JP2012227065A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物型の燃料電池モジュールを搭載した燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system equipped with a solid oxide fuel cell module.
従来、このような燃料電池システムに搭載された燃料電池モジュールとして、表面に燃料電池セルが形成された円筒状の燃料電池セル管を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池モジュールでは、燃料電池モジュールの起動時において、燃料電池セル管の内側に、燃料ガスを導入し、燃料電池セル管の外側に、酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとを燃焼させた燃焼ガスを導入する。これにより、燃料電池モジュールは、燃料電池モジュールの起動時において、燃料電池セルを迅速に昇温することができる。 Conventionally, as a fuel cell module mounted on such a fuel cell system, one having a cylindrical fuel cell tube with a fuel cell formed on its surface is known (see, for example, Patent Document 1). . In this fuel cell module, at the time of starting the fuel cell module, the fuel gas is introduced inside the fuel cell tube, and the oxidant gas and the temperature raising fuel gas are burned outside the fuel cell tube. Introduce combustion gas. Thus, the fuel cell module can quickly raise the temperature of the fuel cell when the fuel cell module is activated.
ところで、燃料電池モジュールは、運転するにあたり、様々な設計上の制約条件がある。このため、従来の燃料電池モジュールのように、燃料電池セル管の外側に燃焼ガスを流すだけでは、燃料電池セルの昇温時において、燃料電池モジュールを安全に運転することは困難である。 By the way, the fuel cell module has various design constraints in operation. For this reason, it is difficult to safely operate the fuel cell module when the temperature of the fuel cell is increased only by flowing the combustion gas to the outside of the fuel cell tube as in the conventional fuel cell module.
そこで、本発明は、燃料電池モジュールの運転を安全に行いつつ、燃料電池セルを迅速に昇温することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which can temperature-rise a fuel cell rapidly while performing operation | movement of a fuel cell module safely.
本発明の燃料電池システムは、電解質と、電解質の一方側に形成された空気極と、電解質の他方側に形成された燃料極とからなる燃料電池セルを有し、空気極側に酸化剤ガスを流通させ、燃料極側に燃料ガスを流通させることで発電可能な燃料電池モジュールと、酸化剤ガスを燃料電池モジュールへ向けて供給する酸化剤供給手段と、燃料ガスを燃料電池モジュールへ向けて供給する燃料供給手段と、酸化剤供給手段から燃料電池モジュールへ至る酸化剤供給流路に、燃焼用燃料ガスを供給する燃焼用燃料供給手段と、酸化剤供給流路に供給する燃焼用燃料ガスの供給流量を調整可能な流量調整手段と、燃料電池セルの温度を上昇させる昇温制御時において、流量調整手段を制御して、燃焼用燃料ガスの供給流量を調整可能な制御手段と、を備えたことを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention has a fuel cell comprising an electrolyte, an air electrode formed on one side of the electrolyte, and a fuel electrode formed on the other side of the electrolyte, and an oxidant gas on the air electrode side. A fuel cell module capable of generating electricity by flowing fuel gas to the fuel electrode side, oxidant supply means for supplying oxidant gas to the fuel cell module, and fuel gas to the fuel cell module Fuel supply means for supply, combustion fuel supply means for supplying combustion fuel gas to the oxidant supply flow path from the oxidant supply means to the fuel cell module, and combustion fuel gas supplied to the oxidant supply flow path A flow rate adjusting means capable of adjusting the supply flow rate of the fuel cell, and a control means capable of adjusting the supply flow rate of the fuel gas for combustion by controlling the flow rate adjusting means during the temperature rise control for increasing the temperature of the fuel cell. And said that there were pictures.
この構成によれば、制御手段は、昇温制御時において、流量調整手段を制御して、酸化剤供給流路に供給する燃焼用燃料ガスの供給流量を調整することができる。このため、制御手段は、燃料電池モジュールの安全性を考慮して、昇温制御を実行することが可能となる。これにより、制御手段は、燃料電池モジュールの運転を安全に行いつつ、燃料電池セルを迅速に昇温することができる。 According to this configuration, the control means can adjust the supply flow rate of the combustion fuel gas supplied to the oxidant supply flow path by controlling the flow rate adjustment means during the temperature rise control. For this reason, the control means can execute the temperature rise control in consideration of the safety of the fuel cell module. Thereby, the control means can rapidly raise the temperature of the fuel cell while safely operating the fuel cell module.
この場合、制御手段は、供給流量が予め設定された制限流量以下となるように、流量調整手段を制御することが好ましい。 In this case, it is preferable that the control unit controls the flow rate adjusting unit so that the supply flow rate is equal to or lower than a preset limit flow rate.
この構成によれば、制御手段は、供給流量を制限流量以下にすることができるため、燃料電池モジュールの安全性を担保することができる。 According to this configuration, the control unit can ensure the safety of the fuel cell module because the supply flow rate can be made lower than the limit flow rate.
この場合、制限流量は、燃焼用燃料ガスが爆発不能な流量である第1下限流量であることが好ましい。 In this case, the restricted flow rate is preferably a first lower limit flow rate that is a flow rate at which the combustion fuel gas cannot explode.
この構成によれば、制御手段は、供給流量を第1下限流量以下にすることができるため、燃焼用燃料ガスを爆発させることなく、燃焼用燃料ガスを燃料電池セルの空気極へ向けて供給することができる。これにより、制御手段は、燃料電池モジュールの安全性をさらに高めることができる。 According to this configuration, the control means can reduce the supply flow rate to the first lower limit flow rate or less, and therefore supply the combustion fuel gas toward the air electrode of the fuel cell without exploding the combustion fuel gas. can do. Thereby, the control means can further improve the safety of the fuel cell module.
この場合、制限流量は、燃料電池モジュールから排出される酸化剤ガスに混入する未燃分の燃焼用燃料ガスが所定の許容量を超えないような流量である第2下限流量であることが好ましい。 In this case, the limited flow rate is preferably a second lower limit flow rate that is a flow rate such that the unburned combustion fuel gas mixed in the oxidant gas discharged from the fuel cell module does not exceed a predetermined allowable amount. .
この構成によれば、制御手段は、供給流量を第2下限流量以下にすることができるため、排出される酸化剤ガスに混入する未燃分の燃焼用燃料ガスが許容量を超えないように、燃焼用燃料ガスを燃料電池セルの空気極へ向けて供給することができる。これにより、制御手段は、燃料電池モジュールから排出される酸化剤ガスを利用する場合において、未燃分の燃焼用燃料ガスが混入することによって与える影響を抑制することができる。 According to this configuration, the control means can reduce the supply flow rate to the second lower limit flow rate or less, so that the unburned combustion fuel gas mixed in the discharged oxidant gas does not exceed the allowable amount. The combustion fuel gas can be supplied toward the air electrode of the fuel battery cell. Thereby, the control means can suppress the influence which the fuel gas for combustion of unburned mixes when using oxidizing agent gas discharged | emitted from a fuel cell module.
この場合、制限流量は、燃料電池モジュールの燃料電池セル以外の構成部材における温度が所定の温度以下となるような流量である第3下限流量であることが好ましい。 In this case, the restricted flow rate is preferably a third lower limit flow rate that is a flow rate such that the temperature in the constituent members other than the fuel cell of the fuel cell module is equal to or lower than a predetermined temperature.
この構成によれば、制御手段は、供給流量を第3下限流量以下にすることができるため、燃料電池モジュールの構成部材の温度が所定の温度以下となるように、燃焼用燃料ガスを触媒の空気極へ向けて供給することができる。これにより、制御手段は、熱影響による構成部材の劣化を抑制することができるため、燃料電池モジュールの安全性をさらに高めることができる。 According to this configuration, the control means can reduce the supply flow rate to the third lower limit flow rate or less, so that the combustion fuel gas is supplied to the catalyst so that the temperature of the constituent members of the fuel cell module is equal to or lower than the predetermined temperature. It can be supplied toward the air electrode. Thereby, since the control means can suppress the deterioration of the structural member due to the thermal influence, the safety of the fuel cell module can be further enhanced.
この場合、制限流量は、空気極で消費される酸化剤ガス中の酸素が欠乏しない酸素濃度となるような流量である第4下限流量であることが好ましい。 In this case, it is preferable that the limiting flow rate is a fourth lower limit flow rate that is a flow rate at which the oxygen concentration in the oxidant gas consumed at the air electrode is not deficient.
この構成によれば、制御手段は、供給流量を第4下限流量以下にすることができるため、燃焼用燃料ガスが燃焼することによって酸素が消費され、燃料電池セルの空気極において酸素が欠乏することを抑制することができる。このため、酸素欠乏による空気極の損傷の虞を低減することができる。これにより、制御手段は、燃料電池モジュールの安全性をさらに高めることができる。 According to this configuration, the control means can reduce the supply flow rate to the fourth lower limit flow rate or less, so that oxygen is consumed by combustion of the combustion fuel gas, and oxygen is deficient in the air electrode of the fuel cell. This can be suppressed. For this reason, the possibility of damage to the air electrode due to oxygen deficiency can be reduced. Thereby, the control means can further improve the safety of the fuel cell module.
この場合、燃料電池モジュールは、燃料電池セルを所定の温度まで上昇させる起動運転を行った後、燃料電池セルを発電させる発電運転を行っており、制限流量は、燃焼用燃料ガスが爆発不能な流量である第1下限流量と、燃料電池モジュールから排出される酸化剤ガスに混入する未燃分の燃焼用燃料ガスが所定の許容量を超えないような流量である第2下限流量と、燃料電池モジュールの燃料電池セル以外の構成部材における温度が所定の温度以下となるような流量である第3下限流量と、空気極で消費される酸化剤ガス中の酸素が欠乏しない酸素濃度となるような流量である第4下限流量と、を有しており、制御手段は、燃料電池モジュールの起動運転時において、第1下限流量、第2下限流量および第3下限流量の中から最小の流量となるものを制限流量として設定し、燃料電池モジュールの発電運転時において、第4下限流量を制限流量として設定することが好ましい。 In this case, the fuel cell module performs a start-up operation for raising the fuel cell to a predetermined temperature, and then performs a power generation operation for generating power from the fuel cell, and the restriction flow rate is such that the combustion fuel gas cannot explode. A first lower limit flow rate that is a flow rate, a second lower limit flow rate that is a flow rate such that the unburned combustion fuel gas mixed in the oxidant gas discharged from the fuel cell module does not exceed a predetermined allowable amount, and fuel The third lower limit flow rate, which is a flow rate at which the temperature of the constituent members other than the fuel battery cells of the battery module is equal to or lower than a predetermined temperature, and the oxygen concentration at which oxygen in the oxidizing gas consumed at the air electrode is not deficient. The control means has a minimum flow rate among the first lower limit flow rate, the second lower limit flow rate, and the third lower limit flow rate at the start-up operation of the fuel cell module. Set shall as limiting flow, during the power generation operation of the fuel cell module, it is preferable to set the fourth lower flow rate of limited flow rate.
この構成によれば、制御手段は、供給流量を第1下限流量、第2下限流量および第3下限流量以下とすることができるため、燃料電池モジュールの起動運転時における安全性をより向上させることができる。また、制御手段は、供給流量を第4下限流量以下とすることができるため、燃料電池モジュールの発電運転時における安全性をより向上させることができる。 According to this configuration, the control means can reduce the supply flow rate to the first lower limit flow rate, the second lower limit flow rate, and the third lower limit flow rate or less, thereby further improving the safety during the start-up operation of the fuel cell module. Can do. In addition, since the control unit can set the supply flow rate to be equal to or lower than the fourth lower limit flow rate, the safety during the power generation operation of the fuel cell module can be further improved.
この場合、制御手段は、供給流量が制限流量に比して少ない場合、供給流量を増大させることが好ましい。 In this case, it is preferable that the control means increase the supply flow rate when the supply flow rate is smaller than the limited flow rate.
この構成によれば、制御手段は、制限流量近くまで供給流量を増大させることができるため、燃料電池モジュールの安全性を確保しつつ、燃料電池セルの温度上昇をさらに迅速に行うことができる。 According to this configuration, since the control unit can increase the supply flow rate to near the limit flow rate, the temperature of the fuel cell can be further rapidly increased while ensuring the safety of the fuel cell module.
この場合、制御手段は、予め設定された供給条件を満足する場合、燃焼用燃料ガスの供給を開始することが好ましい。 In this case, it is preferable that the control means starts supplying the combustion fuel gas when satisfying a preset supply condition.
この構成によれば、制御手段は、供給条件を満足するまでは、燃焼用燃料ガスの供給を行わず、所定の供給条件を満足した場合に、燃焼用燃料ガスの供給を開始する。このため、供給条件を、燃焼用燃料ガスの供給に最適な条件とすることで、制御手段は、燃焼用燃料ガスの供給を適切な条件で開始することが可能となる。 According to this configuration, the control means does not supply the combustion fuel gas until the supply condition is satisfied, and starts supplying the combustion fuel gas when the predetermined supply condition is satisfied. For this reason, the control means can start the supply of the combustion fuel gas under an appropriate condition by setting the supply condition to be an optimum condition for the supply of the combustion fuel gas.
この場合、供給条件は、燃料電池セルの温度が、燃焼用燃料ガスが発火可能な温度となる第1供給条件と、燃料電池モジュールへ向けて供給される酸化剤ガスの流量が予め設定された設定流量となる第2供給条件と、燃焼用燃料ガスの合流後の酸化剤供給流路における温度が、燃焼用燃料ガスが発火不能な温度となる第3供給条件と、を有し、制御手段は、全ての供給条件を満足する場合、燃焼用燃料ガスの供給を開始することが好ましい。 In this case, the supply conditions are set in advance so that the temperature of the fuel cell becomes a temperature at which the combustion fuel gas can be ignited, and the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell module A second supply condition that provides a set flow rate, and a third supply condition in which the temperature in the oxidant supply flow path after the combustion fuel gas merges becomes a temperature at which the combustion fuel gas cannot be ignited; When all the supply conditions are satisfied, it is preferable to start supplying the combustion fuel gas.
この構成によれば、制御手段は、第1供給条件、第2供給条件および第3供給条件の全てを満足した状態で、燃焼用燃料ガスの供給を開始することができる。つまり、制御手段は、酸化剤供給流路において燃焼用燃料ガスを発火させること無く、燃料電池セルの空気極へ供給することができ、燃焼用燃料ガスと共に酸化剤ガスを供給することができ、燃焼用燃料ガスを燃料電池セルの空気極に流通させることで発火させることができる。このため、制御手段は、燃焼用燃料ガスを触媒作用により好適に発火させることができる。 According to this configuration, the control means can start supplying the combustion fuel gas in a state where all of the first supply condition, the second supply condition, and the third supply condition are satisfied. That is, the control means can be supplied to the air electrode of the fuel cell without igniting the combustion fuel gas in the oxidant supply flow path, and can supply the oxidant gas together with the combustion fuel gas. The combustion fuel gas can be ignited by circulating it through the air electrode of the fuel cell. For this reason, the control means can suitably ignite the combustion fuel gas by catalytic action.
この場合、制御手段は、燃焼用燃料ガスの供給開始後、予め設定された一定量の燃焼用燃料ガスを供給し、供給開始から所定の期間経過後、燃焼用燃料ガスの供給流量を調整することが好ましい。 In this case, the control means supplies a predetermined amount of the combustion fuel gas after the start of the supply of the combustion fuel gas, and adjusts the supply flow rate of the combustion fuel gas after a predetermined period from the start of the supply. It is preferable.
この構成によれば、制御手段は、所定の期間だけ一定量の燃焼用燃料ガスを供給した後、燃焼用燃料ガスの供給流量を調整することで、昇温制御時における燃料電池セルの温度の応答遅れを低減することができる。 According to this configuration, the control means adjusts the supply flow rate of the combustion fuel gas after supplying a certain amount of combustion fuel gas for a predetermined period of time, so that the temperature of the fuel cell at the time of temperature rise control is controlled. Response delay can be reduced.
この場合、制御手段は、予め設定された供給停止条件を満足する場合、燃焼用燃料ガスの供給を停止させることが好ましい。 In this case, the control means preferably stops the supply of the combustion fuel gas when satisfying a preset supply stop condition.
この構成によれば、制御手段は、供給停止条件を満足すると、燃焼用燃料ガスの供給を停止する。このため、制御手段は、供給停止条件を、燃焼用燃料ガスの供給に適していない条件とすることで、燃焼用燃料ガスの供給を適切な条件で停止することが可能となる。 According to this configuration, the control means stops the supply of the combustion fuel gas when the supply stop condition is satisfied. For this reason, the control means makes it possible to stop the supply of the combustion fuel gas under an appropriate condition by setting the supply stop condition to be a condition not suitable for the supply of the combustion fuel gas.
この場合、供給停止条件は、燃料電池モジュールの燃料電池セル以外の構成部材における温度が、予め設定された上限温度よりも高くなる条件である第1供給停止条件と、燃焼用燃料ガスの合流後の酸化剤供給流路において、燃焼用燃料ガスが発火する条件である第2供給停止条件と、燃料電池セルの温度が、予め設定された上限温度よりも高くなる条件である第3供給停止条件と、供給流量が、予め設定された制限流量よりも多くなる条件である第4供給停止条件と、燃料電池セルの温度と、昇温制御において設定される燃料電池セルの制御温度との温度差が、予め設定された設定温度差よりも大きくなる条件である第5供給停止条件と、昇温制御が実行されていない条件である第6供給停止条件と、を有し、制御手段は、少なくともいずれか1つの供給停止条件を満足する場合、燃焼用燃料ガスの供給を停止させることが好ましい。 In this case, the supply stop condition is the first supply stop condition in which the temperature in the constituent members other than the fuel cell of the fuel cell module is higher than the preset upper limit temperature, and after the combustion fuel gas is joined The second supply stop condition, which is a condition for igniting the combustion fuel gas, and the third supply stop condition, which is a condition for the temperature of the fuel cell to be higher than a preset upper limit temperature, Difference between the fourth supply stop condition, which is a condition that the supply flow rate is higher than a preset limit flow rate, the temperature of the fuel cell, and the control temperature of the fuel cell set in the temperature rise control Has a fifth supply stop condition that is a condition that is greater than a preset temperature difference, and a sixth supply stop condition that is a condition that the temperature increase control is not executed, and the control means includes at least Izu It is satisfied if one supply stop condition, it is preferable to stop the supply of the combustion fuel gas.
この構成によれば、制御手段は、燃焼用燃料ガスの供給を適切な供給停止条件で停止させることができる。これにより、制御手段は、燃料電池モジュールの安全性をさらに向上させることができる。 According to this configuration, the control unit can stop the supply of the combustion fuel gas under an appropriate supply stop condition. Thereby, the control means can further improve the safety of the fuel cell module.
この場合、制御手段は、昇温制御において目標となる燃料電池セルの制御温度を設定する制御温度設定手段と、燃料電池セルの温度と制御温度との温度差に基づいて、燃焼用燃料ガスの制御流量を設定する制御流量設定手段と、供給流量と制御流量との偏差に基づいて、流量調整手段を制御する流量制御手段と、を有していることが好ましい。 In this case, the control means sets the control temperature setting means for setting the control temperature of the fuel cell, which is a target in the temperature rise control, and the temperature difference between the temperature of the fuel battery cell and the control temperature. It is preferable to have a control flow rate setting unit that sets the control flow rate, and a flow rate control unit that controls the flow rate adjustment unit based on a deviation between the supply flow rate and the control flow rate.
この構成によれば、制御手段は、供給流量と制御流量との偏差に基づいて、流量制御手段により流量調整手段を制御することで、燃料電池セルの昇温制御を間接的に実行することができる。 According to this configuration, the control unit can indirectly perform the temperature increase control of the fuel cell by controlling the flow rate adjusting unit by the flow rate control unit based on the deviation between the supply flow rate and the control flow rate. it can.
この場合、制御手段は、昇温制御において目標となる燃料電池セルの制御温度を設定する制御温度設定手段と、燃料電池セルの温度と制御温度との温度差に基づいて、流量調整手段を制御する流量制御手段と、を有していることが好ましい。 In this case, the control means controls the flow rate adjusting means based on the temperature difference between the control temperature setting means for setting the control temperature of the fuel cell that is the target in the temperature rise control and the temperature of the fuel battery cell. It is preferable to have a flow rate control means.
この構成によれば、制御手段は、燃料電池セルの温度と制御温度との温度差に基づいて、流量制御手段により流量調整手段を制御することで、燃料電池セルの昇温制御を直接的に実行することができる。 According to this configuration, the control unit directly controls the temperature increase of the fuel cell by controlling the flow rate adjusting unit by the flow rate control unit based on the temperature difference between the temperature of the fuel cell and the control temperature. Can be executed.
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池モジュールの運転を安全に行いつつ、燃料電池セルを迅速に昇温することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to quickly raise the temperature of the fuel cell while safely operating the fuel cell module.
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following examples. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily replaced by those skilled in the art or those that are substantially the same.
実施例1に係る燃料電池システムは、固体酸化物型の燃料電池モジュール、いわゆる、SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)を備えており、燃料電池モジュールを制御しながら、運転を行っている。以下、図1を参照して、燃料電池システムについて説明する。 The fuel cell system according to Example 1 includes a solid oxide fuel cell module, a so-called SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), and operates while controlling the fuel cell module. Hereinafter, the fuel cell system will be described with reference to FIG.
図1は、実施例1の燃料電池システムを模式的に表した概略構成図である。図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池モジュール5と、空気(酸化剤ガス)を供給する空気供給装置(酸化剤供給手段)6と、燃料ガスを供給する燃料供給装置7と、燃焼用燃料ガスを供給する燃焼用燃料供給装置8と、制御装置9とを備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing the fuel cell system of the first embodiment. As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a
図2は、実施例1に係る燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。図2に示すように、燃料電池モジュール5は、ケーシング201と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ202と、セルチューブ202の両端を支持する上管板203aおよび下管板203bと、これら上下管板203a,203bの間に配置された上断熱体204aおよび下断熱体204bとから構成されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically illustrating the fuel cell module according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the
ケーシング201は、胴ケース201aと、胴ケース201aの両端に設けられた上ケース201bおよび下ケース201cと、から構成され、その内部空間にセルチューブ202が収容されている。
The
図3は、セルチューブを模式的に表した概略構成図である。図3に示すように、セルチューブ202は、筒形状をなす基体管101と、基体管101の外周面に設けられた発電素子となる燃料電池セル210と、を有している。基体管101は、多孔質となるセラミックス製の円筒管であり、その内部を燃料ガスが流れる。そして、基体管101は、多孔質となっているため、内部に流れる燃料ガスを、基体管101の外周面側に導いている。燃料電池セル210は、燃料極103と、固体電解質104と、空気極105とを積層して構成され、固体電解質104の両側に燃料極103および空気極105が設けられている。この空気極105には、活性金属が含まれており、空気極105は、含有する活性金属により燃焼反応に寄与する機能(触媒作用による燃焼)を有している。また、燃料電池セル210は、燃料極103が基体管101の外周面に接しており、基体管101の軸方向に複数配置されている。複数の燃料電池セル210は、隣接する一方の燃料電池セル210の燃料極103と、隣接する他方の燃料電池セル210の空気極105とが、インターコネクタ106により接続されている。このように構成された燃料電池セル210は、燃料電池システム1の発電運転時において、例えば800℃から950℃の高温化で発電を行う。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram schematically showing the cell tube. As shown in FIG. 3, the
上管板203aは、ケーシング201の軸方向の一方(上側)に配置された板状の部材であり、下管板203bは、ケーシング201の軸方向の他方(下側)に配置された板状の部材である。そして、ケーシング201の上ケース201bと上管板203aとで区画された空間には、燃料供給室206が形成されており、ケーシング201の下ケース201cと下管板203bとで区画された空間には、燃料排出室207が形成されている。このため、燃料供給室206には、セルチューブ202の一方の開口端が接続され、燃料排出室207には、セルチューブ202の他方の開口端が接続され、これにより、セルチューブ202が、上管板203aおよび下管板203bに支持される。
The
上断熱体204aは、ケーシング201の軸方向の一方(上側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状に形成されている。下断熱体204bは、ケーシング201の軸方向の他方(下側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成されている。各断熱体204a,204bには、セルチューブ202が挿通される孔211a,211bがそれぞれ形成され、孔211a,211bの直径はセルチューブ202の直径よりも大きく形成されている。上断熱体204aおよび下断熱体204bに挟まれた空間には、発電室205が形成されている。また、下管板203bと下断熱体204bとの間には、空気供給室208が形成されており、上管板203aと上断熱体204aとの間には、空気排出室209が形成されている。このとき、セルチューブ202の燃料電池セル210は、発電室205内にのみ位置するように配置されている。
The
ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール5の動作について説明する。燃料電池モジュール5は、燃料電池セル210を所定の温度まで上昇させる起動運転を行った後、燃料電池セル210において発電を行う発電運転を行っている。燃料電池モジュール5が発電運転を行うと、燃料電池モジュール5の空気供給室208には空気が流入する。該空気は下断熱材204bの孔211bとセルチューブ202との隙間を通って、発電室205内に供給される。一方、燃料供給室206には燃料ガスが流入する。該燃料ガスはセルチューブ202の基体管101の内部を通って発電室205内に供給される。このとき、空気と燃料ガスとは、セルチューブ202の内周面および外周面において、互いに逆向きに流れている。
Here, the operation of the
基体管101の内部を流れる燃料ガスは、基体管101の細孔を通過して燃料極103に達する。この燃料ガスは、燃料極103に含まれる活性金属により水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極103の細孔を通過して固体電解質104まで到達する。一方、空気は、基体管101(空気極105)の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極105の細孔を通過する途中または固体電解質104まで到達してイオン化する。イオン化した酸素は固体電解質104を通過し、燃料極103に到達する。固体電解質104を通過した酸素イオンは燃料ガスと反応する。このような電池反応により生じる電位差によって、燃料電池モジュール5は発電を行う。
The fuel gas flowing inside the base tube 101 passes through the pores of the base tube 101 and reaches the
そして、発電室205において、発電に利用され高温となった燃料ガスは、空気供給室208において、発電に利用される前の空気と熱交換される。また、発電室205において、発電に利用され高温となった空気は、空気排出室209において、発電に利用される前の燃料ガスと熱交換される。
Then, in the
この後、発電に利用された後の燃料ガスおよび空気が熱交換により冷却された後、燃料ガスは、燃料排出室207に流入して、燃料排出室207から燃料電池モジュール5の外部に排出され、空気は、空気排出室209から燃料電池モジュール5の外部に排出される。
Thereafter, after the fuel gas and air used for power generation are cooled by heat exchange, the fuel gas flows into the
再び図1を参照し、空気供給装置6は、空気供給室208へ向けて空気を供給するものである。空気供給装置6と空気供給室208との間は、空気供給流路R1で接続されており、空気供給流路R1には、流通する空気の流量を計測する空気流量計30が設けられている。
Referring again to FIG. 1, the
燃料供給装置7は、燃料供給室206へ向けて燃料ガスを供給するものである。燃料供給装置7と燃料供給室206との間は、燃料供給流路R2で接続されている。
The
燃焼用燃料供給装置8は、空気供給流路R1へ向けて燃焼用燃料ガスを供給するものである。なお、燃焼用燃料ガスは、燃料ガスと同じものである。燃焼用燃料供給装置8と空気供給流路R1との間は、燃焼用燃料ガス供給流路R3で接続されている。燃焼用燃料ガス供給流路R3には、流通する空気の流量を計測する燃焼用燃料ガス流量計31が設けられ、燃焼用燃料ガス流量計31の上流側に流量調整弁32が設けられている。流量調整弁32は、制御装置9に接続され、制御装置9は、流量調整弁32を制御することにより、供給する燃焼用燃料ガスの流量を調整する。
The combustion
また、燃料電池システム1は、燃料電池モジュール5の電流値を計測する電流計40と、空気供給流路R1に設けられた第1温度センサ41および第2温度センサ2と、燃料電池モジュール5の発電室205に設けられた第3温度センサ43と、燃料電池モジュール5の上ケース201bに設けられた第4温度センサ44とを備えている。
Further, the fuel cell system 1 includes an
電流計40は、燃料電池モジュール5の発電によって得られた電流を計測している。第1温度センサ41は、空気供給流路R1に接続される燃焼用燃料ガス供給流路R3の合流部分の上流側に設けられている。このため、第1温度センサ41は、空気供給流路R1を流れる空気の温度を計測可能となっている。第2温度センサ42は、空気供給流路R1に接続される燃焼用燃料ガス供給流路R3の合流部分の下流側に設けられている。このため、第2温度センサ42は、空気供給流路R1の下流側において混合される空気および燃焼用燃料ガスの温度を計測可能となっている。
The
第3温度センサ43は、燃料電池モジュール5の発電室205の温度を計測可能となっている。第4温度センサ44は、燃料電池モジュール5の上ケース(構成部材)201bの温度を計測可能となっている。なお、第4温度センサ44は、燃料電池モジュール5の燃料電池セル210以外の構成部材であればよいため、上ケース201bに限らず、他の構成部材でもよい。そして、制御装置9には、上記した空気流量計30、燃焼用燃料ガス流量計31、電流計40、温度センサ41,42,43,44が接続されている。
The
制御装置9は、燃料電池モジュール5の起動運転時における制御を行ったり、燃料電池モジュール5の発電運転時における制御を行ったりしている。ここで、制御装置9は、燃料電池モジュール5の起動運転時における制御として、例えば、燃料電池モジュール5の昇温制御を実行している。昇温制御は、燃料電池モジュール5の発電効率を高めるために、燃料電池セル210の温度を上昇させる制御である。以下、図4を参照し、制御装置9について説明する。
The
図4は、制御装置を表したブロック図である。制御装置9は、昇温制御を実行する場合、流量調整弁32を制御することにより、空気供給流路R1へ供給される燃焼用燃料ガスの流量を調整している。図4に示すように、制御装置9は、制御温度設定部51と、制御流量設定部52と、流量制限部53と、流量制御部54とを有している。
FIG. 4 is a block diagram showing the control device. When executing the temperature increase control, the
図5は、時間の経過に伴って変化する制御温度のグラフである。図5のグラフは、その縦軸が制御温度となっており、その横軸が時間となっている。図5に示すように、制御温度設定部51は、単位時間当たりの温度の変化を表す温度変化率に基づいて、燃料電池セル210の制御温度を設定している。この温度変化率は、実験等に基づいて予め設定されている。制御温度は、燃料電池セル210の実温度を制御するための制御値であり、制御装置9は、設定された制御温度を目標として、燃料電池セル210の温度を昇温させる。制御温度設定部51は、燃料電池モジュール5の起動運転の開始時において、制御温度を燃料電池セル210の実温度と同温度に設定しており、この後、予め設定された温度変化率に基づいて、制御温度を上昇させていく。
FIG. 5 is a graph of the control temperature that changes over time. In the graph of FIG. 5, the vertical axis represents the control temperature, and the horizontal axis represents time. As shown in FIG. 5, the control
制御流量設定部52は、燃料電池セル210の実温度と制御温度との温度差に基づいて、燃焼用燃料ガスの制御流量を設定している。制御流量は、燃焼用燃料ガスの供給流量を制御するための制御値であり、制御装置9は、設定された制御流量を目標として、燃焼用燃料ガスの供給流量を調整する。なお、制御流量設定部52は、第3温度センサ43から得られる検出温度を、燃料電池セル210の実温度として取得している。
The control flow
流量制限部53は、燃焼用燃料ガスの供給流量を制限流量以下に設定しており、制限流量としては、第1下限流量、第2下限流量および第3下限流量がある。ここで、図6は、燃料電池セルの実温度に応じて変化する第1下限流量のグラフである。第1下限流量は、燃焼用燃料ガスが爆発不能な流量である。第1下限流量は、「空気供給装置6から供給される空気の流量×燃焼用燃料ガスの爆発下限界×安全率」で表される算出式によって算出される流量である。図6に示すように、第1下限流量は、第3温度センサ43から得られる検出温度が高くなるにつれて少なくなる。なお、図6の点線が、安全率を考慮しない(乗算しない)ときの第1下限温度であり、実線が、安全率を考慮した(乗算した)ときの第1下限温度である。
The
第2下限流量は、燃料電池モジュール5の空気排出室209から排出される空気に混入する未燃分の燃焼用燃料ガスが所定の許容量を超えないような流量である。ここで、燃料電池モジュール5の空気排出室209の下流側には、排出される空気により作動するガスタービン等の機器が接続される場合がある。この場合、第2下限流量は、「機器が受け入れられる未燃分の燃焼用燃料ガスの流量/(1−燃焼率)」で表される算出式によって算出される流量である。なお、燃焼率は、「燃焼用燃料ガスの燃焼量/燃焼用燃料ガスの投入量」で表される。
The second lower limit flow rate is a flow rate such that the unburned combustion fuel gas mixed in the air discharged from the
第3下限流量は、第4温度センサ44によって検出される燃料電池モジュール5の上ケース201b(構成部材)の温度が、所定の温度以下となるような流量である。
The third lower limit flow rate is a flow rate such that the temperature of the
そして、流量制限部53は、制御流量設定部52により設定された制御流量が制限流量以下であると、制御流量として設定する一方で、制御流量設定部52により設定された制御流量が制限流量を上回っていると、制限流量を制御流量として設定する。
When the control flow rate set by the control flow
流量制御部54は、燃焼用燃料ガスの供給流量と制御流量との偏差に基づいて、流量調整弁32を制御することにより、燃焼用燃料ガスの流量を調整している。
The flow
続いて、燃料電池システム1の起動運転時において、制御装置9により昇温制御を実行する一連の制御動作について説明する。制御装置9は、燃料電池システム1の起動運転を開始すると、燃焼用燃料ガスが予め設定された供給条件を満たしているか否かを判別する。ここで、供給条件としては、第1供給条件、第2供給条件および第3供給条件があり、これら全ての供給条件を満足することで、燃焼用燃料ガスの供給を開始する。
Next, a series of control operations for executing the temperature rise control by the
第1供給条件は、燃料電池セル210の温度が、燃焼用燃料ガスが発火可能な温度となる条件である。つまり、制御装置9は、第3温度センサ43の検出温度が、燃料電池セル210の触媒作用によって、燃焼用燃料ガスの燃焼が可能な温度となったら、第1供給条件を満たしたと判断する。
The first supply condition is a condition in which the temperature of the
第2供給条件は、燃料電池モジュール5へ向けて供給される空気の流量が予め設定された設定流量となる条件である。なお、設定流量は、空気供給流路R1に空気が流れる流量であり、0より大きければよい。このため、制御装置9は、空気流量計30の検出流量が、0より大きければ、第2供給条件を満たしたと判断する。
The second supply condition is a condition in which the flow rate of air supplied toward the
第3供給条件は、燃焼用燃料ガスの合流後の空気供給流路R1における温度が、燃焼用燃料ガスが発火不能な温度となる条件である。つまり、制御装置9は、第2温度センサ42によって検出される温度が、燃焼用燃料ガスが発火しない温度となったら、第3供給条件を満たしたと判断する。
The third supply condition is a condition in which the temperature in the air supply flow path R1 after the combustion fuel gas merges becomes a temperature at which the combustion fuel gas cannot be ignited. That is, the
そして、制御装置9は、全ての供給条件を満たすと、流量調整弁32を開弁制御して、燃焼用燃料ガスの供給を行うと共に、昇温制御の実行を開始する。一方で、制御装置9は、供給条件の全てを満たさなければ、流量調整弁32を閉弁制御して、燃焼用燃料ガスの供給を行わない。
And if all the supply conditions are satisfy | filled, the
流量調整弁32を開弁制御して、昇温制御が実行されると、制御装置9は、制御温度設定部51において、温度変化率に基づいて、図5に示すような制御温度を設定する。そして、制御装置9は、制御流量設定部52において、設定された制御温度と第3温度センサ43の検出温度(燃料電池セル210の実温度)との温度差に基づいて制御流量を設定する。制御装置9は、流量制限部53において、設定された制御流量および予め設定された制限流量のうち、最小となる流量を制御流量として設定する。そして、制御装置9は、流量制御部54において、設定された制御流量と、燃焼用燃料ガス流量計31の検出流量(燃焼用燃料ガスの供給流量)との偏差に基づいて、流量調整弁32を調整する。
When the flow
なお、制御温度設定部51による制御温度の設定に際し、制御流量設定部52において設定される制御流量が、流量制限部53において設定される制限流量に比して少ない場合、制御流量が制限流量を超えない範囲で、温度変化率を昇温側に変化させてもよい(図5の点線)。
When the control temperature is set by the control
そして、第3温度センサ43の検出温度が、燃料電池セル210が発電可能な温度に達すると、燃料電池システム1は、燃料電池モジュール5の起動運転から発電運転に移行し、制御装置9は、発電運転時における制御を実行する。ここで、制御装置9は、発電運転時においても昇温制御を実行している。続いて、燃料電池モジュール5の発電運転時における昇温制御について説明する。
When the temperature detected by the
制御温度設定部51は、燃料電池モジュール5の起動運転時においては、温度変化率に基づいて、図5に示すような制御温度を設定したが、燃料電池モジュール5の発電運転時においては、図7に示すグラフに基づいて制御温度を設定している。ここで、図7は、燃料電池モジュールの電流値に応じて変化する制御温度のグラフである。図7のグラフは、その縦軸が、制御温度であり、その横軸が、燃料電池モジュールの発電時に得られる電流値である。このグラフに示すように、制御装置9は、燃料電池モジュール5の電流値、すなわち電流計40によって検出される電流値に基づいて、制御温度が設定される。
The control
制御流量設定部52では、第3温度センサ43の検出温度と、制御温度設定部51により設定された制御温度との温度差に基づいて、燃焼用燃料ガスの制御流量を設定している。
The control flow
流量制限部53は、燃料電池モジュール5の発電運転時においても、制御流量を制限流量以下に設定している。制限流量としては、第4下限流量がある。第4下限流量は、空気極で消費される空気中の酸素が欠乏しない酸素濃度となる流量である。つまり、発電運転時において、電池反応によって消費される空気中の酸素量は、燃料電池モジュール5の電流値によって決定される。このため、電流計40によって電流値が計測されると、電池反応によって消費される空気中の酸素量を差し引いた残りの酸素量が、燃焼用燃料ガスに使用可能な酸素量となる。これにより、燃焼用燃料ガスに使用可能な酸素量に基づいて、燃焼用燃料ガスの第4下限流量を設定できる。
The flow
続いて、燃料電池システム1の発電運転時において、制御装置9により昇温制御を実行する一連の制御動作について説明する。制御装置9は、燃料電池システム1の発電運転に移行すると、制御温度設定部51において、燃料電池モジュール5に設けた電流計の電流値から、図7に示すグラフに基づいて制御温度を設定する。そして、制御装置9は、制御流量設定部52において、設定された制御温度と第3温度センサ43の検出温度との温度差に基づいて制御流量を設定する。制御装置9は、流量制限部53において、設定された制御流量および第4下限流量からなる制限流量のうち、最小となる流量を制御流量として設定する。そして、制御装置9は、流量制御部54において、設定された制御流量と、燃焼用燃料ガス流量計31の検出流量との偏差に基づいて、流量調整弁32を調整する。
Next, a series of control operations for executing the temperature rise control by the
また、燃料電池モジュール5の起動運転中または発電運転中において、制御装置9は、予め設定された燃焼用燃料ガスの供給停止条件を満たしているか否かを判別する。ここで、供給停止条件としては、第1供給停止条件、第2供給停止条件、第3供給停止条件、第4供給停止条件、第5供給停止条件および第6供給停止条件があり、少なくともいずれか1つの供給停止条件を満足することで、燃焼用燃料ガスの供給を停止する。
Further, during the start-up operation or the power generation operation of the
ここで、第1供給停止条件は、燃料電池モジュール5の燃料電池セル210以外の構成部材である上ケース201bの温度が、予め設定された上限温度よりも高くなる条件である。具体的に、第1供給停止条件は、第4温度センサ44の検出温度が、上ケース201bの上限温度よりも高くなる条件である。第2供給停止条件は、燃焼用燃料ガスの合流後の空気供給流路R1において、燃焼用燃料ガスが発火する条件である。具体的に、第2供給停止条件は、第1温度センサ41の検出温度に対する第2温度センサ42の検出温度の温度差が、燃焼用燃料ガスが発火したとみなされる所定の温度差となる条件である。なお、第2供給停止条件は、上記した温度差に代えて、第2温度センサ42の検出温度の単位時間当たりにおける変化率が、燃焼用燃料ガスが発火したとみなされる所定の変化率となる条件にしてもよい。
Here, the first supply stop condition is a condition in which the temperature of the
第3供給停止条件は、燃料電池セル210の温度が、予め設定された上限温度よりも高くなる条件である。具体的に、第3供給停止条件は、第3温度センサ43の検出温度が、燃料電池セル210の上限温度よりも高くなる条件である。第4供給停止条件は、燃焼用燃料ガスの供給流量が、予め設定された制限流量よりも多くなる条件である。具体的に、第4供給停止条件は、燃焼用燃料ガスの供給流量が、第1下限流量、第2下限流量、第3下限流量および第4下限流量よりも多くなる条件である。
The third supply stop condition is a condition in which the temperature of the
第5供給停止条件は、燃料電池セル210の温度と、燃料電池セル210の温度よりも低い制御温度との温度差が、予め設定された設定温度差よりも大きくなる条件である。具体的に、第5供給停止条件は、第3温度センサ43の検出温度と、制御温度設定部51によって設定された制御温度との温度差が、温度制御不能とされる設定温度差よりも大きくなる条件である。第6供給停止条件は、昇温制御が実行されていない条件である。具体的に、第6供給停止条件は、制御装置9が昇温制御を終了した条件、あるいは、制御装置9が昇温制御を実行していない条件である。
The fifth supply stop condition is a condition in which a temperature difference between the temperature of the
そして、制御装置9は、供給停止条件の少なくともいずれか1つを満たすと、流量調整弁32を閉弁制御して、燃焼用燃料ガスの供給を停止する。一方で、制御装置9は、供給停止条件を満たさなければ、流量調整弁32を開弁制御して、燃焼用燃料ガスの供給を行う。
When at least one of the supply stop conditions is satisfied, the
以上のように、実施例1の構成によれば、制御装置9は、昇温制御時において、流量調整弁32を制御して、空気供給流路R1に供給する燃焼用燃料ガスの供給流量を調整することができる。このため、制御装置9は、燃料電池モジュール5の安全性を考慮して、昇温制御を実行することが可能となる。これにより、制御装置9は、燃料電池モジュール5の運転を安全に行いつつ、燃料電池セル210の温度を迅速に昇温することができる。
As described above, according to the configuration of the first embodiment, the
また、実施例1の構成によれば、制御装置9は、流量制限部53により、燃焼用燃料ガスの供給流量を、予め設定された制限流量以下にすることができる。具体的に、制御装置9は、燃料電池モジュール5の起動運転時において、燃焼用燃料ガスの供給流量を、第1下限流量、第2下限流量および第3下限流量以下にすることができるため、燃料電池モジュール5の安全性を向上させることができる。また、制御装置9は、燃料電池モジュール5の発電運転時において、燃焼用燃料ガスの供給流量を、第4下限流量以下にすることができるため、燃料電池モジュール5の安全性を向上させることができる。
Further, according to the configuration of the first embodiment, the
また、実施例1の構成によれば、制御装置9は、供給流量が制限流量に比して少ない場合、制御流量が制限流量を超えない範囲で、温度変化率を昇温側に変化させることにより、供給流量を増大させることができる。これにより、制御装置9は、燃料電池システム1において、燃料電池モジュール5の安全性を確保しつつ、燃料電池セル210の温度上昇をさらに迅速に行うことができる。
Further, according to the configuration of the first embodiment, when the supply flow rate is smaller than the limit flow rate, the
また、実施例1の構成によれば、制御装置9は、供給条件を満足するまでは、燃焼用燃料ガスの供給を行わず、所定の供給条件を満足した場合に、燃焼用燃料ガスの供給を開始することができる。具体的に、制御装置9は、第1供給条件、第2供給条件および第3供給条件の全てを満足した状態で、燃焼用燃料ガスの供給を開始することで、燃料電池モジュール5の安全性を確保しつつ、適切な条件で燃焼用燃料ガスの供給を開始することができる。
Further, according to the configuration of the first embodiment, the
また、実施例1の構成によれば、制御装置9は、供給停止条件を満足する場合、燃焼用燃料ガスの供給を停止させることができる。具体的に、制御装置9は、第1供給停止条件ないし第6供給停止条件の少なくともいずれか1つの供給停止条件を満足する場合、燃焼用燃料ガスの供給を停止させることで、燃料電池モジュール5の安全性を確保することができる。
Further, according to the configuration of the first embodiment, the
なお、実施例1において、制御装置9は、燃焼用燃料ガスの供給を開始した後、燃焼用燃料ガスの供給流量を調整したが、この構成に限らず、燃焼用燃料ガスの供給開始後、予め設定された一定量の燃焼用燃料ガスを供給し、供給開始から所定の期間経過後、燃焼用燃料ガスの供給流量を調整してもよい。この構成によれば、制御装置9は、昇温制御時における燃料電池セル210の温度の応答遅れを低減することができる。
In Example 1, the
また、実施例1において、制御装置9は、図4に示す構成としたが、これに限らず、図8に示す変形例としてもよい。図8は、変形例1に係る制御装置を表したブロック図である。具体的に、変形例1の制御装置9は、制御流量設定部52を廃した構成となっており、制御温度設定部51によって設定された制御温度と第3温度センサ43の検出温度との温度差に基づいて、流量制御部54が流量調整弁32を制御している。この構成によれば、制御装置9は、燃料電池セル210の温度と制御温度との温度差に基づいて、流量制御部54により流量調整弁32を制御することで、燃料電池セル210の昇温制御を直接的に実行することができる。
Moreover, in Example 1, although the
次に、図9ないし図11を参照して、実施例2に係る燃料電池システム70について説明する。図9は、実施例2の燃料電池システムを模式的に表した概略構成図であり、図10および図11は、時間の経過に伴って変化する制御温度の一例のグラフである。なお、実施例2では、重複した記載を避けるべく、異なる部分について説明する。実施例2に係る燃料電池システム70は、実施例1と同様の燃料電池モジュール5が複数設けられており、制御装置9は、複数の燃料電池モジュール5における昇温制御を実行している。以下、実施例2に係る燃料電池システム70について説明する。
Next, a
図9に示すように、燃料電池システム70は、複数の燃料電池モジュール5と、実施例1と同様の空気供給装置6と、実施例1と同様の燃料供給装置7と、実施例1と同様となる複数の燃焼用燃料供給装置8と、制御装置9とを備えている。
As shown in FIG. 9, the
空気供給装置6は、各燃料電池モジュール5の各空気供給室208へ向けて空気を供給しており、空気供給装置6と複数の空気供給室208との間には、空気供給流路R1が設けられている。空気供給流路R1は、その下流側が複数に分岐しており、空気供給流路R1の上流側が空気供給装置6に接続され、複数に分岐した空気供給流路R1の下流側が複数の空気供給室208にそれぞれ接続されている。空気供給流路R1の上流側には、流通する空気の流量を計測する空気流量計30が設けられている。
The
燃料供給装置7は、各燃料電池モジュール5の各燃料供給室206へ向けて燃料ガスを供給しており、燃料供給装置7と複数の燃料供給室206との間には、燃料供給流路R2が設けられている。燃料供給流路R2は、その下流側が複数に分岐しており、燃料供給流路R2の上流側が燃料供給装置7に接続され、複数に分岐した燃料供給流路R2の下流側が複数の燃料供給室206にそれぞれ接続されている。
The
燃焼用燃料供給装置8は、複数に分岐した下流側の空気供給流路R1へ向けて燃焼用燃料ガスをそれぞれ供給可能なように複数設けられている。複数の燃焼用燃料供給装置8と、複数に分岐した下流側の空気供給流路R1との間には、それぞれ燃焼用燃料ガス供給流路R3が設けられている。各燃焼用燃料ガス供給流路R3には、流通する空気の流量を計測する燃焼用燃料ガス流量計31がそれぞれ設けられ、各燃焼用燃料ガス流量計31の上流側に流量調整弁32がそれぞれ設けられている。各流量調整弁32は、制御装置9にそれぞれ接続され、制御装置9は、各流量調整弁32を制御することにより、供給する燃焼用燃料ガスの流量を調整する。
A plurality of combustion
また、燃料電池システムは、実施例1と同様の電流計40、第1温度センサ41、第2温度センサ2、第3温度センサ43および第4温度センサ44を備えている。なお、電流計40、第1温度センサ41、第2温度センサ42、第3温度センサ43および第4温度センサ44は、実施例1と同様の位置に、複数の燃料電池モジュール5に対応させて、複数設けられている。
The fuel cell system includes an
制御装置9は、実施例1と同様に、制御温度設定部51と、制御流量設定部52と、流量制限部53と、流量制御部54とを有している。このため、制御装置9は、昇温制御を実行する場合、実施例1と同様の制御を行う。
As in the first embodiment, the
ところで、図10に示すように、複数の燃料電池モジュール5の昇温制御の開始時において、一方の燃料電池モジュール5における燃料電池セル210の温度と、他方の燃料電池モジュール5における燃料電池セル210の温度とが異なる場合がある。換言すれば、一方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度が高く、他方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度が低い場合がある。この場合、制御装置9は、検出温度の低い他方の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度が、検出温度の高い一方の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度に達するまで、検出温度の低い他方の燃料電池モジュール5の昇温制御を行う一方で、検出温度の高い一方の燃料電池モジュール5の昇温制御を行わない。
By the way, as shown in FIG. 10, at the start of the temperature increase control of the plurality of
すなわち、制御装置9は、検出温度の高い一方の燃料電池モジュール5の昇温制御を実行する場合、制御温度設定部51において、温度変化率をゼロとすることにより、設定される制御温度を一定にする。一方で、制御装置9は、検出温度の低い他方の燃料電池モジュール5の昇温制御を実行する場合、制御温度設定部51において、所定の温度変化率に基づいて、制御温度を設定することで、制御温度を上昇させる。そして、一方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度と、他方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度とが同じ温度となったら、制御装置9は、制御温度設定部51において、両方の燃料電池モジュール5の昇温制御における温度変化率と同じ値とし、同じ値となる温度変化率に基づいて、制御温度を設定する。
That is, when executing the temperature increase control of one
また、図11に示すように、複数の燃料電池モジュール5の昇温制御時において、制御温度設定部51によって設定される制御温度が同じであっても、一方の燃料電池モジュール5における燃料電池セル210の温度と、他方の燃料電池モジュール5における燃料電池セル210の温度との温度差が拡大する場合がある。換言すれば、一方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度が、他方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度よりも高くなっていく場合がある。なお、図11の実線は、制御温度であり、点線は、燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の実温度である。この場合、制御装置9は、検出温度の低い他方の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度が、検出温度の高い一方の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度に達するまで、両方の燃料電池モジュール5の昇温制御における温度変化率をゼロとすることにより、制御温度を一定にする。
In addition, as shown in FIG. 11, even when the control temperature set by the control
そして、一方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度と、他方の燃料電池モジュール5に設けられた第3温度センサ43の検出温度とが同じ温度となったら、制御装置9は、制御温度設定部51において、両方の燃料電池モジュール5の昇温制御における温度変化率を、ゼロから所定の値に戻し、所定の温度変化率に基づいて、制御温度を設定する。
When the detected temperature of the
以上のように、実施例2に係る燃料電池システム70の昇温制御時において、複数の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度がそれぞれ異なっても、一方の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度と、他方の燃料電池モジュール5の燃料電池セル210の温度とを、同じ温度とすることができる。
As described above, even when the temperatures of the
1 燃料電池システム
5 燃料電池モジュール
6 空気供給装置
7 燃料供給装置
8 燃焼用燃料供給装置
9 制御装置
30 空気流量計
31 燃焼用燃料ガス流量計
32 流量調整弁
40 電流計
41 第1温度センサ
42 第2温度センサ
43 第3温度センサ
44 第4温度センサ
51 制御温度設定部
52 制御流量設定部
53 流量制限部
54 流量制御部
70 燃料電池システム
101 基体管
103 燃料極
104 固体電解質
105 空気極
106 インターコネクタ
201 ケーシング
202 セルチューブ
205 発電室
206 燃料供給室
207 燃料排出室
208 空気供給室
209 空気排出室
210 燃料電池セル
R1 空気供給流路
R2 燃料供給流路
R3 燃焼用燃料ガス供給流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (15)
前記酸化剤ガスを前記燃料電池モジュールへ向けて供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料ガスを前記燃料電池モジュールへ向けて供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤供給手段から前記燃料電池モジュールへ至る酸化剤供給流路に、燃焼用燃料ガスを供給する燃焼用燃料供給手段と、
前記酸化剤供給流路に供給する前記燃焼用燃料ガスの供給流量を調整可能な流量調整手段と、
前記燃料電池セルの温度を上昇させる昇温制御時において、前記流量調整手段を制御して、前記燃焼用燃料ガスの前記供給流量を調整可能な制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell includes an electrolyte, an air electrode formed on one side of the electrolyte, and a fuel electrode formed on the other side of the electrolyte, and an oxidant gas is circulated on the air electrode side, A fuel cell module capable of generating power by circulating fuel gas on the fuel electrode side;
An oxidant supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell module;
Fuel supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell module;
Combustion fuel supply means for supplying combustion fuel gas to the oxidant supply flow path from the oxidant supply means to the fuel cell module;
A flow rate adjusting means capable of adjusting a supply flow rate of the combustion fuel gas supplied to the oxidant supply flow path;
Control means capable of controlling the flow rate adjusting means to adjust the supply flow rate of the combustion fuel gas at the time of temperature rise control for increasing the temperature of the fuel cell. Battery system.
前記燃料電池セルを所定の温度まで上昇させる起動運転を行った後、前記燃料電池セルを発電させる発電運転を行っており、
前記制限流量は、
前記燃焼用燃料ガスが爆発不能な流量である第1下限流量と、
前記燃料電池モジュールから排出される前記酸化剤ガスに混入する未燃分の前記燃焼用燃料ガスが所定の許容量を超えないような流量である第2下限流量と、
前記燃料電池モジュールの前記燃料電池セル以外の構成部材における温度が所定の温度以下となるような流量である第3下限流量と、
前記空気極で消費される前記酸化剤ガス中の酸素が欠乏しない酸素濃度となるような流量である第4下限流量と、を有しており、
前記制御手段は、
前記燃料電池モジュールの起動運転時において、前記第1下限流量、前記第2下限流量および前記第3下限流量の中から最小の流量となるものを前記制限流量として設定し、前記燃料電池モジュールの発電運転時において、前記第4下限流量を前記制限流量として設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell module is
After performing a start-up operation for raising the fuel cell to a predetermined temperature, performing a power generation operation for generating power to the fuel cell,
The restricted flow rate is
A first lower limit flow rate that is a flow rate at which the combustion fuel gas cannot explode;
A second lower limit flow rate that is a flow rate such that the unburned fuel gas for combustion mixed in the oxidant gas discharged from the fuel cell module does not exceed a predetermined allowable amount;
A third lower limit flow rate that is a flow rate such that the temperature in the constituent members other than the fuel cell of the fuel cell module is equal to or lower than a predetermined temperature;
A fourth lower limit flow rate that is a flow rate that results in an oxygen concentration at which oxygen in the oxidant gas consumed at the air electrode is not deficient,
The control means includes
During the start-up operation of the fuel cell module, the lowest flow rate among the first lower limit flow rate, the second lower limit flow rate, and the third lower limit flow rate is set as the limit flow rate, and the fuel cell module generates power. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fourth lower limit flow rate is set as the limit flow rate during operation.
前記燃料電池セルの温度が、前記燃焼用燃料ガスが発火可能な温度となる第1供給条件と、
前記燃料電池モジュールへ向けて供給される前記酸化剤ガスの流量が予め設定された設定流量となる第2供給条件と、
前記燃焼用燃料ガスの合流後の前記酸化剤供給流路における温度が、前記燃焼用燃料ガスが発火不能な温度となる第3供給条件と、を有し、
前記制御手段は、全ての前記供給条件を満足する場合、前記燃焼用燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。 The supply conditions are:
A first supply condition in which the temperature of the fuel cell becomes a temperature at which the combustion fuel gas can be ignited;
A second supply condition in which the flow rate of the oxidant gas supplied toward the fuel cell module is a preset flow rate;
The temperature in the oxidant supply flow path after the combustion fuel gas has joined has a third supply condition in which the combustion fuel gas becomes a temperature at which the combustion fuel gas cannot be ignited,
10. The fuel cell system according to claim 9, wherein the control unit starts supplying the combustion fuel gas when all the supply conditions are satisfied.
前記燃料電池モジュールの前記燃料電池セル以外の構成部材における温度が、予め設定された上限温度よりも高くなる条件である第1供給停止条件と、
前記燃焼用燃料ガスの合流後の前記酸化剤供給流路において、前記燃焼用燃料ガスが発火する条件である第2供給停止条件と、
前記燃料電池セルの温度が、予め設定された上限温度よりも高くなる条件である第3供給停止条件と、
前記供給流量が、予め設定された前記制限流量よりも多くなる条件である第4供給停止条件と、
前記燃料電池セルの温度と、前記昇温制御において設定される前記燃料電池セルの制御温度との温度差が、予め設定された設定温度差よりも大きくなる条件である第5供給停止条件と、
前記昇温制御が実行されていない条件である第6供給停止条件と、を有し、
前記制御手段は、少なくともいずれか1つの前記供給停止条件を満足する場合、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止させることを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。 The supply stop condition is
A first supply stop condition that is a condition in which the temperature of the constituent members other than the fuel cell of the fuel cell module is higher than a preset upper limit temperature;
A second supply stop condition that is a condition under which the combustion fuel gas ignites in the oxidant supply flow path after the combustion fuel gas has joined;
A third supply stop condition that is a condition in which the temperature of the fuel cell is higher than a preset upper limit temperature;
A fourth supply stop condition that is a condition in which the supply flow rate is greater than the preset restriction flow rate;
A fifth supply stop condition that is a condition in which a temperature difference between the temperature of the fuel battery cell and the control temperature of the fuel battery cell set in the temperature increase control is larger than a preset temperature difference;
A sixth supply stop condition that is a condition in which the temperature raising control is not executed,
13. The fuel cell system according to claim 12, wherein the control unit stops the supply of the combustion fuel gas when at least one of the supply stop conditions is satisfied.
前記昇温制御において目標となる前記燃料電池セルの制御温度を設定する制御温度設定手段と、
前記燃料電池セルの温度と前記制御温度との温度差に基づいて、前記燃焼用燃料ガスの前記制御流量を設定する制御流量設定手段と、
前記供給流量と前記制御流量との偏差に基づいて、前記流量調整手段を制御する流量制御手段と、を有していることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control means includes
Control temperature setting means for setting a control temperature of the fuel cell, which is a target in the temperature increase control;
Control flow rate setting means for setting the control flow rate of the combustion fuel gas based on a temperature difference between the temperature of the fuel cell and the control temperature;
The fuel according to any one of claims 1 to 13, further comprising: a flow rate control unit that controls the flow rate adjusting unit based on a deviation between the supply flow rate and the control flow rate. Battery system.
前記昇温制御において目標となる前記燃料電池セルの制御温度を設定する制御温度設定手段と、
前記燃料電池セルの温度と前記制御温度との温度差に基づいて、前記流量調整手段を制御する流量制御手段と、を有していることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control means includes
Control temperature setting means for setting a control temperature of the fuel cell, which is a target in the temperature increase control;
14. A flow rate control means for controlling the flow rate adjusting means based on a temperature difference between the temperature of the fuel cell and the control temperature. The fuel cell system described in 1.
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