガスの活物質(水素)は、スタック1における発電反応として良好に消費される。よってフラッディング抑制発電処理が実行されているときにおいて、スタック1のアノード極10から吐出されるアノードオフガスに含まれる未反応水素の濃度が過剰に増加することが抑えられる。すなわち、アノードオフガス通路29から改質器24の燃焼部26に供給されるアノードオフガス含まれる未反応水素の濃度が過剰に増加することが抑えられる。このため、改質器24の燃焼部26の燃焼が過剰になることが抑えられ、改質部25の温度が過剰に高温となることが抑えられる。よって改質部25における改質反応が良好に維持される。
In this regard, according to the present embodiment, the flooding suppression power generation process is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate with respect to the low output power generation operation. Therefore, although the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the anode electrode 10 of the stack 1 increases, the anode gas active material (hydrogen) is favorably consumed as a power generation reaction in the stack 1. Therefore, when the flooding suppression power generation process is being performed, it is possible to suppress an excessive increase in the concentration of unreacted hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the anode electrode 10 of the stack 1. That is, an excessive increase in the concentration of unreacted hydrogen contained in the anode off gas supplied from the anode off
更に、改質器無搭載型のシステムに適用する場合であっても、アノードオフガスに含まれる未反応の活物質(水素)が多量にスタック1のアノード極10に供給されることが抑えられ、スタック1の発電出力の制御性が良好に確保される。 Furthermore, even when applied to a system without a reformer, a large amount of unreacted active material (hydrogen) contained in the anode off-gas is suppressed from being supplied to the anode electrode 10 of the stack 1, Good controllability of the power generation output of the stack 1 is ensured.
上記したようにフラッディング抑制発電処理では、アノード極10に供給されるアノードガスの単位時間あたり流量と、カソード極11に供給されるカソードガスの単位時間あたりの流量とを増加させる。この場合、ポンプ23,42,53,37の駆動量(回転数)を低出力発電運転よりも増加させるため、電力の消費量が増加する。しかしながら本実施形態によれば、フラッディング抑制発電処理は余剰の発電電力を生成させ易く、余剰の電力を利用してポンプ23,42,53,37の駆動量を増加させることができるため、電力の有効利用を図り得る。また、フラッディング抑制発電処理は高発電であるため、スタック1を昇温させるおそれがある。この場合、フラッディング抑制発電処理を実行させるときには、ポンプ61の単位時間あたりの回転数(駆動量)を低出力発電運転よりも増加させ、循環通路60を流れるスタック冷却水の流量(リットル/秒)を増加させ、ひいては熱交換器91を介して貯湯通路80の温水を昇温させ、貯湯槽85に蓄熱させることにしても良い。
As described above, in the flooding suppression power generation process, the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the anode electrode 10 and the flow rate per unit time of the cathode gas supplied to the cathode electrode 11 are increased. In this case, since the drive amount (rotation speed) of the
(実施形態2)
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。低出力発電運転が運転されているとき、低出力発電運転に関する発電履歴情報が制御部700のメモリ72のエリアに継続的に格納されている。そして、低出力発電運転のまま、これの運転の連続実行時間が第1所定時間t1が経過するか否か判定する。低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1以上を経過すると、制御部700は、第1所定時間t1における低出力発電運転の発電電力に関する水分残留推定値αを、低出力発電運転における発電履歴情報に基づいて求める。水分残留推定値αは、スタック1の内部に存在する現在時点の水分量を予測するものであり、基本的には、低出力発電運転における発電電力を時間積分した値に基づいて求められる形態が例示される。また、水分残留推定値αは、基本的には、低出力発電運転における発電電力を時間積分した値と、低出力発電運転においてアノード極10に供給されるアノードガスの総流量に関する補正係数α1と、低出力発電運転においてカソード極11に供給されたアノードガスの総流量に関する補正係数α2とに基づいて求められる形態が例示される。
(Embodiment 2)
Since this embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. When the low output power generation operation is being performed, the power generation history information regarding the low output power generation operation is continuously stored in the area of the
更に、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を、水分残留推定値αに基づいてマップまたは演算式に基づいて求める。マップまたは演算式は、水分残留推定値αと第2所定時間t2との関係を規定しており、推定値が増加すると、第2所定時間t2を既定時間内で長くするように設定されている。そして、第1所定時間t1が経過すると、制御部700はフラッディング抑制発電処理を開始し、第2所定時間t2ぶん実行する。第2所定時間t2経過すれば、制御部700は、フラッディング抑制発電処理を終了する。この場合、ユーザの要求に応じて、再び、低出力発電運転を実行させることができる。
Further, the second predetermined time t2 during which the flooding suppression power generation process is executed is obtained based on the map or arithmetic expression based on the moisture residual estimated value α. The map or the calculation formula defines the relationship between the moisture residual estimated value α and the second predetermined time t2, and is set to increase the second predetermined time t2 within the predetermined time when the estimated value increases. . When the first predetermined time t1 elapses, the
ところで、低出力発電運転が実行されているときにおいて、低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1(例えば3時間)の終期を経過する前に、電力負荷の要求により高出力発電運転が第3所定時間t3以上(t1>t3,t3=例えば10分間)実行されることがある。本実施形態では、基本的に電力負荷に追従して発電出力を制御しているためである。この場合、低出力発電運転によりスタック1の内部に発生していた水が、高出力発電運転時における速いガス流速によりスタック1外に持ち出されたと推定される。このため、第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第3所定時間t3以上(例えば5分間,t1>t3)実行されていれば、制御部700は、フラッディングがしばらく発生しないと推定し、第1所定時間t1をリセットして0に戻す。この場合、低出力発電運転が継続していれば、制御部700は第1所定時間t1の再計測を開始する。
By the way, when the low output power generation operation is being performed, the high output power generation operation is performed according to the demand of the power load before the continuous execution time of the low output power generation operation has passed the end of the first predetermined time t1 (for example, 3 hours). May be executed for the third predetermined time t3 or more (t1> t3, t3 = 10 minutes, for example). This is because in the present embodiment, the power generation output is basically controlled following the power load. In this case, it is presumed that the water generated inside the stack 1 due to the low output power generation operation was taken out of the stack 1 due to the fast gas flow rate during the high output power generation operation. For this reason, before the end of the first predetermined time t1, the high-power generation operation is performed for the third predetermined time t3 or more (for example, 5 minutes, t1> t3). It is estimated that it does not occur, and the first predetermined time t1 is reset and returned to zero. In this case, if the low-output power generation operation is continued, the
(実施形態3)
本実施形態は実施形態2と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過すると、制御部700は、第1所定時間t1における低出力発電運転の発電電力に関する水分残留推定値αを求める。更に、制御部700は、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を、水分残留推定値αに基づいてマップまたは演算式から求める。マップまたは演算式は、水分残留推定値αと第2所定時間t2との関係を規定している。そして、制御部700は、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2ぶん実行する。第2所定時間t2経過すれば、制御部700は、ユーザの要求に応じて、再び、低出力発電運転を実行させることができる。
(Embodiment 3)
Since this embodiment has basically the same configuration as that of the second embodiment and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. When the continuous execution time of the low output power generation operation has passed the end of the first predetermined time t1, the
ところで、低出力発電運転が実行されているときにおいて、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1(例えば3時間)経過する前に、第1所定時間t1の後期において、電力負荷の要求により高出力発電運転が第3所定時間t3以上(t1>t3,t3=例えば10分間)実行されることがある。この場合、低出力発電運転によりスタック1の内部に発生していた水が、第1所定時間t1が計測されている途中の後期において高出力発電運転が実行されると、スタック1外に持ち出される確率が高いと推定される。このため、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において、第1所定時間t1の後期において、高出力発電運転が第3所定時間t3以上(例えば3時間,t1>t3)実行されているときには、制御部700は、スタック1の水はスタック1外に吐出されたと推定し、第1所定時間t1をリセットして0に戻す。そして制御部700は第1所定時間t1を0から再計測する。ここで、第1所定時間t1の後期とは、例えば、第1所定時間t1の開始時刻から終了時刻までの時間帯における後半を意味する。但し、これに限定されるものではない。場合によっては、当該時間帯をn分割し、最後期としても良い。第1所定時間t1の後期において高出力発電運転が後期に実行されると、スタック1の水はスタック1外に吐出され、スタック1の内部の過剰湿潤状態は解消されていると推定される。
By the way, when the low-output power generation operation is being executed, the power is continuously output in the latter period of the first predetermined time t1 before the low output continuous execution time of the low-output power generation operation has passed the first predetermined time t1 (for example, 3 hours). The high output power generation operation may be executed for a third predetermined time t3 or more (t1> t3, t3 = for example, 10 minutes) due to a load request. In this case, water generated inside the stack 1 due to the low output power generation operation is taken out of the stack 1 when the high output power generation operation is executed in the latter half of the period when the first predetermined time t1 is measured. It is estimated that the probability is high. Therefore, before the end of the first predetermined time t1 elapses during the low output continuous operation time of the low output power generation operation, the high output power generation operation is performed for the third predetermined time t3 or more (for example, 3 When the time, t1> t3) is being executed, the
本実施形態においても、前述したように、フラッディング抑制発電処理は、低出力発電運転に対してアノードガス利用率がなるべく低下しないように行われる。よって、フラッディング抑制発電処理では、スタック1のアノード極10に供給されるアノードガスの単位時間あたりの流量が増加し、増加したアノードガスは基本的にはスタック1における発電反応として消費される。このため、フラッディング抑制発電処理において、スタック1のアノード極10からアノードオフガス通路29を介して改質器24の燃焼部26に向けて吐出されるアノードオフガスに含まれる未反応水素の濃度が過剰に増加することが抑えられる。このため、フラッディング抑制発電処理において、燃焼部26の燃焼が過剰になることが抑えられ、改質部25の温度が過剰に高温となることが抑えられる。よって改質部25における温度を良好に制御でき、改質反応が良好に維持される利点が得られる。
Also in the present embodiment, as described above, the flooding suppression power generation process is performed so that the anode gas utilization rate does not decrease as much as possible with respect to the low power generation operation. Therefore, in the flooding suppression power generation process, the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the anode electrode 10 of the stack 1 increases, and the increased anode gas is basically consumed as a power generation reaction in the stack 1. For this reason, in the flooding suppression power generation process, the concentration of unreacted hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the anode 10 of the stack 1 to the
(実施形態4)
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1が経過すると、制御部700は、第1所定時間t1における低出力発電運転の発電電力に関する水分残留推定値αを求め、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を、水分残留推定値αに基づいてマップまたは演算式から求める。そして、制御部700は、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2実行する。第2所定時間t2が経過すれば、制御部700は、ユーザの要求に応じて、再び、低出力発電運転を実行させることができる。
(Embodiment 4)
Since this embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. When the first predetermined time t1 elapses during the low output power generation operation for the low output power generation operation, the
ところで、低出力発電運転が実行されているとき、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1(例えば5時間)経過する前において、電力負荷の要求により高出力発電運転が第4所定時間t4(例えば15分,t1>t4)以上実行されるときがある。この場合、低出力発電運転によりスタック1の内部に存在していた水のかなりの部分が、高出力発電運転によりスタック1外に持ち出され、フラッディングが発生しにくくなると推定される。 By the way, when the low output power generation operation is being performed, the high output power generation operation is performed according to the demand of the power load before the first predetermined time t1 (for example, 5 hours) elapses. 4 There are times when it is executed for a predetermined time t4 (for example, 15 minutes, t1> t4) or more. In this case, it is estimated that a considerable portion of the water that was present inside the stack 1 due to the low-power generation operation is taken out of the stack 1 due to the high-power generation operation, and flooding is less likely to occur.
このため、制御部700は、第1所定時間t1の終期を経過する前において行われる高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t4)を求める。制御部700は、第1所定時間t1の終期が経過する前において、現在計測中の第1所定時間t1と、次回実行されるフラッディング抑制発電処理の第2所定時間t2とを、実行時間ta(t1>ta≧t4)に基づいて補正する。具体的には、第1所定時間t1の終期を経過する前において行われる高出力発電運転の実行時間taが長いときには、制御部700は、現在計測中の第1所定時間t1をマップまたは演算式に基づいて求めて延長させ、現在計測中の第1所定時間t1の終期を遅くさせる方向に補正する。あるいは、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2をマップまたは演算式に基づいて短縮させる方向に補正する。その理由としては、第1所定時間t1の終期が経過する前に実行された高出力発電運転の実行時間taにより、スタック1内部のかなりの水がスタック1外部に吐出され、スタック1の内部は適度な湿潤状態(乾燥気味)であると推定されるためである。補正では、実行時間taにおける発電出力の大きさを考慮することが好ましい。具体的には、例えば発電出力が大きいとき、第1所定時間t1を長くさせる。
For this reason, the
上記した補正に当たり、高出力発電運転の発電出力値の大きさを考慮することが好ましい。この場合、高出力発電運転の発電出力値が高ければ、スタック1の内部の水が外部に一層持ち出され易いためである。従って、実行時間taにおける高出力発電運転の発電出力の累積値を考慮し、制御部700は、その累積値が大きいとき、マップまたは演算式に基づいて、現在計測中の第1所定時間t1の終期を遅くさせる方向に補正したり、あるいは、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を短縮させる方向に補正することができる。
In the above correction, it is preferable to consider the magnitude of the power generation output value of the high power power generation operation. In this case, if the power generation output value of the high power power generation operation is high, the water inside the stack 1 is more easily taken out to the outside. Therefore, in consideration of the accumulated value of the power generation output of the high output power generation operation at the execution time ta, the
ここで、高出力発電運転では、アノード極10に供給されるアノードガスの流速およびカソード極11に供給されるカソードガスの流速が早い。このため実行時間taが長ければ、スタック1の内部に存在する水がスタック1の外に吐出された量が多く、フラッディングが発生しにくいと推定される。この場合、第1所定時間t1の終期が到達する前に、現在計測中の第1所定時間t1の延長分を長くし、その終期をそれだけ遅くさせる方向に補正する。あるいは、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を短縮させるように補正する。 Here, in the high-output power generation operation, the flow rate of the anode gas supplied to the anode electrode 10 and the flow rate of the cathode gas supplied to the cathode electrode 11 are high. For this reason, if the execution time ta is long, it is presumed that the amount of water present inside the stack 1 is discharged outside the stack 1 and flooding hardly occurs. In this case, before the end of the first predetermined time t1 arrives, the extension of the first predetermined time t1 currently being measured is lengthened, and the end is corrected so as to be delayed by that amount. Or it correct | amends so that 2nd predetermined time t2 in which flooding suppression power generation processing is performed may be shortened.
更に、高出力発電運転の実行時間taが過剰に短い場合には、スタック1の内部に存在する水がスタック1の外に吐出された量は少ないと推定される。この場合には第1所定時間t1、第2所定時間t2の補正は行わない。なお本実施形態においても、フラッディング抑制発電処理では、低出力発電運転に対してアノードガス利用率の低下を抑制しつつ発電運転される。 Further, when the execution time ta of the high-output power generation operation is excessively short, it is estimated that the amount of the water existing inside the stack 1 is discharged out of the stack 1 is small. In this case, the first predetermined time t1 and the second predetermined time t2 are not corrected. In the present embodiment as well, in the flooding suppression power generation process, the power generation operation is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate with respect to the low power generation operation.
(実施形態5)
本実施形態は実施形態4と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。低出力発電運転が実行されているとき、低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1(例えば5時間)経過する前において、且つ、第1所定時間t1の後期において、高出力発電運転が第4所定時間t4(例えば15分,t1>t4)以上実行されるときがある。この場合、低出力発電運転により燃料電池の内部に存在していた水のかなりの部分が、高出力発電運転によりスタック1外に持ち出され、フラッディングが発生しにくいと推定される。
(Embodiment 5)
Since this embodiment has basically the same configuration as that of the fourth embodiment and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 apply mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. When the low-output power generation operation is being executed, the high-output power generation operation is performed before the first predetermined time t1 (for example, 5 hours) elapses and in the latter period of the first predetermined time t1. May be executed for a fourth predetermined time t4 (for example, 15 minutes, t1> t4) or more. In this case, it is estimated that a considerable portion of the water that was present inside the fuel cell due to the low output power generation operation is taken out of the stack 1 by the high output power generation operation and flooding is unlikely to occur.
このため、制御部700は、低出力発電運転が実行されているとき、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1を経過する前において、且つ、第1所定時間t1の後期において行われる高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t4)を求める。更に制御部700は、実行時間ta(既定時間以内)に基づいて、現在計測中の第1所定時間t1およびフラッディング抑制発電処理の第2所定時間t2を補正する。具体的には、低出力発電運転の連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において行われる高出力発電運転の実行時間taが長いときには、スタック1の内部の水がスタック1の外に持ち出され、フラッディングが発生しにくいと推定する。そして、制御部700は、現在計測中の第1所定時間t1をマップまたは演算式に基づいて延長させて、現在計測中の第1所定時間t1の補正する。あるいは、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2をマップまたは演算式に基づいて補正する。
For this reason, when the low output power generation operation is being performed, the
具体的には、高出力発電運転の実行時間taが規定時間以内で長ければ、スタック1の内部に存在する水はスタック1の外に吐出されたと推定されるため、現在計測中の第1所定時間t1を長く延長させて、現在計測中の第1所定時間t1の終期をそれだけ遅くさせる。あるいは、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を短縮させる。本実施形態においても、フラッディング抑制発電処理は、低出力発電運転に対してアノードガス利用率の低下を抑制しつつ行われる。 Specifically, if the execution time ta of the high-output power generation operation is long within the specified time, it is estimated that the water existing inside the stack 1 has been discharged out of the stack 1, and thus the first predetermined value currently being measured. The time t1 is extended for a long time, and the end of the first predetermined time t1 currently being measured is delayed accordingly. Alternatively, the second predetermined time t2 during which the flooding suppression power generation process is executed is shortened. Also in the present embodiment, the flooding suppression power generation process is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate with respect to the low power generation operation.
(実施形態6)
本実施形態は上記した各実施形態1と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。低出力発電運転が実行されているとき、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1が経過すると、制御部700は、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2をマップまたは演算式により求める。そして、制御部700は、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2を実行する。第2所定時間t2経過すれば、制御部700は、ユーザの要求に応じて、再び、低出力発電運転を実行させることができる。
(Embodiment 6)
Since this embodiment has basically the same configuration as each of the above-described first embodiments and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. When the low output power generation operation is being executed and the low output continuous execution time of the low output power generation operation has passed the first predetermined time t1, the
ところで、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第4所定時間t4以上(t1>t4)実行されるときがある。この場合、第1所定時間t1の終期を経過する前において、低出力発電運転により燃料電池の内部に発生していた水が、高出力発電運転によりスタック1外に持ち出されると推定される。このため、第1所定時間t1の終期を経過する前において、高出力発電運転が第4所定時間t4以上(t1>t4)実行されたとき、制御部700は、高出力発電運転の実行時間taと、第1所定時間t1の起算開始時刻から、高出力発電運転が開始されるまでの経過時間txとを求める。そして制御部700は、高出力発電運転の実行時間taと、経過時間txとに基づいて、第1所定時間t1および第2所定時間t2の長さをそれぞれ補正する。
By the way, there is a case where the high output power generation operation is executed for the fourth predetermined time t4 or more (t1> t4) before the low output continuous execution time of the low output power generation operation passes the end of the first predetermined time t1. In this case, before the end of the first predetermined time t1, the water generated inside the fuel cell by the low output power generation operation is estimated to be taken out of the stack 1 by the high output power generation operation. Therefore, when the high-output power generation operation is executed for the fourth predetermined time t4 or more (t1> t4) before the end of the first predetermined time t1, the
例えば、高出力発電運転の実行時間taが長い程、あるいは、経過時間txが長い程、スタック1の内部の水が持ち出され、フラッディングが発生しにくい。このため、制御部700は、現在計測している第1所定時間t1を延長させるように補正するか、あるいは、第2所定時間t2を短縮させるように補正する。
For example, as the execution time ta of the high-output power generation operation is longer or the elapsed time tx is longer, the water in the stack 1 is taken out and flooding is less likely to occur. For this reason, the
すなわち、本実施形態によれば、高出力発電運転の実行時間taと経過時間txと第1所定時間t1との関係がマップまたは演算式として設定されている。このマップまたは演算式が制御部700のメモリ72のエリアに格納されている。従って、高出力発電運転の実行時間taと経過時間txとに基づいて、制御部700は第1所定時間t1を求める。
That is, according to the present embodiment, the relationship among the execution time ta, the elapsed time tx, and the first predetermined time t1 of the high-output power generation operation is set as a map or an arithmetic expression. This map or arithmetic expression is stored in the area of the
更に高出力発電運転の実行時間taと経過時間txと第2所定時間t2との関係がマップまたは演算式として設定されている。このマップまたは演算式が制御部700のメモリ72のエリアに格納されている。従って、制御部700は、実行時間taと経過時間txとに基づいて、第2所定時間t2を求める。なお本実施形態においても、フラッディング抑制発電処理は、低出力発電運転に対してアノードガス利用率の低下を抑制しつつ行われる。
Furthermore, the relationship between the execution time ta, the elapsed time tx, and the second predetermined time t2 of the high-output power generation operation is set as a map or an arithmetic expression. This map or arithmetic expression is stored in the area of the
(実施形態7)
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。スタック1の種類によっては、スタック1の設置開始から累積された累積発電時間ttotalが長くなると、あるいは、スタック1の設置時期からの時間tsetが長くなると、スタック1の設置初期に比較して、スタック1の内部が経年変化するため、フラッディングが発生するおそれが高くなることがある。このような場合、制御部700は、スタック1の累積発電時間ttotalおよび/または時間tsetを求め、累積発電時間ttotalや時間tsetが長くなると、累積発電時間ttotalおよび/または時間tsetの長さに応じて、第1所定時間t1を短縮させると共に、第2所定時間t2を延長させる補正を実行する。これによりフラッディング抑制発電処理が早期に実行される。且つ、フラッディング抑制発電処理が規定時間内において長めに実行される。よってスタック1の内部を適切な湿潤状態に維持できる。但し、フラッディング抑制発電処理といえども長時間連続運転されると、スタック1の内部が過剰湿潤するおそれがあるため、フラッディング抑制発電処理の実行時間である第2所定時間t2は、既定時間(例えば15分間)以内とする。
(Embodiment 7)
Since this embodiment has basically the same configuration as each of the above-described embodiments and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. Depending on the type of stack 1, if the accumulated power generation time ttotal accumulated from the start of stack 1 installation becomes longer, or if the time tset from the installation time of stack 1 becomes longer, the stack Since the inside of 1 changes over time, there is a possibility that flooding may occur. In such a case, the
(実施形態8)
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。第1所定時間t1が経過したとき、フラッディング抑制発電処理を構成する高出力発電運転を実行するにあたり、間欠的に行うことができる。すなわち、第6所定時間Δt6(例えば5分間)ぶんの高出力発電運転と、第7所定時間Δt7(例えば5分間)ぶんの低出力発電運転とを交互に複数回繰り返すフラッディング抑制発電処理を行うことができる。この場合、スタック1の内部においてガス流速が間欠的に変化するため、持ち出しにくかった液相状の水をスタック1の外部に移動させるのに貢献できる。Δt6および/またはΔt7について、累積発電時間ttotalや低出力発電運転の発電条件等に応じて補正することできる。
(Embodiment 8)
Since this embodiment has basically the same configuration as each of the above-described embodiments and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. When the first predetermined time t1 has elapsed, the high-power generation operation that constitutes the flooding suppression power generation process can be performed intermittently. That is, a flooding suppression power generation process is performed in which the sixth predetermined time Δt6 (for example, 5 minutes) high power generation operation and the seventh predetermined time Δt7 (for example, 5 minutes) low power generation operation are alternately repeated a plurality of times. Can do. In this case, since the gas flow rate changes intermittently inside the stack 1, it is possible to contribute to moving the liquid phase water that is difficult to take out to the outside of the stack 1. Δt6 and / or Δt7 can be corrected according to the accumulated power generation time ttotal, the power generation conditions of the low power generation operation, and the like.
(実施形態9)
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。図4は、制御部700のCPU71が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。この場合、低出力発電運転に係る第1所定時間t1が長く設定されており、第1所定時間t1以内に高出力発電運転に係る第3所定時間t3が終了する形態である(t1>t3)。現在の運転状態が第1高出力発電運転または第2高出力発電運転であれば、フラグHが立つようにされている。まず、スタック1の現在の発電状態を読み込む(ステップS102)。次に、フラグHが立っているか否か、つまり、現在の運転状態が低出力発電運転または高出力発電運転か否かを判定する(ステップS104)。フラグHが立っていなければ(ステップS104のNO)、低出力発電運転の連続実行時間が第1既定時間(例えば5分間)継続しているか否か判定する(ステップS106)。低出力発電運転の連続実行時間が第1既定時間継続していれば(ステップS106のYES)、低出力発電運転の継続性がある程度確定されるため、低出力発電運転の開始時刻を起算点とし、第1所定時間t1の計測を開始する(ステップS110)。第1所定時間t1を経過したか否かを判定する(ステップS112)。
(Embodiment 9)
Since this embodiment has basically the same configuration as each of the above-described embodiments and has the same function and effect, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. FIG. 4 shows an example of a flowchart executed by the
ステップS112における判定の結果、第1所定時間t1の終期を経過していれば(ステップS112のYES)、第1所定時間t1の計測をリセットして0に戻す(ステップS114)。更に、低出力発電運転の継続運転における水分残留推定値αを求める(ステップS116)。更に、水分残留推定値αに基づいてマップまたは演算式から第2所定時間t2を求める(ステップS118)。次に、フラッディング抑制発電処理を開始する(ステップS120)。この場合、低出力発電運転に対してアノードガス利用率およびカソードガス利用率の低下を抑制しつつ発電運転するように、スタック1は制御される。つまり、低出力発電運転に対してアノードガス利用率およびカソードガス利用率を維持させる指令を、制御部700はシステムに出力する。第2所定時間t2の計測を開始する(ステップS122)。
As a result of the determination in step S112, if the end of the first predetermined time t1 has passed (YES in step S112), the measurement of the first predetermined time t1 is reset and returned to 0 (step S114). Further, a residual moisture estimated value α in the continuous operation of the low output power generation operation is obtained (step S116). Further, a second predetermined time t2 is obtained from a map or an arithmetic expression based on the moisture residual estimated value α (step S118). Next, flooding suppression power generation processing is started (step S120). In this case, the stack 1 is controlled so that the power generation operation is performed while suppressing a decrease in the anode gas utilization rate and the cathode gas utilization rate with respect to the low-output power generation operation. That is, the
フラッディング抑制発電処理によれば、基本的には、低出力発電運転に対してアノードガス利用率およびカソードガス利用率の変動を抑えるため、電力負荷49xで消費される電力以上の余剰電力をスタック1が発生させる可能性が高い。このため余剰電力処理を実行する(ステップS124)。具体的には、スイッチング素子79aをオンして余剰電力を蓄電要素79に蓄電させる蓄電操作、および、ヒータ63をオンさせて温水エネルギとして貯湯槽85に蓄積させる蓄熱操作のうちの少なくとも一方を実行する。殊にヒータ63をオンさせて余剰電力を消費させる場合には、貯湯水の回収温度を上昇させるように制御すれば、循環通路60の水温が上昇し、スタック1を昇温できるため、スタック1の内部を乾燥方向に移行させるのに貢献でき、余剰電力を利用して過剰のフラッディングを予防するのに有利である。更にフラッディング抑制発電処理では、迂回バルブ59の開度を制御し、迂回路58を流れるように加湿器50を迂回させるカソードガス流量を増加させ、加湿器50の加湿路50aを流れるカソードガス流量を低下させることが好ましい。更にまたフラッディング抑制発電処理では、迂回バルブ57の開度を制御し、迂回路56を流れるように加湿器50を迂回させるカソードガス流量を増加させ、加湿器50の吸湿路50bを流れるカソードオフガス流量を低下させることが好ましい。これにより加湿器50の加湿能力が低下する。このためカソード極11に供給されるカソードガスの湿度が低下される。
According to the flooding-suppressing power generation processing, in order to suppress fluctuations in the anode gas utilization rate and the cathode gas utilization rate for the low-power power generation operation, surplus power more than the power consumed by the
第2所定時間t2の終期が経過していなければ、フラッディング抑制発電処理を引き続き継続させる(ステップS126のNO)。第2所定時間t2の終期を経過していれば(ステップS126のYES)、スタック1の内部が適度な湿潤とされたと推定され、フラッディング抑制発電処理を終了する(ステップS128)と共に、第2所定時間t2の計測をリセットして0に戻し、メインルーチンにリターンする。再び、低出力発電運転が継続されているときには、ステップS102,S104,S106,S108等を経てシステムは制御される。 If the end of the second predetermined time t2 has not elapsed, the flooding suppression power generation process is continued (NO in step S126). If the end of the second predetermined time t2 has elapsed (YES in step S126), it is estimated that the inside of the stack 1 has been appropriately wetted, and the flooding suppression power generation process is terminated (step S128) and the second predetermined time is reached. The measurement at time t2 is reset to 0, and the process returns to the main routine. When the low output power generation operation is continued again, the system is controlled through steps S102, S104, S106, S108 and the like.
ステップS112における判定の結果、第1所定時間t1の終期が経過していなければ(ステップS112のNO)。第2既定時間(例えば30秒間)ぶん待機する(ステップS140)。まだ低出力発電運転が継続しているか判定する(ステップS142)。低出力発電運転が継続していれば(ステップS142のYES)、低出力発電運転の運転継続性が高いため、第1所定時間t1の計測を継続する。低出力発電運転が継続していなければ(ステップS142のNO)、現時点で第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が実行されているか否かを判定する。つまり、現時点でフラグHが立っているか否かを判定する(ステップS144)。フラグHが立っていなければ(ステップS144のNO)、メインルーチンにリターンする。フラグHが立っていれば(ステップS144のYES)、第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が実行されており、スタック1の内部の過剰の水がスタック1の外部に持ち出されるため、制御部700は、高出力発電運転の実行時間である第3所定時間t3の計測を開始する(ステップS146)。第1高出力発電運転または高出力発電運転が継続されている限り(ステップS148のNO)、メインルーチンにリターンし、再び、ステップS102、S104、S170のYES、S148と進むと共に、第3所定時間t3の計測が継続される。
If the end of the first predetermined time t1 has not elapsed as a result of the determination in step S112 (NO in step S112). Wait for a second predetermined time (for example, 30 seconds) (step S140). It is determined whether the low-output power generation operation is still continued (step S142). If the low output power generation operation is continued (YES in step S142), since the operation continuity of the low output power generation operation is high, the measurement of the first predetermined time t1 is continued. If the low output power generation operation is not continued (NO in step S142), it is determined whether the first high output power generation operation or the second high output power generation operation is currently performed. That is, it is determined whether or not the flag H is currently set (step S144). If the flag H is not set (NO in step S144), the process returns to the main routine. If the flag H is set (YES in step S144), the first high-output power generation operation or the second high-output power generation operation is performed, and excess water inside the stack 1 is taken out of the stack 1. The
ステップS148の判定の結果、第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が終了し、フラグHが降りていれば(ステップS148のYES)、第1所定時間t1の起算開始時刻から、第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が開始されるまでの経過時間txを求める(ステップS150)。経過時間txは、第1所定時間t1の終期が終了するまでの間において、スタック1の内部の水を持ち出す作用を発揮する第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が開始された時点を明確にするために設けられたパラメータである。ここで、第1所定時間t1以内の後半期において第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が実行されると、スタック1の水が外部に持ち出されている確率が高く、現時点でのスタック1は適度な湿潤状態または乾燥状態であるといえる。これに対して、第1所定時間t1以内の初期において第1高出力発電運転または第2高出力発電運転が実行された場合には、初期に行われたた高出力発電運転に基づくフラッディング抑制効果が消失しているおそれがある。 As a result of the determination in step S148, if the first high-output power generation operation or the second high-output power generation operation is completed and the flag H is off (YES in step S148), the first predetermined time t1 is calculated from the start time of calculation. An elapsed time tx until the start of the first high output power generation operation or the second high output power generation operation is obtained (step S150). The elapsed time tx is the time when the first high-power generation operation or the second high-output power generation operation that exhibits the action of taking out the water inside the stack 1 is started until the end of the first predetermined time t1 ends. Is a parameter provided to clarify the above. Here, when the first high-output power generation operation or the second high-output power generation operation is executed in the second half of the period within the first predetermined time t1, there is a high probability that the water in the stack 1 is taken out to the outside. It can be said that the stack 1 is in a moderate wet state or dry state. On the other hand, when the first high output power generation operation or the second high output power generation operation is executed in the initial period within the first predetermined time t1, the flooding suppression effect based on the high output power generation operation performed in the initial stage is performed. May have disappeared.
更に、スタック1が設置場所に設置されてからのスタック1の累積発電時間ttotalを求める(ステップS152)。そして、高出力発電運転の実行時間taと経過時間txとに基づいて、更に、累積発電時間ttotal、を考慮し、制御部700は、第1所定時間t1に関する補正値Δt10と、第2所定時間t2に関する補正値Δt20とを、マップまたは演算式により求める(ステップS154)。更に、第1高出力発電運転または第2高出力発電運転の発電出力値Pwを求める。マップまたは演算式は、実行時間ta、経過時間tx、累積発電時間ttotal、発電出力値Pwに基づいて、補正値Δt10および補正値Δt20を規定する。ここで、実行時間taが規定時間以内で長いと、スタック1から持ち出される水量が多いと考えられる。経過時間txが長いと、現時点ではフラッディングが発生しにくいと考えられる。累積発電時間ttotalが長いと、経年変化によりフラッディングが発生し易いと考えられる。発電出力値Pwが大きいと、基本的には、スタック1から持ち出される水量が多いと考えられる。これらを考慮してマップまたは演算式は設定されている。
Furthermore, the accumulated power generation time ttotal of the stack 1 after the stack 1 is installed at the installation location is obtained (step S152). Then, based on the execution time ta and the elapsed time tx of the high-output power generation operation, the
更に、制御部700は、第1所定時間t1の終期がまだ終了していない条件のもとで、第1所定時間t1に補正値Δt10を加算させ、第1所定時間t1の長さを延長させるように補正する。これにより第1所定時間t1の終期が延長補正される第1補正を実行する。また、第2所定時間t2に補正値Δt20を減算させて第2所定時間t2の長さを短縮補正する第2補正を実行する(ステップS156)。従って、以後は、延長補正された第1所定時間t1と、短縮補正された第2所定時間t2とに基づいて、システムは制御される。その後、第3所定時間t3をリセットし、メインルーチンにリターンする。第1補正および第2補正のうちの一方を実施しても良い。
Further, the
なお、ステップS104における判定の結果、現時点が第1高出力発電運転または高低出力発電運転であれば、フラグHは立っているため、ステップS104からステップS170に進み、第3所定時間t3の計測中か否か判定し、第3所定時間t3の計測中であれば(ステップS170のYES)、ステップS148に進む。第3所定時間t3の計測中でなければ(ステップS160のNO)、メインルーチンにリターンする。なお、フラグH,第1所定時間t1,第2所定時間t2および第3所定時間t3は、これが不適切なときにはリセットされるようになっている。 Note that, as a result of the determination in step S104, if the current time is the first high-output power generation operation or the high-low power generation operation, the flag H is set, so the process proceeds from step S104 to step S170, and the third predetermined time t3 is being measured. If the third predetermined time t3 is being measured (YES in step S170), the process proceeds to step S148. If the measurement is not being performed for the third predetermined time t3 (NO in step S160), the process returns to the main routine. The flag H, the first predetermined time t1, the second predetermined time t2, and the third predetermined time t3 are reset when they are inappropriate.
なお本実施形態においては、第1所定時間t1内において第1高出力発電運転および/または第2高出力発電運転が複数回実行されたときには、第3所定時間t3の計測値,補正値Δt10,Δt20はこれを考慮するようになっている。 In the present embodiment, when the first high-output power generation operation and / or the second high-output power generation operation is executed a plurality of times within the first predetermined time t1, the measured value and correction value Δt10 of the third predetermined time t3, Δt20 takes this into account.
以上のように本実施形態においても、低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1の終期を経過すると、制御部700は、第1所定時間t1における低出力発電運転の発電電力に関する水分残留推定値αを求め、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2を、水分残留推定値αに基づいてマップまたは演算式から求める。そして、制御部700は、フラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2ぶん実行する。第2所定時間t2経過すれば、制御部700は、ユーザの要求に応じて、再び、低出力発電運転を実行させることができる。
As described above, also in the present embodiment, when the low output continuous execution time of the low output power generation operation passes the end of the first predetermined time t1, the
更に本実施形態においても、制御部700は、高出力発電運転の実行時間taと、第1所定時間t1の起算開始時刻から、高出力発電運転が開始されるまでの経過時間txとを求める。そして制御部700は、高出力発電運転の実行時間taと経過時間txとに基づいて、累積発電時間ttotalを考慮し、第1所定時間t1および第2所定時間t2を補正する。例えば、高出力発電運転の実行時間taが長い程、あるいは、経過時間txが長い程、スタック1の内部の水がスタック1の外部に持ち出されている確率が高いため、制御部700は、現在計測している第1所定時間t1を延長させるように補正するか、あるいは、第2所定時間t2を短縮させるように補正する。
Furthermore, also in the present embodiment, the
(実施形態10)
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図1〜図4を準用できる。以下、相違する部分を中心として説明する。図5はスタック1と商用電源49との接続部分を示す。図5に示すように、商用電源49はブレーカ49eを介して、家庭用または業務用の電力負荷49xに電気的に接続されている。スタック1と商用電源49との間には、スイッチング素子154、パワーコンデショナー120と、パワーコンデショナー120に電気的に接続された制御基板130とが設けられている。パワーコンデショナー120は、スイッチング素子151と、スイッチング素子152と、ヒータ63を作動させるためのヒータ駆動回路630と、ヒータ63およびヒータ駆動回路630に対する給電および遮断を切り替えるためのヒータ用スイッチング素子153と、商用電源49と補機との間に設けられ商用電力の交流電力を直流電力に変換させるための整流回路16wと、スタック1の発電した直流の発電電力を異なる電圧をもつ直流電力に変換させるためのDC/DCコンバータ(DC/DC変換器)17wと、DC/DCコンバータ17wで変換された直流の発電電力を交流電力に変換させるためのDC/ACインバータ18w(DC/AC変換器)と、パワーコンデショナー用の制御回路19wとを有する。
(Embodiment 10)
Since the present embodiment has basically the same configuration as each of the embodiments described above and has the same function and effect, FIGS. 1 to 4 can be applied mutatis mutandis. Hereinafter, the description will focus on the different parts. FIG. 5 shows a connection portion between the stack 1 and the
ヒータ63に給電するための給電線25mは、交流電力をヒータ63に給電できるように、DC/ACインバータ18wと第1スイッチング素子151との間の配線180,182に接続されている。整流回路16wに繋がる給電線16mは、スイッチング素子151の入力側の配線160,162に接続されている。スイッチング素子151は商用電源49と系統連系するためスイッチング素子である。第1スイッチング素子151はスイッチ151a,151cを直列に配置して構成されている。
The
更に、制御基板130は、補機を作動させるための駆動回路を搭載する補機駆動電源131と、補機駆動電源131を介して補機を制御するための補機制御回路132とをもつ。補機駆動電源131に給電する給電線135mは、補機駆動電源131に直流電力を給電できるように、DC/DCコンバータ17wとDC/ACインバータ18wとの間の配線170,172に整流子174を介して接続されている。
Further, the
補機はシステムの発電運転に伴う動作を行う機器である。従って、補機としては、前記した図1に示すポンプ23,37,42,61,53,82,521、バルブ22,25v,28,30,40a,90,54,57,59、ラジエータファン89a等が挙げられる。これらは個別に駆動回路を有する。但し、便宜上、本明細書では、これらを補機としてまとめる。補機は直流電力で駆動される。
Auxiliary equipment is equipment that performs operations associated with power generation operation of the system. Accordingly, the auxiliary machines include the
図4から理解できるように、スタック1の発電電力(直流)はDC/DCコンバータ17wにより電圧調整された後に、給電線135mを介して補機駆動電源131に給電される。補機駆動電源131には、スイッチング素子79aおよび蓄電回路79eを介して蓄電要素79が接続されている。
As can be understood from FIG. 4, the generated power (direct current) of the stack 1 is voltage-adjusted by the DC / DC converter 17w and then fed to the auxiliary
上記したようにフラッディング抑制発電処理によれば、アノード極10に供給されるアノードガスの単位時間あたり流量と、カソード極11に供給されるカソードガスの単位時間あたりの流量とを低出力発電運転よりも増加させつつ発電運転させるため、電力負荷49xで消費される電力よりも余剰の発電電力が生成され易い。ここで、フラッディング抑制発電処理によれば、アノードガスおよびカソードガスの流量を増加させると共に改質水の改質部25への供給流量も増加させる必要があり、ポンプ23,42,53,37といった補機の駆動量(回転数)を低出力発電運転よりも増加させるため、補機の消費電力が低出力発電運転よりも増加する。この点について本実施形態によれば、フラッディング抑制発電処理は余剰の発電電力を生成させるが、余剰の発電電力を利用してポンプ23,42,53,37といった補機の駆動電力として優先的に消費させることができ、余剰の電力の有効活用を図る。殊に、スイッチング素子153,79aをオフにしておけば、補機の駆動電力として優先的に消費させることができる。更に、余った電力は、二義的に、スイッチング素子153のオンにより、ヒータ63の発熱として消費させて貯湯槽85に蓄積される温水の熱エネルギとして蓄積させることができる。あるいは、二義的には、スイッチング素子79aのオンにより蓄電要素79に電気エネルギとして蓄電させることができる。
As described above, according to the flooding-suppressing power generation processing, the flow rate per unit time of the anode gas supplied to the anode electrode 10 and the flow rate per unit time of the cathode gas supplied to the cathode electrode 11 are reduced from the low power generation operation. Therefore, surplus generated power is more easily generated than the power consumed by the
(その他)
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、低出力発電運転によりフラッディングが発生しやすいシステムであれば適用でき、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。システムは図1に示す構造に限定されない。改質器を搭載せずに、アノードガスを貯蔵する貯蔵部を設け、貯蔵部からスタック1のアノード極10にアノードガスを供給させることにしても良い。加湿器50が廃止されていても良い。制御部700は、第1所定時間t1における低出力発電運転の発電電力に関する水分残留推定値αを求め、水分残留推定値αに基づいて、フラッディング抑制発電処理が実行される第2所定時間t2をマップまたは演算式から求めることにしても良い。あるいは、t1>t2の関係が成立するように、単純に第1所定時間t1の長さから第2所定時間t2を求めることにしても良い。
(Other)
The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, but can be applied to any system in which flooding is likely to occur due to low-output power generation operation. it can. The system is not limited to the structure shown in FIG. A storage unit for storing the anode gas may be provided without mounting the reformer, and the anode gas may be supplied from the storage unit to the anode electrode 10 of the stack 1. The humidifier 50 may be abolished. The
本明細書の記載から次の技術的思想も把握される。
[付記項1]アノードガスが供給されるアノード極とカソードガスが供給されるカソード極とを有し且つアノードガスおよびカソードガスで発電する燃料電池と、燃料電池の前記アノード極にアノードガスを供給するためのアノードガス供給系と、燃料電池のカソード極にカソードガスを供給するためのカソードガス供給系と、アノードガス供給系およびカソードガス供給系を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。燃料電池が発電される。
The following technical idea can also be grasped from the description of the present specification.
[Additional Item 1] A fuel cell having an anode electrode to which an anode gas is supplied and a cathode electrode to which a cathode gas is supplied and generating power with the anode gas and the cathode gas, and supplying the anode gas to the anode electrode of the fuel cell A fuel cell system comprising: an anode gas supply system for performing the operation; a cathode gas supply system for supplying a cathode gas to the cathode electrode of the fuel cell; and a controller for controlling the anode gas supply system and the cathode gas supply system. The fuel cell is generated.
本発明は例えば定置用、電子機器用、電気機器用、車両用、携帯用、可搬用等の燃料電池システムに利用することができる。 The present invention can be used in, for example, fuel cell systems for stationary use, electronic equipment use, electrical equipment use, vehicle use, portable use, and portable use.
1はスタック(燃料電池)、10はアノード極、11はカソード極、12はイオン伝導膜、13は冷媒通路、2はアノードガス供給系、20はアノードガス供給通路、21はアノードガス供給源、22はアノードガスバルブ、23はアノードガスポンプ、24は改質器、25は改質部、26は燃焼部、29はアノードオフガス通路、28は入口バルブ、34は改質水系、35はタンク、37は水ポンプ、38は水バルブ、39は蒸発部、42はポンプ、47はブレーカ、48はインバータ、49は商用電源、5はカソードガス供給系、50は加湿器、52はカソードガス供給通路、53はカソードガスポンプ、54は入口バルブ、56は迂回路、57は迂回バルブ、6は冷却系、60は循環通路、61は冷媒ポンプ、62は温度センサ、63はヒータ、700は制御部、79は蓄電要素(エネルギ蓄積部)、9は水精製系、90はバルブ、91は第1水精製部、92は第2水精製部、8は貯湯系、80は貯湯通路、82はポンプ、85は貯湯槽(エネルギ蓄積部)を示す。 1 is a stack (fuel cell), 10 is an anode electrode, 11 is a cathode electrode, 12 is an ion conductive membrane, 13 is a refrigerant passage, 2 is an anode gas supply system, 20 is an anode gas supply passage, 21 is an anode gas supply source, 22 is an anode gas valve, 23 is an anode gas pump, 24 is a reformer, 25 is a reforming section, 26 is a combustion section, 29 is an anode off-gas passage, 28 is an inlet valve, 34 is a reforming water system, 35 is a tank, 37 is Water pump, 38 water valve, 39 evaporating section, 42 pump, 47 breaker, 48 inverter, 49 commercial power supply, 5 cathode gas supply system, 50 humidifier, 52 cathode gas supply passage, 53 Is a cathode gas pump, 54 is an inlet valve, 56 is a bypass, 57 is a bypass valve, 6 is a cooling system, 60 is a circulation passage, 61 is a refrigerant pump, 62 is a temperature sensor, 63 Heater, 700 is a control unit, 79 is a power storage element (energy storage unit), 9 is a water purification system, 90 is a valve, 91 is a first water purification unit, 92 is a second water purification unit, 8 is a hot water storage system, and 80 is A hot water storage passage, 82 is a pump, and 85 is a hot water storage tank (energy storage unit).
Claims (6)
前記燃料電池の前記アノード極にアノードガスを供給するためのアノードガス供給系と、
前記燃料電池の前記カソード極にカソードガスを供給するためのカソードガス供給系と、
前記アノードガス供給系および前記カソードガス供給系を制御する制御部とを具備しており、
前記制御部は、前記燃料電池の内部にフラッディングを発生させ易い低出力発電運転の低出力連続実行時間が第1所定時間t1以上を経過するとき、前記低出力発電運転に対して前記燃料電池におけるアノードガス利用率の低下を抑制するように発電運転しつつ、前記フラッディングを抑制させるフラッディング抑制発電処理を第2所定時間t2(t2<t1)実行する第1制御を行う燃料電池システム。 A fuel cell having an anode electrode supplied with an anode gas and a cathode electrode supplied with a cathode gas;
An anode gas supply system for supplying an anode gas to the anode electrode of the fuel cell;
A cathode gas supply system for supplying a cathode gas to the cathode electrode of the fuel cell;
A control unit for controlling the anode gas supply system and the cathode gas supply system,
When the low output continuous execution time of the low output power generation operation that is likely to generate flooding inside the fuel cell exceeds the first predetermined time t1 or more, the control unit A fuel cell system that performs a first control to execute a flooding suppression power generation process that suppresses flooding for a second predetermined time t2 (t2 <t1) while performing a power generation operation so as to suppress a decrease in anode gas utilization rate.
前記制御部は、前記高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t4)に基づいて、前記第1所定時間t1および/または前記第2所定時間t2を補正する燃料電池システム。 3. The high output power generation operation for generating power at an output higher than the low output power generation operation before the low output continuous execution time has passed the first predetermined time t1 in the third predetermined time t3 (t1). > T3) When executed above, and then return to the low power generation operation,
The control unit corrects the first predetermined time t1 and / or the second predetermined time t2 based on an execution time ta (t1> ta ≧ t4) of the high-output power generation operation.
前記制御部は、前記低出力連続実行時間をリセットして、前記低出力連続実行時間の再計測を開始する燃料電池システム。 3. The high-power power generation operation for generating power at a higher output than the low-power power generation operation before the first predetermined time t1 elapses before the low-power power generation operation time exceeds a third predetermined time t3 (t1). > T3) When executed, and then return to the low power generation operation,
The control unit resets the low output continuous execution time and starts re-measurement of the low output continuous execution time.
前記制御部は、前記高出力発電運転の実行時間ta(t1>ta≧t4)と、前記低出力連続実行時間の起算開始時刻から、前記高出力発電運転が開始されるまでの経過時間とに基づいて、前記第1所定時間t1および/または前記第2所定時間t2を補正する燃料電池システム。 In Claim 1 or 2, before the said low output continuous execution time passes the said 1st predetermined time t1, the high output electric power generation operation | movement which generates electric power with a higher output than the said low output electric power generation operation is more than 4th predetermined time t4 ( t1> t4) is executed and then returns to the low power generation operation,
The control unit includes an execution time ta (t1> ta ≧ t4) of the high output power generation operation and an elapsed time from the start of the low output continuous execution time to the start of the high output power generation operation. Based on this, the fuel cell system corrects the first predetermined time t1 and / or the second predetermined time t2.
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