JP2016012518A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1や図2に示されているように、燃料電池システムにおいては、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、改質用原料を予熱する蒸発部(20a)と、水蒸気及び改質用原料から水素を含む改質ガスを生成する改質部(22b)と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池セルスタック(14)と、燃料電池セルスタックから排出される排ガスを燃焼して蒸発部及び改質部を加熱する燃焼部(18)とを備えている。 As one type of fuel cell system, one shown in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 1 and FIG. 2 of Patent Document 1, in the fuel cell system, the supplied reforming water is evaporated to generate water vapor, and the evaporating section (20a) that preheats the reforming raw material. ), A reforming section (22b) that generates reformed gas containing hydrogen from steam and reforming raw material, a fuel cell stack (14) that generates power using the reformed gas and air, and a fuel cell And a combustion section (18) for burning the exhaust gas discharged from the stack and heating the evaporation section and the reforming section.
特許文献1に示された燃料電池システムでは、燃焼部から排気された排気ガスの温度が、所定の判定時間において所定の温度降下量以上に降下した場合に、燃焼部における燃焼が停止した(以下、適宜「完全吹き消え」と略す)と判定している。 In the fuel cell system disclosed in Patent Literature 1, when the temperature of the exhaust gas exhausted from the combustion unit drops below a predetermined temperature drop amount during a predetermined determination time, combustion in the combustion unit is stopped (hereinafter referred to as the following). (Abbreviated as “complete blow-off” as appropriate).
燃料電池システムでは、燃料電池セルスタックにおける発電量が変動した場合に、燃焼部において一時的に部分的な吹き消え(以下、適宜「部分吹き消え」と略す)が発生する場合がある。この場合には、燃焼部から排気された排気ガスの温度が、所定の判定時間において所定の温度降下量以上に降下して、燃焼部において完全吹き消えが発生していないにも関わらず、燃焼部において完全吹き消えが発生したと誤判定されてしまう場合がある。また、蒸発部内において水が短時間に急激に蒸発する突沸が発生して、蒸発部内の圧力が急激に上昇し、一時的に部分吹き消えが発生した場合にも、燃焼部から排気された排気ガスの温度が、所定の判定時間において所定の温度降下量以上に降下して、燃焼部において完全吹き消えが発生していないのにも関わらず、燃焼部において完全吹き消えが発生したと誤判定されてしまう場合がある。 In the fuel cell system, when the amount of power generation in the fuel cell stack fluctuates, partial blowout (hereinafter, abbreviated as “partial blowout” as appropriate) may occur temporarily in the combustion section. In this case, the temperature of the exhaust gas exhausted from the combustion section drops below a predetermined temperature drop amount at a predetermined determination time, and the combustion section does not completely blow out, but the combustion is not performed. In some cases, it may be erroneously determined that complete blow-off has occurred in the part. Exhaust exhausted from the combustion section even when bumping occurs in the evaporation section where water suddenly evaporates in a short time, the pressure in the evaporation section suddenly increases, and partial blowout occurs temporarily. It is erroneously determined that a complete blow-off has occurred in the combustion section even though the gas temperature has fallen to a predetermined temperature drop amount or more during the predetermined determination time and no complete blow-out has occurred in the combustion section. It may be done.
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、燃料電池からの未使用の燃料が燃焼される燃焼部における完全吹き消えの誤判定を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to suppress misjudgment of complete blow-off in a combustion section where unused fuel from a fuel cell is burned in a fuel cell system. To do.
上記の課題を解決するためになされた、請求項1に係る燃料電池システムの発明は、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、前記蒸発部において生成された水蒸気と改質用原料から燃料を生成する改質部と、前記改質部によって生成された前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料電池からの未使用の前記燃料を含む可燃ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して前記蒸発部及び前記改質部を加熱する第一燃焼部と、前記第一燃焼部から排気される未使用の可燃ガスが導入されて、前記可燃ガスを燃焼させる第二燃焼部と、前記第二燃焼部の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部によって検出された前記第二燃焼部の温度が、判定温度よりも高くなった場合に、前記第一燃焼部における燃焼が停止した完全吹き消えが発生したと判定する吹き消え判定部と、前記燃料電池及び前記蒸発部のいずれにも前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じない場合には、前記判定温度を第一判定温度に設定し、前記燃料電池及び前記蒸発部の少なくとも一方に前記変化が生じた場合には、前記判定温度を前記第一判定温度よりも高い第二判定温度に設定する判定温度設定部と、を有する。 The invention of the fuel cell system according to claim 1, which has been made to solve the above-described problems, includes an evaporation unit that evaporates supplied reformed water to generate water vapor, and water vapor generated in the evaporation unit. A reforming unit that generates fuel from a reforming raw material, a fuel cell that generates electricity using the fuel and oxidant gas generated by the reforming unit, and a combustible gas that includes the unused fuel from the fuel cell A first combustion part for heating the evaporation part and the reforming part by burning with an oxidant gas, and an unused combustible gas exhausted from the first combustion part is introduced, and the combustible gas is When the temperature of the second combustion unit to be burned, the temperature detection unit for detecting the temperature of the second combustion unit, and the temperature of the second combustion unit detected by the temperature detection unit are higher than the determination temperature, Combustion in the first combustion section stops In the case where there is no change that can cause a partial partial blow-off in the first combustion unit in any of the fuel cell and the evaporation unit, it is determined that complete blow-off has occurred. The determination temperature is set to a first determination temperature, and when the change occurs in at least one of the fuel cell and the evaporation unit, the determination temperature is set to a second determination temperature higher than the first determination temperature. A determination temperature setting unit.
これによれば、燃料電池及び蒸発部の少なくとも一方に、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じた場合には、吹き消え判定部は第一判定温度よりも高い第二判定温度に基づいて第一燃焼部における完全吹き消えの発生の有無を判定し、そうでない場合には、吹き消え判定部は第一判定温度に基づいて第一燃焼部における完全吹き消えの発生の有無を判定する。このため、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し、第二燃焼部に導入される未使用の可燃ガスの量が増大することに起因して、第二燃焼部の温度が一時的に上昇した場合であっても、吹き消え判定部は、第一判定温度よりも高い第二判定温度に基づいて第一燃焼部における完全吹き消えの発生の有無を判定することができる。よって、第一燃焼部で完全吹き消えが発生していないのにも関わらず、第一燃焼部で完全吹き消えが発生したと誤判定されることを抑制することができる。 According to this, when a change in which at least one of the fuel cell and the evaporation unit may cause temporary partial blow-off occurs in the first combustion unit, the blow-off determination unit is higher than the first determination temperature. Based on the second determination temperature, the presence or absence of occurrence of complete blow-off in the first combustion portion is determined. If not, the blow-off determination portion determines whether complete blow-off in the first combustion portion is based on the first determination temperature. Determine if it occurs. For this reason, a temporary partial blowout occurs in the first combustion section, and the temperature of the second combustion section temporarily increases due to an increase in the amount of unused combustible gas introduced into the second combustion section. Even if it rises automatically, the blow-off determination unit can determine whether or not complete blow-off has occurred in the first combustion unit based on the second determination temperature that is higher than the first determination temperature. Therefore, it is possible to suppress erroneous determination that complete blow-out has occurred in the first combustion portion, even though complete blow-out has not occurred in the first combustion portion.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記判定温度設定部は、前記第二判定温度が設定されている場合において、前記温度検出部によって検出された前記第二燃焼部の温度が、前記第一判定温度よりも低くなった場合、又は、前記燃料電池及び前記蒸発部のいずれにも前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が、前記第二判定温度が設定されてから規定時間を経過して生じていない場合には、前記判定温度を前記第一判定温度に設定する。これによれば、第二判定温度が設定されたままとならない。このため、判定温度設定部は、燃料電池及び蒸発部の少なくとも一方に、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じたか否かに基づいて、第一判定温度及び第二判定温度のいずれかを再設定することができる。よって、第一燃焼部における完全吹き消えの発生の有無が適切に判定される。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the determination temperature setting unit is configured to detect the second combustion unit detected by the temperature detection unit when the second determination temperature is set. When the temperature of the first combustion temperature is lower than the first determination temperature, or a change that may cause a partial partial blow-off in the first combustion unit in either the fuel cell or the evaporation unit is the first If the predetermined time has not elapsed after the second determination temperature is set, the determination temperature is set to the first determination temperature. According to this, the second determination temperature does not remain set. For this reason, the determination temperature setting unit determines whether the first determination temperature and the first determination unit are based on whether at least one of the fuel cell and the evaporation unit has undergone a change that may cause temporary partial blowout in the first combustion unit. Either of the two judgment temperatures can be reset. Therefore, the presence or absence of occurrence of complete blow-off in the first combustion part is appropriately determined.
請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記燃料電池の発電電力又は発電電流を検出する発電検出部と、前記発電検出部によって検出された前記燃料電池の発電電力又は発電電流の変動が判定閾値より大きくなった場合に、前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る前記変化が前記燃料電池に生じたと判定する第一変化判定部と、を有する。燃料電池における発電電力又は発電電流に変動があると、それに伴い第一燃料部の燃焼状態が不安定となることで、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る。変化判定部は、燃料電池の発電電力又は発電電流の変動が判定閾値より大きくなった場合に、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が燃料電池に生じたと判定する。このため、燃料電池の発電電力の変動に起因する第一燃焼部における一時的な部分吹き消えの発生が確実に検出される。よって、判定温度として適切な温度が設定されるので、吹き消え判定部は、第一燃焼部における完全吹き消えの発生の有無を適切に判定することができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the power generation detection unit that detects the generated power or the generated current of the fuel cell, and the fuel cell detected by the power generation detection unit A first change determination unit that determines that the change that may cause partial partial blow-off in the first combustion unit has occurred in the fuel cell when a variation in generated power or generated current becomes greater than a determination threshold; Have. If the generated power or generated current in the fuel cell varies, the combustion state of the first fuel part becomes unstable along with it, so that a partial partial blow-off may occur in the first combustion part. The change determination unit determines that a change that may cause a partial partial blow-off in the first combustion unit has occurred in the fuel cell when a variation in the generated power or generated current of the fuel cell becomes greater than a determination threshold. For this reason, generation | occurrence | production of the temporary partial blow-off in the 1st combustion part resulting from the fluctuation | variation of the generated electric power of a fuel cell is detected reliably. Therefore, since an appropriate temperature is set as the determination temperature, the blow-off determination unit can appropriately determine whether or not complete blow-off has occurred in the first combustion unit.
請求項4に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記蒸発部において突沸したか否かを判定する突沸判定部と、前記突沸判定部によって前記蒸発部での突沸の発生が判定された場合に、前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る前記変化が前記蒸発部に生じたと判定する第二変化判定部と、を有する。蒸発部において突沸が発生すると、蒸発部内の水蒸気圧が急激に上昇するので、第一燃焼部に供給される水蒸気及び改質用原料の流速が一時的に上昇して、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る。変化判定部は、突沸判定部によって蒸発部での突沸の発生が判定された場合に、第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が蒸発部に生じたと判定する。このため、蒸発部内において突沸が発生したことに起因する第一燃焼部における一時的な部分吹き消えの発生が確実に検出される。よって、判定温度として適切な温度が設定されるので、吹き消え判定部は、第一燃焼部における完全吹き消えの発生の有無を適切に判定することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a bumping determination unit that determines whether or not bumping has occurred in the evaporation unit, and a bumping determination in the evaporation unit by the bumping determination unit. And a second change determination unit that determines that the change that may cause temporary partial blow-off in the first combustion unit has occurred in the evaporation unit when generation is determined. When bumping occurs in the evaporation section, the water vapor pressure in the evaporation section rises rapidly, so that the flow rate of the steam and reforming raw material supplied to the first combustion section rises temporarily, temporarily in the first combustion section. Partial blowout may occur. The change determination unit determines that a change that may cause a partial partial blow-off in the first combustion unit has occurred in the evaporation unit when the bumping determination unit determines the occurrence of bumping in the evaporation unit. For this reason, the occurrence of temporary partial blow-off in the first combustion portion due to the occurrence of bumping in the evaporation portion is reliably detected. Therefore, since an appropriate temperature is set as the determination temperature, the blow-off determination unit can appropriately determine whether or not complete blow-off has occurred in the first combustion unit.
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の発明において、前記改質用原料を前記改質部に供給するポンプと、前記改質用原料の前記改質部への流量を検出する流量検出部と、前記流量検出部によって検出された前記改質用原料の前記改質部への流量に基づいて、前記ポンプを駆動して前記ポンプが前記改質部に供給する前記改質用原料の流量をフィードバック制御するポンプ制御部と、を有し、前記突沸判定部は、前記流量検出部によって検出された前記改質用原料の前記改質部への流量と前記ポンプへの指示流量との偏差が偏差閾値を越えた場合に、前記蒸発部において突沸が発生したと判定する。これによれば、突沸判定部は、流量検出部によって検出された改質用原料の改質部への流量とポンプへの指示流量との偏差が偏差閾値を越えた場合に、蒸発部において突沸が発生したと判定することができる。これは、次の理由による。蒸発部において突沸が発生すると、蒸発部内の水蒸気圧が急激に上昇した後に急激に減少する。すると、蒸発部の下流側の背圧が急激に増減するので、蒸発部に供給される改質用原料の流量も増減するからである。従って、蒸発部における突沸の発生を確実に検出することができる。 The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4, wherein the pump for supplying the reforming raw material to the reforming section and the flow rate for detecting the flow rate of the reforming raw material to the reforming section. The reforming raw material that is driven by the pump and supplied to the reforming unit based on the flow rate of the reforming raw material detected by the detection unit and the flow rate detection unit to the reforming unit A pump control unit that feedback-controls the flow rate of the flow rate, and the bumping determination unit includes a flow rate of the reforming material detected by the flow rate detection unit to the reforming unit, an instruction flow rate to the pump, When the deviation exceeds the deviation threshold, it is determined that bumping has occurred in the evaporation section. According to this, when the deviation between the flow rate of the raw material for reforming to the reforming unit detected by the flow rate detection unit and the instruction flow rate to the pump exceeds the deviation threshold, the bumping determination unit performs bumping in the evaporation unit. Can be determined to have occurred. This is due to the following reason. When bumping occurs in the evaporation part, the water vapor pressure in the evaporation part rapidly increases and then decreases rapidly. This is because the back pressure on the downstream side of the evaporation section suddenly increases and decreases, and the flow rate of the reforming raw material supplied to the evaporation section also increases and decreases. Therefore, it is possible to reliably detect the occurrence of bumping in the evaporation unit.
請求項6に係る発明は、請求項4に記載の発明において、前記改質用原料を前記改質部に供給するポンプと、前記改質用原料の前記改質部への流量を検出する流量検出部と、前記流量検出部によって検出された前記改質用原料の前記改質部への流量に基づいて、前記ポンプを駆動して前記ポンプが前記改質部に供給する前記改質用原料の流量をフィードバック制御するポンプ制御部と、を有し、前記突沸判定部は、前記ポンプ制御部が前記ポンプに指令する制御指令値の変化量が制御指令閾値を越えた場合に、前記蒸発部において突沸が発生したと判定する。これによれば、突沸判定部は、ポンプ制御部がポンプに指令する制御指令値の変化量が制御指令閾値を越えた場合に、蒸発部において突沸が発生したと判定することができる。これは、次の理由による。蒸発部において突沸が発生すると、蒸発部内の水蒸気圧が急激に上昇した後に急激に減少する。すると、蒸発部の下流側の背圧が急激に増減するので、改質用原料の流量がフィートバックされているポンプへの制御指令値は変化するからである。従って、蒸発部における突沸の発生を確実に検出することができる。 The invention according to claim 6 is the invention according to claim 4, wherein a pump for supplying the reforming raw material to the reforming section, and a flow rate for detecting a flow rate of the reforming raw material to the reforming section. The reforming raw material that is driven by the pump and supplied to the reforming unit based on the flow rate of the reforming raw material detected by the detection unit and the flow rate detection unit to the reforming unit A pump control unit that feedback-controls the flow rate of the evaporating unit when the change amount of a control command value commanded to the pump by the pump control unit exceeds a control command threshold value. It is determined that bumping has occurred. According to this, the bumping determination unit can determine that bumping has occurred in the evaporation unit when the change amount of the control command value commanded to the pump by the pump control unit exceeds the control command threshold. This is due to the following reason. When bumping occurs in the evaporation part, the water vapor pressure in the evaporation part rapidly increases and then decreases rapidly. Then, the back pressure on the downstream side of the evaporating section is abruptly increased or decreased, so that the control command value to the pump in which the flow rate of the reforming raw material is backed is changed. Therefore, it is possible to reliably detect the occurrence of bumping in the evaporation unit.
以下、本発明による燃料電池システム100の一実施形態について説明する。図1に示すように、燃料電池システム100は、発電ユニット10及び貯湯槽21を備えている。発電ユニット10は、筐体10a、燃料電池モジュール11、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、及び制御装置15を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the
燃料電池モジュール11は、ケーシング31、蒸発部32、改質部33、及び燃料電池34を備えている。ケーシング31は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部32は、後述する第一燃焼部36によって燃焼された燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部32は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部33に供給するものである。
The
蒸発部32には、改質用原料供給管11aの一端が接続されている。改質用原料供給管11aの他端には、供給源Gsが接続されている。供給源Gsは、改質用原料を供給するものである。改質用原料としては天然ガス、LPガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。改質用原料として天然ガスを用いた実施形態について、本実施形態の燃料電池システム100を説明する。
One end of a reforming
改質用原料供給管11aには、上流から順番に遮断弁11a1、脱硫器11a2、流量センサ11a3、バッファタンク11a4、ポンプ11a5、及び逆止弁11a6が設けられている。遮断弁11a1は改質用原料供給管11aを制御装置15の指令によって開閉自在に遮断する弁(2連弁)である。脱硫器11a2は改質用原料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。流量センサ11a3(流量検出部)は、蒸発部32に供給されている改質用原料の流量、すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置15に送信している。バッファタンク11a4は、ポンプ11a5の脈動により流量センサ11a3の精度低下や真値からの逸脱を抑制するものである。
The reforming
ポンプ11a5は、改質用原料を蒸発部32に供給することにより、燃料電池34に燃料(改質用原料)を供給する供給装置であり、制御装置15からの制御指令値によって供給源Gsからの燃料供給量(供給流量(単位時間あたりの流量))を調整するものである。このポンプ11a5は、改質用原料を吸入し蒸発部32(改質部33)に圧送する圧送装置である。制御装置15は、流量センサ11a3によって検出された改質用原料の蒸発部32(改質部33)への流量に基づいて、ポンプ11a5が蒸発部32(改質部33)に供給する改質用原料の流量をフィードバック制御する。なお、制御装置15は、リニア電流制御によって、ポンプ11a5を駆動するモータ(不図示)に供給する電流量を調整する。ここでいうリニア電流制御とは、ポンプ11a5を駆動する電圧デューティー比を変更し、実効電流を除変させるPWM制御が含まれる。逆止弁11a6は、ポンプ11a5と燃料電池モジュール11(蒸発部32)との間に配設されており、ポンプ11a5から燃料電池モジュール11への流れを許容するがその反対方向の流れを禁止するものである。
The pump 11a5 is a supply device that supplies fuel (reforming raw material) to the
蒸発部32には、水供給管11bの一端が接続されている。水供給管11bの他端には、水タンク14に接続されている。水供給管11bは、改質水ポンプ11b1が設けられている。このような構成によって、水タンク14から改質水が蒸発部32に供給される。燃料電池34には、カソードエア供給管11cの一端が接続されている。カソードエア供給管11cの他端には、カソードエアブロワ11c1が接続されている。このような構成によって、カソードエアが燃料電池34に供給される。
One end of a
改質部33は、後述する第一燃焼部36によって燃焼された燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部32から供給された混合ガス(改質用原料、水蒸気)から改質ガスを生成して導出するものである。改質部33内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。このように、改質部33は、改質用原料(原燃料)と改質水とから改質ガス(燃料)を生成して燃料電池34に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
The reforming
燃料電池34は、改質部33によって生成された燃料とカソードエアブロワ11c1によって供給されたカソードエア(酸化剤ガス)によって発電するものである。燃料電池34は、燃料極、空気極(酸化剤極)、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル34aが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池34の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は400〜1000℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部33は省略することができる。
The
セル34aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路34bが形成されている。セル34aの空気極側には、酸化剤ガスである空気(カソードエア)が流通する空気流路34cが形成されている。
On the fuel electrode side of the
燃料電池34は、マニホールド35上に設けられている。マニホールド35には、改質部33からの改質ガスが改質ガス供給管38を介して供給される。燃料流路34bは、その下端(一端)がマニホールド35の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ11c1によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管11cを介して供給され、空気流路34cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
The
第一燃焼部36は、燃料電池34と蒸発部32及び改質部33との間に設けられている。第一燃焼部36は、燃料電池34からのアノードオフガス(燃料オフガス、未使用の燃料を含む可燃ガス)と燃料電池34からのカソードオフガス(酸化剤オフガス)とを燃焼させて、燃焼後に発生する燃焼ガスによって蒸発部32及び改質部33を加熱する。
The
第一燃焼部36では、アノードオフガスが燃焼されて火炎37が発生している。第一燃焼部36には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ36a1,36a2が設けられている。
In the
熱交換器12は、燃料電池モジュール11から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とを熱交換させる装置である。貯湯槽21は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する(図1にて矢印の方向に循環する)貯湯水循環ライン22が接続されている。貯湯水循環ライン22上には、貯湯槽21の下端から上端に向かって順番に循環ポンプ22a及び熱交換器12が配設されている。熱交換器12は、水タンク14に接続されている凝縮水供給管12aが接続されている。
The
熱交換器12において、燃料電池モジュール11からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス導入部12bを通って熱交換器12内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却される。これにより、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が生成される。熱交換後の燃焼排ガスは排気管12cを通り、筐体10aに設けられた第一排気口10bを通って、筐体10aの外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管12aを通って水タンク14に供給される。なお、水タンク14は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
In the
上述した熱交換器12、貯湯槽21及び貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
The
熱交換器12の燃焼排ガス導入部12bの入口がケーシング31に接続されている部分、すなわちケーシング31の導出口31aには、第二燃焼部28が設けられている。第二燃焼部28は、第一燃焼部36から排気されるガスである第一燃焼部オフガス、すなわち、第一燃焼部36から排気される未使用の可燃ガス(例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など)を導入し燃焼して導出するものである。第二燃焼部28は、可燃ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒で構成されている。燃焼触媒には、プラチナやパラジウムなどの貴金属がセラミックの単体などに担持させたものが含まれる。
A
なお、燃焼触媒は、水素、メタンガス、一酸化炭素などの可燃ガスを火炎燃焼でなく触媒によって燃焼するため、燃焼速度が大きく、大量の可燃ガスを燃焼することができ、かつ、燃焼効率も高いため未燃焼ガスの排出を抑制することができる。 Note that the combustion catalyst burns combustible gases such as hydrogen, methane gas, and carbon monoxide by the catalyst instead of flame combustion, so the combustion speed is high, a large amount of combustible gas can be burned, and the combustion efficiency is also high. Therefore, discharge of unburned gas can be suppressed.
第二燃焼部28には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ28aが設けられている。燃焼触媒ヒータ28aは制御装置15の指示によって加熱され、燃料電池システム100の起動前に燃焼触媒28を活性温度まで上昇させるために使用されるものである。また、第二燃焼部28には、第二燃焼部28の温度Tを検出するための温度センサ28b(温度検出部)が設けられている。温度センサ28bの検出結果(出力信号)は制御装置15に送信されている。温度センサ28bの代わりに、第二燃焼部28から排出される燃焼排気ガスの温度を検出する温度センサを第二燃焼部28の直下流位置に設けるようにしてもよい。
The
インバータ装置13には、燃料電池34から出力される直流電圧が入力される。そして、インバータ装置13は、入力された直流電圧を所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源16a及び外部電力負荷16c(例えば電化製品)に接続されている電源ライン16bに出力する。インバータ装置13には、系統電源16aからの交流電圧が電源ライン16bを介して入力される。そして、インバータ装置13は、入力された交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機(各ポンプ、ブロワなど)や制御装置15に出力する。制御装置15は、補機を駆動して燃料電池システム100の運転を制御する。インバータ装置13(発電電力検知部)は、燃料電池34の発電電力を検知する。
A DC voltage output from the
制御装置15は、燃料電池システム100を統括制御するものである。制御装置15は、ポンプ11a5によって蒸発部32(改質部33)に供給される改質用原料の流量を調整するとともに、改質水ポンプ11b1によって蒸発部32に供給される改質水の流量を調整し、更に、カソードエアブロワ11c1によって燃料電池34に供給されるカソードエアの流量を調整することによって、燃料電池34で発電される発電電力を調整する。
The
(第一完全吹き消え判定処理)
以下に図2に示すフローチャートを用いて、「第一完全吹き消え判定処理」について説明する。図2に示す「第一完全吹き消え判定処理」は、燃料電池34の発電電力の変動によって、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生したか否かを判定するための判定温度を変更する実施形態である。燃料電池システムが起動すると、制御装置15は、プログラムをステップS11に進める。
(First complete blow-off judgment process)
The “first complete blow-off determination process” will be described below using the flowchart shown in FIG. The “first complete blow-off determination process” shown in FIG. 2 changes the determination temperature for determining whether or not complete blow-off has occurred in the
ステップS11において、制御装置15(判定温度設定部)は、第一燃焼部36においてアノードオフガスとカソードオフガスが完全燃焼している場合の判定温度である第一判定温度T1を設定して、プログラムをステップS12に進める。なお、なお、完全燃焼とは、第一燃焼部36の全てで火炎が形成されている状態を指す。また、第一判定温度T1は、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Pa以下である場合に、つまり、第一燃焼部36での部分吹き消えが発生し得ない場合に、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと検出できる温度(例えば350℃)に設定されている。ここで、部分吹き消えとは、第一燃焼部36で完全に火炎が消えていない(燃焼が停止していない)が、第一燃焼部36の一部で火炎が消えている状態をいう。
In step S11, the control device 15 (determination temperature setting unit) sets the first determination temperature T1, which is a determination temperature when the anode off-gas and the cathode off-gas are completely burned in the
部分吹き消えの発生理由を以下に詳述する。燃料電池34における発電電力に変動があると、第一燃焼部36に供給されるアノードオフガスの流量変化と、第一燃焼部36に供給されるカソードオフガスの流量変化とのタイムラグによって、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る。また、燃料電池34における発電電力に変動があると、当該変動に伴う第一燃焼部36が蒸発部32に供給する熱量の変化に伴い、蒸発部32内において改質水の水面が変化することにより、蒸発部32内において突沸が発生する場合がある。そして、蒸発部32内において突沸が発生すると、蒸発部32内の水蒸気圧が急激に上昇するので、第一燃焼部36に供給されるアノードオフガス及びカソードオフガスの流速が一時的に上昇して、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る。
The reason for the occurrence of partial blowout will be described in detail below. If the generated power in the
このように、第一燃焼部36で部分吹き消えが発生すると、第一燃焼部36から第二燃焼部28に導入される可燃ガスの量が増える。この結果、第二燃焼部28の温度Tは、部分吹き消えが発生する前と比べて上昇する。その後、第一燃焼部36では、吹き消えていない火炎によって、一旦消えた火炎が復活する。つまり、第一燃焼部36における部分吹き消えが解消し、第一燃焼部36が完全燃焼状態に戻る。なお、第二燃焼部28の温度、もしくは第一燃焼部36の温度に基づいて、点火ヒータ36a1,a2に通電させることで、第一燃焼部36の部分吹き消えの解消を確実に行うことも可能である。
Thus, when partial blowout occurs in the
再びフローチャートに説明を戻す。ステップS12において、制御装置15は、温度センサ28bによって検出された第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高いと判断した場合には(ステップS12:YES)、プログラムをステップS13に進める。一方で、制御装置15は、温度Tが第一判定温度T1以下であると判断した場合には(ステップS12:NO)、ステップS12の処理を繰り返す。
Returning the description to the flowchart again. In step S12, when the
ステップS13において、制御装置15(第一変化判定部)は、インバータ装置13からの信号に基づいて、ステップS13の判断時から規定時間Tm1(例えば20〜30分)だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有ったと判断した場合には(ステップS13:YES)、プログラムをステップS14に進める。一方で、制御装置15は、インバータ装置13からの信号に基づいて、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が無かったと判断した場合には(ステップS13:NO)、プログラムをステップS16に進める。なお、電力判定閾値Paは、第一燃焼部36で部分吹き消えが発生し得る発電電力の変動量に設定されている。また、規定時間Tm1は、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paよりも大きくなった場合に、つまり、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生した場合に、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高くなり得る時間に設定されている。
In step S13, the control device 15 (first change determination unit) is based on a signal from the
ステップS14において、制御装置15(判定温度設定部)は、第一燃焼部36において部分吹き消え又は完全吹き消えが発生している場合の判定温度である第二判定温度T2を設定して、プログラムをステップS15に進める。なお、第二判定温度T2は、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きい場合に、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと検出できる温度に設定されている。また、第二判定温度T2は、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生した場合に、第二燃焼部28の温度Tが第二判定温度T2を越えない温度に設定されている。更に、第二判定温度T2は、第二燃焼部28の触媒の耐熱温度や、第二燃焼部28の周辺部品(例えばガスケット)の耐熱温度、熱交換器12の耐熱温度より低い温度(例えば400〜500℃)に設定されている。
In step S14, the control device 15 (determination temperature setting unit) sets a second determination temperature T2 that is a determination temperature when partial blowout or complete blowout has occurred in the
このように、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1よりも高くなり(ステップS12でYESと判断)、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有った場合には(ステップS13でYESと判断)、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生したか否かを判定するための判定温度は、第二判定温度T2に変更される(ステップS14)。
Thus, the temperature T of the
一方で、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が無かった場合には(ステップS13でNOと判断)、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生したか否かを判定するための判定温度は、第一判定温度T1に維持される。
On the other hand, if there is no change in the generated power of the
また、第二判定温度T2が設定されている場合において、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1よりも低くなった場合には、第二燃焼部28の温度Tは第二判定温度T2よりも低いので(ステップS15でNOと判断)、第一判定温度T1が設定され(ステップS11)、設定された第一判定温度が維持される(ステップS12でNOと判断)。つまり、第二判定温度T2が設定されている場合において、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1よりも低くなった場合には、第一判定温度T1が設定される。
In addition, when the second determination temperature T2 is set and the temperature T of the
再び図2に示すフローチャートに戻って説明する。
ステップS15において、制御装置15は、温度センサ28bによって検出された第二燃焼部28の温度Tが第二判定温度T2より高いと判断した場合には(ステップS15:YES)、プログラムをステップS16に進める。一方で、制御装置15は、温度Tが第二判定温度T2以下であると判断した場合には(ステップS15:NO)、プログラムをステップS11に戻す。
Returning to the flowchart shown in FIG.
In step S15, when the
ステップS16において、制御装置15(吹き消え判定部)は、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生していると判定する。なお、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生する要因として、改質用原料や改質水の供給系統の故障が含まれる。このように、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高くなったとしても(ステップS12でYESと判断)、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きい場合(ステップS13でYESと判断)、つまり、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生し得る場合には、ステップS14において、第二判定温度T2が設定される。そして、第二燃焼部28の温度Tが第二判定温度T2を越えなければ、ステップS16において、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生していると判定されない。制御装置15は、プログラムはステップS17に進める。
In step S <b> 16, the control device 15 (blow-off determination unit) determines that complete blow-off has occurred in the
ステップS17において、制御装置15は、ポンプ11a5、改質水ポンプ11b1、及びカソードエアブロワ11c1の駆動を停止して、燃料電池34への改質用原料、改質水、及びカソードエアの供給を停止する停止運転処理を実行する。ステップS17が終了すると、「第一完全吹き消え判定処理」が終了する。
In step S17, the
(タイムチャートの説明)
以下に、部分吹き消えが発生した場合及び完全吹き消えが発生した場合について、図3に示すタイムチャートを参照して説明する。燃料電池システム100の運転中において、時刻t1において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生し、第一燃焼部36で部分吹き消えや完全吹き消えが発生すると、第二燃焼部28の温度Tが上昇し、時刻t2において、温度Tは第一判定温度T1を越える。すると、時刻t2から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間に、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生しているので(図2のステップS13でYESと判断)、時刻t2において、第二判定温度T2が設定される(ステップS14)。そして、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生していた場合には、第二燃焼部28の温度Tは第二判定温度T2を越えないので(時刻t2〜時刻t4の間で示される実線、ステップS15でNOと判断)、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと判定されない。このように、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生すると、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生しているか否かを判定するための判定温度が、第一判定温度T1から第二判定温度T2に変更される。この場合において、第一燃焼部36で、完全吹き消えで無く、部分吹き消えが発生していた場合には、第二燃焼部28の温度Tは第二判定温度T2を越えない。このため、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生していないのにも関わらず、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生していると誤判定されない。
(Explanation of time chart)
Hereinafter, a case where partial blow-off occurs and a case where complete blow-off occurs will be described with reference to a time chart shown in FIG. During the operation of the
第一燃焼部36での部分吹き消えの発生後、第一燃焼部36では、吹き消えていない火炎によって、一旦消えた火炎が復活する。すると、第二燃焼部28に導入される第一燃焼部オフガスに含まれる可燃ガスの量が減少するので、第二燃焼部28の温度Tが低下し、時刻t4において、温度Tが第一判定温度T1以下となると、第一判定温度T1が設定される(ステップS11)。
After the occurrence of partial blow-off in the
一方、燃料電池システム100の運転中において、時刻t1において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生し、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生していた場合には、図3の破線で示すように、時刻t3において、第二燃焼部28の温度Tは第二判定温度T2を越え(ステップS15でYESと判断)、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと判定される(ステップS16)。
On the other hand, during the operation of the
また、燃料電池システム100の運転中において、電量判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生すること無く、t2において、温度Tが第一判定温度T1を越えると(ステップS12でYESと判断、ステップS13でNOと判断)、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと判定される(ステップS16)。このように、第二判定温度T2よりも低い温度である第一判定温度T1で、第一燃焼部36での完全吹き消えの発生の有無が判定される。このため、第一燃焼部36での完全吹き消えの発生が、より早期に判定される。
Further, during the operation of the
(本実施形態の効果)
以上の説明から明らかなように、制御装置15(判定温度設定部)は、燃料電池34に、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じない場合には、第一判定温度T1を設定する(図2のステップS11)。一方で、制御装置15(判定温度設定部)は、燃料電池34に第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じた場合には、第一判定温度T1よりも高い第二判定温度T2を設定する(図2のステップS14)。これによれば、燃料電池34に、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じた場合には、制御装置15(吹き消え判定部)は第一判定温度T1よりも高い第二判定温度T2に基づいて第一燃焼部36における完全吹き消えの発生の有無を判定し(図2のステップS15)、そうでない場合には、制御装置15(吹き消え判定部)は第一判定温度T1に基づいて第一燃焼部36における完全吹き消えの発生の有無を判定する(図2のステップS12、ステップS13)。
(Effect of this embodiment)
As is apparent from the above description, the control device 15 (determination temperature setting unit) determines that the
このため、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し、第二燃焼部28に導入される未使用の可燃ガスの量が増大することに起因して、第二燃焼部28の温度が一時的に上昇した場合であっても(図3の時刻t2〜時刻t4の間の実線示)、制御装置15(吹き消え判定部)は、図2のステップS15の判定において、第一判定温度T1よりも高い第二判定温度T2に基づいて第一燃焼部36における完全吹き消えの発生の有無を判定することができる。よって、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生していないのにも関わらず、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと誤判定されることを抑制することができる。
For this reason, a partial partial blow-off occurs in the
制御装置15(判定温度設定部)は、第二判定温度T2が設定されている場合において、温度センサ28bによって検出された第二燃焼部28の温度Tが、第一判定温度T1よりも低くなった場合には(図2のステップS15及びステップS12でNOと判断)、第一判定温度T1に設定する(ステップS11)。これにより、第二判定温度T2が設定されたままとならない。このため、燃料電池34に第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じたか否かに基づいて、第一判定温度及び第二判定温度のいずれかが再設定される。よって、第一燃焼部36における完全吹き消えの発生の有無が適切に判定される。
In the control device 15 (determination temperature setting unit), when the second determination temperature T2 is set, the temperature T of the
燃料電池34における発電電力に変動があると、第一燃焼部36に供給されるアノードオフガスの流量変化と、第一燃焼部36に供給されるカソードオフガスの流量変化とのタイムラグによって、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る。また、燃料電池34における発電電力に変動があると、当該変動に伴う第一燃焼部36が蒸発部32に供給する熱量の変化に伴い、蒸発部32内において改質水の水面が変化することにより、蒸発部32内において突沸が発生する場合がある。そして、蒸発部32内において突沸が発生すると、蒸発部32内の水蒸気圧が急激に上昇するので、第一燃焼部36に供給されるアノードオフガス及びカソードオフガスの流速が一時的に上昇して、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る。この原理を利用して、図2のステップS13において、制御装置15(第一変化判定部)は、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る燃料電池34の変化を、インバータ装置13(発電検出部)によって検出された燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きくなるか否かによって検出することにしている。これにより、燃料電池34の発電電力の変動に起因する第一燃焼部36における一時的な部分吹き消えの発生が確実に検出される。
If the generated power in the
燃焼触媒である第二燃焼部28は、未使用の可燃ガス量に対する温度の応答性が良い。一方で、第一燃焼部36は熱容量が大きいため、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生した場合において、第一燃焼部36から排気された排気ガスの温度低下の応答速度は遅い。本実施形態では、燃焼触媒である第二燃焼部28温度Tによって、第一燃焼部36での完全吹き消えの発生の有無を判定しているので、第一燃焼部36から排気された排気ガスの温度によって第一燃焼部36での完全吹き消えの発生の有無を判定する実施形態と比べて、第一燃焼部36での完全吹き消えの発生の有無を応答良く判定することができる。
The
図2に示す「第一完全吹き消え判定処理」では、ステップS12において、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高くなった場合に、ステップS13において、制御装置15は、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有ったか否かを判断して、第二判定温度T2を設定するか否かを判断している。これにより、制御装置15が、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有ったか否かを常に判断して、第二判定温度T2を設定するか否かを判断する実施形態と比較して、制御装置15が実行する処理が軽く、制御装置15の記憶領域が占有されない。
In the “first complete blow-off determination process” shown in FIG. 2, when the temperature T of the
(第二実施形態)
以下に図4に示すフローチャートを用いて、制御装置15が「第二完全吹き消え判定処理」を実行する第二実施形態について、制御装置15が上記説明した図2に示す「第一完全吹き消え判定処理」を実行する実施形態(第一実施形態)と異なる点について、説明する。なお、「第二完全吹き消え判定処理」について、「第一完全吹き消え判定処理」と同一の処理については、図4に示すフローチャートにおいて、図2に示すフローチャートと同じステップ番号を付して、その説明を省略する。「第二完全吹き消え判定処理」は、蒸発部32における突沸の発生の有無によって、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生したか否かを判定するための判定温度を変更する実施形態(第二実施形態)である。なお、蒸発部32において突沸が発生し、蒸発部32下流側の背圧が増減すると、第一燃焼部36に供給される燃料が、水蒸気リッチ状態(改質用原料リーン状態)となった後に、蒸発部32において水蒸気リーン状態(改質用原料リッチ状態)となり、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生し得る。
(Second embodiment)
In the second embodiment in which the
ステップS12において、制御装置15は、温度センサ28bによって検出された第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高いと判断した場合には(ステップS12:YES)、プログラムをステップS21に進める。
In step S12, when the
ステップS21において、制御装置15(第二変化判定部)は、ステップS21の判断時から規定時間Tm2(例えば20〜30分)だけ過去に遡った時間の間において、蒸発部32において突沸が発生したと判断した場合には(ステップS21:YES)、プログラムをステップS14に進める。一方で、制御装置15は、ステップS21の判断時から規定時間Tm2だけ過去に遡った時間の間において、蒸発部32において突沸が発生していないと判断した場合には(ステップS21:NO)、プログラムをステップS16に進める。なお、規定時間Tm2は、蒸発部32において突沸が発生した場合に、つまり、第一燃焼部36で部分吹き消えが発生し得る場合に、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高くなり得る時間に設定されている。具体的には、制御装置15は、以下に示す(条件1)と(条件2)のいずれかに合致したと判断した場合には、蒸発部32において突沸が発生したと判断する。
In step S21, the control device 15 (second change determination unit) caused bumping in the
(条件1)|ΔQ|≧ΔQa
ΔQ:流量センサ11a3によって検出された改質用原料の流量と、制御装置15がポンプ11a5に指示する改質用原料の指示流量との偏差
ΔQa: 偏差閾値
(Condition 1) | ΔQ | ≧ ΔQa
ΔQ: Deviation between the flow rate of the reforming material detected by the flow sensor 11a3 and the commanded flow rate of the reforming material that the
なお、蒸発部32において突沸が発生すると、蒸発部32において瞬間的に水蒸気量が増大し、蒸発部32下流側の背圧が上昇し、その後反動によって、蒸発部32下流側の背圧が減少する。すると、流量センサ11a3によって検出された改質用原料の流量と、フィードバック制御によって制御装置15がポンプ11a5に指示する改質用原料の指示流量とが乖離する。この原理を利用して、条件1が成立した場合には、蒸発部32において突沸が発生したと判断される。
When bumping occurs in the
(条件2)|Δm|≧Δma
Δm:制御装置15からポンプ11a5を駆動するモータに供給される電流のデューティー比(制御指令値)の変化量
Δma:規定デューティー閾値(制御指令閾値)
(Condition 2) | Δm | ≧ Δma
Δm: change amount of duty ratio (control command value) of current supplied from the
なお、蒸発部32において突沸が発生すると、蒸発部32下流側の背圧が上昇し、その後反動によって蒸発部32下流側の背圧が減少して、ポンプ11a5が吐出する改質用原料の流量が増減する。制御装置15は、ポンプ11a5が吐出する改質用原料の流量を突沸発生前の状態にするために、フィードバック制御によってポンプ11a5のモータに供給される電流のデューティー比を変更する。この原理を利用して、条件2が成立した場合には、蒸発部32において突沸が発生したと判断される。
When bumping occurs in the
このように、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高くなったとしても(図4のステップS12でYESと判断)、ステップS21の判断時から規定時間Tm2だけ過去に遡った時間の間において、蒸発部32において突沸が発生した場合(図4のステップS21でYESと判断)、つまり、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生し得る場合には、図4のステップS14において、第二判定温度T2が設定される。そして、第二燃焼部28の温度Tが第二判定温度T2を越えなければ(図4のステップS15でYESと判定)、図4のステップS16において、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生していると判定されない。
Thus, even if the temperature T of the
(第二実施形態の効果)
上述したように、蒸発部32において突沸が発生すると、蒸発部32内の水蒸気圧が急激に上昇するので、第一燃焼部36に供給されるアノードオフガス及びカソードオフガスの流速が一時的に上昇して、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る。この原理を利用して、図2のステップS23において、制御装置15(第二変化判定部)は、第一燃焼部36において一時的な部分吹き消えが発生し得る蒸発部32の変化を、蒸発部32において突沸が発生したか否かによって検出している。これにより、蒸発部32内において突沸が発生したことに起因する第一燃焼部36における一時的な部分吹き消えの発生が確実に検出される。
(Effect of the second embodiment)
As described above, when bumping occurs in the
上述したように、蒸発部32において突沸が発生すると、蒸発部32内の水蒸気圧が急激に上昇した後に急激に減少する。すると、蒸発部32の下流側の背圧が急激に増減するので、蒸発部32に供給される改質用原料の流量も増減する。この原理を利用して、図4のステップS23において、制御装置15(突沸判定部)は、流量センサ11a3(流量検出部)によって検出された改質用原料の流量と、フィードバック制御によって制御装置15がポンプ11a5に指示する改質用原料の指示流量との偏差ΔQが偏差閾値ΔQaを越えた場合には、蒸発部32において突沸が発生したと判定する(図4のステップS23でYESと判定)。これにより、蒸発部32における突沸の発生を確実に検出することができる。
As described above, when bumping occurs in the
上述したように、蒸発部32において突沸が発生すると、蒸発部32内の水蒸気圧が急激に上昇した後に急激に減少する。すると、蒸発部32の下流側の背圧が急激に増減するので、改質用原料の流量がフィートバックされているポンプ11a5を駆動するモータに供給される電流のデューティー比(ポンプ11a5の制御指令値)は変化する。この原理を利用して、図4のステップS23において、制御装置15(突沸判定部)は、ポンプ11a5を駆動するモータに供給される電流のデューティー比の変化量が規定デューティー閾値Δma(制御指令閾値)を越えた場合に、前記蒸発部32において突沸が発生したと判定する(図4のステップS23でYESと判定)。これにより、蒸発部32における突沸の発生を確実に検出することができる。
As described above, when bumping occurs in the
図4に示す「第二完全吹き消え判定処理」では、ステップS12において、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高くなった場合に、ステップS21において、制御装置15は、ステップS21の判断時から規定時間Tm2だけ過去に遡った時間の間において、蒸発部32において突沸が発生したか否かを判断して、第二判定温度T2を設定するか否かを判定している。これにより、制御装置15が、蒸発部32において突沸が発生したか否かを常に判断して、第二判定温度T2を設定するか否かを判断する実施形態と比較して、制御装置15が実行する処理が軽く、制御装置15の記憶領域が占有されない。
In the “second complete blow-off determination process” shown in FIG. 4, when the temperature T of the
以上説明した図2に示す「第一完全吹き消え判定処理」及び図4に示す「第二完全吹き消え判定処理」の両方が実行される実施形態であっても差し支え無い。また、「第一完全吹き消え判定処理」及び「第二完全吹き消え判定処理」の一方のみが実行される実施形態であっても差し支え無い。 There may be an embodiment in which both the “first complete blow-off determination process” shown in FIG. 2 and the “second complete blow-off determination process” shown in FIG. 4 described above are executed. Further, there may be an embodiment in which only one of the “first complete blow-off determination process” and the “second complete blow-off determination process” is executed.
(第三実施形態)
以下に図5に示すフローチャートを用いて、制御装置15が「第三完全吹き消え判定処理」を実行する第三実施形態について説明する。「第一完全吹き消え判定処理」では、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1を越えてから(図2のステップS12でYESと判断)、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有った場合に(ステップS13でYESと判断)、第二判定温度T2が設定される(ステップS14)。それに対し、「第三完全吹き消え判定処理」では、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きい場合には、第二判定温度T2が設定され、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Pa以下の場合には、第一判定温度T1が設定される。以下に詳細に説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment in which the
燃料電池システム100が起動すると、プログラムはステップS111に進む。
ステップS111において、制御装置15は、インバータ装置13からの信号に基づいて、燃料電池34の発電電力の変動が、電力判定閾値Paより大きいと判断した場合には(ステップS111:YES)、プログラムをステップS113に進める。一方で、制御装置15は、燃料電池34の発電電力の変動が、電力判定閾値Pa以下であると判断した場合には(ステップS111:NO)、プログラムをステップS112に進める。
When the
In step S111, when the
ステップS112において、制御装置15(判定温度設定部)は、第一判定温度T1を設定して、プログラムをステップS121に進める。
ステップS113において、制御装置15(判定温度設定部)は、第二判定温度T2を設定して、プログラムをステップS131に進める。
このように、燃料電池34の発電電力の変動が、電力判定閾値Paより大きい場合には、第二判定温度T2が設定される。一方で、燃料電池34の発電電力の変動が、電力判定閾値Pa以下の場合には、第一判定温度T1が設定される。
In step S112, the control device 15 (determination temperature setting unit) sets the first determination temperature T1, and advances the program to step S121.
In step S113, the control device 15 (determination temperature setting unit) sets the second determination temperature T2, and advances the program to step S131.
Thus, when the fluctuation | variation of the electric power generation of the
ステップS121において、制御装置15は、温度センサ28bにおいて検出された第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1より高いと判断した場合には(ステップS121:YES)、プログラムをステップS122に進める。一方で、制御装置15は、温度Tが第一判定温度T1以下であると判断した場合には(ステップS121:NO)、プログラムをステップS111に戻す。
In step S121, when the
ステップS122において、制御装置15は、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生していると判定し、プログラムをステップS123に進める。
In step S122, the
ステップS123において、制御装置15は、上述した停止運転処理を実行する。ステップS123が終了すると、図5に示す「第三完全吹き消え判定処理」が終了する。
In step S123, the
ステップS131において、制御装置15は、温度センサ28bによって検出された第二燃焼部28の温度Tが第二判定温度T2より高いと判断した場合には(ステップS131:YES)、プログラムをステップS122に進める。一方で、制御装置15は、温度Tが第二判定温度T2以下であると判断した場合には(ステップS131:NO)、プログラムをステップS132に進める。
In step S131, when the
このように、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きい場合(ステップS111でYESと判断)、つまり、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生し得る場合には、S113において、第二判定温度T2が設定される。そして、第二燃焼部28の温度Tが第二判定温度T2を越えなければ、ステップS122において、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生していると判定されない。
As described above, when the variation in the generated power of the
ステップS132において、制御装置15は、ステップS113において第二判定温度T2が設定されてから規定時間Tm3が経過したと判断した場合には(ステップS132:YES)、プログラムをステップS111に戻す。一方で、制御装置15は、ステップS113において第二判定温度T2が設定されてから規定時間Tm3が経過していないと判断した場合には(ステップS132:NO)、プログラムをステップS131に戻す。なお、この規定時間Tm3は、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きくなり、第一燃焼部36において部分吹き消えが発生した場合において、部分吹き消えに起因して上昇した第二燃焼部28の温度Tが、部分吹き消えが発生する前の温度に復帰する時間(例えば20〜30分)に設定されている。
In step S132, when it is determined that the specified time Tm3 has elapsed since the second determination temperature T2 was set in step S113 (step S132: YES), the
(第三完全吹き消え判定処理実行時のタイムチャートタイムチャートの説明)
以下に、「第三完全吹き消え判定処理」が実行されている時の、部分吹き消えが発生した場合及び完全吹き消えが発生した場合について、図6に示すタイムチャートを参照して説明する。燃料電池システム100の運転中において、時刻t1において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生すると、第二判定温度T2が設定される(図5のステップS113)。電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動に伴って、第一燃焼部36において部分吹き消え又は完全吹き消えが発生し、第二燃焼部28の温度Tは上昇する。第一燃焼部36において部分吹き消えが発生していた場合には、第二燃焼部28の温度Tは第二判定温度T2を越えないので(時刻t1〜時刻t3の間で示される実線、ステップS131でNOと判断)、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと判定されない。
(Explanation of the time chart when the third complete blow-off determination process is executed)
Hereinafter, the case where the partial blow-off occurs and the case where the complete blow-off occurs when the “third complete blow-off determination process” is executed will be described with reference to the time chart shown in FIG. 6. During the operation of the
時刻t3において、第二判定度T2が設定されてから規定時間Tm3が経過し(ステップS132でYESと判断)、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生していない場合には(ステップS111でNOと判断)、第一判定温度T1が設定される(ステップS112)。
At time t3, when the specified time Tm3 has elapsed since the second determination degree T2 was set (YES in step S132), and the generated power fluctuation of the
一方、燃料電池システム100の運転中において、時刻t1において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生し、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生していた場合には、図6の破線で示すように、時刻t2において、第二燃焼部28の温度Tは第二判定温度T2を越え(ステップS131でYESと判断)、第一燃焼部36で完全吹き消えが発生したと判定される(ステップS122)。
On the other hand, during the operation of the
この「第三完全吹き消え判定処理」では、燃料電池34の発電電力の変動が電力判定閾値Paより大きい場合には、タイムラグ無く第二判定温度T2が設定される。これにより、第一燃焼部36で部分吹き消えが発生し、第二燃焼部28の温度Tが緩やかに上昇した場合に、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生したと誤判定されてしまうことが抑制される。つまり、第二燃焼部28の温度Tが第一判定温度T1を越えてから規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有った場合に第二判定温度T2を設定する方法では、以下の誤判定が生じ得る。第一燃焼部36で部分吹き消えが発生し、第二燃焼部28の温度Tが緩やかに上昇した場合に、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が発生してから、温度Tが規定時間Tm1よりも長い時間で第一判定温度T1を越えると、第一判定温度T1から第二判定温度T2に変更されず、第一燃焼部36において完全吹き消えが発生したと誤判定されてしまう。
In the “third complete blow-off determination process”, the second determination temperature T2 is set without a time lag when the variation in the generated power of the
(第四実施形態)
以下に図7に示すフローチャートを用いて、制御装置15が「第四完全吹き消え判定処理」を実行する第四実施形態について、制御装置15が上記説明した図5に示す「第三完全吹き消え判定処理」を実行する実施形態(第三実施形態)と異なる点について、説明する。なお、「第四完全吹き消え判定処理」について、「第三完全吹き消え判定処理」と同一の処理については、図7に示すフローチャートにおいて、図5に示すフローチャートと同じステップ番号を付して、その説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, the fourth embodiment in which the
図7に示す「第四完全吹き消え判定処理」では、ステップS111において、制御装置15は、図4のステップS21の処理のように、蒸発部32で突沸が発生したか否かを判断し、この判断結果によって、第一判定温度T1及び第二判定温度T2のいずれかを設定する。つまり、ステップS111において、制御装置15(第二変化判定部)は、蒸発部32において突沸が発生したと判断した場合には(ステップS111:YES)、プログラムをステップS112に進める。一方で、制御装置15は、蒸発部32において突沸が発生していないと判断した場合には(ステップS111:NO)、プログラムをステップS112に進める。
In the “fourth complete blow-off determination process” shown in FIG. 7, in step S <b> 111, the
以上説明した図5に示す「第三完全吹き消え判定処理」及び図7に示す「第四完全吹き消え判定処理」の両方が実行される実施形態であっても差し支え無い。また、「第三完全吹き消え判定処理」及び「第四完全吹き消え判定処理」の一方のみが実行される実施形態であっても差し支え無い。 There may be an embodiment in which both the “third complete blow-off determination process” shown in FIG. 5 and the “fourth complete blow-off determination process” shown in FIG. 7 described above are executed. Further, there may be an embodiment in which only one of the “third complete blow-off determination process” and the “fourth complete blow-off determination process” is executed.
(別の実施形態)
以上説明した「第一完全吹き消え判定処理」では、図2のステップS13において、制御装置15(第一変化判定部)は、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有ったと判断した場合に、プログラムをステップS14に進めている。しかし、制御装置15が、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が、規定時間内で規定回数以上生じた場合に、プログラムを図2のステップS14に進める実施形態であっても差し支え無い。
(Another embodiment)
In the “first complete blow-off determination process” described above, in step S13 of FIG. 2, the control device 15 (first change determination unit) performs a time period that is traced back by the specified time Tm1 from the determination in step S13. When it is determined that there has been a change in the generated power of the
以上説明した「第一完全吹き消え判定処理」及び「第三完全吹き消え判定処理」では、図2のステップS13や図5のステップS111において、制御装置15は、インバータ装置13からの信号に基づいて、燃料電池34における発電電力の変動量を取得している。しかし、インバータ装置13からの掃引電流や、燃料電池34に供給される改質ガスやカソードエアの流量に基づいて、燃料電池34における発電電力の変動量が演算される実施形態であっても差し支え無い。
In the “first complete blow-off determination process” and the “third complete blow-off determination process” described above, the
以上説明した実施形態では、ステップS13において、制御装置15(第一変化判定部)は、インバータ装置13からの信号に基づいて、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電力判定閾値Paより大きい燃料電池34の発電電力の変動が有るか否かを判断している。しかし、制御装置15(第一変化判定部)は、インバータ装置13からの信号に基づいて、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電流判定閾値Pbより大きい燃料電池34の発電電流変動が有るか否かを判断する実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、インバータ装置13は、燃料電池34の発電電流を検出する。そして、制御装置15(第一変化判定部)は、インバータ装置13からの信号に基づいて、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電流判定閾値Pbより大きい燃料電池34の発電電流変動が有ったと判断した場合には(ステップS13:YES)、プログラムをステップS14に進める。一方で、制御装置15は、インバータ装置13からの信号に基づいて、ステップS13の判断時から規定時間Tm1だけ過去に遡った時間の間において、電流判定閾値Pbより大きい燃料電池34の発電電流の変動が無かったと判断した場合には(ステップS13:NO)、プログラムをステップS16に進める。なお、電流判定閾値Pbは、第一燃焼部36で部分吹き消えが発生し得る発電電流の変動量に設定されている。
In the embodiment described above, in step S13, the control device 15 (first change determination unit) is based on the signal from the
11a3…流量センサ(流量検出部)、11a5…ポンプ、13…インバータ装置(発電検出部)、15…制御装置(吹き消え判定部、判定温度設定部、第一変化判定部、第二変化判定部、突沸判定部、ポンプ制御部)、28…第二燃焼部、28b…温度センサ(温度検出部)、32…蒸発部、33…改質部、34…燃料電池、36…第一燃焼部、100…燃料電池システム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11a3 ... Flow rate sensor (flow rate detection part), 11a5 ... Pump, 13 ... Inverter apparatus (power generation detection part), 15 ... Control apparatus (Blow-off determination part, determination temperature setting part, 1st change determination part, 2nd change determination part) , Bump boiling determination unit, pump control unit), 28 ... second combustion unit, 28b ... temperature sensor (temperature detection unit), 32 ... evaporation unit, 33 ... reforming unit, 34 ... fuel cell, 36 ... first combustion unit, 100: Fuel cell system.
Claims (6)
前記蒸発部において生成された水蒸気と改質用原料から燃料を生成する改質部と、
前記改質部によって生成された前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池からの未使用の前記燃料を含む可燃ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して前記蒸発部及び前記改質部を加熱する第一燃焼部と、
前記第一燃焼部から排気される未使用の可燃ガスが導入されて、前記可燃ガスを燃焼させる第二燃焼部と、
前記第二燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された前記第二燃焼部の温度が、判定温度よりも高くなった場合に、前記第一燃焼部における燃焼が停止した完全吹き消えが発生したと判定する吹き消え判定部と、
前記燃料電池及び前記蒸発部のいずれにも前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が生じない場合には、前記判定温度を第一判定温度に設定し、前記燃料電池及び前記蒸発部の少なくとも一方に前記変化が生じた場合には、前記判定温度を前記第一判定温度よりも高い第二判定温度に設定する判定温度設定部と、
を有する燃料電池システム。 An evaporation section for evaporating the supplied reformed water to generate water vapor;
A reforming section for generating fuel from the steam generated in the evaporation section and a reforming raw material;
A fuel cell that generates electric power from the fuel and oxidant gas generated by the reforming unit;
A first combustion section for introducing a combustible gas containing the unused fuel from the fuel cell and burning it with an oxidant gas to heat the evaporation section and the reforming section;
Unused combustible gas exhausted from the first combustion section is introduced, the second combustion section for burning the combustible gas;
A temperature detection unit for detecting the temperature of the second combustion unit;
When the temperature of the second combustion unit detected by the temperature detection unit is higher than the determination temperature, the blow-off determination unit determines that a complete blow-off has occurred in which combustion has stopped in the first combustion unit. When,
If neither the fuel cell nor the evaporation unit undergoes a change that may cause temporary partial blowout in the first combustion unit, the determination temperature is set to the first determination temperature, and the fuel cell When the change occurs in at least one of the evaporation units, a determination temperature setting unit that sets the determination temperature to a second determination temperature that is higher than the first determination temperature;
A fuel cell system.
前記第二判定温度が設定されている場合において、
前記温度検出部によって検出された前記第二燃焼部の温度が、前記第一判定温度よりも低くなった場合、又は、
前記燃料電池及び前記蒸発部のいずれにも前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る変化が、前記第二判定温度が設定されてから規定時間を経過して生じていない場合には、
前記判定温度を前記第一判定温度に設定する請求項1に記載の燃料電池システム。 The determination temperature setting unit includes:
In the case where the second determination temperature is set,
When the temperature of the second combustion unit detected by the temperature detection unit is lower than the first determination temperature, or
A change that may cause temporary partial blow-off in the first combustion section in both the fuel cell and the evaporation section has not occurred after a specified time has elapsed since the second determination temperature was set In
The fuel cell system according to claim 1, wherein the determination temperature is set to the first determination temperature.
前記発電検出部によって検出された前記燃料電池の発電電力又は発電電流の変動が判定閾値より大きくなった場合に、前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る前記変化が前記燃料電池に生じたと判定する第一変化判定部と、
を有する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A power generation detection unit for detecting generated power or generated current of the fuel cell;
When the variation in the generated power or generated current of the fuel cell detected by the power generation detection unit becomes larger than a determination threshold, the change that may cause partial partial blow-off in the first combustion unit is the fuel. A first change determination unit that determines that the battery has occurred;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, comprising:
前記突沸判定部によって前記蒸発部での突沸の発生が判定された場合に、前記第一燃焼部において一時的な部分吹き消えが発生し得る前記変化が前記蒸発部に生じたと判定する第二変化判定部と、
を有する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A bumping determination unit for determining whether bumping has occurred in the evaporation unit;
A second change for determining that the change that may cause a partial partial blow-off in the first combustion unit has occurred in the evaporation unit when the bumping determination unit determines the occurrence of bumping in the evaporation unit. A determination unit;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, comprising:
前記改質用原料の前記改質部への流量を検出する流量検出部と、
前記流量検出部によって検出された前記改質用原料の前記改質部への流量に基づいて、前記ポンプを駆動して前記ポンプが前記蒸発部に供給する前記改質用原料の流量をフィードバック制御するポンプ制御部と、を有し、
前記突沸判定部は、前記流量検出部によって検出された前記改質用原料の前記改質部への流量と前記ポンプへの指示流量との偏差が偏差閾値を越えた場合に、前記蒸発部において突沸が発生したと判定する請求項4に記載の燃料電池システム。 A pump for supplying the reforming raw material to the reforming section;
A flow rate detection unit for detecting a flow rate of the reforming raw material to the reforming unit;
Based on the flow rate of the reforming raw material detected by the flow rate detection unit to the reforming unit, the pump is driven to feed back the flow rate of the reforming raw material that the pump supplies to the evaporation unit. A pump control unit,
When the deviation between the flow rate of the reforming raw material detected by the flow rate detection unit to the reforming unit and the indicated flow rate to the pump exceeds a deviation threshold, the bumping determination unit The fuel cell system according to claim 4, wherein it is determined that bumping has occurred.
前記改質用原料の前記蒸改質部への流量を検出する流量検出部と、
前記流量検出部によって検出された前記改質用原料の前記改質部への流量に基づいて、前記ポンプを駆動して前記ポンプが前記改質部に供給する前記改質用原料の流量をフィードバック制御するポンプ制御部と、を有し、
前記突沸判定部は、前記ポンプ制御部が前記ポンプに指令する制御指令値の変化量が制御指令閾値を越えた場合に、前記蒸発部において突沸が発生したと判定する請求項4に記載の燃料電池システム。 A pump for supplying the reforming raw material to the reforming section;
A flow rate detection unit for detecting a flow rate of the reforming raw material to the steam reforming unit;
Based on the flow rate of the reforming material detected by the flow rate detection unit to the reforming unit, the pump is driven to feed back the flow rate of the reforming material that the pump supplies to the reforming unit. A pump control unit for controlling,
The fuel according to claim 4, wherein the bumping determination unit determines that bumping has occurred in the evaporation unit when a change amount of a control command value commanded to the pump by the pump control unit exceeds a control command threshold. Battery system.
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