JP2015103329A - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell system in which lowering in a water level inside a water tank is suppressed.SOLUTION: A solid oxide fuel cell system 1 comprises: a solid oxide fuel cell 20; a water recovery part 36 for recovering a water content included in an exhaust gas F from the fuel cell 20; a water tank 12 for storing the recovered water of the water recovery part 36; a water level determination part 42 for determining a water level inside the water tank 12; a power consumption load 34h for consuming, in a system, power generated by the fuel cell 20; and a control part 43 for activating the power consumption load 34h so as to consume the power generated by the fuel cell 20 while maintaining the power generated by the fuel cell 20 equal to or larger than predetermined power lower than rated power, when the water level determination part 42 determines that the water level inside the water tank 12 lowers to be equal to or lower than a first predetermined water level. As a result, supplying an oxidant gas whose flow rate exceeds a flow rate necessary for power generation to the fuel cell 20 in order to cool the fuel cell 20 can be avoided, so that lowering in the water level inside the water tank 12 can be suppressed.

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に水タンク内の水位の低下を抑制することができる固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly to a solid oxide fuel cell system capable of suppressing a decrease in the water level in a water tank.

近年、送電ロスを削減することができる等の利点を有する分散型発電装置として、発電効率が高く省エネルギーに資する燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを導入し、水素と酸素との電気化学反応によって発電し、発電の際に水が発生する。燃料電池を設置する際、水素含有ガスを入手するためのインフラ整備が十分でないことに鑑み、炭化水素系原料を改質して水素含有ガスとする改質器が併設されることが多い。炭化水素系原料を改質する方式の1つとして、炭化水素系原料に水蒸気を混合し加熱して改質する水蒸気改質がある。水蒸気改質で利用する水(水蒸気)を、燃料電池における発電に伴って生じた水や改質器から排出された水分で賄う水自立を維持することができれば、燃料電池及び改質器を含むシステム外から水を導入しなくて済む。   In recent years, the spread of fuel cells that have high power generation efficiency and contribute to energy saving is expected as a distributed power generation device having advantages such as reduction of power transmission loss. A fuel cell introduces a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas, generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates water during power generation. When installing a fuel cell, in view of insufficient infrastructure for obtaining a hydrogen-containing gas, a reformer that reforms a hydrocarbon-based material into a hydrogen-containing gas is often provided. One of the methods for reforming a hydrocarbon-based material is steam reforming in which steam is mixed with a hydrocarbon-based material and heated to reform. If the water (steam) used in steam reforming can be maintained by water generated by power generation in the fuel cell or water discharged from the reformer, the fuel cell and the reformer are included. There is no need to introduce water from outside the system.

システム内で回収できる水量が減少したときに、燃料電池の過昇温防止等の種々の運転条件を適正に維持したまま凝縮水の回収を促進して水自立することができるようにしたものとして、発電電力を低下させた燃料電池の過昇温を抑制したうえで、燃料電池への酸化剤ガス供給量を相対的に減少させて燃料電池からの排気中に含まれる水蒸気の割合を増加させ、燃料電池の温度が高い場合には酸化剤ガス供給量を増加させて燃料電池を冷却するものがある(例えば、特許文献1参照。)。   When the amount of water that can be recovered in the system decreases, it is possible to promote the recovery of condensed water while maintaining various operating conditions such as prevention of overheating of the fuel cell properly so that the water can become independent. In addition to suppressing the excessive temperature rise of the fuel cell that has reduced the generated power, the oxidant gas supply amount to the fuel cell is relatively decreased to increase the proportion of water vapor contained in the exhaust from the fuel cell. In some cases, when the temperature of the fuel cell is high, the fuel cell is cooled by increasing the supply amount of the oxidant gas (see, for example, Patent Document 1).

特開2013−73903号公報(段落0011−0013等)JP 2013-73903 A (paragraphs 0011-0013 and the like)

しかしながら、近年、燃料電池の発電効率の向上に資する断熱性能の向上により、低出力領域においては、発電電力を低下させても放熱が進まず、燃料電池の運転温度を適正な温度に保つことができない傾向にある。このとき、燃料電池を冷却するために燃料電池に供給される酸化剤ガスを増加させると、燃料電池から排出されるガスと共にシステム外に排出される水分が増加することとなり、水自立を維持できなくなる場合があった。   However, in recent years, by improving the heat insulation performance that contributes to the improvement of the power generation efficiency of the fuel cell, in the low output region, even if the generated power is reduced, heat radiation does not proceed, and the operating temperature of the fuel cell can be maintained at an appropriate temperature. It tends to be impossible. At this time, if the oxidant gas supplied to the fuel cell is increased in order to cool the fuel cell, the water discharged from the system together with the gas discharged from the fuel cell increases, and water independence can be maintained. There was a case that disappeared.

本発明は上述の課題に鑑み、水タンク内の水位の低下を抑制することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of suppressing a decrease in the water level in a water tank.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、例えば図1に示すように、系外の電力負荷95に供給する電力を発電する固体酸化物形の燃料電池20と;燃料電池20から排出された排ガスF中に含まれる水分を回収する水回収部36と;水回収部36で回収された水を貯留する水タンク12と;水タンク12内の水位を判断する水位判断部42と;燃料電池20で発生した電力を系内で消費する電力消費負荷34hと;水タンク12内の水位が第1の所定の水位Ls以下に低下する可能性があると水位判断部42が判断したときに、燃料電池20の発電電力を定格電力よりも低い所定の電力以上としつつ、燃料電池20で発生した電力を消費させるように電力消費負荷34hを作動させる制御部43とを備える。ここで、所定の電力は、典型的には、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を燃料電池の冷却のために増加させた際に水自立が困難にならない範囲の酸化剤ガス流量の上限に対応する出力である推奨最低出力以上で、当該推奨最低出力に極力近い任意の電力である。   In order to achieve the above object, a solid oxide fuel cell system according to a first aspect of the present invention is a solid oxide that generates electric power to be supplied to an electric power load 95 outside the system, for example, as shown in FIG. A fuel cell 20 having a shape; a water recovery unit 36 for recovering water contained in the exhaust gas F discharged from the fuel cell 20; a water tank 12 for storing water recovered by the water recovery unit 36; A water level determination unit 42 for determining the water level in the fuel cell; a power consumption load 34h for consuming electric power generated in the fuel cell 20 in the system; and the water level in the water tank 12 can be lowered to a first predetermined water level Ls or less. When the water level determination unit 42 determines that there is a power, the power consumption load 34h is set so that the power generated by the fuel cell 20 is consumed while the power generated by the fuel cell 20 is not less than a predetermined power lower than the rated power. Control unit to be operated Equipped with a 3 and. Here, the predetermined power typically has an oxidant gas flow rate in a range where water self-sustainability does not become difficult when the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell is increased for cooling the fuel cell. Any power that is equal to or higher than the recommended minimum output that is the output corresponding to the upper limit and is as close as possible to the recommended minimum output.

このように構成すると、燃料電池の発電電力を所定の電力以上とするので、燃料電池の冷却のために発電に必要な流量を超える酸化剤ガスを燃料電池に供給することを回避することが可能となり、水タンク内の水位の低下を抑制することができる。また、電力消費負荷を作動させるので逆潮流を回避することができる。   With this configuration, the power generated by the fuel cell is set to a predetermined level or higher, so that it is possible to avoid supplying an oxidant gas exceeding the flow rate necessary for power generation to cool the fuel cell to the fuel cell. Thus, it is possible to suppress a decrease in the water level in the water tank. Moreover, since the power consumption load is operated, reverse power flow can be avoided.

また、本発明の第2の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様に係る固体酸化物形燃料電池システム1において、燃料電池20から排出された排ガスFを水回収部36に導く前に燃焼させるオフガス燃焼部32と;オフガス燃焼部32から排出された排ガスFb中の可燃性物質を水回収部36に導く前に燃焼触媒で燃焼させる排ガス浄化部34であって、燃焼触媒を加熱する燃焼触媒ヒータ34hを有する排ガス浄化部34とを備え;電力消費負荷が燃焼触媒ヒータ34hで構成されている。   Moreover, the solid oxide fuel cell system according to the second aspect of the present invention is a fuel cell in the solid oxide fuel cell system 1 according to the first aspect of the present invention as shown in FIG. An off-gas combustion unit 32 that combusts the exhaust gas F discharged from 20 before being led to the water recovery unit 36; and a combustion catalyst before the combustible substance in the exhaust gas Fb discharged from the off-gas combustion unit 32 is guided to the water recovery unit 36 The exhaust gas purifying unit 34 is configured to combust with the exhaust gas purifying unit 34 having the combustion catalyst heater 34h for heating the combustion catalyst; the power consumption load is constituted by the combustion catalyst heater 34h.

このように構成すると、燃料電池の発電電力を所定の電力以上に維持するための専用の電力消費負荷を設けなくて済み、システム構成の簡素化を図ることができる。   With this configuration, it is not necessary to provide a dedicated power consumption load for maintaining the generated power of the fuel cell at a predetermined level or more, and the system configuration can be simplified.

また、本発明の第3の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る固体酸化物形燃料電池システム1において、燃料電池20で発生した電力の需要を検知する需要電力検知部25、98を備え;水位判断部42は、需要電力検知部25、98で検知された電力が所定の電力未満のときに、水タンク12内の水位が第1の所定の水位Ls以下に低下する可能性があると判断するように構成されている。   Moreover, the solid oxide fuel cell system according to the third aspect of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, and the solid oxide fuel cell system according to the first aspect or the second aspect of the present invention. 1 includes power demand detection units 25 and 98 that detect the demand for power generated in the fuel cell 20; the water level determination unit 42 is when the power detected by the power demand detection units 25 and 98 is less than a predetermined power. In addition, the water level in the water tank 12 is determined to be likely to drop below the first predetermined water level Ls.

このように構成すると、燃料電池の発電電力が所定の電力未満になることを回避することができる。   If comprised in this way, it can avoid that the electric power generated of a fuel cell becomes less than predetermined electric power.

また、本発明の第4の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る固体酸化物形燃料電池システム1において、水回収部36で水分が回収された排ガスFの温度を直接又は間接的に検知する排ガス温度検知部45を備え;水位判断部42は、排ガス温度検知部45で検知された温度が所定の温度以上のときに、水タンク12内の水位が第1の所定の水位Ls以下に低下する可能性があると判断するように構成されている。   Moreover, the solid oxide fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, and the solid oxide fuel cell system according to the first aspect or the second aspect of the present invention described above. 1 includes an exhaust gas temperature detection unit 45 that directly or indirectly detects the temperature of the exhaust gas F from which water has been recovered by the water recovery unit 36; the water level determination unit 42 has a temperature detected by the exhaust gas temperature detection unit 45. When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, it is determined that the water level in the water tank 12 may be lowered to the first predetermined water level Ls or lower.

このように構成すると、水タンク内の水位を検知する機器を備えることなく、水タンク内の水量を推定することができる。   If comprised in this way, the water quantity in a water tank can be estimated, without providing the apparatus which detects the water level in a water tank.

また、本発明の第5の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る固体酸化物形燃料電池システム1において、水タンク12内の水位が第1の所定の水位Lsよりも高い第2の所定の水位Lc以下であることを検知する水位検知部12gを備え;水位判断部42は、水位検知部12gが第2の所定の水位Lc以下であることを検知したときに、水タンク12内の水位が第1の所定の水位Ls以下に低下する可能性があると判断するように構成されている。   Further, the solid oxide fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, and the solid oxide fuel cell system according to the first aspect or the second aspect of the present invention. 1 includes a water level detection unit 12g that detects that the water level in the water tank 12 is equal to or lower than a second predetermined water level Lc higher than the first predetermined water level Ls; the water level determination unit 42 includes a water level detection unit 42 When it is detected that 12g is equal to or lower than the second predetermined water level Lc, the water level in the water tank 12 is determined to be likely to drop below the first predetermined water level Ls. .

このように構成すると、水タンク内の水位を直接検知することができ、水タンク内の水量が不足することを確実に回避することが可能になる。   If comprised in this way, the water level in a water tank can be detected directly, and it becomes possible to avoid reliably that the amount of water in a water tank is insufficient.

本発明によれば、燃料電池の冷却のために発電に必要な流量を超える酸化剤ガスを燃料電池に供給することを回避することが可能となり、水タンク内の水位の低下を抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to avoid supplying oxidant gas exceeding the flow volume required for electric power generation to a fuel cell for cooling of a fuel cell, and can suppress the fall of the water level in a water tank. it can.

本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの模式的系統図である。1 is a schematic system diagram of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 燃料電池を適切な運転温度に維持する際の、燃料電池の発電電力と、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric power generated of a fuel cell, and the flow volume of oxidant gas supplied to a fuel cell when maintaining a fuel cell at a suitable operating temperature. 水自立を維持するための制御の第1の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 1st example of control for maintaining water independence. 水自立を維持するための制御の第2の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 2nd example of control for maintaining water independence. 水自立を維持するための制御の第3の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 3rd example of control for maintaining water independence.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.

まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システム1を説明する。図1は、固体酸化物形燃料電池システム1の模式的系統図である。固体酸化物形燃料電池システム1(以下、単に「燃料電池システム1」という。)は、原料Dを水素に富む燃料ガスEに改質する改質器11と、改質器11における原料Dの改質に用いられる改質水Wを貯留する水タンク12と、固体酸化物形燃料電池20(以下、単に「燃料電池20」という。)と、燃料電池20から排出されたオフガスの一種である燃料オフガスFeを燃焼させるオフガス燃焼部としての燃焼部32と、燃焼部32から排出された燃焼排ガスFbの可燃成分を燃焼させる排ガス浄化部としての浄化部34と、水回収部としての熱交換部36と、制御装置40とを備えている。   First, a solid oxide fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic system diagram of a solid oxide fuel cell system 1. A solid oxide fuel cell system 1 (hereinafter simply referred to as “fuel cell system 1”) includes a reformer 11 that reforms a raw material D into a fuel gas E rich in hydrogen, and the raw material D in the reformer 11. A water tank 12 for storing reformed water W used for reforming, a solid oxide fuel cell 20 (hereinafter simply referred to as “fuel cell 20”), and a kind of off-gas discharged from the fuel cell 20. Combustion section 32 as an off-gas combustion section for burning fuel off-gas Fe, purification section 34 as an exhaust gas purification section for combusting combustible components of combustion exhaust gas Fb discharged from the combustion section 32, and heat exchange section as a water recovery section 36 and a control device 40.

原料Dは、改質することで燃料電池20における発電に利用可能となる程度に水素に富むガス(水素リッチガス)にできるものであり、典型的には炭化水素系燃料が用いられる。具体例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は、石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のもの等を適宜用いることができる。炭化水素類としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。   The raw material D can be made into a gas rich in hydrogen (hydrogen-rich gas) that can be used for power generation in the fuel cell 20 by reforming, and typically a hydrocarbon-based fuel is used. Specific examples include hydrocarbons, alcohols, ethers, biofuels, and these hydrocarbon fuels are derived from fossil fuels such as petroleum and coal, those derived from synthetic fuels such as synthesis gas, Those derived from biomass can be used as appropriate. Examples of hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG, city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil. Examples of alcohols include methanol and ethanol. Examples of ethers include dimethyl ether. Examples of biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet.

改質器11は、原料Dの改質を促進させる改質触媒を内部に有している。本実施の形態では、少なくとも水蒸気改質触媒が改質器11に収容されている。水蒸気改質触媒は吸熱反応が優勢となる改質触媒であるので、本実施の形態では、水蒸気改質触媒が、吸熱反応に必要な熱を燃焼部32からも得ることができるように構成されている。改質器11には、改質水Wを水タンク12から改質器11に導く改質水ラインとしての改質水管51と、原料Dを導入する原料ラインとしての原料管56と、原料Dを改質する際の酸化反応に用いられる酸化剤ラインとしての空気管58とが接続されている。なお、「・・・ライン」とは、流体の流路であり、典型的には専ら流体を案内する管であるが、他の用途に用いられる物と物との間に形成された空間であってもよい。   The reformer 11 has a reforming catalyst that promotes reforming of the raw material D inside. In the present embodiment, at least the steam reforming catalyst is accommodated in the reformer 11. Since the steam reforming catalyst is a reforming catalyst in which the endothermic reaction is dominant, in the present embodiment, the steam reforming catalyst is configured so that heat necessary for the endothermic reaction can be obtained also from the combustion unit 32. ing. The reformer 11 includes a reforming water pipe 51 as a reforming water line that guides the reforming water W from the water tank 12 to the reformer 11, a raw material pipe 56 as a raw material line for introducing the raw material D, and a raw material D An air pipe 58 is connected as an oxidant line used for an oxidation reaction when reforming. A "... line" is a fluid flow path, typically a tube that exclusively guides the fluid, but is a space formed between objects used for other purposes. There may be.

改質水管51には、改質水Wを搬送する改質水ポンプ13と、改質水Wを気化する気化器14が配置されている。改質器11と気化器14とは、典型的には隣接して設けられているが、配管で連結されていてもよい。原料管56には、原料Dを改質器11に向けて圧送する原料供給装置としての原料ブロワ16が挿入配置されている。空気管58には、酸化剤としての空気A1を改質器11に向けて圧送する酸化剤供給装置としての空気ブロワ18が挿入配置されている。図1では、原料管56を改質器11に直接連結した例を示しているが、原料管56を気化器14に連結し、原料D及び改質水Wを同時に気化器14に導入して両者を気化及び混合させる構成としてもよい。改質器11は、原料D及び気化した改質水W並びに空気A1を導入して燃料ガスEを生成するように構成されている。改質器11には、また、生成された燃料ガスEを導出する燃料ガスラインとしての燃料ガス管61が接続されている。   In the reforming water pipe 51, a reforming water pump 13 for conveying the reforming water W and a vaporizer 14 for vaporizing the reforming water W are disposed. The reformer 11 and the vaporizer 14 are typically provided adjacent to each other, but may be connected by a pipe. A raw material blower 16 serving as a raw material supply device that pumps the raw material D toward the reformer 11 is inserted and disposed in the raw material pipe 56. An air blower 18 as an oxidant supply device that pressure-feeds air A1 as an oxidant toward the reformer 11 is inserted into the air pipe 58. Although FIG. 1 shows an example in which the raw material pipe 56 is directly connected to the reformer 11, the raw material pipe 56 is connected to the vaporizer 14, and the raw material D and the reformed water W are simultaneously introduced into the vaporizer 14. It is good also as a structure which vaporizes and mixes both. The reformer 11 is configured to generate the fuel gas E by introducing the raw material D, the vaporized reforming water W, and the air A1. The reformer 11 is also connected with a fuel gas pipe 61 as a fuel gas line for deriving the generated fuel gas E.

水タンク12は、改質器11における原料Dの改質を連続して行うことができるのに足りる量の改質水Wを蓄えることができる有効容量を有している。一端が改質器11に接続された改質水管51の他端は、水タンク12の下部に接続されている。水タンク12には、内部に貯留される改質水Wが溢流するのを防止するオーバーフロー管12pが、上部側面に接続されている。オーバーフロー管12pの水タンク12に接続された部分の下端が、水タンク12の最高水位Lhとなる。また、水タンク12には、水タンク12内の水位を検知する水位検知部としての水位計12gが設けられている。水位計12gは、低水位Lsよりも高く最高水位Lhよりも低い警告水位Lcを検知することができるように構成されている。ここで、低水位Lsは、改質水Wを、燃料電池システム1内で回収した水で賄う、いわゆる水自立を維持することが困難になると予想される水位であり、第1の水位に相当する。低水位Lsは、例えば水タンク12の有効容量の半分の容量の改質水Wが貯留されているときの水位とすることができる。また、警告水位Lcは、水タンク12内の水位が低水位Lsに近づいていることを知るための水位であり、第2の水位に相当する。水位計12gは、典型的には、電極棒あるいはフロートスイッチが用いられる。   The water tank 12 has an effective capacity capable of storing an amount of reforming water W sufficient to continuously reform the raw material D in the reformer 11. The other end of the reforming water pipe 51 whose one end is connected to the reformer 11 is connected to the lower part of the water tank 12. An overflow pipe 12p that prevents the reforming water W stored therein from overflowing is connected to the upper side surface of the water tank 12. The lower end of the portion of the overflow pipe 12p connected to the water tank 12 is the highest water level Lh of the water tank 12. Further, the water tank 12 is provided with a water level meter 12g as a water level detection unit for detecting the water level in the water tank 12. The water level meter 12g is configured to detect a warning water level Lc that is higher than the low water level Ls and lower than the highest water level Lh. Here, the low water level Ls is a water level where it is expected that it will be difficult to maintain so-called water independence, in which the reformed water W is covered with water collected in the fuel cell system 1, and corresponds to the first water level. To do. For example, the low water level Ls can be a water level when the reformed water W having a capacity half the effective capacity of the water tank 12 is stored. The warning water level Lc is a water level for knowing that the water level in the water tank 12 is approaching the low water level Ls, and corresponds to the second water level. The water level gauge 12g typically uses an electrode rod or a float switch.

燃料電池20は、アノード21と、カソード22と、電解質23とを有している。アノード21は、燃料ガス管61を介して改質器11と接続されている。カソード22には、酸素を含む酸化剤ガスA2を導入する酸化剤ガスラインとしての酸化剤ガス管62が接続されている。酸化剤ガスA2は、典型的には空気である。酸化剤ガス管62には、酸化剤ガスA2をカソード22に向けて圧送する酸化剤ガス供給装置としての酸化剤ガスブロワ28が挿入配置されている。燃料電池20は、燃料ガスE及び酸化剤ガスA2を導入し、燃料ガスE中の水素等と酸化剤ガスA2中の酸素との電気化学的反応により直流の電力を発生するように構成されている。   The fuel cell 20 includes an anode 21, a cathode 22, and an electrolyte 23. The anode 21 is connected to the reformer 11 via the fuel gas pipe 61. An oxidant gas pipe 62 as an oxidant gas line for introducing an oxidant gas A2 containing oxygen is connected to the cathode 22. The oxidant gas A2 is typically air. An oxidant gas blower 28 serving as an oxidant gas supply device that pumps the oxidant gas A2 toward the cathode 22 is inserted into the oxidant gas pipe 62. The fuel cell 20 is configured to introduce the fuel gas E and the oxidant gas A2 and generate DC power by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas E and oxygen in the oxidant gas A2. Yes.

燃料電池20としては、本実施の形態では円筒型(平板円筒型を含む)の固体酸化物形燃料電池(SOFC)が用いられている。燃料電池20は、発電に適した温度(概ね700〜1000℃)があり、当該適温を維持するために、シリカやアルミナ等の無機材料によって放熱率が低くなるように形成された断熱材(不図示)で覆われている。燃料電池20における発電のために燃料電池20に供給された燃料ガスE及び酸化剤ガスA2は、そのすべてが発電に利用されるのではなく、燃料電池20の発電電流に応じた分が利用される。燃料電池20における発電のために燃料電池20に供給された燃料ガスEのうち、発電に利用されなかった分は、燃料オフガスFeとして排出される。また、燃料電池20における発電のために燃料電池20に供給された酸化剤ガスA2のうち、発電に利用されなかった分は、酸化剤オフガスFaとして排出される。   As the fuel cell 20, a cylindrical type (including a flat plate cylindrical type) solid oxide fuel cell (SOFC) is used in the present embodiment. The fuel cell 20 has a temperature suitable for power generation (generally 700 to 1000 ° C.), and in order to maintain the temperature, an insulating material (non-heat insulating material) formed so as to have a low heat dissipation rate by an inorganic material such as silica or alumina. (Illustrated). The fuel gas E and the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 for power generation in the fuel cell 20 are not all used for power generation, but the amount corresponding to the power generation current of the fuel cell 20 is used. The Of the fuel gas E supplied to the fuel cell 20 for power generation in the fuel cell 20, the portion not used for power generation is discharged as fuel off-gas Fe. Further, of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 for power generation in the fuel cell 20, the portion not used for power generation is discharged as the oxidant off-gas Fa.

燃焼部32は、燃料オフガスライン63を介してアノード21と連絡している。燃焼部32は、また、酸化剤オフガスライン64を介してカソード22と連絡している。燃焼部32は、燃料オフガスライン63を介して導入した燃料オフガスFeを燃焼させるように構成されている。燃料オフガスFeの燃焼に必要な酸化剤は、酸化剤オフガスライン64を介して導入した酸化剤オフガスFaが用いられる。燃焼部32は、改質器11内の改質触媒に熱を与えることができるように、改質器11に隣接して配置されている。例えば、改質器11及び燃料電池20が収容された筐体(不図示)内において、燃料オフガスFe及び酸化剤オフガスFaが排出される部分の上部に改質器11を配置し、改質器11と燃料電池20との間の空間で燃料オフガスFeを燃焼させる構造としてもよい。この場合、改質器11と燃料電池20との間の空間が燃焼部32に相当し、燃料オフガスライン63及び酸化剤オフガスライン64と、燃焼部32とが極めて近接した構造となる。燃焼部32は、燃料オフガスFeの燃焼で生じる燃焼排ガスFbを排出するように構成されている。燃焼部32には、燃焼排ガスFbを流す燃焼排ガスラインとしての燃焼排ガス管65が接続されている。   The combustion unit 32 communicates with the anode 21 via a fuel off gas line 63. The combustor 32 is also in communication with the cathode 22 via an oxidant offgas line 64. The combustion unit 32 is configured to burn the fuel offgas Fe introduced through the fuel offgas line 63. As the oxidant necessary for the combustion of the fuel offgas Fe, the oxidant offgas Fa introduced through the oxidant offgas line 64 is used. The combustion unit 32 is disposed adjacent to the reformer 11 so that heat can be applied to the reforming catalyst in the reformer 11. For example, in a casing (not shown) in which the reformer 11 and the fuel cell 20 are accommodated, the reformer 11 is disposed above a portion where the fuel off-gas Fe and the oxidant off-gas Fa are discharged, and the reformer The fuel off-gas Fe may be combusted in the space between the fuel cell 11 and the fuel cell 20. In this case, the space between the reformer 11 and the fuel cell 20 corresponds to the combustion unit 32, and the fuel off-gas line 63, the oxidant off-gas line 64, and the combustion unit 32 are very close to each other. The combustion unit 32 is configured to discharge the combustion exhaust gas Fb generated by the combustion of the fuel off gas Fe. A combustion exhaust gas pipe 65 as a combustion exhaust gas line through which the combustion exhaust gas Fb flows is connected to the combustion unit 32.

浄化部34は、燃焼排ガス管65を介して燃焼部32と連絡している。浄化部34は、燃焼部32において燃料オフガスFe中の可燃成分が燃焼しきらずに燃焼排ガスFb中に可燃成分が含まれる場合に、燃焼排ガスFb中の可燃成分を燃焼させることで燃焼排ガスFbを浄化する部位である。浄化部34は、燃焼排ガスFb中の可燃成分を燃焼させたときに発生する熱を改質器11に与えることができるように配置されていてもよい。浄化部34は、燃焼排ガスFb中の可燃成分を燃焼させる燃焼触媒(不図示)と、燃焼触媒を活性温度に昇温する燃焼触媒ヒータ34hとを有している。燃焼触媒は、燃焼排ガスFb中の可燃成分の酸化を促進させる物質で構成されており、例えば、白金、パラジウム等の貴金属系触媒や、マンガン、鉄等の卑金属系触媒等を用いることができる。燃焼触媒ヒータ34hは、燃料電池システム1の起動時に燃焼触媒(不図示)を活性温度まで速やかに上昇させることができる発熱量を有するように構成されている。また、燃焼触媒ヒータ34hは、典型的には、デューティ比を変えることで、発熱量を変えることができるように構成されている。本実施の形態では、燃焼触媒ヒータ34hが電力消費負荷に相当する。浄化部34は、燃焼排ガスFbが浄化されて生じる浄化排ガスFpを排出するように構成されている。燃料電池20から排出され、熱交換部36に流入するまでに生ずる燃料オフガスFe、酸化剤オフガスFa、燃焼排ガスFb、浄化排ガスFpを、総称して単に「排ガスF」ということとする。浄化部34には、浄化排ガスFpを流す浄化排ガスラインとしての浄化排ガス管66が接続されている。   The purification unit 34 communicates with the combustion unit 32 via the combustion exhaust gas pipe 65. The purifying unit 34 burns the combustible component in the combustion exhaust gas Fb by burning the combustible component in the combustion exhaust gas Fb when the combustible component in the combustion exhaust gas Fb is contained in the combustion unit 32 without combusting the combustible component in the fuel off-gas Fe. This is the part to be purified. The purification unit 34 may be arranged so that heat generated when combustible components in the combustion exhaust gas Fb are burned can be given to the reformer 11. The purification unit 34 includes a combustion catalyst (not shown) that burns combustible components in the combustion exhaust gas Fb, and a combustion catalyst heater 34h that raises the temperature of the combustion catalyst to an activation temperature. The combustion catalyst is made of a substance that promotes the oxidation of combustible components in the combustion exhaust gas Fb. For example, a noble metal catalyst such as platinum or palladium, a base metal catalyst such as manganese or iron, or the like can be used. The combustion catalyst heater 34h is configured to have a heat generation amount that can quickly raise the combustion catalyst (not shown) to the activation temperature when the fuel cell system 1 is started. The combustion catalyst heater 34h is typically configured to change the amount of heat generated by changing the duty ratio. In the present embodiment, the combustion catalyst heater 34h corresponds to the power consumption load. The purification unit 34 is configured to discharge the purified exhaust gas Fp generated by purifying the combustion exhaust gas Fb. The fuel off gas Fe, the oxidant off gas Fa, the combustion exhaust gas Fb, and the purified exhaust gas Fp that are discharged from the fuel cell 20 and flow into the heat exchanging unit 36 are collectively referred to simply as “exhaust gas F”. A purified exhaust gas pipe 66 as a purified exhaust gas line through which the purified exhaust gas Fp flows is connected to the purification unit 34.

熱交換部36は、浄化排ガスFpが保有する水分及び熱を回収する部位である。熱交換部36は、熱回収流体Cを流す熱回収流体流路36xを有している。熱交換部36は、浄化排ガスFpを導入し、導入した浄化排ガスFpと熱回収流体流路36x内を流れる熱回収流体Cとの間で熱交換を行わせることで、熱回収流体Cのエンタルピを増加させ(熱回収)、浄化排ガスFpのエンタルピを減少させるように構成されている。また、熱交換部36は、浄化排ガスFpのエンタルピを減少させることにより、浄化排ガスFp中に含まれていた水分が凝縮した凝縮水Wcが生じるように構成されている。熱交換部36は、浄化排ガスFpから水分及び熱が回収された後の系外放出ガスGを流す系外放出ガスラインとしての系外放出ガス管67と、凝縮水Wcを排出する凝縮水ラインとしての凝縮水管69とが接続されている。系外放出ガス管67には、熱交換部36から排出された系外放出ガスGの温度を検知する排ガス温度検知部としての温度計45が設けられている。一端が熱交換部36に接続された凝縮水管69の他端は、水タンク12内で開口している。凝縮水管69は、熱交換部36で生じた凝縮水Wcを水タンク12に導くように配設されている。水タンク12に導かれた凝縮水Wcは、水処理装置(不図示)を経て、改質水Wとして利用される。   The heat exchange unit 36 is a part that recovers moisture and heat that the purified exhaust gas Fp has. The heat exchanging part 36 has a heat recovery fluid flow path 36x through which the heat recovery fluid C flows. The heat exchange unit 36 introduces the purified exhaust gas Fp and causes heat exchange between the introduced purified exhaust gas Fp and the heat recovery fluid C flowing in the heat recovery fluid flow path 36x, so that the enthalpy of the heat recovery fluid C is obtained. Is increased (heat recovery), and the enthalpy of the purified exhaust gas Fp is decreased. Further, the heat exchanging unit 36 is configured to generate condensed water Wc in which moisture contained in the purified exhaust gas Fp is condensed by reducing the enthalpy of the purified exhaust gas Fp. The heat exchanging unit 36 includes an out-of-system discharge gas pipe 67 as an out-of-system discharge gas line through which the out-of-system discharge gas G after the moisture and heat are recovered from the purified exhaust gas Fp, and a condensed water line for discharging the condensed water Wc. A condensate water pipe 69 is connected. The out-of-system discharge gas pipe 67 is provided with a thermometer 45 as an exhaust gas temperature detection unit that detects the temperature of the out-of-system discharge gas G discharged from the heat exchange unit 36. The other end of the condensed water pipe 69 whose one end is connected to the heat exchange unit 36 is open in the water tank 12. The condensed water pipe 69 is disposed so as to guide the condensed water Wc generated in the heat exchange unit 36 to the water tank 12. The condensed water Wc guided to the water tank 12 is used as the reformed water W through a water treatment device (not shown).

燃料電池システム1は、パワーコンディショナ25を介して系統電源PSに連系されている。系統電源PSは、電力会社が保有する商用の配電線網から供給される電源である。パワーコンディショナ25は、燃料電池20で発電された電力を安定した出力に調整する機器である。パワーコンディショナ25は、燃料電池20で発生した直流電力を昇圧するコンバータと、コンバータで昇圧された直流の電力を交流に変換するインバータとを有している。パワーコンディショナ25を介して系統電源PSと連系した燃料電池システム1は、燃料電池システム1の外部(系外)に配置された電力負荷である系外負荷95(例えば家電機器等)に電気的に接続されており、燃料電池20で発電された電力を系外負荷95に供給することができるように構成されている。パワーコンディショナ25は、燃料電池システム1から出力する電力を調節することができるように構成されている。本実施の形態におけるパワーコンディショナ25は、瞬時に出力電力を下げることができるように構成されている。これにより、需要電力の減少に追従しきれずに余剰電力が系統電源PSに向けて出力(逆潮流)されてしまうことを防ぐことができ、このような理由による余剰電力を消費するための専用の機器(典型的には燃料電池を冷却する冷却水又は蓄熱のための回収水に放熱するヒータ)を設けなくて済む。燃料電池システム1との接続点よりも上流側の電力ケーブル99には、系統電源PSから供給される電力を検知する電力計98が配設されている。   The fuel cell system 1 is linked to the system power supply PS via the power conditioner 25. The system power source PS is a power source supplied from a commercial distribution line network owned by an electric power company. The power conditioner 25 is a device that adjusts the electric power generated by the fuel cell 20 to a stable output. The power conditioner 25 has a converter that boosts DC power generated in the fuel cell 20 and an inverter that converts DC power boosted by the converter into AC. The fuel cell system 1 connected to the system power supply PS via the power conditioner 25 is electrically connected to an external load 95 (for example, home appliances) that is a power load arranged outside the fuel cell system 1 (outside the system). Are connected to each other, and the electric power generated by the fuel cell 20 can be supplied to the external load 95. The power conditioner 25 is configured to be able to adjust the power output from the fuel cell system 1. The power conditioner 25 in the present embodiment is configured so that the output power can be instantaneously reduced. As a result, it is possible to prevent surplus power from being output (reverse power flow) toward the system power source PS without following the decrease in demand power, and a dedicated power source for consuming surplus power for this reason. It is not necessary to provide equipment (typically, a heater that radiates heat to the cooling water for cooling the fuel cell or the recovered water for heat storage). A power meter 98 that detects the power supplied from the system power supply PS is disposed on the power cable 99 upstream of the connection point with the fuel cell system 1.

制御装置40は、各計器で検知された値を受信する受信部41と、水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があるか否かを判断する水位判断部42と、燃料電池システム1を構成する機器の動作を制御する制御部43とを有している。受信部41は、水位計12g、温度計45、電力計98と、それぞれ信号ケーブルで接続されており、各計器12g、45、98で検知された値を信号として受信することができるように構成されている。水位判断部42は、受信部41が受信した値に基づいて、水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があるか否かを判断するように構成されている。ここで、低水位Ls以下に低下する可能性があるとは、典型的には、水タンク12内の水位が低下傾向にあることが予測できる状態である。制御部43は、改質水ポンプ13、原料ブロワ16、空気ブロワ18、酸化剤ガスブロワ28と、それぞれ信号ケーブルで接続されており、これらの機器の発停及び吐出流量を制御することができるように構成されている。また、制御部43は、パワーコンディショナ25と信号ケーブルで接続されており、燃料電池システム1から系外への出力電力、及び触媒ヒータ34hへの出力電力を調節することができるように構成されている。また、制御部43は、操作盤(不図示)を介して、あるいは遠隔により、燃料電池システム1の運転に関する指令の信号を受けて、あらかじめ記憶されているシーケンスをふまえて、燃料電池システム1の運転を制御するように構成されている。   The control device 40 includes a receiving unit 41 that receives a value detected by each meter, a water level determining unit 42 that determines whether or not the water level in the water tank 12 may drop below the low water level Ls, And a control unit 43 that controls the operation of the devices constituting the fuel cell system 1. The receiving unit 41 is connected to the water level meter 12g, the thermometer 45, and the wattmeter 98 through signal cables, respectively, and is configured to receive values detected by the respective meters 12g, 45, and 98 as signals. Has been. The water level determination unit 42 is configured to determine whether or not there is a possibility that the water level in the water tank 12 is lowered below the low water level Ls based on the value received by the reception unit 41. Here, there is a possibility that the water level will drop below the low water level Ls is typically a state in which it can be predicted that the water level in the water tank 12 tends to decrease. The control unit 43 is connected to the reforming water pump 13, the raw material blower 16, the air blower 18, and the oxidant gas blower 28 by signal cables, respectively, so that the start / stop and discharge flow rate of these devices can be controlled. It is configured. The control unit 43 is connected to the power conditioner 25 through a signal cable, and is configured to adjust the output power from the fuel cell system 1 to the outside of the system and the output power to the catalyst heater 34h. ing. The control unit 43 receives a command signal related to the operation of the fuel cell system 1 via an operation panel (not shown) or remotely, and based on a sequence stored in advance, It is configured to control operation.

引き続き図1を参照して、燃料電池システム1の作用を説明する。燃料電池システム1を起動する指令を制御部43が受けると、制御部43は、燃料電池20における発電に必要な燃料ガスEの生成を開始するべく、原料ブロワ16及び空気ブロワ18を起動して原料D及び空気A1を改質器11に供給する。すると、改質器11において、所定の部分酸化反応が行われ、燃料ガスEが生成される。次に、空気ブロワ18に代えて改質水ポンプ13を起動し、改質水Wを改質器11に供給する。改質水ポンプ13が起動すると、水タンク12内に貯留されている改質水Wが改質水管51を流れ、途中、気化器14で気化されたうえで、改質器11に流入する。原料D及び気化した改質水Wが導入された改質器11では、原料Dの水蒸気改質反応が行われ、燃料ガスEの生成が継続される。なお、原料Dに加えて空気A1と改質水Wとを改質器11に供給し、自己熱改質反応が行われることで燃料ガスEが生成されることとしてもよい。   With continued reference to FIG. 1, the operation of the fuel cell system 1 will be described. When the control unit 43 receives a command to start the fuel cell system 1, the control unit 43 starts the raw material blower 16 and the air blower 18 to start generating the fuel gas E necessary for power generation in the fuel cell 20. The raw material D and air A1 are supplied to the reformer 11. Then, a predetermined partial oxidation reaction is performed in the reformer 11, and the fuel gas E is generated. Next, the reforming water pump 13 is started in place of the air blower 18, and the reforming water W is supplied to the reformer 11. When the reforming water pump 13 is activated, the reforming water W stored in the water tank 12 flows through the reforming water pipe 51 and is vaporized by the vaporizer 14 on the way, and then flows into the reformer 11. In the reformer 11 into which the raw material D and the vaporized reforming water W are introduced, the steam reforming reaction of the raw material D is performed, and the generation of the fuel gas E is continued. Note that the fuel gas E may be generated by supplying the air A1 and the reforming water W to the reformer 11 in addition to the raw material D and performing the autothermal reforming reaction.

改質器11で生成された燃料ガスEは燃料電池20のアノード21に供給される。また、制御部43は、酸化剤ガスブロワ28を起動させる。これにより、燃料電池20のカソード22に酸化剤ガスA2が供給される。燃料ガスE及び酸化剤ガスA2が導入された燃料電池20では、燃料ガスE中の水素等と酸化剤ガスA2中の酸素との電気化学的反応による発電が行われる。燃料電池20で発生した電力は、パワーコンディショナ25を介して系外負荷95に適宜供給される。燃料電池20では、発電のための反応に伴って、水が生成される。燃料電池20に導入された燃料ガスE及び酸化剤ガスA2は、発電に利用された後に燃料オフガスFe及び酸化剤オフガスFaとして排出され、燃焼部32に至る。燃料オフガスFeは、酸化剤オフガスFaを酸化剤として燃焼部32で燃焼され、このとき生ずる燃焼熱は、改質器11における水蒸気改質反応に利用される。   The fuel gas E generated by the reformer 11 is supplied to the anode 21 of the fuel cell 20. Further, the control unit 43 activates the oxidant gas blower 28. As a result, the oxidant gas A <b> 2 is supplied to the cathode 22 of the fuel cell 20. In the fuel cell 20 into which the fuel gas E and the oxidant gas A2 are introduced, power generation is performed by an electrochemical reaction between hydrogen or the like in the fuel gas E and oxygen in the oxidant gas A2. The electric power generated in the fuel cell 20 is appropriately supplied to the external load 95 via the power conditioner 25. In the fuel cell 20, water is generated with a reaction for power generation. The fuel gas E and the oxidant gas A2 introduced into the fuel cell 20 are discharged as fuel offgas Fe and oxidant offgas Fa after being used for power generation, and reach the combustion unit 32. The fuel off-gas Fe is burned in the combustion section 32 using the oxidant off-gas Fa as an oxidant, and the combustion heat generated at this time is used for the steam reforming reaction in the reformer 11.

燃焼部32で燃料オフガスFeが燃焼されることによって生じた燃焼排ガスFbは、燃焼排ガス管65を流れ、浄化部34に至る。燃焼排ガスFbは、可燃成分が存在する場合に、浄化部34の燃焼触媒によって燃焼されて浄化される。浄化部34では、燃料電池システム1の起動初期は、燃焼触媒が活性温度に達していないため、制御部43が燃焼触媒ヒータ34hを作動させ、燃焼触媒を速やかに活性温度に上昇させる。制御部43は、燃焼触媒が活性温度に達したら、燃焼触媒ヒータ34hへの通電を停止する。浄化部32で燃焼排ガスFbが浄化されることによって生じた浄化排ガスFpは、浄化排ガス管66を流れ、熱交換部36に至る。燃料電池20から排出された排ガスFは、水分が含まれている。このため、浄化排ガスFpは、熱交換部36において熱回収流体流路36xを流れる熱回収流体Cに冷却されることで、浄化排ガスFp中の水分が凝縮する。熱交換部36において浄化排ガスFp中から水分が冷却除去されて生じた系外放出ガスGは、系外排ガス管67を流れて燃料電池システム1の外へ排出される。本実施の形態では、温度計45が、熱交換部36から排出された系外放出ガスGの温度を検知して、制御装置40の受信部41へ随時送信している。   The combustion exhaust gas Fb generated by burning the fuel off-gas Fe in the combustion unit 32 flows through the combustion exhaust gas pipe 65 and reaches the purification unit 34. The combustion exhaust gas Fb is purified by being combusted by the combustion catalyst of the purification unit 34 when combustible components are present. In the purifying unit 34, since the combustion catalyst has not reached the activation temperature at the initial start of the fuel cell system 1, the control unit 43 operates the combustion catalyst heater 34h to quickly raise the combustion catalyst to the activation temperature. When the combustion catalyst reaches the activation temperature, the control unit 43 stops energizing the combustion catalyst heater 34h. The purified exhaust gas Fp generated by purifying the combustion exhaust gas Fb in the purification unit 32 flows through the purified exhaust gas pipe 66 and reaches the heat exchange unit 36. The exhaust gas F discharged from the fuel cell 20 contains moisture. For this reason, the purified exhaust gas Fp is cooled by the heat recovery fluid C flowing through the heat recovery fluid flow path 36x in the heat exchanging portion 36, whereby the moisture in the purified exhaust gas Fp is condensed. The out-of-system discharge gas G generated by cooling and removing moisture from the purified exhaust gas Fp in the heat exchange unit 36 flows through the out-of-system exhaust pipe 67 and is discharged out of the fuel cell system 1. In the present embodiment, the thermometer 45 detects the temperature of the out-of-system discharge gas G discharged from the heat exchange unit 36 and transmits it to the receiving unit 41 of the control device 40 as needed.

他方、熱交換部36で冷却された浄化排ガスFpから凝縮した凝縮水Wcは、凝縮水管69を流れて水タンク12に流入する。このようにして、燃料ガスEの生成のために水タンク12から改質水Wが減少しても、凝縮水Wcとして水タンク12に改質水Wが流入してくるので、燃料電池システム1の外部から直接水タンク12に改質水Wを補給しなくても、水タンク12内の改質水Wが枯渇することを回避することができる。燃料電池20における発電に伴って水が生成されることとから、水タンク12に流入する凝縮水Wcは、典型的には、改質水ポンプ13の稼働によって水タンク12から出て行く改質水Wよりも多くなる。水タンク12に凝縮水Wcが流入し、最高水位Lhを超えるようになると、最高水位Lhを超える分の改質水Wは、オーバーフロー管12pを介して燃料電池システム1から排出される。   On the other hand, the condensed water Wc condensed from the purified exhaust gas Fp cooled by the heat exchange unit 36 flows through the condensed water pipe 69 and flows into the water tank 12. In this way, even if the reformed water W decreases from the water tank 12 to generate the fuel gas E, the reformed water W flows into the water tank 12 as condensed water Wc. Even if the reforming water W is not directly supplied to the water tank 12 from the outside, it is possible to avoid the depletion of the reforming water W in the water tank 12. The condensed water Wc that flows into the water tank 12 is typically reformed out of the water tank 12 by the operation of the reforming water pump 13 because water is generated with the power generation in the fuel cell 20. More than water W. When the condensed water Wc flows into the water tank 12 and exceeds the maximum water level Lh, the reformed water W exceeding the maximum water level Lh is discharged from the fuel cell system 1 via the overflow pipe 12p.

定常運転時の燃料電池20では、パワーコンディショナ25で要求された電力が発電される。ここで、定常運転とは、燃料電池20において所望の発電電力を発生させることができる状態の運転であり、典型的には燃料電池システム1の起動工程及び停止工程以外の状態にあるときの運転である。パワーコンディショナ25で要求される電力は、運転時の状況に応じて変化し得る。一般に、燃料電池には、要求された電力を燃料電池で発電する際に利用される水素及び酸素の流量よりも多い流量の水素及び酸素が供給される。制御部43は、要求された電力を燃料電池20で発電する際に利用される水素の流量に対して所定の割合だけ多い流量の水素を燃料電池20に供給可能な流量の燃料ガスEを改質器11で生成できるように、原料ブロワ16の回転速度を調節する。また、制御部43は、改質器11における燃料ガスEの生成流量に応じた改質水Wを改質器11に供給するように、改質水ポンプ13の回転速度を調節する。また、制御部43は、要求された電力を燃料電池20で発電する際に利用される酸素の流量に対して所定の割合だけ多い流量の酸素を燃料電池20に供給可能な流量の酸化剤ガスA2を燃料電池20に供給するように、酸化剤ガスブロワ28の回転速度を調節する。燃料電池20で発電された直流電力は、パワーコンディショナ25において昇圧され、交流電力に変換されて、系外負荷95に供給される。系外負荷95に供給される電力が、燃料電池20で発電された電力だけでは不足する場合、不足分の電力が系統電源PSから系外負荷95に供給される。電力計98は、系統電源PSから系外負荷95へ供給される電力を検知して、制御装置40の受信部41へ随時送信している。   In the fuel cell 20 during steady operation, the electric power requested by the power conditioner 25 is generated. Here, the steady operation is an operation in a state where desired generated power can be generated in the fuel cell 20, and is typically an operation when the fuel cell system 1 is in a state other than the start process and the stop process. It is. The power required by the power conditioner 25 can change depending on the situation during operation. In general, the fuel cell is supplied with hydrogen and oxygen at a flow rate higher than the flow rates of hydrogen and oxygen used when the requested power is generated by the fuel cell. The control unit 43 modifies the fuel gas E at a flow rate capable of supplying the fuel cell 20 with a flow rate that is higher by a predetermined rate than the flow rate of hydrogen used when the fuel cell 20 generates the required power. The rotational speed of the raw material blower 16 is adjusted so that it can be generated by the mass device 11. Further, the control unit 43 adjusts the rotational speed of the reforming water pump 13 so as to supply the reforming water W with the reforming water W corresponding to the generation flow rate of the fuel gas E in the reformer 11. In addition, the control unit 43 provides a flow rate of oxidant gas that can supply the fuel cell 20 with a flow rate of oxygen that is higher by a predetermined ratio than the flow rate of oxygen used when the fuel cell 20 generates the required power. The rotational speed of the oxidant gas blower 28 is adjusted so that A2 is supplied to the fuel cell 20. The DC power generated by the fuel cell 20 is boosted by the power conditioner 25, converted into AC power, and supplied to the external load 95. When the electric power supplied to the external load 95 is insufficient only by the electric power generated by the fuel cell 20, the insufficient electric power is supplied from the system power supply PS to the external load 95. The wattmeter 98 detects the power supplied from the system power supply PS to the external load 95 and transmits it to the receiving unit 41 of the control device 40 as needed.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、一般に、温度と発電効率とに相関があり、寿命等を考慮して定められる所定の温度範囲において、発電効率が高くなる適切な温度で運転することが好ましい。仮に、燃料電池20が過剰に昇温した場合、燃料電池20に供給する酸化剤ガスA2の流量を増加することで、燃料電池20を冷却することが可能である。燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量は、燃料電池20で発電に利用されること及び燃料電池20を適温に維持するために利用されることを加味すると、従来は燃料電池の発電電力が低下するほど供給流量が減少するようにしていたが、断熱が強化された燃料電池20では、低出力領域において、供給流量の減少率が小さくなる、あるいは供給流量が増加するような特性になっている。   In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) has a correlation between temperature and power generation efficiency, and can be operated at an appropriate temperature at which power generation efficiency is high in a predetermined temperature range determined in consideration of a lifetime or the like. preferable. If the temperature of the fuel cell 20 is excessively increased, the fuel cell 20 can be cooled by increasing the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20. Considering that the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 is used for power generation in the fuel cell 20 and used for maintaining the fuel cell 20 at an appropriate temperature, conventionally, the power generation of the fuel cell Although the supply flow rate is reduced as the electric power is reduced, the fuel cell 20 with enhanced heat insulation has such characteristics that the decrease rate of the supply flow rate is reduced or the supply flow rate is increased in the low output region. It has become.

図2に、燃料電池20を適切な運転温度に維持する際の、燃料電池20の発電電力(横軸)と、燃料電池20に供給される燃料ガスE及び酸化剤ガスA2の流量(縦軸)との関係の一例を示す。図2中、曲線Reは燃料ガスEの流量を示し、曲線Rtは燃料ガスE及び酸化剤ガスA2の合計の流量を示す。したがって、曲線Rtから曲線Reを引いた分が酸化剤ガスA2の流量に相当する。なお、曲線Rtの破線で示した部分は、燃料電池20を冷却するために供給された分を除いた場合の合計流量、換言すれば、燃料電池20の発電に必要な分の燃料ガスE及び酸化剤ガスA2の合計の流量を示す。このことから、曲線Rtの実線部分と破線部分とに挟まれた分が、燃料電池20の冷却のための酸化剤ガスA2の増量分となる。   FIG. 2 shows the power generated by the fuel cell 20 (horizontal axis) and the flow rates of the fuel gas E and oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 (vertical axis) when the fuel cell 20 is maintained at an appropriate operating temperature. ) Is shown as an example. In FIG. 2, the curve Re indicates the flow rate of the fuel gas E, and the curve Rt indicates the total flow rate of the fuel gas E and the oxidant gas A2. Therefore, the amount obtained by subtracting the curve Re from the curve Rt corresponds to the flow rate of the oxidant gas A2. The portion indicated by the broken line of the curve Rt indicates the total flow rate excluding the amount supplied for cooling the fuel cell 20, in other words, the fuel gas E and the amount necessary for power generation of the fuel cell 20. The total flow rate of the oxidant gas A2 is shown. From this, the portion sandwiched between the solid line portion and the broken line portion of the curve Rt is an increase amount of the oxidant gas A2 for cooling the fuel cell 20.

図2から明らかなように、燃料電池20の出力が高出力領域においては、燃料電池20の発電電力が定格出力Prから低下するにつれて、燃料電池20に供給される燃料ガスE及び酸化剤ガスA2の流量が減少している。これは、燃料電池20の発電電力の低下に伴って、発電に必要な酸化剤ガスA2の流量が少なくなるためである。そして、燃料電池20の出力が低出力領域になると、燃料電池20の発電電力が低下しても、燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量が減少しなくなっている。これは、燃料電池20の発電電力の低下に伴って発電に必要な酸化剤ガスA2の流量が減少するものの(曲線Rtの破線部分参照)、ある出力以下では燃料電池20における余剰の熱量が増加することに伴い、燃料電池20を適切な温度まで低下させる(冷却する)のに要する酸化剤ガスA2の流量が増加するためである。図2中、曲線Rtの実線と破線とで挟まれた部分を見ると、燃料電池20の発電電力が低下するにつれて、燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量のうち燃料電池20の冷却のための分が占める割合が増加することが分かる。後述するように、低出力領域において燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量が、発電に必要な流量を超えて増加すると、燃料電池システム1の水自立が困難となる場合がある。以下、燃料電池システム1の水自立が困難にならない範囲の酸化剤ガスA2の流量に対応する出力、換言すると、燃料電池20の冷却のための酸化剤ガスA2の流量増加分を加味した酸化剤ガスA2の流量が水自立可能な範囲にあるときの出力のうちの最低点を「推奨最低出力Pm」ということとする。つまり、推奨最低出力Pmは、水自立を維持するために推奨される最低出力である。   As is apparent from FIG. 2, when the output of the fuel cell 20 is high, the fuel gas E and the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 as the generated power of the fuel cell 20 decreases from the rated output Pr. The flow rate is decreasing. This is because the flow rate of the oxidant gas A2 necessary for power generation decreases as the power generated by the fuel cell 20 decreases. When the output of the fuel cell 20 is in a low output region, the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 does not decrease even if the generated power of the fuel cell 20 decreases. This is because although the flow rate of the oxidant gas A2 required for power generation decreases as the power generated by the fuel cell 20 decreases (see the broken line portion of the curve Rt), the surplus heat amount in the fuel cell 20 increases below a certain output. This is because the flow rate of the oxidant gas A2 required to lower (cool) the fuel cell 20 to an appropriate temperature increases. In FIG. 2, when the portion sandwiched between the solid line and the broken line of the curve Rt is seen, the fuel cell 20 out of the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 as the generated power of the fuel cell 20 decreases. It can be seen that the proportion occupied by the cooling increases. As will be described later, when the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 in the low output region increases beyond the flow rate necessary for power generation, it may be difficult for the fuel cell system 1 to self-support water. Hereinafter, the output corresponding to the flow rate of the oxidant gas A2 in a range where the water self-sustainability of the fuel cell system 1 is not difficult, in other words, the oxidant taking into account the increase in the flow rate of the oxidant gas A2 for cooling the fuel cell 20 The lowest point of the output when the flow rate of the gas A2 is in a range where water can be self-sustained is referred to as “recommended minimum output Pm”. That is, the recommended minimum output Pm is the minimum output recommended for maintaining water independence.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、その特性上、系外負荷95の電力需要がなくても運転を停止せずに継続するのが一般的である。系外負荷95の電力需要が少なくなって、燃料電池20の発電電力を、燃料電池20の冷却が不要な出力のうちの最低点(典型的には推奨最低出力Pmより大きい出力点)未満に低下させると、燃料電池20の過昇温を防ぐために、燃料電池20の発電に必要な分を超えた流量の酸化剤ガスA2の供給が必要となる。しかしながら、燃料電池20の発電電力を低下させたうえで燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量を発電に必要な分を超えて増加させると、酸化剤利用率(「燃料電池20における発電に利用される酸化剤ガスA2の流量」/「燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量」)が低下することとなる。酸化剤利用率が低下すると、燃料電池システム1外に排出される系外放出ガスGの流量が増加する。すると、熱交換部36において凝縮されずに系外放出ガスGと共に燃料電池システム1外に排出される水分が増加し、水タンク12に回収される凝縮水Wcの流量が減少してしまう。燃料電池システム1では、原則として外部から改質水Wを導入していないため、燃料電池システム1外に排出される水分が増加すると水自立を維持することができず、運転の継続が困難になる。そこで、燃料電池システム1では、水自立を維持するために以下の制御を行うこととしている。   The solid oxide fuel cell (SOFC) generally continues without stopping operation even when there is no power demand of the external load 95 due to its characteristics. The power demand of the external load 95 is reduced, and the power generated by the fuel cell 20 is less than the lowest point (typically an output point higher than the recommended minimum output Pm) of the outputs that do not require cooling of the fuel cell 20. When the temperature is lowered, in order to prevent an excessive temperature rise of the fuel cell 20, it is necessary to supply the oxidant gas A2 at a flow rate exceeding the amount necessary for the power generation of the fuel cell 20. However, when the generated power of the fuel cell 20 is reduced and the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 is increased beyond the amount necessary for power generation, the oxidant utilization rate ("in the fuel cell 20" The flow rate of the oxidant gas A2 used for power generation "/" the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 ") decreases. When the oxidant utilization rate decreases, the flow rate of the out-system emission gas G discharged out of the fuel cell system 1 increases. As a result, the moisture discharged outside the fuel cell system 1 without being condensed in the heat exchanging unit 36 is increased, and the flow rate of the condensed water Wc recovered in the water tank 12 is decreased. In principle, since the reformed water W is not introduced from the outside in the fuel cell system 1, if the water discharged outside the fuel cell system 1 increases, water independence cannot be maintained, and continuation of operation becomes difficult. Become. Therefore, in the fuel cell system 1, the following control is performed in order to maintain water independence.

図3は、燃料電池システム1における水自立を維持するための制御の第1の例を示すフローチャートである。以下の説明において、燃料電池システム1の構成あるいは特性に言及しているときは適宜図1あるいは図2を参照することとする。受信部41は、運転中、前述のように、電力計98を介して系統電源PSから系外負荷95へ供給される電力を受信していると共に、パワーコンディショナ25を介して燃料電池システム1から系外負荷95へ供給される電力を受信している。電力計98で検知した電力及びパワーコンディショナ25を介して燃料電池システム1から系外負荷95へ供給される電力を合計すると、系外負荷95の需要電力が分かる。このように、本実施の形態では、パワーコンディショナ25及び電力計98が、需要電力検知部を構成している。水位判断部42は、受信部41が受信した値に基づいて、系外負荷95の電力需要の状況を推定し、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp(図2参照)未満か否かを判断する(S11)。ここで、所定の電力Ppは、定格出力Prよりも低く、推奨最低出力Pm以上であって、推奨最低出力Pmに極力近い任意の値の電力である。   FIG. 3 is a flowchart showing a first example of control for maintaining water independence in the fuel cell system 1. In the following description, when referring to the configuration or characteristics of the fuel cell system 1, FIG. 1 or FIG. 2 will be referred to as appropriate. During operation, the receiving unit 41 receives power supplied from the system power source PS to the external load 95 via the wattmeter 98 as described above, and the fuel cell system 1 via the power conditioner 25. Power supplied to the external load 95 is received. When the power detected by the wattmeter 98 and the power supplied from the fuel cell system 1 to the external load 95 via the power conditioner 25 are summed, the demand power of the external load 95 can be found. Thus, in this Embodiment, the power conditioner 25 and the wattmeter 98 comprise the demand power detection part. Based on the value received by the receiving unit 41, the water level determining unit 42 estimates the power demand status of the external load 95, and the power demand generated by the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp (see FIG. 2). Whether or not (S11). Here, the predetermined power Pp is an electric power having an arbitrary value lower than the rated output Pr, equal to or more than the recommended minimum output Pm and as close as possible to the recommended minimum output Pm.

燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満か否かを判断する工程(S11)において、所定の電力Pp未満の場合、水位判断部42は、水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があると判断し、制御部43が、パワーコンディショナ25を介して燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上の所定の電力Ppに極力近い電力としつつ、燃焼触媒ヒータ34hに通電させる(S12)。ここで、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満の場合に水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があると判断するのは、所定の電力Ppに近い推奨最低出力Pmを下回った場合は、燃料電池20の冷却のために使われる分の燃料電池20に供給される酸化剤ガスA2の流量が水自立困難となる程度に増加し、系外に排出される水分が増加して、水タンク12に回収される凝縮水Wcの流量が減少するためである。燃料電池システム1では、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満の場合でも、燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上とするので、水自立が困難なほど燃料電池20の冷却のために発電に必要な流量を超える流量の酸化剤ガスA2を燃料電池20に供給することを回避することができ、水タンク12内の水位の低下を抑制することができる。   In the step of determining whether or not the demand for power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp (S11), the water level determination unit 42 determines that the water level in the water tank 12 is low. The control unit 43 determines that there is a possibility that the power will decrease to Ls or less, and the control unit 43 performs combustion while setting the power generated by the fuel cell 20 through the power conditioner 25 as close as possible to the predetermined power Pp that is equal to or higher than the predetermined power Pp. The catalyst heater 34h is energized (S12). Here, when the demand for power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp, it is determined that there is a possibility that the water level in the water tank 12 is lowered to the low water level Ls or less. If it is below the recommended minimum output Pm, the flow rate of the oxidant gas A2 supplied to the fuel cell 20 that is used for cooling the fuel cell 20 increases to such an extent that it becomes difficult for the water to become self-sustaining. This is because the discharged water increases and the flow rate of the condensed water Wc recovered in the water tank 12 decreases. In the fuel cell system 1, even when the demand for power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp, the generated power of the fuel cell 20 is set to be equal to or higher than the predetermined power Pp. Therefore, it is possible to avoid supplying the fuel cell 20 with the oxidant gas A2 having a flow rate exceeding the flow rate required for power generation for cooling, and it is possible to suppress a decrease in the water level in the water tank 12.

燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満の場合に、燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上としつつ燃焼触媒ヒータ34hに通電させると、燃料電池20で発生した電力のうち余剰の電力(系外負荷95に供給されない電力)が燃焼触媒ヒータ34hで消費される。燃焼触媒ヒータ34hは、専ら、燃料電池システム1の起動時に燃焼触媒を昇温するために用いられるため、通常、定常運転時は非通電となっている。したがって、燃料電池20で発生した余剰電力を、燃焼触媒ヒータ34hで消費させて浄化排ガスFpに熱として放出することができる。また、燃焼触媒ヒータ34hは、デューティ比を調節することができるので、燃料電池20の余剰電力の変化に対応することができる。   When the demand for the electric power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined electric power Pp, if the combustion catalyst heater 34h is energized while making the electric power generated by the fuel cell 20 equal to or higher than the predetermined electric power Pp, the electric power generated in the fuel cell 20 is reduced. Of this, surplus power (power not supplied to the external load 95) is consumed by the combustion catalyst heater 34h. Since the combustion catalyst heater 34h is exclusively used to raise the temperature of the combustion catalyst when the fuel cell system 1 is started, it is normally not energized during steady operation. Therefore, surplus power generated in the fuel cell 20 can be consumed by the combustion catalyst heater 34h and released as heat to the purified exhaust gas Fp. Further, since the combustion catalyst heater 34h can adjust the duty ratio, it can cope with a change in surplus power of the fuel cell 20.

水位判断部42は、その後、受信部41が受信した値に基づいて、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp以上になったか否かを判断する(S13)。所定の電力Pp以上になっていない場合は、再び燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp以上になったか否かを判断する工程(S13)に戻る。他方、所定の電力Pp以上になった場合は、制御部43が、燃焼触媒ヒータ34hへの通電を遮断する(S14)。以上で、水タンク12内の水位の低下を抑制する制御を一旦終了し、再び燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満か否かを判断する工程(S11)から、上述のフローを繰り返す。なお、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満か否かを判断する工程(S11)において、所定の電力Pp未満でない場合も、水タンク12内の水位の低下を抑制する制御を一旦終了し、再び燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp未満か否かを判断する工程(S11)から、上述のフローを繰り返す。   Thereafter, the water level determination unit 42 determines whether or not the demand for power generated in the fuel cell 20 is equal to or higher than the predetermined power Pp based on the value received by the reception unit 41 (S13). If it is not equal to or higher than the predetermined power Pp, the process returns to the step of determining whether or not the demand for power generated in the fuel cell 20 is equal to or higher than the predetermined power Pp (S13). On the other hand, when it becomes more than predetermined electric power Pp, the control part 43 interrupts | blocks the electricity supply to the combustion catalyst heater 34h (S14). From the step (S11) for determining whether or not the demand for the electric power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined electric power Pp once again, the control for suppressing the lowering of the water level in the water tank 12 is once completed. Repeat the flow. In the step (S11) of determining whether or not the demand for power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp, control for suppressing a decrease in the water level in the water tank 12 even when the demand is not less than the predetermined power Pp. The above-described flow is repeated from the step (S11) of determining whether or not the demand for the power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp.

次に図4を参照して、水自立を維持するための制御の別の例を説明する。図4は、燃料電池システム1における水自立を維持するための制御の第2の例を示すフローチャートである。受信部41は、運転中、前述のように、温度計45から系外放出ガスGの温度を受信している。燃料電池システム1が定常運転になると、水位判断部42は、燃料電池20に投入される燃料ガスEの流量及び酸化剤ガスA2の流量、並びに改質水Wの流量から、熱交換部36に流入する浄化排ガスFpの流量及び含有水分量を推定し、この推定した値に基づいて、燃料電池システム1における水自立が困難になるほどの水量しか凝縮させることができない系外放出ガスGの温度の下限値(以下、この温度を「水自立困難温度」という)を設定する(S21)。ここで、系外放出ガスGの温度と水自立との関係を補足すると、熱交換部36に導入された浄化排ガスFpが熱回収流体Cに奪われる熱量が大きいほど、凝縮水Wcの生成流量が大きくなり、系外放出ガスGの温度が低下するということができる。本実施の形態では、水自立困難温度が所定の温度に相当する。なお、燃料電池20に投入される燃料ガスEの流量は、原料ブロワ16の下流に配置された流量計(不図示)にて取得することができ、燃料電池20に投入される酸化剤ガスA2の流量は、酸化剤ガスブロワ28の下流に配置された流量計(不図示)にて取得することができる。   Next, another example of control for maintaining water independence will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a second example of control for maintaining water self-supporting in the fuel cell system 1. During operation, the receiving unit 41 receives the temperature of the out-of-system emission gas G from the thermometer 45 as described above. When the fuel cell system 1 is in a steady operation, the water level determination unit 42 determines the heat exchange unit 36 from the flow rate of the fuel gas E, the flow rate of the oxidant gas A2, and the flow rate of the reforming water W that are input to the fuel cell 20. The flow rate of the purified exhaust gas Fp and the water content are estimated, and based on the estimated values, the temperature of the out-of-system emission gas G that can condense only the amount of water that makes it difficult for the fuel cell system 1 to stand by itself. A lower limit value (hereinafter, this temperature is referred to as “water self-sustainable temperature”) is set (S21). Here, supplementing the relationship between the temperature of the out-of-system released gas G and water self-sustained, the larger the amount of heat taken away by the heat recovery fluid C from the purified exhaust gas Fp introduced into the heat exchanging section 36, the greater the generated flow rate of the condensed water Wc. It can be said that the temperature of the out-of-system released gas G decreases. In the present embodiment, the water independence difficult temperature corresponds to a predetermined temperature. Note that the flow rate of the fuel gas E input to the fuel cell 20 can be acquired by a flow meter (not shown) disposed downstream of the raw material blower 16 and the oxidant gas A2 input to the fuel cell 20. Can be obtained by a flow meter (not shown) disposed downstream of the oxidant gas blower 28.

水位判断部42は、水自立困難温度を設定したら、温度計45で検知された温度が水自立困難温度以上か否かを判断する(S22)。温度計45で検知された温度が水自立困難温度以上の場合、水位判断部42は、水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があると判断し、制御部43が、パワーコンディショナ25を介して燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上の所定の電力Ppに極力近い電力としつつ、燃焼触媒ヒータ34hに通電させる(S23)。通常、熱交換部36で生成される凝縮水Wcの流量が少なくなる場合は、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp(図2参照)未満となっているが、燃料電池システム1では、燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上としつつ、余剰電力を燃焼触媒ヒータ34hに消費させることとしている。これにより、水自立が困難なほど燃料電池20の冷却のために発電に必要な流量を超える流量の酸化剤ガスA2を燃料電池20に供給することを回避することができ、水タンク12内の水位の低下を抑制することができる。   After setting the water independence difficult temperature, the water level determination unit 42 determines whether or not the temperature detected by the thermometer 45 is equal to or higher than the water independence difficult temperature (S22). When the temperature detected by the thermometer 45 is equal to or higher than the water independence temperature, the water level determination unit 42 determines that the water level in the water tank 12 may be lowered to the low water level Ls or less, and the control unit 43 The combustion catalyst heater 34h is energized through the power conditioner 25 while making the generated power of the fuel cell 20 as close as possible to the predetermined power Pp that is equal to or higher than the predetermined power Pp (S23). Normally, when the flow rate of the condensed water Wc generated by the heat exchange unit 36 decreases, the demand for the power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp (see FIG. 2). 1, the surplus power is consumed by the combustion catalyst heater 34h while the generated power of the fuel cell 20 is set to be equal to or higher than the predetermined power Pp. This makes it possible to avoid supplying the fuel cell 20 with the oxidant gas A2 having a flow rate that exceeds the flow rate required for power generation for cooling the fuel cell 20 as water independence becomes difficult. A drop in the water level can be suppressed.

水位判断部42は、その後、燃料電池20の発電電力の変動に伴い、水自立困難温度を再設定する(S24)。そして、水位判断部42は、温度計45で検知された温度が、再設定した水自立困難温度未満になったか否かを判断する(S25)。水自立困難温度未満になっていない場合は、水自立困難温度を再設定する工程(S24)に戻る。他方、水自立困難温度未満になった場合は、制御部43が、燃焼触媒ヒータ34hへの通電を遮断する(S26)。以上で、水タンク12内の水位の低下を抑制する制御を一旦終了し、再び水自立困難温度を設定する工程(S21)から、上述のフローを繰り返す。なお、温度計45で検知された温度が水自立困難温度以上か否かを判断する工程(S22)において、水自立困難温度以上でない場合も、水タンク12内の水位の低下を抑制する制御を一旦終了し、再び水自立困難温度を設定する工程(S21)から、上述のフローを繰り返す。   Thereafter, the water level determination unit 42 resets the water independence difficult temperature in accordance with the fluctuation of the generated power of the fuel cell 20 (S24). And the water level judgment part 42 judges whether the temperature detected with the thermometer 45 became less than the reset water independence difficult temperature (S25). If it is not lower than the water self-sustainable temperature, the process returns to the step of resetting the water self-sustainable temperature (S24). On the other hand, when the temperature becomes lower than the water self-sustainable temperature, the control unit 43 cuts off the power supply to the combustion catalyst heater 34h (S26). Above, the control which suppresses the fall of the water level in the water tank 12 is once complete | finished, and the above-mentioned flow is repeated from the process (S21) which sets water independence difficult temperature again. In the step of determining whether or not the temperature detected by the thermometer 45 is equal to or higher than the water self-sustainable temperature (S22), control for suppressing a decrease in the water level in the water tank 12 is performed even when the temperature is not equal to or higher than the water self-sustainable temperature. The above-described flow is repeated from the step (S21) of once ending and setting again the water independence difficult temperature.

次に図5を参照して、水自立を維持するための制御のさらに別の例を説明する。図5は、燃料電池システム1における水自立を維持するための制御の第3の例を示すフローチャートである。受信部41は、運転中、水位計12gから水タンク12内の水位の情報を受信している。水位判断部42は、水位計12gが、水タンク12内の水位が警告水位Lc以下であることを検知したか否かを判断する(S31)。水タンク12内の水位が警告水位Lc以下である場合、水位判断部42は、水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があると判断し、制御部43が、パワーコンディショナ25を介して燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上の所定の電力Ppに極力近い電力としつつ、燃焼触媒ヒータ34hに通電させる(S32)。水タンク12内の水位が警告水位Lcまで低下しているということは、系外に放出される水分が多く、熱交換部36で生成される凝縮水Wcの流量が少なくなっていることを示唆している。通常、熱交換部36で生成される凝縮水Wcの流量が少なくなる場合は、燃料電池20で発生した電力の需要が所定の電力Pp(図2参照)未満となっているが、燃料電池システム1では、燃料電池20の発電電力を所定の電力Pp以上としつつ、余剰電力を燃焼触媒ヒータ34hに消費させることとしている。これにより、水自立が困難なほど燃料電池20の冷却のために発電に必要な流量を超える流量の酸化剤ガスA2を燃料電池20に供給することを回避することができ、水タンク12内の水位の低下を抑制することができる。   Next, still another example of the control for maintaining water independence will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing a third example of control for maintaining water self-sustainability in the fuel cell system 1. The receiver 41 receives information on the water level in the water tank 12 from the water level meter 12g during operation. The water level determination unit 42 determines whether or not the water level meter 12g has detected that the water level in the water tank 12 is equal to or lower than the warning water level Lc (S31). When the water level in the water tank 12 is lower than or equal to the warning water level Lc, the water level determination unit 42 determines that there is a possibility that the water level in the water tank 12 will drop below the low water level Ls, and the control unit 43 performs power conditioning. The combustion catalyst heater 34h is energized while the generated power of the fuel cell 20 is made as close as possible to the predetermined power Pp equal to or higher than the predetermined power Pp via the na 25 (S32). The fact that the water level in the water tank 12 has fallen to the warning water level Lc suggests that a large amount of moisture is released out of the system and the flow rate of the condensed water Wc generated in the heat exchanging unit 36 is reduced. doing. Normally, when the flow rate of the condensed water Wc generated by the heat exchange unit 36 decreases, the demand for the power generated in the fuel cell 20 is less than the predetermined power Pp (see FIG. 2). 1, the surplus power is consumed by the combustion catalyst heater 34h while the generated power of the fuel cell 20 is set to be equal to or higher than the predetermined power Pp. This makes it possible to avoid supplying the fuel cell 20 with the oxidant gas A2 having a flow rate that exceeds the flow rate required for power generation for cooling the fuel cell 20 as water independence becomes difficult. A drop in the water level can be suppressed.

その後、水位判断部42は、受信部41が受信した水位計12gの検知結果に基づいて、水タンク12内の水位が警告水位Lcを超えたか否かを判断する(S33)。警告水位Lcを超えていない場合は、再び水タンク12内の水位が警告水位Lcを超えたか否かを判断する工程(S33)に戻る。他方、警告水位Lcを超えた場合は、制御部43が、燃焼触媒ヒータ34hへの通電を遮断する(S34)。以上で、水タンク12内の水位の低下を抑制する制御を一旦終了し、再び水タンク12内の水位が警告水位Lc以下であることを検知したか否かを判断する工程(S31)から、上述のフローを繰り返す。なお、水タンク12内の水位が警告水位Lc以下であることを検知したか否かを判断する工程(S31)において、警告水位Lc以下でない場合も、水タンク12内の水位の低下を抑制する制御を一旦終了し、再び水タンク12内の水位が警告水位Lc以下であることを検知したか否かを判断する工程(S31)から、上述のフローを繰り返す。   Thereafter, the water level determination unit 42 determines whether or not the water level in the water tank 12 has exceeded the warning water level Lc based on the detection result of the water level gauge 12g received by the reception unit 41 (S33). If the warning water level Lc has not been exceeded, the process returns to the step of determining whether or not the water level in the water tank 12 has exceeded the warning water level Lc (S33). On the other hand, when the warning water level Lc is exceeded, the control unit 43 cuts off the power supply to the combustion catalyst heater 34h (S34). From the step (S31) of determining whether or not the control for suppressing the lowering of the water level in the water tank 12 is temporarily ended and it is detected again that the water level in the water tank 12 is equal to or lower than the warning water level Lc. The above flow is repeated. In the step of determining whether or not the water level in the water tank 12 is below the warning water level Lc (S31), even if the water level is not below the warning water level Lc, a decrease in the water level in the water tank 12 is suppressed. The above-described flow is repeated from the step (S31) of determining whether or not the control is once ended and it is detected again that the water level in the water tank 12 is equal to or lower than the warning water level Lc.

以上、燃料電池システム1における水自立を維持するための制御の例を、第1の例から第3の例まで説明したが、これらの制御すべてをそれぞれ並行して実施し、安全側の観点から最も早く水タンク12内の水位が低水位Ls以下に低下する可能性があると判断した制御例にしたがって、その後のフローを進めることとしてもよい。あるいは、3つの例のうちの2つをそれぞれ並行して実施することとしてもよく、3つの例のうちのいずれか1つを実施することとしてもよい。3つの例のうちの2つ又は1つを選択的に実施する場合において、選択した制御例の実行に水位計12g及び/又は温度計45を用いない場合、燃料電池システム1は用いない水位計12g及び/又は温度計45を省略してもよい。   As mentioned above, although the example of the control for maintaining the water independence in the fuel cell system 1 was demonstrated from the 1st example to the 3rd example, all these controls were implemented in parallel, respectively, and it was from a safety side viewpoint. The subsequent flow may be advanced in accordance with a control example in which it is determined that the water level in the water tank 12 may drop below the low water level Ls earliest. Alternatively, two of the three examples may be performed in parallel, or any one of the three examples may be performed. In the case where two or one of the three examples are selectively implemented, if the water level meter 12g and / or the thermometer 45 is not used to execute the selected control example, the fuel cell system 1 does not use the water level meter. 12g and / or the thermometer 45 may be omitted.

以上の説明では、電力消費負荷が燃焼触媒ヒータ34hであるとしたが、燃焼触媒ヒータ34h以外の、燃料電池システム1内で任意に電力を消費することができる機器(例えば、燃料電池システム1の運転に影響を及ばさずに余剰電力を消費することができるポンプ等の電気機器)でもよい。   In the above description, the power consumption load is the combustion catalyst heater 34h. However, devices other than the combustion catalyst heater 34h that can arbitrarily consume power in the fuel cell system 1 (for example, the fuel cell system 1 It may be an electric device such as a pump that can consume surplus power without affecting the operation.

以上の説明では、温度計45が系外放出ガスGの温度を検知することで、熱交換部36内の排ガスの温度を直接検知することとしたが、熱交換部36に供給される熱回収流体Cの入口温度あるいは出入口温度差を検知することで熱交換部36内の排ガスの温度を間接的に検知することとしてもよい。あるいは、熱交換部36で生成される凝縮水Wcの流量を推定することができる物理量を検知することとしてもよい。   In the above description, the thermometer 45 directly detects the temperature of the exhaust gas in the heat exchange unit 36 by detecting the temperature of the out-of-system emission gas G. However, the heat recovery supplied to the heat exchange unit 36 is performed. The temperature of the exhaust gas in the heat exchange unit 36 may be indirectly detected by detecting the inlet temperature or the inlet / outlet temperature difference of the fluid C. Or it is good also as detecting the physical quantity which can estimate the flow volume of the condensed water Wc produced | generated by the heat exchange part 36. FIG.

1 固体酸化物形燃料電池システム
12 水タンク
12g 水位計
20 固体酸化物形燃料電池
32 燃焼部
34 浄化部
34h 燃焼触媒ヒータ
36 熱交換部
40 制御装置
41 受信部
42 水位判断部
43 制御部
45 温度計
95 系外負荷
98 電力計
F 排ガス
Fb 燃焼排ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell system 12 Water tank 12g Water level meter 20 Solid oxide fuel cell 32 Combustion part 34 Purification | purification part 34h Combustion catalyst heater 36 Heat exchange part 40 Control apparatus 41 Receiving part 42 Water level judgment part 43 Control part 45 Temperature Total 95 System load 98 Power meter F Exhaust gas Fb Combustion exhaust gas

Claims (5)

系外の電力負荷に供給する電力を発電する固体酸化物形の燃料電池と;
前記燃料電池から排出された排ガス中に含まれる水分を回収する水回収部と;
前記水回収部で回収された水を貯留する水タンクと;
前記水タンク内の水位を判断する水位判断部と;
前記燃料電池で発生した電力を系内で消費する電力消費負荷と;
前記水タンク内の水位が第1の所定の水位以下に低下する可能性があると前記水位判断部が判断したときに、前記燃料電池の発電電力を定格電力よりも低い所定の電力以上としつつ、前記燃料電池で発生した電力を消費させるように前記電力消費負荷を作動させる制御部とを備える;
固体酸化物形燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell for generating electric power to be supplied to a power load outside the system;
A water recovery unit for recovering moisture contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell;
A water tank for storing the water recovered by the water recovery unit;
A water level determination unit for determining the water level in the water tank;
A power consuming load that consumes power generated in the fuel cell in the system;
When the water level determination unit determines that the water level in the water tank may drop below a first predetermined water level, the generated power of the fuel cell is set to be equal to or higher than a predetermined power lower than the rated power. And a controller that operates the power consumption load so as to consume the power generated in the fuel cell;
Solid oxide fuel cell system.
前記燃料電池から排出された排ガスを前記水回収部に導く前に燃焼させるオフガス燃焼部と;
前記オフガス燃焼部から排出された排ガス中の可燃性物質を前記水回収部に導く前に燃焼触媒で燃焼させる排ガス浄化部であって、前記燃焼触媒を加熱する燃焼触媒ヒータを有する排ガス浄化部とを備え;
前記電力消費負荷が前記燃焼触媒ヒータで構成された;
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
An off-gas combustion section for burning the exhaust gas discharged from the fuel cell before introducing it to the water recovery section;
An exhaust gas purification unit for combusting a combustible substance in the exhaust gas discharged from the off-gas combustion unit with a combustion catalyst before introducing the combustible material to the water recovery unit, the exhaust gas purification unit having a combustion catalyst heater for heating the combustion catalyst; Comprising:
The power consumption load comprises the combustion catalyst heater;
The solid oxide fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池で発生した電力の需要を検知する需要電力検知部を備え;
前記水位判断部は、前記需要電力検知部で検知された電力が前記所定の電力未満のときに、前記水タンク内の水位が第1の所定の水位以下に低下する可能性があると判断するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
A demand power detection unit for detecting a demand for power generated in the fuel cell;
The water level determination unit determines that the water level in the water tank may drop below a first predetermined water level when the power detected by the demand power detection unit is less than the predetermined power. Configured as follows;
The solid oxide fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記水回収部で水分が回収された前記排ガスの温度を直接又は間接的に検知する排ガス温度検知部を備え;
前記水位判断部は、前記排ガス温度検知部で検知された温度が所定の温度以上のときに、前記水タンク内の水位が第1の所定の水位以下に低下する可能性があると判断するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
An exhaust gas temperature detection unit that directly or indirectly detects the temperature of the exhaust gas from which moisture has been recovered by the water recovery unit;
The water level determination unit may determine that the water level in the water tank may drop below a first predetermined water level when the temperature detected by the exhaust gas temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined temperature. Composed of;
The solid oxide fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記水タンク内の水位が前記第1の所定の水位よりも高い第2の所定の水位以下であることを検知する水位検知部を備え;
前記水位判断部は、前記水位検知部が前記第2の所定の水位以下であることを検知したときに、前記水タンク内の水位が第1の所定の水位以下に低下する可能性があると判断するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
A water level detection unit for detecting that the water level in the water tank is equal to or lower than a second predetermined water level higher than the first predetermined water level;
When the water level determination unit detects that the water level detection unit is below the second predetermined water level, the water level in the water tank may drop below the first predetermined water level. Configured to judge;
The solid oxide fuel cell system according to claim 1 or 2.
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