JP2011210586A - Fuel battery power generating apparatus, control program, and control method - Google Patents

Fuel battery power generating apparatus, control program, and control method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery power generating apparatus capable of surely detecting failure of water supply to a water vaporizer and safely controlling power generation of a fuel battery power generating apparatus.SOLUTION: The fuel battery power generating apparatus at least includes: a fuel battery module containing a fuel reformer and a fuel cell stack; a fuel gas supplier for supplying a fuel gas to the fuel cell stack; an oxidizer gas supplier for supplying an oxidizer gas to the fuel cell stack; a water vapor supplier for introducing water vapor to a supply passage of the fuel gas; and a controller. Here, the vapor supplier is arranged on a boundary section of the fuel battery module, and includes the water vaporizer for generating water vapor by making use of heat of an exhaust gas from the fuel battery module, and has a temperature measuring portion in the vicinity of a discharge port of water vapor of the water vaporizer and/or a discharge port of the exhaust gas. The controller controls power generation of the fuel battery power generating apparatus on the basis of temperature of the water vapor and/or exhaust gas measured at the temperature measuring portion during power generation of the fuel battery power generating apparatus.

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置を制御するための制御プログラム並びに制御方法に関し、特に、水蒸気改質反応により改質した燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus and a control program and control method for controlling the fuel cell power generation apparatus, and more particularly to a fuel cell power generation apparatus that generates power using fuel gas reformed by a steam reforming reaction, and The present invention relates to a control program and a control method.

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が300℃程度以下の低温型には、固体高分子型(PEFC)、アルカリ型(AFC)、リン酸型(PAFC)などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)などがある。   In recent years, fuel cell power generation devices that generate electricity by gas electrochemical reaction have high power generation efficiency, and the discharged gas is clean and has very little influence on the environment. This fuel cell power generation device can be classified according to the reaction temperature and the type of electrolyte. The low temperature type having a reaction temperature of about 300 ° C. or lower includes a solid polymer type (PEFC), an alkaline type (AFC), and a phosphoric acid type. (PAFC) and the like, and the high temperature type includes a molten carbonate type (MCFC) and a solid oxide type (SOFC).

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いためにPt等の高価な貴金属の触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の3つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。   Among them, the solid oxide type has a high operating temperature, so there is no need to use an expensive noble metal catalyst such as Pt, it is easy to use exhaust heat, and the battery components are all solid. Therefore, the structure is simple and high power generation efficiency can be obtained, and development has been actively conducted in recent years. Fuel cell power generators are classified into three types according to the shape of the power generation cell: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate stack type, and a flat plate stack type that facilitates the formation of power generation cells is widely adopted.

上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極(カソード)層と燃料極(アノード)層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素(空気)が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。   The flat plate solid oxide fuel cell device has a fuel cell stack in which power generation cells and separators are alternately stacked. The power generation cell has a stacked structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode (cathode) layer and a fuel electrode (anode) layer, and oxygen ( Air) and fuel gas is supplied to the fuel electrode side.

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータ或いはインターコネクタは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。   The air electrode layer and the fuel electrode layer are formed of a porous material so that oxygen and fuel gas can reach the interface with the solid electrolyte layer. Further, the separator or interconnector has a passage for electrically connecting the power generation cells and introducing fuel gas or oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator and discharging the gas toward the fuel electrode layer. An air electrode current collector is disposed between the separator and the air electrode layer, and a fuel electrode current collector is disposed between the separator and the fuel electrode layer.

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス(酸素)は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン(O2−)になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物(HO等)となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応(発電反応)は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。 In the solid oxide fuel cell having the above configuration, the oxidant gas (oxygen) supplied to the air electrode side of the power generation cell via the separator reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer through the pores in the air electrode layer. Then, electrons are received from the air electrode and become oxide ions (O 2− ). This oxide ion diffuses and moves in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode, reacts with the fuel gas near the interface with the fuel electrode to become a reaction product (such as H 2 O), and emits electrons to the fuel electrode. To do. And an electric current generate | occur | produces by taking out this electron from a fuel electrode electrical power collector. The electrode reaction (power generation reaction) is as follows when hydrogen is used as the fuel gas.

空気極: 1/2O + 2e → O2−
燃料極: H + O2− → HO + 2e
全体 : H + 1/2O → H
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
Overall: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合されるが、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。   Here, when hydrogen is used as the fuel gas, nitrogen is mixed in order to control the concentration of hydrogen, but the amount of nitrogen used increases as the apparatus becomes larger. Therefore, a fuel cell power generation apparatus has been proposed that uses a hydrocarbon gas such as city gas or natural gas instead of hydrogen as the fuel gas (see, for example, Patent Document 1 below).

この燃料電池発電装置は、例えば、図8に示すように、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック3と、燃料電池スタック3に酸化剤ガスを導入する空気供給系と、燃料電池スタック3に燃料ガスを導入する燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素系ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器4と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水蒸気供給系と、各種制御を行う制御部5などで構成され、燃料電池スタック3と燃料改質器4とで燃料電池モジュール2が構成される。また、水蒸気供給系には、燃料電池モジュール2の境界部分に設置され、燃料電池モジュール2から排出される排ガスの熱を利用して水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器10が含まれる。   For example, as shown in FIG. 8, the fuel cell power generator includes a fuel cell stack 3 that generates DC output power according to the flow rate of fuel gas and the flow rate of oxidant gas, and oxidant gas in the fuel cell stack 3. An air supply system that introduces fuel, a fuel gas supply system that introduces fuel gas into the fuel cell stack 3, and a fuel reformer 4 that reforms a hydrocarbon-based gas sent from the fuel gas supply system into a hydrogen-rich fuel gas And a water vapor supply system that introduces water vapor into the fuel gas supply system, a control unit 5 that performs various controls, and the like, and the fuel cell stack 3 and the fuel reformer 4 constitute the fuel cell module 2. Further, the water vapor supply system includes a water vaporizer 10 that is installed at a boundary portion of the fuel cell module 2 and vaporizes water using heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module 2 to generate water vapor. .

特開2002−260697号公報JP 2002-260697 A

炭化水素系ガスと水蒸気との反応(いわゆる水蒸気改質反応)では、水を気化させて炭化水素系ガス(メタンを主成分とする天然ガスやプロパン或いは液体の灯油など)と混合し、ニッケル(Ni)やルテニウム(Ru)が含まれる改質触媒に導入し、500〜700℃で加熱することにより化学反応が進み、水素(H)と二酸化炭素(CO)や場合によっては一酸化炭素(CO)が作られる。そして、改質された水素や一酸化炭素が電池反応により電力を生むことになる。 In the reaction between hydrocarbon gas and steam (so-called steam reforming reaction), water is vaporized and mixed with hydrocarbon gas (natural gas mainly composed of methane, propane or liquid kerosene, etc.) and nickel ( When introduced into a reforming catalyst containing Ni) or ruthenium (Ru) and heated at 500 to 700 ° C., the chemical reaction proceeds, and hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and, in some cases, carbon monoxide. (CO) is made. Then, the reformed hydrogen or carbon monoxide generates electric power by the battery reaction.

従って、炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置では、水気化器10により水蒸気を安定的に発生させることが重要である。ここで、一般に、水気化器10には水移送ポンプ8により純水タンク9から水が供給されるが、例えば、純水タンク9に水を供給するバルブが閉じて純水タンク9が空になった場合や水移送ポンプ8の故障した場合など、何らかの不具合により水気化器10に水が供給されなくなることがある。   Therefore, in a fuel cell power generator using hydrocarbon gas, it is important to stably generate water vapor by the water vaporizer 10. Here, in general, water is supplied to the water vaporizer 10 from the pure water tank 9 by the water transfer pump 8. For example, a valve for supplying water to the pure water tank 9 is closed and the pure water tank 9 is emptied. In some cases, water may not be supplied to the water vaporizer 10 due to some trouble, such as when the water transfer pump 8 fails.

このような水切れは、高温で運転中の燃料電池モジュールに炭化水素系ガスのみが供給されることを意味し、500〜700℃で動作する燃料改質器4に炭化水素系ガスのみが供給されると、コーキング現象が起こり、炭化水素系ガスが炭素と水素に分解され、炭素が燃料改質器4内に堆積して閉塞する。このような状態になると、水素が燃料電池スタック3に供給されなくなり、発電セルの電圧低下及び電気的出力の低下に繋がる。また、燃料改質器4内の閉塞により、供給ガス圧が上昇し、ガス爆発の恐れもある。   Such a drainage means that only the hydrocarbon gas is supplied to the fuel cell module operating at a high temperature, and only the hydrocarbon gas is supplied to the fuel reformer 4 operating at 500 to 700 ° C. Then, a coking phenomenon occurs, the hydrocarbon-based gas is decomposed into carbon and hydrogen, and carbon accumulates in the fuel reformer 4 and is blocked. In such a state, hydrogen is not supplied to the fuel cell stack 3, which leads to a decrease in voltage of the power generation cell and a decrease in electrical output. Further, due to the blockage in the fuel reformer 4, the supply gas pressure rises and there is a risk of gas explosion.

上記問題を回避するためには、燃料電池発電装置の発電中の水供給停止を確実に防止しなければならず、その方法として、水移送ポンプ8の動作を監視する方法が考えられる。しかしながら、水移送ポンプ8は供給されている水に気泡などがあると空回りすることがあり、この状態では動力系の回転は行っているために、制御系は問題が発生していないと判断してしまい、確実に水供給の減少若しくは停止を検出することができない。   In order to avoid the above problem, it is necessary to reliably prevent the water supply from being stopped during power generation by the fuel cell power generation apparatus. As a method for this, a method of monitoring the operation of the water transfer pump 8 can be considered. However, the water transfer pump 8 may idle when there are bubbles in the supplied water. In this state, since the power system is rotating, the control system determines that there is no problem. Therefore, it is impossible to reliably detect a decrease or stop in the water supply.

また、別の方法として、水移送ポンプ8の後段に水流量計を設け、水の流量を監視する方法も考えられる。しかしながら、現存する水流量計は誤差が大きく、かつ、故障しやすいため、やはり、確実に水供給の減少若しくは停止を検出することができない。   As another method, a method of monitoring the flow rate of water by providing a water flow meter after the water transfer pump 8 is also conceivable. However, since the existing water flowmeter has a large error and easily breaks down, it is still impossible to reliably detect a decrease or stoppage of the water supply.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、水蒸気改質反応により改質した燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池発電装置において、水供給の不具合を確実に検出し、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることができる燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its main object is to solve the problem of water supply in a fuel cell power generation apparatus that generates power using fuel gas reformed by a steam reforming reaction. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation device capable of reliably detecting and safely stopping power generation of the fuel cell power generation device or reducing the power generation output, a control program for the fuel cell power generation device, and a control method.

上記目的を達成するため、本発明は、炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び/又は排ガスの排出口近傍に温度測定部を備え、前記制御部は、前記燃料電池発電装置の発電時に、前記温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御するものである。   To achieve the above object, the present invention includes a fuel reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel gas, and a fuel cell stack that generates electric power by a reaction between the reformed fuel gas and an oxidant gas. A fuel cell module; fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack via the fuel reformer; oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack; In the fuel cell power generation device comprising at least a water vapor supply means for introducing water vapor into the fuel gas supply path to the fuel reformer, and a control unit, the water vapor supply means is disposed at a boundary portion of the fuel cell module A water vaporizer that vaporizes water supplied using heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module and generates water vapor, and water in the water vaporizer A temperature measurement unit is provided in the vicinity of the gas discharge port and / or in the vicinity of the exhaust gas discharge port, and the control unit acquires the temperature of the water vapor and / or the exhaust gas measured by the temperature measurement unit during power generation of the fuel cell power generation device. The power generation of the fuel cell power generator is controlled based on the acquired temperature.

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び/又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する制御部、として機能させるものである。   The present invention also includes a fuel cell module including a fuel reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel gas and a fuel cell stack that generates electric power by a reaction between the reformed fuel gas and an oxidant gas; A fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack via the fuel reformer, an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and a boundary between the fuel cell modules Supply of the fuel gas to the fuel reformer, including a water vaporizer that is disposed in a portion and vaporizes water supplied using heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module and generates water vapor A program for controlling a fuel cell power generation device comprising at least a water vapor supply means for introducing water vapor into the path; Sometimes, the temperature of the water vapor and / or exhaust gas measured by a temperature measuring unit provided in the vicinity of the water vapor outlet and / or in the vicinity of the exhaust gas outlet of the water vaporizer is acquired, and the fuel cell is based on the acquired temperature. It functions as a control unit that controls power generation of the power generation device.

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置を起動し、発電させる第1のステップと、前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び/又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度を取得する第2のステップと、前記取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する第3のステップと、を少なくとも有するものである。   The present invention also includes a fuel cell module including a fuel reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel gas and a fuel cell stack that generates electric power by a reaction between the reformed fuel gas and an oxidant gas; A fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack via the fuel reformer, an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and a boundary between the fuel cell modules Supply of the fuel gas to the fuel reformer, including a water vaporizer that is disposed in a portion and vaporizes water supplied using heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module and generates water vapor A method for controlling a fuel cell power generation device, comprising: a water vapor supply means for introducing water vapor into a path; and a first step of starting the fuel cell power generation device to generate power A second step of acquiring the temperature of water vapor and / or exhaust gas measured by a temperature measuring unit provided in the vicinity of the water vapor outlet and / or in the vicinity of the exhaust gas outlet of the water vaporizer during power generation by the fuel cell power generator. And a third step of controlling the power generation of the fuel cell power generator based on the acquired temperature.

本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、水供給の不具合を確実に検出し、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることができる。   According to the fuel cell power generation device, the control program, and the control method of the present invention, it is possible to reliably detect a failure in water supply and safely stop the power generation of the fuel cell power generation device or reduce the power generation output.

その理由は、燃料電池モジュールの境界部分に配置される水気化器の水蒸気排出口近傍に水蒸気温度測定部を設け、水蒸気の温度に基づいて水気化器への水供給の状態を判断するからである。また、水気化器の排ガス排出口近傍に排ガス温度測定部を設け、排ガスの温度に基づいて水気化器への水供給の状態を判断するからである。   The reason is that a water vapor temperature measuring unit is provided in the vicinity of the water vapor outlet of the water vaporizer arranged at the boundary portion of the fuel cell module, and the state of water supply to the water vaporizer is judged based on the temperature of the water vapor. is there. In addition, an exhaust gas temperature measurement unit is provided in the vicinity of the exhaust gas discharge port of the water vaporizer, and the state of water supply to the water vaporizer is determined based on the temperature of the exhaust gas.

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the fuel cell electric power generating apparatus which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the fuel cell stack which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る発電セルの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the electric power generation cell which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る水気化器の具体的構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the water vaporizer which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the control procedure using the fuel cell electric power generating apparatus which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における水蒸気温度と純水流量との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the water vapor | steam temperature and the pure water flow rate in the fuel cell electric power generating apparatus which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における排ガス温度と純水流量との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the exhaust gas temperature in the fuel cell power generator which concerns on one Example of this invention, and a pure water flow rate. 従来の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the conventional fuel cell power generator.

背景技術で示したように、炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置では、水気化器により水蒸気を安定的に発生させることが重要であり、水気化器への水供給の減少若しくは停止を確実に検出する必要がある。そこで、従来は、水移送ポンプの動作状態や水気化器に供給される水流量の変化により水気化器への水供給の減少若しくは停止を検出していたが、前者の場合、水移送ポンプが空回りしている場合は異常を検出することができず、後者の場合、水流量計は誤差が大きく故障が多いため、確実に水供給の減少若しくは停止を検出することができないという問題があった。   As shown in the background art, in a fuel cell power generation apparatus using hydrocarbon gas, it is important to stably generate water vapor with a water vaporizer, and it is possible to reduce or stop the water supply to the water vaporizer. It needs to be detected reliably. Therefore, conventionally, a decrease or stoppage of the water supply to the water vaporizer was detected based on the operation state of the water transfer pump or a change in the flow rate of water supplied to the water vaporizer. In the latter case, there is a problem that the water flow meter cannot detect a decrease or stop of the water supply reliably because the error is large and there are many failures. .

ここで、燃料電池モジュールは、発電状態では電気、熱のバランスを上手く取って動作している。この状態では、供給される炭化水素系ガスの流量、水流量、空気流量はほぼ一定の値であり、燃料電池モジュールの熱バランスを考えると、燃料電池モジュール内部から水気化器に排出される排ガスの熱量と、排ガスにより温められた水気化器が水を気化する際に使用する熱量及び水気化器から外部に排出される排ガスの熱量とが等しくなっている。   Here, the fuel cell module operates with a good balance between electricity and heat in a power generation state. In this state, the flow rate of the hydrocarbon gas to be supplied, the water flow rate, and the air flow rate are substantially constant, and considering the heat balance of the fuel cell module, the exhaust gas discharged from the fuel cell module to the water vaporizer Is equal to the heat amount used when the water vaporizer heated by the exhaust gas vaporizes water and the heat amount of the exhaust gas discharged from the water vaporizer to the outside.

例えば、水気化器が燃料電池モジュールから少し離れた場所にある場合、燃料電池スタックの温度が600〜850℃であると、燃料電池モジュール内の温度は500〜600℃になる。上記500〜600℃の燃料電池モジュールからの排ガスが水気化器において熱交換され、排ガスの熱が水の気化熱として奪われ、50〜300℃程度の排ガス温度になる。   For example, when the water vaporizer is located at a distance from the fuel cell module, if the temperature of the fuel cell stack is 600 to 850 ° C., the temperature in the fuel cell module is 500 to 600 ° C. The exhaust gas from the fuel cell module at 500 to 600 ° C. is heat-exchanged in the water vaporizer, and the heat of the exhaust gas is taken as the heat of vaporization of water, resulting in an exhaust gas temperature of about 50 to 300 ° C.

このように、水が一定の流量で供給されている場合、水蒸気の温度も燃料電池モジュールからの排ガスの温度もほぼ一定であるが、何らかの原因により水供給が減少若しくは停止した場合は、水気化器内の水位が下がり、発生した水蒸気が加熱されて排出されるまでの経路が長くなるため、水蒸気の温度が上昇する。また、水気化器内の水位が下がると、排ガスが水の気化熱により冷却される経路が短くなるため、排ガスの温度も上昇する。   Thus, when water is supplied at a constant flow rate, the temperature of the water vapor and the temperature of the exhaust gas from the fuel cell module are almost constant, but if the water supply is reduced or stopped for some reason, the water vaporization Since the water level in the vessel decreases and the path through which the generated water vapor is heated and discharged becomes longer, the temperature of the water vapor rises. Further, when the water level in the water vaporizer is lowered, the path through which the exhaust gas is cooled by the heat of vaporization of water is shortened, so that the temperature of the exhaust gas also increases.

そこで、本発明の一実施の形態では、水気化器の水蒸気排出口近傍と排ガス排出口近傍の少なくとも一方の温度を監視し、予め定めた閾値と比較し、水蒸気温度及び/又は排ガス温度が閾値以上(若しくは閾値以下)となったら、水供給の不具合が発生したと判断する。これにより、水移送ポンプの動作や、水移送ポンプと水気化器との間の経路の水流量を監視する方法に比べて、より確実に水供給の不具合を検出することができ、安全に燃料電池発電装置を停止若しくは発電出力を減少させることができる。   Therefore, in one embodiment of the present invention, the temperature of at least one of the vicinity of the water vapor outlet and the vicinity of the exhaust gas outlet of the water vaporizer is monitored and compared with a predetermined threshold value, and the water vapor temperature and / or the exhaust gas temperature is the threshold value. If it is above (or below the threshold), it is determined that a water supply failure has occurred. As a result, it is possible to detect a water supply failure more reliably and safely, compared to the method of monitoring the operation of the water transfer pump and the water flow rate in the path between the water transfer pump and the water vaporizer. The battery power generation device can be stopped or the power generation output can be reduced.

なお、発電時の燃料電池発電装置の水気化器内には、安定的に水を気化させるために相当量の水が蓄えられており、水供給が急停止しても、蓄えられた水がなくなるまでに所定に時間的余裕があるため、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることは可能である。   In addition, a considerable amount of water is stored in the water vaporizer of the fuel cell power generation apparatus during power generation in order to stably vaporize the water. Even if the water supply is suddenly stopped, the stored water remains. Since there is a predetermined time before it runs out, it is possible to safely stop the power generation of the fuel cell power generation device or reduce the power generation output.

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法について、図1乃至図7を参照して説明する。図1は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図であり、図2は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図、図3は、発電セルの構成を模式的に示す図である。また、図4は、水気化器の具体的構成例を示す図であり、図5は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。また、図6は、水気化器に供給する純水流量と水気化器から排出される水蒸気の温度との相関を示す図であり、図7は、水気化器に供給する純水流量と水気化器から排出される排ガスの温度との相関を示す図である。   In order to describe the above-described embodiment of the present invention in more detail, a control program and a control method for a fuel cell power generator and a fuel cell power generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. explain. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the configuration of the fuel cell power generation device of the present embodiment, FIG. 2 is a diagram illustrating a specific configuration example of the fuel cell stack in the fuel cell module, and FIG. 3 is a power generation cell. FIG. FIG. 4 is a diagram showing a specific configuration example of the water vaporizer, and FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure using the fuel cell power generator of this embodiment. FIG. 6 is a diagram showing the correlation between the flow rate of pure water supplied to the water vaporizer and the temperature of water vapor discharged from the water vaporizer, and FIG. It is a figure which shows the correlation with the temperature of the waste gas discharged | emitted from a gasifier.

図1に示すように、本実施例の燃料電池発電装置1は、燃料ガス(メタンを主成分とする天然ガスやプロパン或いは液体の灯油などの炭化水素系ガス)の流量と酸化剤ガス(酸素や空気など)の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック3と、燃料電池スタック3に酸化剤ガス(本実施例では空気とする。)を導入する空気ブロア6や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック3に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア7や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール2内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素系ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器4と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ8や水気化器10、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、水気化器10から排出される水蒸気の温度を測定する水蒸気温度測定部20と、水気化器10から排出される排ガスの温度を測定する排ガス温度測定部21と、水や燃料ガス、空気の流量制御、水蒸気温度や排ガス温度に基づく発電制御などを行う制御部5と、燃料電池スタック3からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ(図示せず)などで構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell power generator 1 of the present embodiment includes a flow rate of a fuel gas (natural gas mainly composed of methane, hydrocarbon gas such as propane or liquid kerosene) and an oxidant gas (oxygen gas). The fuel cell stack 3 that generates DC output power according to the flow rate of the air and the air), the air blower 6 that introduces the oxidant gas (air in this embodiment) into the fuel cell stack 3, and the air supply piping. An air supply system such as a fuel gas blower 7 for introducing fuel gas into the fuel cell stack 3 and a fuel gas supply system such as a fuel gas supply pipe, and the like, are disposed in the fuel cell module 2 and sent from the fuel gas supply system. A fuel reformer 4 for reforming the hydrocarbon-based gas into a hydrogen-rich fuel gas, a water supply pump 8 or a water vaporizer 10 for introducing water vapor into the fuel gas supply system, a water vapor supply system such as a water vapor supply pipe, moisture A water vapor temperature measuring unit 20 for measuring the temperature of water vapor discharged from the vessel 10, an exhaust gas temperature measuring unit 21 for measuring the temperature of exhaust gas discharged from the water vaporizer 10, and flow control of water, fuel gas, and air, The control unit 5 performs power generation control based on the water vapor temperature or the exhaust gas temperature, and an inverter (not shown) that converts the direct current output from the fuel cell stack 3 into alternating current output and supplies alternating current power to an external load. ing.

上記水気化器10は、燃料電池モジュール2の排熱を有効に利用して水蒸気を発生できるように、燃料電池モジュール2の境界部分に配置されている。また、水蒸気温度測定部20及び排ガス温度測定部21は、熱電対などで構成され、その出力が制御部5に入力される。   The water vaporizer 10 is disposed at a boundary portion of the fuel cell module 2 so that water vapor can be generated by effectively using the exhaust heat of the fuel cell module 2. Further, the water vapor temperature measuring unit 20 and the exhaust gas temperature measuring unit 21 are constituted by a thermocouple or the like, and the output thereof is input to the control unit 5.

また、制御部5は通常、燃料電池発電装置1の制御装置内に設けられており、制御装置の演算処理部や表示部、操作部などと協働して動作するように構成される。なお、上記制御部5は制御装置内にハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ(ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称)を、上記制御部5として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。   In addition, the control unit 5 is normally provided in the control device of the fuel cell power generation device 1 and is configured to operate in cooperation with an arithmetic processing unit, a display unit, an operation unit, and the like of the control device. The control unit 5 may be configured as hardware in the control device, or may be configured as a control program that causes a computer (a general term for hardware resources capable of executing software) to function as the control unit 5. The control program may be executed by a control device.

次に、燃料電池スタック3及び発電セルの具体的構成について、図2及び図3を参照して説明する。   Next, specific configurations of the fuel cell stack 3 and the power generation cells will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図2に示すように、燃料電池スタック3は、固体電解質層12の両面に燃料極層13と空気極層11とを配置した発電セル14と、燃料極層13の外側に配置した燃料極集電体19と、空気極層11の外側に配置した空気極集電体18と、各集電体の外側に配したセパレータ17(インターコネクタとも呼ぶ。)とからなる単セル(ユニット)が縦方向に多数積層されて構成されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 includes a power generation cell 14 in which a fuel electrode layer 13 and an air electrode layer 11 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 12, and a fuel electrode assembly disposed outside the fuel electrode layer 13. A single cell (unit) comprising an electric body 19, an air electrode current collector 18 disposed outside the air electrode layer 11, and a separator 17 (also referred to as an interconnector) disposed outside each current collector is vertically arranged. A large number of layers are stacked in the direction.

固体電解質層12は、ランタンガレート(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.052.85)やイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層13は、Ni、Co等の金属又はNi−YSZ、Co−YSZ、Niとサマリウムドープセリア(Ce0.8Sm0.2)のサーメット等で構成され、空気極層11は、サマリウムコバルタイト(Sm0.5Sr0.5CoO)、ランタンマンガナイト(LaMnO)、ランタン鉄コバルタイト(LaSrCoFeO)等で構成されている。また、燃料極集電体19はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体18はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。 The solid electrolyte layer 12 is composed of lanthanum gallate (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 2.85 ), stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added, and the like. The fuel electrode layer 13 is made of a metal such as Ni or Co or a cermet of Ni—YSZ, Co—YSZ, Ni and samarium-doped ceria (Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 ), and the air electrode layer 11 , Samarium cobaltite (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 ), lanthanum manganite (LaMnO 3 ), lanthanum iron cobaltite (LaSrCoFeO 3 ) and the like. The fuel electrode current collector 19 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 18 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as an Ag-based alloy. Has been.

また、セパレータ17は、ステンレス等で構成され、空気極集電体18側の面にはAgメッキ層が形成され、燃料極集電体19側の面にはNiメッキ層が形成され、発電セル14間を電気的に接続する。また、セパレータ17は、発電セル14に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ17の外周面から導入して燃料極集電体19に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス流路と、酸化剤ガス(空気)をセパレータ17の外周面から導入して空気極集電体18に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス流路とを備えている。   The separator 17 is made of stainless steel or the like, an Ag plating layer is formed on the surface on the air electrode current collector 18 side, and an Ni plating layer is formed on the surface on the fuel electrode current collector 19 side. 14 are electrically connected. The separator 17 has a function of supplying gas to the power generation cell 14, and introduces fuel gas from the outer peripheral surface of the separator 17 and discharges it from the substantially central portion of the surface facing the fuel electrode current collector 19. A fuel gas flow path and an oxidant gas flow path for introducing an oxidant gas (air) from the outer peripheral surface of the separator 17 and discharging it from the substantially central portion of the surface facing the air electrode current collector 18 are provided.

そして、図3の模式図に示すように、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ17の略中心部から発電セル14に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス(空気)を発電セル14の外周方向に拡散させながら燃料極層13及び空気極層11の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス(高温排ガス)を発電セル14の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは水気化器10を通って燃料電池モジュール2外に排出されるようになっている。   As shown in the schematic diagram of FIG. 3, during operation, the fuel gas and the oxidant gas (air) supplied from the substantially central portion of the separator 17 to the power generation cell 14 through the fuel gas passage and the oxidant gas passage are supplied. While diffusing in the outer peripheral direction of the power generation cell 14, it spreads over the entire surface of the fuel electrode layer 13 and the air electrode layer 11 with a good distribution to generate a power generation reaction, and surplus gas (high temperature exhaust gas) not consumed in the power generation reaction is generated. The exhaust gas discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell 14 into the housing is freely discharged, and the exhaust gas discharged into the inner space of the housing passes through the water vaporizer 10 and is discharged out of the fuel cell module 2. Yes.

また、図2に示すように、この燃料電池スタック3の両側にはステンレス等で形成された一対の端板15、16が配置されており、燃料電池スタック3の電力はこの上下一対の端板15、16を介して外部に取り出すことができ、外部に設けた出力測定手段により測定できるようになっている。また、図3に示すように、1又は複数の発電セル14(図3では、個々の発電セル14)のセル電圧はセパレータ17に接続された配線を介して外部に取り出すことができ、外部に設けた出力測定手段により測定できるようになっている。   Further, as shown in FIG. 2, a pair of end plates 15 and 16 made of stainless steel or the like are disposed on both sides of the fuel cell stack 3, and the power of the fuel cell stack 3 is supplied to the pair of upper and lower end plates. 15 and 16 can be taken out and can be measured by output measuring means provided outside. Further, as shown in FIG. 3, the cell voltage of one or a plurality of power generation cells 14 (in FIG. 3, individual power generation cells 14) can be taken out to the outside through wiring connected to the separator 17, and It can be measured by the provided output measuring means.

なお、図2及び図3では、発電セル14の両側に燃料極集電体19及び空気極集電体18が配置された構成を示しているが、燃料極集電体19及び空気極集電体18を配置しない構成に対しても、本発明を適用することができる。また、図2では、発電セル14の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造の燃料電池スタック3を示したが、燃料電池スタック3が隔壁によって密閉されるシール構造に対しても、本発明を適用することができる。   2 and 3 show a configuration in which the fuel electrode current collector 19 and the air electrode current collector 18 are arranged on both sides of the power generation cell 14, the fuel electrode current collector 19 and the air electrode current collector are shown. The present invention can be applied to a configuration in which the body 18 is not arranged. In addition, in FIG. 2, the fuel cell stack 3 having a sealless structure in which the gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 14 is shown. The present invention can be applied.

次に、水気化器10の具体的構成について、図4を参照して説明する。図4(a)は、水気化器10の正面図であり、図4(b)は、その側面図である。   Next, a specific configuration of the water vaporizer 10 will be described with reference to FIG. Fig.4 (a) is a front view of the water vaporizer 10, FIG.4 (b) is the side view.

一般に、水気化器10は、断熱材で包囲された空間内に収容された熱交換器から構成されており、図4に示すように、熱交換器の下部の水供給口10cから導入された水が上方に流通する過程で、上部の排ガス導入口10aより導入された燃料電池スタック3からの高温の排ガスと熱交換して高温の水蒸気となり、上端部の水蒸気排出口10dを通して燃料改質器4に誘導されるようになっている。また、上部の排ガス導入口10aより導入された排ガスは、下方に流通する過程で供給水との熱交換を終え、低温の排ガスとなって下部の排ガス排出口10bより外部に排出される。   In general, the water vaporizer 10 is composed of a heat exchanger accommodated in a space surrounded by a heat insulating material, and is introduced from a water supply port 10c at the bottom of the heat exchanger as shown in FIG. In the process of flowing water upward, heat exchange with the high-temperature exhaust gas from the fuel cell stack 3 introduced from the upper exhaust gas inlet 10a becomes high-temperature steam, and the fuel reformer passes through the steam outlet 10d at the upper end. 4 is guided. Further, the exhaust gas introduced from the upper exhaust gas inlet 10a finishes heat exchange with the supply water in the process of flowing downward, becomes low-temperature exhaust gas, and is discharged to the outside from the lower exhaust gas outlet 10b.

上記熱交換器は、図示しないが、例えば、燃料電池スタック3からの排ガスが流通するフィン付きの排ガス流路と外部からの供給水が流通するフィン付きの水流路をプレート単位で交差状又は対向状に配設した構造であり、水流路内のフィンの隙間には、1〜2mm径の熱伝導性に優れるアルミナビーズなどが充填されている。   Although the heat exchanger is not shown in the figure, for example, an exhaust gas channel with fins through which exhaust gas from the fuel cell stack 3 flows and a water channel with fins through which supply water from the outside flows cross or face each other in plate units. The gap between the fins in the water flow path is filled with alumina beads having a diameter of 1 to 2 mm and excellent thermal conductivity.

上記構造の水気化器10では、熱交換器内の一定のレベルまで水が溜まり、水が溜まっている部分で水蒸気が発生し、その水蒸気が上部に移動する過程で更に加熱されて、水蒸気排出口10dから排出される。従って、水位が低下すると、水蒸気が加熱されて排出されるまでの経路が長くなるため、より高い温度の水蒸気が水蒸気排出口10dから排出される。   In the water vaporizer 10 having the above-described structure, water is accumulated up to a certain level in the heat exchanger, water vapor is generated in the portion where the water is accumulated, and the water vapor is further heated in the process of moving upward, It is discharged from the outlet 10d. Therefore, when the water level is lowered, the path until the water vapor is heated and discharged becomes longer, so that the water vapor having a higher temperature is discharged from the water vapor discharge port 10d.

また、燃料電池スタック3からの排ガスは、水が溜まっている部分で水の気化熱により温度が低下して排ガス排出口10bから排出される。従って、水位が低下すると、水の気化熱により温度が低下する経路が短くなるため、より高い温度の排ガスが排ガス排出口10bから排出される。   Further, the exhaust gas from the fuel cell stack 3 is discharged from the exhaust gas discharge port 10b with the temperature lowered by the heat of vaporization of water in the portion where water is accumulated. Therefore, when the water level is lowered, the path through which the temperature is lowered due to the heat of vaporization of water is shortened, so that the exhaust gas having a higher temperature is discharged from the exhaust gas discharge port 10b.

このように、水気化器10(熱交換器)内の水位(すなわち、水の供給量)と、水蒸気排出口10dから排出される水蒸気の温度と、排ガス排出口10bから排出される排ガスの温度とは相関があるため、水蒸気排出口10d近傍に設けた水蒸気温度測定部20で水蒸気の温度を測定、又は、排ガス排出口10b近傍に設けた排ガス温度測定部21で排ガスの温度を測定すれば、水の供給が減少若しくは停止したことを確実に検出することが可能となる。   Thus, the water level in the water vaporizer 10 (heat exchanger) (that is, the amount of water supplied), the temperature of the water vapor discharged from the water vapor outlet 10d, and the temperature of the exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 10b. Therefore, if the temperature of the water vapor is measured by the water vapor temperature measuring unit 20 provided near the water vapor outlet 10d or the temperature of the exhaust gas is measured by the exhaust gas temperature measuring unit 21 provided near the exhaust gas outlet 10b. Thus, it is possible to reliably detect that the water supply has decreased or stopped.

なお、水移送ポンプ8の動作状態や水移送ポンプ8後段の経路の水流量を監視する従来の方法では、例えば、水気化器10(熱交換器)に水漏れが発生して水位が下がった場合や、燃料電池スタック3の異常反応により排ガスの温度が上昇した場合に異常を検出することはできないが、本実施例の方法は、水気化器10(熱交換器)内の水位に直接関係する水蒸気温度や排ガス温度を利用するため、このような場合であっても異常を検出することができる。従って、本実施例の方法は、従来の方法よりも優れた制御方法であると言える。   In the conventional method of monitoring the operating state of the water transfer pump 8 and the water flow rate in the downstream path of the water transfer pump 8, for example, water leakage occurs in the water vaporizer 10 (heat exchanger) and the water level is lowered. In this case, the abnormality cannot be detected when the temperature of the exhaust gas rises due to an abnormal reaction of the fuel cell stack 3, but the method of this embodiment is directly related to the water level in the water vaporizer 10 (heat exchanger). Since the water vapor temperature and exhaust gas temperature to be used are utilized, even in such a case, an abnormality can be detected. Therefore, it can be said that the method of this embodiment is a better control method than the conventional method.

以下、上記構成の燃料電池発電装置を用いた具体的な制御手順について、図5のフローチャート図を参照して説明する。   Hereinafter, a specific control procedure using the fuel cell power generator configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、ステップS101で、コールドスタンバイ状態(常温状態)において、制御装置のボタン操作などによって燃料電池発電装置1の起動が指示されると、制御部5は、燃料電池モジュール2を起動用のヒータやバーナにより加熱して、燃料電池スタック3を発電可能な温度まで昇温させる。   First, in step S101, when the activation of the fuel cell power generation device 1 is instructed by a button operation of the control device or the like in the cold standby state (normal temperature state), the control unit 5 starts the fuel cell module 2 with a heater for activation, The fuel cell stack 3 is heated to a temperature at which power can be generated by heating with a burner.

次に、ステップS102で、制御部5は、空気供給系を制御して、燃料電池スタック3に所定の流量の空気を供給し、引き続きステップS103で、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系を制御して、燃料電池スタック3に所定の流量の燃料ガス及び水蒸気を供給する。   Next, in step S102, the control unit 5 controls the air supply system to supply a predetermined flow rate of air to the fuel cell stack 3, and subsequently, in step S103, controls the fuel gas supply system and the water vapor supply system. Thus, fuel gas and water vapor at a predetermined flow rate are supplied to the fuel cell stack 3.

次に、ステップS104で、制御部5は、温度測定手段を用いて燃料電池スタック3の温度を監視し、ステップS105で、燃料電池スタック3の温度と予め定められた温度とを比較し、所定の温度に達したらホットスタンバイ状態になったと判断して、ステップS106で、発電を開始し、定格運転を行う。   Next, in step S104, the control unit 5 monitors the temperature of the fuel cell stack 3 using temperature measuring means, and in step S105, compares the temperature of the fuel cell stack 3 with a predetermined temperature, When the temperature reaches the temperature, it is determined that a hot standby state has been reached. In step S106, power generation is started and rated operation is performed.

この定格運転時において、ステップS107で、制御部5は、水気化器10の水蒸気排出口10d近傍に設けた水蒸気温度測定部20から水蒸気の温度を取得(若しくは、水気化器10の排ガス排出口10b近傍に設けた排ガス温度測定部21から排ガスの温度を取得)し、予め定めた閾値と比較する。   During this rated operation, in step S107, the control unit 5 acquires the temperature of the water vapor from the water vapor temperature measurement unit 20 provided in the vicinity of the water vapor discharge port 10d of the water vaporizer 10 (or the exhaust gas discharge port of the water vaporizer 10). The temperature of the exhaust gas is acquired from the exhaust gas temperature measuring unit 21 provided in the vicinity of 10b) and compared with a predetermined threshold value.

そして、水蒸気温度若しくは排ガス温度が閾値以上となった場合は、制御部5は、水供給が減少若しくは停止したと判断し、ステップS108で、必要に応じて、警告ランプを点灯/点滅させたり、警告音を鳴らしたり、警告メッセージを表示するなどして、水気化器10への水供給が減少若しくは停止したことを通知する警告処理を行った後、ステップS110で発電停止若しくは発電出力を減少させるなどの処理を行う。   When the water vapor temperature or the exhaust gas temperature is equal to or higher than the threshold, the control unit 5 determines that the water supply has decreased or stopped, and in step S108, the warning lamp is turned on / flashed as necessary. After performing a warning process to notify that the water supply to the water vaporizer 10 has decreased or stopped by sounding a warning sound or displaying a warning message, the power generation is stopped or the power generation output is decreased in step S110. Process such as.

一方、ステップS107で、水蒸気温度若しくは排ガス温度が閾値未満であれば、ステップS109で、制御部5は、発電停止が指示されたかを判断し、指示されるまで、発電を継続する。   On the other hand, if the water vapor temperature or the exhaust gas temperature is less than the threshold value in step S107, in step S109, the control unit 5 determines whether power generation stop is instructed, and continues power generation until instructed.

図6は、水蒸気温度測定部20で測定した水蒸気排出口10d近傍の水蒸気の温度と水導入口10cに導入される純水流量との相関関係を示す図であり、一定の流量(約13mL/分)で純水を流しているとき、水蒸気は一定の温度(約543℃)であるが、純水の供給が減少すると水蒸気の温度が徐々に上昇することが分かる。従って、水蒸気の温度の閾値を定格運転時の値(ここでは543℃)よりもやや高い温度(例えば、545℃)に設定しておけば、水供給の減少若しくは停止を確実に検出することができる。   FIG. 6 is a diagram showing the correlation between the temperature of water vapor near the water vapor outlet 10d measured by the water vapor temperature measuring unit 20 and the flow rate of pure water introduced into the water inlet 10c. It can be seen that the temperature of the water vapor gradually rises as the supply of pure water decreases, although the water vapor is at a constant temperature (about 543 ° C.) when pure water is flowing at a minute). Therefore, if the water vapor temperature threshold is set to a temperature (for example, 545 ° C.) that is slightly higher than the value during rated operation (here, 543 ° C.), it is possible to reliably detect a decrease or stop in water supply. it can.

また、図7は、排ガス温度測定部21で測定した排ガス排出口10b近傍の排ガスの温度と水導入口10cに導入される純水流量との相関関係を示す図であり、一定の流量(約13mL/分)で純水を流しているとき、排ガスは一定の温度(約225℃)であるが、純水の供給が減少すると排ガスの温度が徐々に上昇することが分かる。従って、排ガスの温度の閾値を定格運転時の値(ここでは225℃)よりもやや高い温度(例えば、250℃)に設定しておけば、水供給の減少若しくは停止を確実に検出することができる。   FIG. 7 is a diagram showing the correlation between the temperature of the exhaust gas near the exhaust gas outlet 10b measured by the exhaust gas temperature measuring unit 21 and the flow rate of pure water introduced into the water inlet 10c. When pure water is flowing at 13 mL / min), the exhaust gas has a constant temperature (about 225 ° C.), but it can be seen that the temperature of the exhaust gas gradually increases as the supply of pure water decreases. Therefore, if the temperature threshold of the exhaust gas is set to a temperature (for example, 250 ° C.) slightly higher than the value during rated operation (here, 225 ° C.), it is possible to reliably detect a decrease or stop in water supply. it can.

また、図6及び図7では、定格運転時の水蒸気温度又は排ガス温度と純水流量との相関関係を示したが、出力を変動させながら発電を行っている場合であっても、正常動作時の出力と水蒸気温度又は排ガス温度との相関データを記憶しておき、測定した水蒸気温度又は排ガス温度と現在の出力に対応する水蒸気温度又は排ガス温度とを比較し、測定値が適正な温度範囲を逸脱した場合に、水供給が減少若しくは停止したと判断することができる。   6 and 7 show the correlation between the water vapor temperature or exhaust gas temperature during the rated operation and the pure water flow rate. Even when the power generation is performed while changing the output, the normal operation is performed. The correlation data between the output and the steam temperature or exhaust gas temperature is stored, the measured steam temperature or exhaust gas temperature is compared with the steam temperature or exhaust gas temperature corresponding to the current output, and the measured value is within the appropriate temperature range. When deviating, it can be determined that the water supply has been reduced or stopped.

このように、本実施例の燃料電池発電装置1では、制御部5は、水気化器10近傍の水蒸気温度若しくは排ガス温度が閾値以上となったら、水気化器10への水供給が減少若しくは停止した判断するため、安全に燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることができる。   Thus, in the fuel cell power generator 1 of the present embodiment, the control unit 5 reduces or stops the water supply to the water vaporizer 10 when the water vapor temperature or the exhaust gas temperature in the vicinity of the water vaporizer 10 exceeds the threshold value. Therefore, it is possible to safely stop the power generation of the fuel cell power generation device or reduce the power generation output.

なお、上記実施例では、水蒸気温度測定部20と排ガス温度測定部21の2つの温度測定手段を設けたが、少なくとも1つの温度測定手段を含んでいればよい。   In addition, in the said Example, although the two temperature measurement means of the water vapor | steam temperature measurement part 20 and the exhaust gas temperature measurement part 21 were provided, it should just contain at least 1 temperature measurement means.

また、上記実施例では、水蒸気温度若しくは排ガス温度が上昇した場合に、水気化器内の水位が低下したと判断して発電を停止若しくは発電出力を減少させる制御を行ったが、本発明では、水気化器内の水位と水蒸気温度若しくは排ガス温度との相関関係を利用しているため、水蒸気温度若しくは排ガス温度が下降した場合に、水供給が増加(水気化器内の水位が上昇)したと判断して、警告したり、発電を停止若しくは発電出力を減少させる制御を行う構成とすることもできる。   Further, in the above embodiment, when the water vapor temperature or the exhaust gas temperature is increased, it is determined that the water level in the water vaporizer has decreased, and the power generation is stopped or the power generation output is reduced. Since the correlation between the water level in the water vaporizer and the water vapor temperature or exhaust gas temperature is used, the water supply increases (the water level in the water vaporizer rises) when the water vapor temperature or the exhaust gas temperature falls. It is also possible to adopt a configuration in which a judgment is made and a warning is given, or power generation is stopped or control for reducing the power generation output is performed.

また、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置1について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、シールタイプの燃料電池発電装置1においても同様の効果を得ることができる。   Moreover, in the said Example, although the sealless type fuel cell power generator 1 was described, this invention is not limited to the said Example, The same effect is acquired also in a seal type fuel cell power generator 1. be able to.

本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置にも利用可能である。   The present invention is particularly effective in a solid oxide fuel cell power generator, but other types such as a solid polymer fuel cell power generator, a phosphoric acid fuel cell power generator, and a molten carbonate fuel cell power generator. It can also be used for a fuel cell power generator.

1 燃料電池発電装置
2 燃料電池モジュール
3 燃料電池スタック
4 燃料改質器
5 制御部
6 空気ブロア
7 燃料ガスブロア
8 水移送ポンプ
9 純水タンク
10 水気化器
10a 排ガス導入口
10b 排ガス排出口
10c 水供給口
10d 水蒸気排出口
11 空気極層
12 固体電解質層
13 燃料極層
14 発電セル
15、16 端板
17 セパレータ
18 空気極集電体
19 燃料極集電体
20 水蒸気温度測定部
21 排ガス温度測定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power generation device 2 Fuel cell module 3 Fuel cell stack 4 Fuel reformer 5 Control part 6 Air blower 7 Fuel gas blower 8 Water transfer pump 9 Pure water tank 10 Water vaporizer 10a Exhaust gas inlet 10b Exhaust gas outlet 10c Water supply Port 10d Water vapor outlet 11 Air electrode layer 12 Solid electrolyte layer 13 Fuel electrode layer 14 Power generation cell 15, 16 End plate 17 Separator 18 Air electrode current collector 19 Fuel electrode current collector 20 Water vapor temperature measuring unit 21 Exhaust gas temperature measuring unit

Claims (9)

炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、
前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び/又は排ガスの排出口近傍に温度測定部を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池発電装置の発電時に、前記温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御することを特徴とする燃料電池発電装置。
A fuel reformer for reforming a hydrocarbon-based fuel gas; a fuel cell module including a fuel cell stack for generating electric power by a reaction between the reformed fuel gas and an oxidant gas; and the fuel reformer. Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack, oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and supply of the fuel gas to the fuel reformer In a fuel cell power generator comprising at least a water vapor supply means for introducing water vapor into the path, and a controller,
The water vapor supply means includes a water vaporizer that is disposed at a boundary portion of the fuel cell module, vaporizes water supplied using heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module, and generates water vapor,
A temperature measuring unit is provided in the vicinity of the water vapor outlet and / or the exhaust gas outlet of the water vaporizer,
The controller is
A fuel characterized in that, during power generation by the fuel cell power generation device, the temperature of water vapor and / or exhaust gas measured by the temperature measurement unit is acquired, and power generation of the fuel cell power generation device is controlled based on the acquired temperature. Battery power generator.
前記制御部は、
前記温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度が予め定めた閾値以上となった場合、若しくは、予め定めた閾値以下となった場合は、前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電装置。
The controller is
When the temperature of the water vapor and / or exhaust gas measured by the temperature measuring unit is equal to or higher than a predetermined threshold, or when the temperature is equal to or lower than a predetermined threshold, power generation of the fuel cell power generation device is stopped or power generation output The fuel cell power generator according to claim 1, wherein
前記制御部は、
前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させる前に、前記水気化器に適正に水が供給されていないことを知らせる警告を行うことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池発電装置。
The controller is
3. The fuel cell according to claim 2, wherein a warning is given to inform the water vaporizer that water is not properly supplied before stopping the power generation of the fuel cell power generation device or reducing the power generation output. Power generation device.
炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び/又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度を取得し、取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する制御部、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
A fuel reformer for reforming a hydrocarbon-based fuel gas; a fuel cell module including a fuel cell stack for generating electric power by a reaction between the reformed fuel gas and an oxidant gas; and the fuel reformer. A fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack, an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and a boundary portion of the fuel cell module, Water is introduced into the fuel gas supply path to the fuel reformer, including a water vaporizer that vaporizes water supplied using the heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module and generates water vapor. A program for controlling a fuel cell power generator comprising at least a water vapor supply means,
Computer
During the power generation of the fuel cell power generation device, the temperature of the water vapor and / or the exhaust gas measured by the temperature measuring unit provided in the vicinity of the water vapor outlet and / or in the vicinity of the exhaust gas outlet of the water vaporizer is acquired, and the acquired temperature And a control program for controlling the power generation of the fuel cell power generation apparatus based on the control program.
前記制御部は、
前記温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度が予め定めた閾値以上となった場合、若しくは、予め定めた閾値以下となった場合は、前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることを特徴とする請求項4に記載の制御プログラム。
The controller is
When the temperature of the water vapor and / or exhaust gas measured by the temperature measuring unit is equal to or higher than a predetermined threshold, or when the temperature is equal to or lower than a predetermined threshold, power generation of the fuel cell power generation device is stopped or power generation output The control program according to claim 4, wherein the control program is reduced.
前記制御部は、
前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させる前に、前記水気化器に適正に水が供給されていないことを知らせる警告を行うことを特徴とする請求項5に記載の制御プログラム。
The controller is
6. The control program according to claim 5, wherein a warning is given to inform the water vaporizer that water is not properly supplied before stopping the power generation of the fuel cell power generation device or reducing the power generation output. .
炭化水素系の燃料ガスを改質する燃料改質器及び改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料改質器を介して前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を利用して供給される水を気化し、水蒸気を発生させる水気化器を含み、前記燃料改質器に至る前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記燃料電池発電装置を起動し、発電させる第1のステップと、
前記燃料電池発電装置の発電時に、前記水気化器の水蒸気の排出口近傍及び/又は排ガスの排出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度を取得する第2のステップと、
前記取得した温度に基づいて、前記燃料電池発電装置の発電を制御する第3のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
A fuel reformer for reforming a hydrocarbon-based fuel gas; a fuel cell module including a fuel cell stack for generating electric power by a reaction between the reformed fuel gas and an oxidant gas; and the fuel reformer. A fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack, an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and a boundary portion of the fuel cell module, Water is introduced into the fuel gas supply path to the fuel reformer, including a water vaporizer that vaporizes water supplied using the heat of exhaust gas discharged from the fuel cell module and generates water vapor. A method of controlling a fuel cell power generator comprising at least a water vapor supply means,
A first step of activating the fuel cell power generator to generate power;
A second step of acquiring the temperature of water vapor and / or exhaust gas measured by a temperature measuring unit provided in the vicinity of the water vapor outlet and / or in the vicinity of the exhaust gas outlet of the water vaporizer during power generation by the fuel cell power generator. When,
And a third step of controlling power generation of the fuel cell power generation device based on the acquired temperature.
前記第3のステップでは、
前記温度測定部で測定した水蒸気及び/又は排ガスの温度が予め定めた閾値以上となった場合、若しくは、予め定めた閾値以下となった場合は、前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
In the third step,
When the temperature of the water vapor and / or exhaust gas measured by the temperature measuring unit is equal to or higher than a predetermined threshold, or when the temperature is equal to or lower than a predetermined threshold, power generation of the fuel cell power generation device is stopped or power generation output The method of controlling a fuel cell power generator according to claim 7, wherein:
前記第3のステップでは、
前記燃料電池発電装置の発電を停止若しくは発電出力を減少させる前に、前記水気化器に適正に水が供給されていないことを知らせる警告を行うことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
In the third step,
9. The fuel cell according to claim 8, wherein a warning is given to notify that the water vaporizer is not properly supplied with water before stopping the power generation of the fuel cell power generation device or reducing the power generation output. A method for controlling a power generator.
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