JP2011204517A - Fuel cell power generation system, and operation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system and an operation method thereof.
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている(たとえば特許文献1参照)。この燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものである。燃料電池は、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができるとともに、静かで、有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。近年まで、比較的大型のPAFC(りん酸形)が主に開発されてきたが、最近では小型のPEFC(個体高分子形燃料電池)の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。 Conventionally, a fuel cell is known as a system that directly converts chemical energy of a fuel into electricity (see, for example, Patent Document 1). This fuel cell takes out electricity directly by electrochemically reacting hydrogen as fuel and oxygen as oxidant. A fuel cell has an excellent environmental characteristic that it can take out electric energy with high efficiency and is quiet and does not emit harmful exhaust gas. Until recently, relatively large PAFCs (phosphoric acid type) have been mainly developed, but recently, the development of small PEFCs (solid polymer fuel cells) has become active, and the spread of household fuel cell power generation systems has also increased. The situation is imminent.
燃料電池発電システムは、複数のプロセス量を持つ。燃料電池発電システムの発電可能な領域は、これらのプロセス量を変数とする空間に存在する。何らかの異常により、運転条件が変化し、発電不可の領域に入ると、燃料電池発電システムは発電を維持できなくなる。 The fuel cell power generation system has a plurality of process quantities. The region where the fuel cell power generation system can generate power exists in a space having these process quantities as variables. If the operating condition changes due to some abnormality and enters a region where power generation is not possible, the fuel cell power generation system cannot maintain power generation.
燃料電池発電システムの通常運転点は、複数のプロセス量を変数とする空間の発電可能な領域内のたとえば中央付近に設定される。何らかの異常により、運転条件が通常運転点から大きくずれて、発電可能な領域の外になると、発電継続が不可能となる。そこで、温度変動・経時変動で、この運転点が変動することを想定し、通常運転点を含むロバスト確保エリアが運転可能な領域内に確保される。これにより、燃料電池発電システムでは、運転条件が多少変動しても、発電が継続できるようになっている。このように製品の燃料電池発電システムは、環境や経時変化に対してロバストな特性を持つため、出荷試験などにおいて小さい異常が発生していても、通常の性能計測では検出できない場合がある。 The normal operating point of the fuel cell power generation system is set, for example, in the vicinity of the center in a region where power generation is possible in a space having a plurality of process quantities as variables. If the operating condition greatly deviates from the normal operating point due to some abnormality and falls outside the region where power generation is possible, power generation cannot be continued. Therefore, assuming that the operating point fluctuates due to temperature fluctuations / temporal fluctuations, the robust securing area including the normal operating point is secured within the operable region. Thereby, in the fuel cell power generation system, power generation can be continued even if the operating conditions slightly vary. As described above, the fuel cell power generation system of the product has characteristics that are robust with respect to the environment and changes over time, so even if a small abnormality occurs in a shipping test or the like, it may not be detected by normal performance measurement.
出荷検査などで発電する場合、一般的に、通常運転点であると想定される運転条件で発電を行う。この場合、軽微な異常が発生し運転条件が通常運転点とは異なる条件となっても、発電可能範囲内でれば運転が可能である。したがって、この状態でも試験では合格となる。しかし、その後に、設置場所での環境変化などにより、たとえば運転点が発電可能な領域の中央付近から発電可能な領域の境界付近へ移行する環境変化が発生すると、軽微な異常が発生した場合に発電可能な領域外に運転点がずれて発電不可となり、故障となる。 In the case of generating power during shipping inspection or the like, in general, power is generated under operating conditions that are assumed to be normal operating points. In this case, even if a minor abnormality occurs and the operating condition is different from the normal operating point, the operation is possible if it is within the power generation possible range. Therefore, even in this state, the test passes. However, if a minor abnormality occurs when the environmental change occurs, for example, when the operating point shifts from the vicinity of the center of the area where power can be generated to the vicinity of the boundary of the area where power can be generated due to the environmental change at the installation location, etc. The operating point shifts outside the region where power generation is possible and power generation becomes impossible, resulting in failure.
都市ガスまたはLPガスを改質して発電する改質型燃料電池発電システムでは、水素製造用の触媒温度を高い温度に昇温する必要がある。また、特性を安定させるためには時間をかけて整定させる必要があることから、出荷試験などにおいて性能計測するには、一般的に、数時間レベルの長い時間を要する。 In a reforming fuel cell power generation system that generates power by reforming city gas or LP gas, it is necessary to raise the temperature of the catalyst for hydrogen production to a high temperature. In addition, since it is necessary to settling time in order to stabilize the characteristics, it takes a long time of several hours to measure performance in a shipping test or the like.
このような出荷試験では、長時間を要し、また、異常の検出精度が低く、軽微な異常を見逃す可能性がある。 In such a shipping test, it takes a long time, the detection accuracy of the abnormality is low, and a slight abnormality may be missed.
そこで、本発明は、出荷試験に要する時間を短くするとともに、精度よく健全性を確認できるようにすることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to shorten the time required for the shipping test and to check the soundness with high accuracy.
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体と、原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転と、前記制御量の少なくとも1つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験運転とを行う制御装置と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell power generation system, a fuel cell main body, a fuel processing apparatus that reforms raw fuel to generate hydrogen and supplies the hydrogen to the fuel cell main body, An air supply device for supplying air to the fuel cell main body, a normal operation for controlling a plurality of control amounts of the fuel processing device and the air supply device within a normal operation range to cause the fuel cell main body to generate power, and the control A control device that performs a test operation for controlling the fuel cell body, the fuel processing device, and the air supply device by controlling at least one of the quantities to be outside the normal operation range and within the power generation possible range It is characterized by having.
また、本発明は、燃料電池本体と、原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置とを備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転工程と、前記制御量の少なくとも1つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験工程と、を有することを特徴とする。 The present invention also provides a fuel cell main body, a fuel processing device for reforming raw fuel to generate hydrogen and supplying the hydrogen to the fuel cell main body, and an air supply device for supplying air to the fuel cell main body. A normal operation process in which a plurality of control amounts of the fuel processing device and the air supply device are controlled within a normal operation range to cause the fuel cell body to generate electric power, and the control A test step of operating the fuel cell main body, the fuel processing device, and the air supply device by controlling at least one of the quantities to be outside the normal operation range and within the power generation possible range. It is characterized by.
本発明によれば、出荷試験に要する時間を短くするとともに、精度よく健全性を確認できる。 According to the present invention, the time required for the shipping test can be shortened and the soundness can be confirmed with high accuracy.
本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。 An embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment is merely an example, and the present invention is not limited to this.
図1は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態におけるブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention.
本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料処理装置と燃料電池本体5と補機と制御装置9とを有している。燃料処理装置は、改質器2、一酸化炭素変成器3、一酸化炭素除去器4を備えている。改質器2は、原燃料から水蒸気改質反応によって水素を生成する。一酸化炭素変成器3は、改質器2から排出される水素リッチなガス中に含まれる一酸化炭素を水蒸気とシフト反応を生じさせて二酸化炭素に変成させる。一酸化炭素除去器4は、微量の空気を導入されて、一酸化炭素変成器3から排出されるガス中に残存する一酸化炭素を酸化させる。燃料電池本体5は、燃料処理装置で生成された水素を消費して発電する。
The fuel cell power generation system of the present embodiment includes a fuel processing device, a fuel cell main body 5, an auxiliary machine, and a control device 9. The fuel processing apparatus includes a
補機としては、燃料ブロア1、改質水ポンプ7、一酸化炭素除去空気ブロア6、カソードブロア8などがある。燃料ブロア1は、燃料処理装置に燃料を供給する。改質水ポンプ7は、改質器2に改質蒸気用の水を供給する。一酸化炭素除去空気ブロア6は、一酸化炭素除去器4に一酸化炭素除去空気を供給する。カソードブロア8は、燃料電池5のカソードに空気を供給する空気供給器として機能している。制御装置9は、燃料処理装置、補機などの機器を制御して、通常運転および試験運転を行う。また、制御装置9は、燃料電池本体5、燃料処理装置、補機などの機器からプロセス量を伝達されて、通常運転時および試験運転時の燃料電池システムの異常・正常を判定する機能をさらに有している。
As auxiliary equipment, there are a
図2は、本実施の形態における通常運転および試験運転の運転条件を示す模式図である。図2において横軸および縦軸はそれぞれ燃料電池発電システムのプロセス量X1,X2を示している。実際の燃料電池発電システムではプロセス量は2よりも多いが、図2においては2つのプロセス量だけについて模式的に示している。 FIG. 2 is a schematic diagram showing operating conditions of normal operation and test operation in the present embodiment. In FIG. 2, the horizontal axis and the vertical axis indicate the process quantities X 1 and X 2 of the fuel cell power generation system, respectively. In an actual fuel cell power generation system, the process amount is larger than 2, but only two process amounts are schematically shown in FIG.
燃料電池発電システムは複数の機器で構成されており、運転中には各機器の温度や流れる流体の流量などのプロセス量が変化する。これらのプロセス量は、直接にあるいは間接的に制御可能な量があり、制御可能なプロセス量の全部または一部を制御量として制御装置9により制御して適切な運転が行われる。制御量には、一酸化炭素除去器4に供給される空気流量、改質器2に導入される改質水導入量、一酸化炭素変成器3の温度、改質器2の温度、改質器2に導入される原燃料流量、燃料電池本体5に供給されるカソード空気流量、燃料電池本体5の出力上昇速度が含まれる。
The fuel cell power generation system is composed of a plurality of devices, and process amounts such as the temperature of each device and the flow rate of flowing fluid change during operation. These process quantities include quantities that can be controlled directly or indirectly, and the control device 9 controls all or part of the process quantities that can be controlled as control quantities to perform appropriate operation. Control amounts include the flow rate of air supplied to the
燃料電池発電システムで発電を行うためには、制御量は所定の発電可能範囲24内に収まっている必要がある。また、ロバスト性確保のために、発電可能範囲24よりも狭い運転可能範囲21内で運転する必要がある。しかし、単に運転可能範囲21内で運転するよう運転条件を定めたとしても、環境の温度変化や、燃料電池発電システムの構成機器の経時変化などにより実際の運転点が変動することが想定される。
In order to generate power with the fuel cell power generation system, the control amount needs to be within a predetermined power generation
そこで、通常運転点は、運転可能範囲21よりもさらに狭い通常運転範囲22内に設定する。つまり、制御装置9は、通常運転時には燃料処理装置や補機などの機器の制御量を通常運転範囲22内に制御して燃料電池本体5に発電させる。
Therefore, the normal operation point is set within a
たとえば、通常運転時には、制御量が通常運転範囲22内の正常運転点Aとなるように設定して運転を行う。環境の温度変化や、機器の経時変化によってたとえばプロセス量の測定系に不具合が生じ、制御量の実際の運転点が通常運転範囲22外のCとなる場合がある。このような場合であっても、通常運転範囲22を運転可能範囲21に対して余裕を持って設定していれば、実際の運転点Cを運転可能範囲21内に収めることができる。
For example, during normal operation, operation is performed with the control amount set to a normal operation point A within the
一方、この燃料電池発電システムの出荷前検査などの検査において制御量を正常運転点Aに設定して試験を行うと、そのとき既にたとえばプロセス量の測定系に不具合が生じていて、実際の試験点が運転可能範囲21内の点Cであったとしても、正常に運転が可能である。このため、この場合には、燃料電池発電システムの不具合を検出できない可能性が高い。
On the other hand, if a test is performed with the control amount set to the normal operating point A in an inspection such as a pre-shipment inspection of the fuel cell power generation system, a problem has already occurred in, for example, the process amount measurement system, and the actual test Even if the point is the point C within the
そこで、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、制御量の目標値を通常運転範囲21外であって発電可能範囲24内の厳しい試験条件に設定して試験運転を行う。試験運転において運転条件を発電可能範囲24の境界に近い試験運転範囲29内の運転点Bに設定して行うことにより、実際の試験点が運転可能範囲21外の点Dであった場合には発電をできない。その結果、燃料電池発電システムの不具合を容易に検出することができる。試験運転において厳しい試験条件に設定する制御量は、たとえば一酸化炭素濃度上昇に関連するS/C(スチーム・カーボン比)、一酸化炭素除去器空気流量、各触媒温度およびカソード空気流量などである。
Therefore, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, the test operation is performed by setting the target value of the control amount to a strict test condition outside the
図3は、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作のフローチャートである。図4は、燃料電池発電システムの試験運転時のタイミングチャートであって、(a)は本実施の形態の場合、(b)は比較例を示す。 FIG. 3 is a flowchart of the operation of the fuel cell power generation system of the present embodiment. 4A and 4B are timing charts during a test operation of the fuel cell power generation system. FIG. 4A shows the present embodiment, and FIG. 4B shows a comparative example.
燃料電池発電システムに起動指令が与えられると、制御装置9は、まず試験モードで起動されたか否かを判定する(S1)。試験モードか否かは、たとえば燃料電池発電システムに設けられたスイッチ(図示せず)によって指定する。 When a start command is given to the fuel cell power generation system, the control device 9 first determines whether or not the start has been started in the test mode (S1). Whether or not the test mode is selected is designated by a switch (not shown) provided in the fuel cell power generation system, for example.
試験モードでない場合には、制御装置9は、燃料処理装置などの機器に通常起動のシーケンスを行わせる(S11)。通常起動のシーケンスが終了すると、燃料電池本体5は通常の発電を開始する(S12)。 If the test mode is not set, the control device 9 causes a device such as a fuel processing device to perform a normal activation sequence (S11). When the normal activation sequence ends, the fuel cell body 5 starts normal power generation (S12).
試験モードである場合には、まず、燃料処理装置などの機器が起動される(S21)。その後、異常発生の有無が確認される(S22)。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、起動中に継続的に行ってもよい。 In the test mode, first, a device such as a fuel processor is activated (S21). Thereafter, whether or not an abnormality has occurred is confirmed (S22). When it is determined that an abnormality has occurred, the operation of the fuel cell power generation system is stopped. Confirmation of whether or not an abnormality has occurred may be performed continuously during startup.
起動時に異常発生が確認されなかった場合、一酸化炭素変成器3の温度を正常運転状態よりも低くしたCO変成器低温度試験を開始する(S23)。CO変成器低温度試験の開始の時点が、図4における横軸の0に対応する。CO変成器低温度試験では、一酸化炭素変成器3の温度が正常運転条件での温度からたとえば20℃低い温度になるように、制御装置9が一酸化炭素変成器3、補機などを制御する。一酸化炭素変成器3の温度がその温度まで上昇したら、異常発生の有無が確認される(S24)。異常発生の有無の確認は、一酸化炭素変成器3の温度上昇中および温度上昇後に継続的に行ってもよい。
If the occurrence of abnormality is not confirmed at the start-up, a CO converter low temperature test is started in which the temperature of the
CO変成器低温度試験を開始(S23)して、一酸化炭素変成器3が所定の温度に達し、異常が発生していなかったら、次に、高速出力上昇試験を行う(S25)。高速出力上昇試験において、制御装置9は、燃料ブロア1が改質器2に供給する燃料の流量を増加させることにより、燃料電池5の発電出力の上昇速度を通常運転時のたとえば1.5倍に上昇させる。
A CO converter low temperature test is started (S23), and if the
その後、異常発生の有無が確認される(S26)。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、燃料電池5の発電出力の上昇中に継続的に行ってもよい。 Thereafter, whether or not an abnormality has occurred is confirmed (S26). When it is determined that an abnormality has occurred, the operation of the fuel cell power generation system is stopped. Confirmation of whether or not an abnormality has occurred may be continuously performed while the power generation output of the fuel cell 5 is increasing.
高速出力上昇試験(S25)で異常が発生しなかったら、次に、CO除去器空気増減試験を行う(S27)。CO除去器空気増減試験(S27)では、制御装置9が一酸化炭素除去空気ブロア6を制御して、一酸化炭素除去器4に供給される空気の流量を通所運転時よりもたとえば10%増減させた流量とする。一酸化炭素除去器4に供給される空気の量を通常運転時よりも10%増加させた状態は、たとえば5分間継続させる。また、CO除去器4に供給される空気の量を通常運転時よりも10%減少させた状態は、10%増加させた状態の終了後に、たとえば5分間継続させる。
If no abnormality occurs in the high-speed output increase test (S25), a CO remover air increase / decrease test is then performed (S27). In the CO remover air increase / decrease test (S27), the control device 9 controls the carbon monoxide
その後、異常発生の有無が確認される(S28)。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、CO除去器空気増減試験中に継続的に行ってもよい。 Thereafter, whether or not an abnormality has occurred is confirmed (S28). When it is determined that an abnormality has occurred, the operation of the fuel cell power generation system is stopped. Confirmation of the presence or absence of abnormality may be continuously performed during the CO remover air increase / decrease test.
図5は、一酸化炭素除去空気流量と一酸化炭素除去器出口CO濃度の関係を示したグラフの例である。図5において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性11を示している。また、図5において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性31を示している。
FIG. 5 is an example of a graph showing the relationship between the carbon monoxide removal air flow rate and the carbon monoxide remover outlet CO concentration. In FIG. 5, the solid line shows the
通常運転時には、一酸化炭素除去器4の空気流量は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、一酸化炭素除去器4の空気流量は、標準点を中心とて所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性12であれば、一酸化炭素除去器4の出口におけるCO濃度は、正常範囲の上限値91を上回ることはない。
During normal operation, the air flow rate of the
CO除去器空気増減試験では、検査モードとして、一酸化炭素除去空気量を10%減、10%増の試験運転を行っている。燃料電池発電システムの特性が正常特性11であれば、一酸化炭素除去空気量の10%増減に対して、一酸化炭素除去器出口CO濃度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、CO除去器空気増減試験(S27)は、合格となる。 In the CO remover air increase / decrease test, the test operation is carried out with the carbon monoxide removal air amount reduced by 10% and increased by 10% as an inspection mode. If the characteristic of the fuel cell power generation system is normal characteristic 11, the carbon monoxide remover outlet CO concentration is kept in the normal range with respect to 10% increase / decrease of the carbon monoxide removal air amount, and power generation is continued. As a result, the CO remover air increase / decrease test (S27) is passed.
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が異常特性31に変化していた場合、一酸化炭素除去器空気流量が標準点にあれば、運転点は点41となる。その結果、一酸化炭素除去器出口CO濃度は上限値91を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
On the other hand, if the characteristic of the fuel cell power generation system has changed to the abnormal characteristic 31 for some reason, the operating point is
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性31に変化していた場合、一酸化炭素除去器空気流量の10%減制御では、運転点は点51になる。その結果、一酸化炭素除去器出口CO濃度が上限値91を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。
However, when the characteristic of the fuel cell power generation system is changed to the abnormal characteristic 31, the operating point becomes the
燃料電池発電システムの特性が異常特性31に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。また、一酸化炭素変成器の温度が異常となっている場合にも異常特性となると考えられる。 As a case where the characteristic of the fuel cell power generation system changes to the abnormal characteristic 31, for example, there is a case where there is a minute leak in the reformed water and the reformed steam is insufficient. It is also considered that abnormal characteristics occur when the temperature of the carbon monoxide transformer is abnormal.
CO除去器空気増減試験(S27)で異常が発生しなかったら、次に、カソード空気減試験を行う(S29)。カソード空気減試験(S29)では、制御装置9が、カソードブロア8を制御して、燃料電池本体5のカソードに供給される空気の流量を通常運転時よりもたとえば10%下げた流量とする。通常運転時よりも低いカソード空気流量の状態は、たとえば1分間継続させる。 If no abnormality occurs in the CO remover air increase / decrease test (S27), then a cathode air decrease test is performed (S29). In the cathode air reduction test (S29), the control device 9 controls the cathode blower 8 so that the flow rate of air supplied to the cathode of the fuel cell main body 5 is, for example, 10% lower than that during normal operation. The state of the cathode air flow rate lower than that in the normal operation is continued for 1 minute, for example.
その後、異常発生の有無が確認される(S30)。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、カソード空気減試験中に継続的に行ってもよい。 Thereafter, whether or not an abnormality has occurred is confirmed (S30). When it is determined that an abnormality has occurred, the operation of the fuel cell power generation system is stopped. Confirmation of the occurrence of abnormality may be performed continuously during the cathode air reduction test.
カソード空気減試験(S29)で異常が発生しなかったら、次に、改質水流量減試験を行う(S31)。改質水流量減試験(S31)では、制御装置9が、改質水ポンプ7を制御して、改質器2に供給される改質水の流量を通常運転時よりもたとえば5%減少させた流量とする。改質器2に供給される改質水の量を通常運転時よりも5%減少させた状態は、たとえば10分間継続させる。
If no abnormality occurs in the cathode air reduction test (S29), then a reforming water flow rate reduction test is performed (S31). In the reforming water flow rate reduction test (S31), the control device 9 controls the reforming
その後、異常発生の有無が確認される(S32)。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、改質水流量減試験中に継続的に行ってもよい。 Thereafter, whether or not an abnormality has occurred is confirmed (S32). When it is determined that an abnormality has occurred, the operation of the fuel cell power generation system is stopped. Confirmation of the occurrence of abnormality may be continuously performed during the reforming water flow reduction test.
また、改質水流量減試験(S31)の前または後に、改質水流量増試験を行ってもよい。改質水流量増試験では、改質水ポンプ7を制御して、改質器2に供給される改質水の流量を通常運転時よりもたとえば10%増加させた流量とする。改質器2に供給される改質水の量を通常運転時よりも10%増加させた状態は、たとえば10分間継続させる。
Further, the reforming water flow rate increase test may be performed before or after the reforming water flow rate decrease test (S31). In the reforming water flow rate increase test, the reforming
図6は、改質水流量と一酸化炭素除去器出口CO濃度の関係を示したグラフの例である。図7は、改質水流量とプロセス不安定度の関係を示したグラフの例である。図6および図7において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性12,13を示している。また、図6および図7において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性32,33を示している。
FIG. 6 is an example of a graph showing the relationship between the reforming water flow rate and the carbon monoxide remover outlet CO concentration. FIG. 7 is an example of a graph showing the relationship between the reforming water flow rate and the process instability. 6 and 7, the solid lines indicate the
通常運転時には、改質蒸気ポンプ7によって改質器2に供給される改質水流量は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、改質器2の改質水流量は、標準点を中心として所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの特性が設計において想定した正常特性12であれば、一酸化炭素変成器3の出口におけるCO濃度は、上限値92を上回ることはない。また、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性13であれば、プロセス不安定度は、上限値93を上回ることはない。
During normal operation, the flow rate of reforming water supplied to the
改質水流量減試験および改質水流量増試験では、検査モードとして、改質水流量を5%減および10%増とした試験運転を行っている。たとえば燃料電池発電システムの実際の特性が正常特性12であれば、改質水流量の5%減の時の運転点は点42,43となる。つまり、燃料電池発電システムの実際の特性が正常特性12であれば、改質水流量の5%減および10%増に対して、一酸化炭素変成器出口CO濃度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。また、燃料電池発電システムの実際の特性が正常特性13であれば、プロセス不安定度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、改質水流量減試験(S31)は、合格となる。
In the reforming water flow rate reduction test and the reforming water flow rate increase test, a test operation in which the reforming water flow rate is decreased by 5% and increased by 10% is performed as an inspection mode. For example, if the actual characteristic of the fuel cell power generation system is the
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、図6に破線で示す異常特性32に変化していた場合、改質水流量が標準点にあれば、運転点は点42となる。その結果、一酸化炭素除去器出口CO濃度は上限値92を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
On the other hand, if the characteristic of the fuel cell power generation system has changed to the abnormal characteristic 32 shown by the broken line in FIG. 6 for some reason, the operating point is
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性32に変化していた場合、改質水流量の5%減制御では、運転点は点52になる。その結果、改質水流量の5%減制御では一酸化炭素除去器出口CO濃度が上限値92を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。
However, when the characteristic of the fuel cell power generation system is changed to the abnormal characteristic 32, the operating point becomes the
燃料電池発電システムの特性が異常特性32に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。また、一酸化炭素変成器3の温度が異常となっている場合にも異常特性となると考えられる。
As a case where the characteristic of the fuel cell power generation system changes to the abnormal characteristic 32, for example, there is a case where there is a minute leak in the reformed water and the reformed steam is insufficient. Further, it is considered that abnormal characteristics are obtained even when the temperature of the
何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、図7に破線で示す異常特性33に変化していた場合、改質水流量が標準点にあれば、運転点は点43となる。その結果、プロセス不安定度は上限値93を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
If the characteristic of the fuel cell power generation system has changed to an abnormal characteristic 33 shown by a broken line in FIG. 7 for some reason, the operating point is
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性33に変化していた場合、改質水流量の10%増制御では、運転点は点53になる。その結果、プロセス不安定度が上限値93を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。燃料電池発電システムの特性が異常特性33に変化するケースとして、たとえば改質器2のバーナ空気量が不足しているケースが挙げられる。
However, when the characteristic of the fuel cell power generation system is changed to the abnormal characteristic 33, the operating point becomes the
これらの試験が終了したら、CO変成器低温度試験を終了する(S33)。CO変成器低温度試験の終了まで、燃料電池発電システムに異常が発生しなければ、正常判定となる。燃料電池発電システムに、CO変成器低温度試験の終了までに異常が発生すれば、異常判定となり、異常発生の時点で試験を終了する。 When these tests are finished, the CO transformer low temperature test is finished (S33). If no abnormality occurs in the fuel cell power generation system until the end of the low temperature test of the CO transformer, the determination is normal. If an abnormality occurs in the fuel cell power generation system by the end of the CO transformer low temperature test, an abnormality determination is made, and the test is terminated when the abnormality occurs.
図8は、一酸化炭素変成器温度と一酸化炭素除去器出口CO濃度の関係を示したグラフの例である。図8において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性14を示している。また、図8において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性34を示している。
FIG. 8 is an example of a graph showing the relationship between the carbon monoxide transformer temperature and the carbon monoxide outlet CO concentration. In FIG. 8, the solid line indicates the
通常運転時には、一酸化炭素変成器3の温度は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、一酸化炭素変成器3の温度は、標準点を中心とて所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性14であれば、一酸化炭素変成器3の出口におけるCO濃度は、正常範囲の上限値94を上回ることはない。
During normal operation, the temperature of the
CO変成器低温度試験では、検査モードとして、一酸化炭素変成器3の設定温度を20℃低下させた試験運転を行っている。たとえば燃料電池発電システムの特性が正常特性14であれば、一酸化炭素変成器設定温度の20℃低下に対して、一酸化炭素変成器出口CO濃度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、CO変成器低温度試験は、合格となる。
In the CO transformer low temperature test, a test operation in which the set temperature of the
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、異常特性34に変化していた場合、一酸化炭素変成器設定温度が標準点にあれば、運転点は点44となる。その結果、一酸化炭素変成器出口CO濃度は上限値94を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
On the other hand, when the characteristic of the fuel cell power generation system is changed to the abnormal characteristic 34 for some reason, the operating point is a
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性34に変化していた場合、一酸化炭素変成器設定温度を20℃低下させた制御では、運転点は点54になる。その結果、一酸化炭素変成器出口CO濃度が上限値94を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。燃料電池発電システムの特性が異常特性34に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。
However, when the characteristic of the fuel cell power generation system is changed to the abnormal characteristic 34, the operating point becomes the
また、CO変成器低温度試験を行っている間に、さらに、改質器温度10℃低試験を行ってもよい。改質器温度10℃低試験では、検査モードとして、改質器2の設定温度を10℃低下させた試験運転を行う。
Further, while the CO transformer low temperature test is being performed, a reformer temperature 10 ° C. low test may be further performed. In the reformer temperature 10 ° C. low test, a test operation in which the set temperature of the
図9は、改質器温度と水素利用率の関係を示したグラフの例である。図9において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性15を示している。また、図9において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性35を示している。
FIG. 9 is an example of a graph showing the relationship between the reformer temperature and the hydrogen utilization rate. In FIG. 9, the solid line indicates the
通常運転時には、改質器2の温度は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、改質器2の温度は、標準点を中心とて所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性15であれば、水素利用率は、正常範囲の上限値95を上回ることはない。
During normal operation, the temperature of the
改質器温度10℃低試験では、検査モードとして、改質器2の設定温度を10℃低下させた試験運転を行っている。燃料電池発電システムの特性が正常特性15であれば、改質器設定温度の10℃低下に対して、水素利用率は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、改質器温度10℃低試験は、合格となる。
In the reformer temperature 10 ° C. low test, a test operation in which the set temperature of the
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、異常特性35に変化していた場合、改質器設定温度が標準点にあれば、運転点は点45となる。その結果、水素利用率は上限値95を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
On the other hand, if the characteristic of the fuel cell power generation system has changed to the abnormal characteristic 35 for some reason, the operating point is point 45 if the reformer set temperature is at the standard point. As a result, the hydrogen utilization rate does not exceed the
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性35に変化していた場合、改質器設定温度の10℃低制御では、運転点は点55になる。その結果、水素利用率が上限値95を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。燃料電池発電システムの特性が異常特性35に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。
However, when the characteristic of the fuel cell power generation system is changed to the abnormal characteristic 35, the operating point becomes a
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、通常運転時には、安全性の確保および環境変化などへの対応のために、発電可能な運転範囲よりも狭い通常運転範囲で運転を行う。一方、出荷試験では、この通常運転範囲を逸脱して、発電可能な運転範囲の境界に近いシビア条件での試験を行っている。このため、通常運転範囲での試験では検出できない不具合を検出できる可能性が高い。つまり、燃料電池発電システムの異常状態の検出可能性を高めることができる。 Thus, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, during normal operation, operation is performed in a normal operation range narrower than the operation range in which power generation is possible in order to ensure safety and cope with environmental changes. On the other hand, in the shipping test, a test is performed under severe conditions that deviate from the normal operation range and are close to the boundary of the operation range in which power generation is possible. For this reason, there is a high possibility that a defect that cannot be detected by the test in the normal operation range can be detected. That is, the possibility of detecting an abnormal state of the fuel cell power generation system can be increased.
一方、燃料電池発電システムの特性を安定させて出荷試験を行う場合には、たとえば図4(b)に示すように、本実施の形態に比べてより長い時間を要する。まず、一酸化炭素変成器3の温度を標準設定温度まで高めるためには、その標準設定温度よりもたとえば20℃低い温度に高める場合に比べて、より長時間が必要である。このため、燃料電池発電システムでの発電の開始が、本実施の形態に比べて遅くなる。
On the other hand, when the shipping test is performed while stabilizing the characteristics of the fuel cell power generation system, for example, as shown in FIG. 4B, a longer time is required as compared with the present embodiment. First, in order to raise the temperature of the
また、本実施の形態では、高速で燃料電池本体5での発電出力を上昇させ、整定を待たずに各種試験を行う。しかし、燃料電池発電システムの特性を安定させて出荷試験を行う場合には、ゆっくりと発電出力を定格出力に上昇させるために長時間を要するとともに、整定させるためにより長い時間を要する。 Moreover, in this Embodiment, the electric power generation output in the fuel cell main body 5 is raised at high speed, and various tests are performed without waiting for settling. However, when carrying out a shipping test while stabilizing the characteristics of the fuel cell power generation system, it takes a long time to slowly increase the power generation output to the rated output, and a longer time to settling.
このように本実施の形態では、シビア条件での試験を行っているため、燃料電池発電システムを整定させてから、静特性を計測し、その性能の僅かな変化により異常を検知する必要がない。よって、出荷試験に要する時間を短縮することができる。 As described above, in this embodiment, since the test is performed under severe conditions, it is not necessary to measure the static characteristics after setting the fuel cell power generation system, and to detect an abnormality due to a slight change in the performance. . Therefore, the time required for the shipping test can be shortened.
さらに、このような各種試験運転を制御装置に自動で行わせるようにしておくことによって、出荷試験に要する時間を短縮するとともに、出荷試験を省力化することができる。また、出荷して設置された後も、たとえば修理完了時に機能確認を自動的に行うこともできる。 Furthermore, by causing the control device to automatically perform such various test operations, it is possible to reduce the time required for the shipping test and to save labor for the shipping test. In addition, even after shipping and installation, for example, the function can be automatically confirmed when the repair is completed.
このように、本実施の形態によれば、出荷試験に要する時間を短くするとともに、精度のよい健全性確認が可能となる。その結果、低コストかつ信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することができる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to shorten the time required for the shipping test and to check the soundness with high accuracy. As a result, a low-cost and highly reliable fuel cell power generation system can be provided.
なお、一般的な燃料電池発電システムと同様に、本実施の形態の燃料電池発電システムは、万一、二重故障が発生しても不安全な状況とならないよう設計しておく。このように二重故障が発生しても安全性が損なわれないように設計しておくことにより、本実施の形態のように、シビアな試験運転を行っても不安全な状況となることはない。 As with a general fuel cell power generation system, the fuel cell power generation system according to the present embodiment is designed so that an unsafe situation does not occur even if a double failure occurs. By designing so that safety is not impaired even if a double failure occurs in this way, it will not be an unsafe situation even if severe test operation is performed as in this embodiment. Absent.
また、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。たとえば上述の実施の形態では、発電試験中に故障停止が発生するか否かで健全性の確認をしているが、他の方法で健全性の確認をしてもよい。たとえば、一酸化炭素変成器出口のガスの成分を連続的に分析し、この出口での一酸化炭素濃度が0.6%を超えたら異常とすることができる。また、一酸化炭素除去器出口のガスの成分を分析し、この出口での一酸化炭素濃度が100ppmを超えたら異常判定とすることもできる。このように燃料電池発電システムの各種プロセス量を分析することにより、より精度良く異常を検出することもできる。また、改質器2のバーナの点火時に燃焼空気と燃焼燃料の量を変更し、点火の成功率を把握し、それぞれが適正に制御されているか否かを確認することもできる。
Further, this embodiment is merely an example, and the present invention is not limited to this. For example, in the above-described embodiment, the soundness is confirmed by whether or not a failure stop occurs during the power generation test, but the soundness may be confirmed by other methods. For example, the component of the gas at the outlet of the carbon monoxide transformer can be continuously analyzed, and if the carbon monoxide concentration at the outlet exceeds 0.6%, an abnormality can be made. Moreover, the component of the gas at the outlet of the carbon monoxide remover is analyzed, and if the concentration of carbon monoxide at the outlet exceeds 100 ppm, an abnormality can be determined. By analyzing the various process amounts of the fuel cell power generation system in this way, it is possible to detect an abnormality with higher accuracy. It is also possible to change the amount of combustion air and combustion fuel when the burner of the
1…燃料ブロア、2…改質器、3…一酸化炭素変成器、4…一酸化炭素除去器、5…燃料電池本体、6…一酸化炭素除去空気ブロア、7…改質水ポンプ、8…カソードブロア、9…制御装置、21…運転可能範囲、22…通常運転範囲、24…発電可能範囲、29…試験運転範囲、11〜15…正常特性、31〜35…異常特性
DESCRIPTION OF
Claims (15)
原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、
前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転と、前記制御量の少なくとも1つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験運転とを行う制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell body;
A fuel processor for reforming raw fuel to produce hydrogen and supplying the hydrogen to the fuel cell body;
An air supply device for supplying air to the fuel cell body;
A normal operation in which a plurality of control amounts of the fuel processing device and the air supply device are controlled within a normal operation range to cause the fuel cell body to generate power, and at least one of the control amounts is outside the normal operation range. A control device that performs a test operation that controls the fuel cell body, the fuel processing device, and the air supply device to be controlled to be within a power generation possible range;
A fuel cell power generation system comprising:
前記制御量は前記一酸化炭素除去器に供給される空気流量と前記改質器に導入される改質水導入量と前記一酸化炭素変成器の温度と前記改質器の温度と前記改質器に導入される原燃料流量と前記燃料電池本体に供給されるカソード空気流量と前記燃料電池本体の出力上昇速度とを含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。 The fuel processor is a reformer that generates hydrogen from a raw fuel by a steam reforming reaction, and carbon monoxide conversion in which carbon monoxide in a gas discharged from the reformer is reacted with steam to convert it into carbon dioxide. And a carbon monoxide remover that oxidizes carbon monoxide in a gas introduced from the carbon monoxide converter with air introduced therein,
The control amount includes the flow rate of air supplied to the carbon monoxide remover, the amount of reforming water introduced into the reformer, the temperature of the carbon monoxide converter, the temperature of the reformer, and the reforming. 2. The fuel cell power generation system according to claim 1, comprising a raw fuel flow rate introduced into a vessel, a cathode air flow rate supplied to the fuel cell main body, and an output increase rate of the fuel cell main body.
前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転工程と、
前記制御量の少なくとも1つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験工程と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 A fuel cell comprising: a fuel cell main body; a fuel processing device for reforming raw fuel to generate hydrogen and supplying the hydrogen to the fuel cell main body; and an air supply device for supplying air to the fuel cell main body In the operation method of the power generation system,
A normal operation process in which a plurality of control amounts of the fuel processing device and the air supply device are controlled within a normal operation range to cause the fuel cell body to generate electric power;
A test step of operating the fuel cell body, the fuel processing device, and the air supply device by controlling at least one of the control amounts to be outside the normal operation range and within a power generation possible range;
A method for operating a fuel cell power generation system, comprising:
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