JP2016025005A - Fuel cell device - Google Patents

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Yasutoshi Doi
康俊 土肥
上原 昌徳
Masanori Uehara
昌徳 上原
邦義 谷岡
Kuniyoshi Tanioka
邦義 谷岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell device in which an excessive decrease in the temperature of a cell stack hardly occurs when an amount of power generation is small.SOLUTION: A fuel cell device includes: a reformer RF reforming raw fuel through a steam reforming reaction to produce reformed fuel and having a heating means; and a cell stack CS receiving the supply of the reformed fuel and an oxidant to generate electric power. In the fuel cell device, heat generated by the power generation of the fuel cell stack CS is transferred to the reformer RF, and an amount of heat generation of the heating means of the reformer RF is controlled in accordance with an amount of power generation of the cell stack CS or the temperature of the cell stack CS.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device.

燃料電池装置は、燃料及び酸化剤が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。   A fuel cell device is a power generation device that directly converts chemical energy of a fuel and an oxidant into electrical energy. Its power generation efficiency is very high, and the discharged gas is relatively clean, so it is attracting attention as a next-generation power generation device.

燃料としては水素が用いられるのであるが、現状では水素インフラが十分に整備されていない。このため、燃料電池装置には、既存インフラから得られる原燃料(都市ガス、LPG等)を改質して水素を生成する改質器が備えられるのが一般的となっている。改質器の内部には改質触媒が配置されている。改質器では、供給された原燃料及び水蒸気が改質触媒に触れることで水蒸気改質反応が生じ、水素が生成される。当該水素を含有するガスが、燃料として改質器から燃料電池スタック(セルスタック)へと供給される。   Hydrogen is used as the fuel, but at present, the hydrogen infrastructure is not sufficiently developed. For this reason, the fuel cell apparatus is generally provided with a reformer that generates hydrogen by reforming raw fuel (city gas, LPG, etc.) obtained from the existing infrastructure. A reforming catalyst is disposed inside the reformer. In the reformer, when the supplied raw fuel and steam come into contact with the reforming catalyst, a steam reforming reaction occurs and hydrogen is generated. The gas containing hydrogen is supplied from the reformer to the fuel cell stack (cell stack) as fuel.

水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、反応を継続して生じさせるためには、改質器に対する熱の供給が必要である。そのための構成として、改質器の近傍に加熱用のバーナーを備えた燃料電池装置が知られている。また、燃料電池スタックの発電により生じる熱(以下、「発電熱」とも称する)が改質器に伝達されるように構成された燃料電池装置も知られている(例えば下記特許文献1)。   Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat to the reformer in order to continue the reaction. As a configuration for that purpose, there is known a fuel cell device provided with a heating burner in the vicinity of the reformer. There is also known a fuel cell device configured such that heat generated by power generation of the fuel cell stack (hereinafter also referred to as “power generation heat”) is transmitted to a reformer (for example, Patent Document 1 below).

発電熱が改質器に伝達される構成の燃料電池装置においては、燃料電池スタックは改質器に熱を奪われて冷却されることとなる。燃料電池装置の発電量が大きい定格運転時においては、燃料電池スタックにおいて生じる発電熱と、改質器に伝達される熱とのバランスが保たれることにより、燃料電池スタックの温度は発電に適した温度に維持される。例えば、固体酸化物形の燃料電池装置の場合、燃料電池スタックは約700度の高温に維持される。   In the fuel cell apparatus configured to transmit the generated heat to the reformer, the fuel cell stack is cooled by taking heat away from the reformer. During rated operation where the amount of power generated by the fuel cell device is large, the temperature of the fuel cell stack is suitable for power generation by maintaining a balance between the heat generated in the fuel cell stack and the heat transmitted to the reformer. Temperature. For example, in the case of a solid oxide fuel cell device, the fuel cell stack is maintained at a high temperature of about 700 degrees.

特開平8−287937号公報JP-A-8-287937

発電量が定格よりも小さいとき(例えば、起動時や低負荷時)においては、燃料電池スタックにおいて発電により生じる発電熱も小さくなる。一方、水蒸気改質反応が生じている改質器によって燃料電池スタックから奪われる熱量は、発電量が変化しても大きくは変化しない。その結果、発電量が小さいときには改質器に奪われる熱量の方が大きくなってしまうため、燃料電池スタックの温度が更に低下してしまうこととなる。燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしまうと、発電が行われなくなってしまうこともあるために好ましくない。   When the power generation amount is smaller than the rating (for example, at the time of startup or at a low load), the heat generated by the power generation in the fuel cell stack is also reduced. On the other hand, the amount of heat taken from the fuel cell stack by the reformer in which the steam reforming reaction occurs does not change greatly even if the power generation amount changes. As a result, when the power generation amount is small, the amount of heat taken away by the reformer becomes larger, and the temperature of the fuel cell stack further decreases. If the temperature of the fuel cell stack is too low, power generation may not be performed, which is not preferable.

尚、上記のように燃料電池スタックの温度が低下してしまうことを防止するためには、例えば、燃料電池スタックに供給される酸化剤(空気)を予めバーナーにより加熱して、その温度を定格運転時よりも上昇させてから燃料電池スタックに供給することも考えられる。しかしながら、そのような構成においては、バーナーに対する燃料(又は原燃料)の供給が更に必要になるため、燃料電池装置全体の効率が低下してしまう可能性がある。それに加えて、バーナーの温度が上昇し過ぎてしまい、バーナーやその周囲に配置された部材が劣化してしまう可能性もある。   In order to prevent the temperature of the fuel cell stack from decreasing as described above, for example, the oxidant (air) supplied to the fuel cell stack is heated in advance by a burner, and the temperature is rated. It is also conceivable to supply the fuel cell stack after raising it from the time of operation. However, in such a configuration, the fuel (or raw fuel) needs to be further supplied to the burner, which may reduce the efficiency of the entire fuel cell device. In addition, the temperature of the burner may rise too much, and the burner and members disposed around it may deteriorate.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの発電により生じた熱が改質器に伝達される構成の燃料電池装置であって、発電量が小さいときにおいて燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしてしまうことのない燃料電池装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is a fuel cell device configured to transmit heat generated by power generation of a fuel cell stack to a reformer, and the power generation amount is small. It is an object of the present invention to provide a fuel cell device in which the temperature of the fuel cell stack does not excessively decrease.

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、水蒸気改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器(RF)と、改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック(CS)と、を備え、燃料電池スタックの発電により生じた熱が改質器に伝達されるように構成されており、改質器には、発熱手段(BL2)が設けられていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a fuel cell device according to the present invention includes a reformer (RF) that reforms a raw fuel by a steam reforming reaction to generate a reformed fuel, a reformed fuel and an oxidant. A fuel cell stack (CS) that generates power upon receipt of the fuel, and is configured to transmit heat generated by power generation of the fuel cell stack to the reformer. (BL2) is provided.

本発明に係る燃料電池装置によれば、燃料電池スタックから改質器に伝達される熱(発電熱)が低下した場合において、発熱手段で生じた熱によって改質器の温度を上昇させることが可能となる。つまり、燃料電池スタックにおいて生じる発電熱と、燃料電池スタックから改質器に伝達される熱とのバランスを発熱手段で調整することにより、燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしまうことを防止することができる。   According to the fuel cell device of the present invention, when the heat (generated heat) transmitted from the fuel cell stack to the reformer is reduced, the temperature of the reformer can be raised by the heat generated by the heating means. It becomes possible. That is, the temperature of the fuel cell stack is prevented from being excessively lowered by adjusting the balance between the heat generated in the fuel cell stack and the heat transmitted from the fuel cell stack to the reformer by the heat generating means. be able to.

本発明によれば、燃料電池スタックの発電により生じた熱が改質器に伝達される構成の燃料電池装置であって、発電量が小さいときにおいて燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしてしまうことのない燃料電池装置を提供することができる。   According to the present invention, the fuel cell device is configured such that the heat generated by the power generation of the fuel cell stack is transmitted to the reformer, and the temperature of the fuel cell stack is too low when the power generation amount is small. It is possible to provide a fuel cell device that does not end up.

本発明の実施形態に係る燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 図1に示される燃料電池装置に備えられた各種センサを説明する図である。It is a figure explaining the various sensors with which the fuel cell apparatus shown by FIG. 1 was equipped. 図1に示される燃料電池装置の制御装置によって行われる処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process performed by the control apparatus of the fuel cell apparatus shown by FIG.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

図1に示されるように、燃料電池装置FSは、ケーシングCAと、セルスタックCS(燃料電池スタック)と、改質器RFと、流量調整弁VVと、水供給ポンプWPと、第1ブロアBL1と、第2ブロアBL2と、制御装置CUと、を備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell apparatus FS includes a casing CA, a cell stack CS (fuel cell stack), a reformer RF, a flow rate adjustment valve VV, a water supply pump WP, and a first blower BL1. And a second blower BL2 and a control unit CU.

ケーシングCAは、ステンレス鋼によって形成された耐熱性の容器である。ケーシングCAの内部には、水平面に沿って配置された板状のベースプレートBPが固定されている。ケーシングCAの内部空間は、ベースプレートBPよりも上方側の空間であるモジュール室SP1と、ベースプレートBPよりも下方側の空間である補機室SP2とに分かれている。ケーシングCAの内部(特にモジュール室SP1)から外部に熱が漏出しないよう、ケーシングCAの周囲は不図示の断熱材によって覆われている。   Casing CA is a heat-resistant container formed of stainless steel. A plate-like base plate BP arranged along a horizontal plane is fixed inside the casing CA. The internal space of the casing CA is divided into a module chamber SP1 that is a space above the base plate BP and an accessory chamber SP2 that is a space below the base plate BP. The periphery of the casing CA is covered with a heat insulating material (not shown) so that heat does not leak out from the inside of the casing CA (particularly, the module chamber SP1).

セルスタックCSは、複数の燃料電池セル(不図示)の集合体であって、モジュール室SP1に配置されている。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極(アノード)が形成され、他方側の面に空気極(カソード)が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。セルスタックCSでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。それぞれの燃料極に燃料ガスが供給され、それぞれの空気極に空気が供給されることにより、セルスタックCSでは発電が行われる。   The cell stack CS is an assembly of a plurality of fuel cells (not shown) and is disposed in the module chamber SP1. Each fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC), and a fuel electrode (anode) is formed on one surface of a flat solid electrolyte, and the other surface. In this configuration, an air electrode (cathode) is formed. These fuel electrode and air electrode are both porous bodies formed of conductive ceramics. In the cell stack CS, all the fuel cells are stacked in the vertical direction, and these are electrically connected in series. Fuel gas is supplied to each fuel electrode, and air is supplied to each air electrode, whereby power generation is performed in the cell stack CS.

セルスタックCSにおいては、供給された燃料ガスの全てが発電に供されるのではなく、一部の燃料ガスは発電に供されることなくセルスタックCSから排出される。同様に、セルスタックCSに供給された空気の全てが発電に供されるのではなく、一部の空気は発電に供されることなくセルスタックCSから排出される。セルスタックCSには、発電に供されなかった燃料ガス及び空気を排出するための配管(不図示)が接続されている。当該配管の一端はセルスタックCSに接続されており、他端は後述のバーナー(不図示)に接続されている。セルスタックCSから排出された燃料ガス(矢印A12)は、配管を通じてバーナーに供給される。その後、燃料ガスはバーナーにおいて燃焼して燃焼排ガスとなり、燃料電池装置FSから外部に排出される。   In the cell stack CS, not all of the supplied fuel gas is used for power generation, and a part of the fuel gas is discharged from the cell stack CS without being used for power generation. Similarly, not all of the air supplied to the cell stack CS is used for power generation, and some air is discharged from the cell stack CS without being used for power generation. A pipe (not shown) for discharging fuel gas and air that has not been used for power generation is connected to the cell stack CS. One end of the pipe is connected to the cell stack CS, and the other end is connected to a burner (not shown) described later. The fuel gas (arrow A12) discharged from the cell stack CS is supplied to the burner through the pipe. Thereafter, the fuel gas is burned in the burner to become combustion exhaust gas, and is discharged to the outside from the fuel cell device FS.

改質器RFは、水蒸気改質反応によって都市ガス(原燃料)から燃料ガス(改質燃料:水素含有ガス)を生成し、これをセルスタックCSに供給するためのものである。改質器RFは、内部に改質触媒を収納した金属製の容器であって、セルスタックCSと共にモジュール室SP1に配置されている。改質触媒は、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。   The reformer RF generates fuel gas (reformed fuel: hydrogen-containing gas) from city gas (raw fuel) by a steam reforming reaction, and supplies this to the cell stack CS. The reformer RF is a metal container containing a reforming catalyst therein, and is disposed in the module chamber SP1 together with the cell stack CS. The reforming catalyst is a catalyst in which a catalytic metal such as nickel is supported on the surface of an alumina sphere.

モジュール室SP1において、改質器RFとセルスタックCSとは、互いに近接した状態で配置されている。このため、セルスタックCSが高温になると、セルスタックCSからの輻射熱RTが改質器RFに到達することとなる。換言すれば、改質器RFに熱を奪われることによってセルスタックCSが冷却されることとなる。   In the module chamber SP1, the reformer RF and the cell stack CS are arranged close to each other. For this reason, when the cell stack CS becomes high temperature, the radiant heat RT from the cell stack CS reaches the reformer RF. In other words, the cell stack CS is cooled by taking heat away from the reformer RF.

改質器RFとセルスタックCSとは不図示の配管で繋がれている。当該配管を通じて、改質器RFからセルスタックCSへの燃料ガスの供給が行われる(矢印A11)。   The reformer RF and the cell stack CS are connected by a pipe (not shown). Fuel gas is supplied from the reformer RF to the cell stack CS through the pipe (arrow A11).

流量調整弁VVは、外部の都市ガス供給源GSから改質器RFに供給される都市ガスの流量を調整するための弁である。都市ガス供給源GSとは、例えばガスメータである。流量調整弁VVは、都市ガス供給源GSと改質器RFとを繋ぐ配管(不図示)の途中に設けられており、補機室SP2に配置されている。流量調整弁VVの開度、すなわち改質器RFに供給される都市ガスの流量は、制御装置CUによって制御される。   The flow rate adjusting valve VV is a valve for adjusting the flow rate of the city gas supplied from the external city gas supply source GS to the reformer RF. The city gas supply source GS is, for example, a gas meter. The flow rate adjusting valve VV is provided in the middle of a pipe (not shown) connecting the city gas supply source GS and the reformer RF, and is disposed in the auxiliary machine room SP2. The opening degree of the flow rate adjusting valve VV, that is, the flow rate of the city gas supplied to the reformer RF is controlled by the control unit CU.

水供給ポンプWPは、外部の水供給源WSからの水を蒸発器(不図示)に供給するためのポンプである。水供給ポンプWPとは、例えば純水を蓄えたタンクである。水供給ポンプWPは補機室SP2に配置されている。蒸発器は補機室SP2に配置された金属製の容器であり、バーナー(不図示)によって加熱されて高温となっている。尚、このような構成に替えて、蒸発器がモジュール室SP1に配置されており、当該蒸発器がセルスタックCSからの輻射熱などにより加熱されるような構成であってもよい。   The water supply pump WP is a pump for supplying water from an external water supply source WS to an evaporator (not shown). The water supply pump WP is a tank that stores pure water, for example. The water supply pump WP is disposed in the auxiliary machine room SP2. The evaporator is a metal container disposed in the auxiliary machine room SP2, and is heated by a burner (not shown) to a high temperature. Instead of such a configuration, an evaporator may be arranged in the module chamber SP1, and the evaporator may be heated by radiant heat from the cell stack CS or the like.

水供給ポンプWPから送り出された水は、不図示の配管を通って蒸発器に供給され、蒸発器の内部で加熱されて水蒸気となる。その後、当該水蒸気は不図示の配管を通って改質器RFに供給される。改質器RFのうち、蒸発器から水蒸気を供給するための配管が接続されている位置は、流量調整弁VVから都市ガスを供給するための配管が接続されている位置の近傍である。このような態様に替えて、水蒸気と都市ガスとの混合気体が1本の配管を通じて改質器RFに供給されるような態様であってもよい。水供給ポンプWPから送り出される水の流量、すなわち改質器RFに供給される水蒸気の流量は、制御装置CUによって制御される。   The water sent out from the water supply pump WP is supplied to the evaporator through a pipe (not shown), and is heated inside the evaporator to become water vapor. Thereafter, the steam is supplied to the reformer RF through a pipe (not shown). In the reformer RF, a position where a pipe for supplying water vapor from the evaporator is connected is in the vicinity of a position where a pipe for supplying city gas from the flow rate adjusting valve VV is connected. Instead of such a mode, a mode in which a mixed gas of water vapor and city gas is supplied to the reformer RF through one pipe may be used. The flow rate of water delivered from the water supply pump WP, that is, the flow rate of water vapor supplied to the reformer RF is controlled by the control unit CU.

第1ブロアBL1は、空気供給源ASからの空気をセルスタックCSに供給するための送風機である。空気供給源ASとは、本実施形態では大気である。第1ブロアBL1は補機室SP2に配置されている。第1ブロアBL1とセルスタックCSとは不図示の配管で繋がっている。第1ブロアBL1からセルスタックCSに供給された空気は、各燃料電池セルの空気極に到達した後、酸化剤として発電に供される。このため、第1ブロアBL1からセルスタックCSに供給される空気のことを、以下では「発電用空気」とも称する。第1ブロアBL1の回転数、すなわちセルスタックCSに供給される発電用空気の流量は、制御装置CUによって制御される。   The first blower BL1 is a blower for supplying air from the air supply source AS to the cell stack CS. In the present embodiment, the air supply source AS is the atmosphere. The first blower BL1 is disposed in the auxiliary machine room SP2. The first blower BL1 and the cell stack CS are connected by a pipe (not shown). The air supplied from the first blower BL1 to the cell stack CS reaches the air electrode of each fuel cell, and is then used for power generation as an oxidant. For this reason, the air supplied from the first blower BL1 to the cell stack CS is hereinafter also referred to as “power generation air”. The rotational speed of the first blower BL1, that is, the flow rate of power generation air supplied to the cell stack CS is controlled by the control unit CU.

第2ブロアBL2は、空気供給源ASからの空気を改質器RFに供給するための送風機である。第2ブロアBL2は補機室SP2に配置されている。第2ブロアBL2と改質器RFとは不図示の配管で繋がっている。改質器RFのうち、第2ブロアBL2から空気を供給するための配管が接続されている位置は、流量調整弁VVから都市ガスを供給するための配管が接続されている位置の近傍である。後に説明するように、第2ブロアBL2から改質器RFに空気が供給されると、改質器RFでは部分酸化改質反応が生じる。このため、第2ブロアBL2から改質器RFに供給される空気のことを、以下では「改質用空気」とも称する。   The second blower BL2 is a blower for supplying air from the air supply source AS to the reformer RF. The second blower BL2 is disposed in the auxiliary machine room SP2. The second blower BL2 and the reformer RF are connected by a pipe (not shown). In the reformer RF, the position where the pipe for supplying air from the second blower BL2 is connected is in the vicinity of the position where the pipe for supplying city gas from the flow rate adjusting valve VV is connected. . As will be described later, when air is supplied from the second blower BL2 to the reformer RF, a partial oxidation reforming reaction occurs in the reformer RF. For this reason, the air supplied from the second blower BL2 to the reformer RF is hereinafter also referred to as “reforming air”.

制御装置CUは、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えたコンピュータシステムであり、燃料電池装置FSの全体の動作を制御するものである。制御装置CUは、第1ブロアBL1の回転数(送風量)を制御することにより、セルスタックCSに供給される発電用空気の流量を調整する。同様に、第2ブロアBL2の回転数(送風量)を制御することにより、改質器RFに供給される改質用空気の流量を調整する。また、流量調整弁VVの開度を制御することにより、改質器RFに供給される都市ガスの流量(セルスタックCSに供給される燃料ガスの流量ともいえる)を調整する。更に、水供給ポンプWPの動作を制御することにより、改質器RFに供給される水蒸気の流量を調整する。   The control unit CU is a computer system that includes a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls the overall operation of the fuel cell device FS. The control device CU adjusts the flow rate of the power generation air supplied to the cell stack CS by controlling the rotation speed (air flow rate) of the first blower BL1. Similarly, the flow rate of the reforming air supplied to the reformer RF is adjusted by controlling the rotation speed (air flow rate) of the second blower BL2. In addition, the flow rate of the city gas supplied to the reformer RF (also referred to as the flow rate of the fuel gas supplied to the cell stack CS) is adjusted by controlling the opening degree of the flow rate adjustment valve VV. Furthermore, the flow rate of the water vapor supplied to the reformer RF is adjusted by controlling the operation of the water supply pump WP.

図2に示されるように、燃料電池装置FSには各種のセンサが備えられている。具体的には、燃料電池装置FSには、電流センサISと、電圧センサVSと、発電用空気流量センサAFS1と、改質用空気流量センサAFS2と、都市ガス流量センサGFSと、水流量センサWFSと、セルスタック温度センサTCSと、都市ガス温度センサTGと、改質用空気温度センサTAと、改質器入口温度センサTRIと、改質器出口温度センサTROと、が備えられている。それぞれのセンサにより検知された物理量は、電気信号として制御装置CUに入力される。   As shown in FIG. 2, the fuel cell device FS is provided with various sensors. Specifically, the fuel cell device FS includes a current sensor IS, a voltage sensor VS, a power generation air flow rate sensor AFS1, a reforming air flow rate sensor AFS2, a city gas flow rate sensor GFS, and a water flow rate sensor WFS. A cell stack temperature sensor TCS, a city gas temperature sensor TG, a reforming air temperature sensor TA, a reformer inlet temperature sensor TRI, and a reformer outlet temperature sensor TRO. The physical quantity detected by each sensor is input to the control unit CU as an electrical signal.

電流センサISは、セルスタックCSから取り出されて外部に出力される電力の電流値を検知するセンサである。電圧センサVSは、セルスタックCSから取り出されて外部に出力される電力の電圧値を検知するセンサである。制御装置CUは、電流センサISで検知された電流値、及び電圧センサVSで検知された電圧値に基づいて、燃料電池装置FSから外部の負荷に向けて出力されている電力の大きさを常に算出し、監視している。   The current sensor IS is a sensor that detects a current value of electric power that is taken out from the cell stack CS and output to the outside. The voltage sensor VS is a sensor that detects a voltage value of electric power that is taken out from the cell stack CS and output to the outside. Based on the current value detected by the current sensor IS and the voltage value detected by the voltage sensor VS, the control unit CU always sets the magnitude of the power output from the fuel cell device FS toward the external load. Calculate and monitor.

発電用空気流量センサAFS1は、セルスタックCSに供給される発電用空気の流量を検知するための流量センサである。発電用空気流量センサAFS1は、第1ブロアBL1とセルスタックCSとを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる空気の流量を検知する。制御装置CUは、発電用空気流量センサAFS1で検知された発電用空気の流量に基づいて第1ブロアBL1の動作を制御することにより、セルスタックCSに供給される発電用空気の流量が適切となるように(制御目標値と一致するように)調整する。   The power generation air flow rate sensor AFS1 is a flow rate sensor for detecting the flow rate of power generation air supplied to the cell stack CS. The power generation air flow rate sensor AFS1 is disposed in the middle of the piping connecting the first blower BL1 and the cell stack CS, and detects the flow rate of air flowing through the piping. The control unit CU controls the operation of the first blower BL1 based on the flow rate of the power generation air detected by the power generation air flow rate sensor AFS1, so that the flow rate of the power generation air supplied to the cell stack CS is appropriate. It adjusts so that it may become (consistent with a control target value).

改質用空気流量センサAFS2は、改質器RFに供給される改質用空気の流量を検知するための流量センサである。改質用空気流量センサAFS2は、第2ブロアBL2とセルスタックCSとを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる空気の流量を検知する。制御装置CUは、改質用空気流量センサAFS2で検知された改質用空気の流量に基づいて第2ブロアBL2の動作を制御することにより、改質器RFに供給される改質用空気の流量が適切となるように調整する。   The reforming air flow rate sensor AFS2 is a flow rate sensor for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer RF. The reforming air flow rate sensor AFS2 is disposed in the middle of the piping connecting the second blower BL2 and the cell stack CS, and detects the flow rate of air flowing through the piping. The control unit CU controls the operation of the second blower BL2 based on the flow rate of the reforming air detected by the reforming air flow rate sensor AFS2, thereby controlling the reforming air supplied to the reformer RF. Adjust the flow rate to be appropriate.

都市ガス流量センサGFSは、改質器RFに供給される都市ガスの流量を検知するための流量センサである。都市ガス流量センサGFSは、流量調整弁VVと改質器RFとを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる都市ガスの流量を検知する。制御装置CUは、都市ガス流量センサGFSで検知された都市ガスの流量に基づいて流量調整弁VVの開度を制御することにより、改質器RFに供給される都市ガスの流量が適切となるように調整する。   The city gas flow rate sensor GFS is a flow rate sensor for detecting the flow rate of the city gas supplied to the reformer RF. The city gas flow rate sensor GFS is disposed in the middle of the pipe connecting the flow rate adjustment valve VV and the reformer RF, and detects the flow rate of the city gas flowing through the pipe. The control unit CU controls the opening degree of the flow rate adjustment valve VV based on the flow rate of the city gas detected by the city gas flow rate sensor GFS, so that the flow rate of the city gas supplied to the reformer RF becomes appropriate. Adjust as follows.

水流量センサWFSは、蒸発器に供給される水の流量を検知するための流量センサである。水流量センサWFSは、改質器RFに対する水蒸気の供給量を検知するセンサともいうことができる。水流量センサWFSは、水供給ポンプWPと蒸発器とを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる水の流量を検知する。制御装置CUは、水流量センサWFSで検知された水の流量に基づいて水供給ポンプWPの動作を制御することにより、蒸発器に供給される水の流量(改質器RFに対する水蒸気の供給量)が適切となるように調整する。   The water flow rate sensor WFS is a flow rate sensor for detecting the flow rate of water supplied to the evaporator. The water flow rate sensor WFS can also be referred to as a sensor that detects the amount of water vapor supplied to the reformer RF. The water flow rate sensor WFS is disposed in the middle of the pipe connecting the water supply pump WP and the evaporator, and detects the flow rate of water flowing through the pipe. The control unit CU controls the operation of the water supply pump WP based on the flow rate of water detected by the water flow rate sensor WFS, so that the flow rate of water supplied to the evaporator (the supply amount of water vapor to the reformer RF) is controlled. ) To be appropriate.

セルスタック温度センサTCSは、セルスタックCSの温度を検知するための温度センサである。セルスタック温度センサTCSは、セルスタックCSから燃料ガスを排出するための配管のうち、最も上流側となる位置の近傍に取り付けられている。つまり、セルスタック温度センサTCSが直接検知するのは、セルスタックCSから排出された直後の燃料ガスの温度である。当該温度は、セルスタックCSの温度に略等しい。後に説明するように、制御装置CUは、セルスタック温度センサTCSで検知されたセルスタックCSの温度に基づいて、第2ブロアBL2の回転数を調整する。   The cell stack temperature sensor TCS is a temperature sensor for detecting the temperature of the cell stack CS. The cell stack temperature sensor TCS is attached in the vicinity of the position on the most upstream side of the piping for discharging the fuel gas from the cell stack CS. That is, the cell stack temperature sensor TCS directly detects the temperature of the fuel gas immediately after being discharged from the cell stack CS. The temperature is substantially equal to the temperature of the cell stack CS. As will be described later, the control unit CU adjusts the rotation speed of the second blower BL2 based on the temperature of the cell stack CS detected by the cell stack temperature sensor TCS.

都市ガス温度センサTGは、改質器RFに供給される都市ガスの温度を検知するための温度センサである。都市ガス流量センサGFSは、流量調整弁VVと改質器RFとを繋ぐ配管のうち、最も下流側となる位置の近傍に取り付けられている。つまり、都市ガス温度センサTGが検知するのは、改質器RFに供給される直前における都市ガスの温度である。後に説明するように、制御装置CUは、都市ガス温度センサTGで検知された都市ガスの温度に基づいて、改質器RFに供給される改質用空気の流量を調整する。   The city gas temperature sensor TG is a temperature sensor for detecting the temperature of the city gas supplied to the reformer RF. The city gas flow rate sensor GFS is attached in the vicinity of the most downstream position in the piping connecting the flow rate adjustment valve VV and the reformer RF. That is, the city gas temperature sensor TG detects the temperature of the city gas immediately before being supplied to the reformer RF. As will be described later, the control unit CU adjusts the flow rate of the reforming air supplied to the reformer RF based on the temperature of the city gas detected by the city gas temperature sensor TG.

改質用空気温度センサTAは、改質器RFに供給される改質用空気の温度を検知するための温度センサである。改質用空気温度センサTAは、第2ブロアBL2とセルスタックCSとを繋ぐ配管のうち、最も下流側となる位置の近傍に取り付けられている。つまり、改質用空気温度センサTAが検知するのは、改質器RFに供給される直前における改質用空気の温度である。後に説明するように、制御装置CUは、改質用空気温度センサTAで検知された改質用空気の温度に基づいて、改質器RFに供給される改質用空気の流量を調整する。   The reforming air temperature sensor TA is a temperature sensor for detecting the temperature of the reforming air supplied to the reformer RF. The reforming air temperature sensor TA is attached in the vicinity of the position on the most downstream side of the piping connecting the second blower BL2 and the cell stack CS. That is, the reforming air temperature sensor TA detects the temperature of the reforming air immediately before being supplied to the reformer RF. As will be described later, the control unit CU adjusts the flow rate of the reforming air supplied to the reformer RF based on the temperature of the reforming air detected by the reforming air temperature sensor TA.

改質器入口温度センサTRIは、改質器RFのうち上流側部分の温度を検知するための温度センサである。改質器入口温度センサTRIは、改質器RFのうち上流側部分、すなわち、流量調整弁VVから都市ガスを供給するための配管が接続されている部分(都市ガスの入口)の近傍に取り付けられている。後に説明するように、制御装置CUは、改質器入口温度センサTRIで検知された改質器RFの温度に基づいて、改質器RFに供給される改質用空気の流量を調整する。   The reformer inlet temperature sensor TRI is a temperature sensor for detecting the temperature of the upstream portion of the reformer RF. The reformer inlet temperature sensor TRI is attached in the vicinity of an upstream portion of the reformer RF, that is, a portion to which a pipe for supplying city gas from the flow rate adjusting valve VV is connected (city gas inlet). It has been. As will be described later, the control unit CU adjusts the flow rate of the reforming air supplied to the reformer RF based on the temperature of the reformer RF detected by the reformer inlet temperature sensor TRI.

改質器出口温度センサTROは、改質器RFのうち下流側部分の温度を検知するための温度センサである。改質器出口温度センサTROは、改質器RFのうち下流側部分、すなわち、セルスタックCSに燃料ガスを供給するための配管が接続されている部分(燃料ガスの出口)の近傍に取り付けられている。後に説明するように、制御装置CUは、改質器出口温度センサTROで検知された改質器RFの温度に基づいて、改質器RFに供給される改質用空気の流量を調整する。   The reformer outlet temperature sensor TRO is a temperature sensor for detecting the temperature of the downstream portion of the reformer RF. The reformer outlet temperature sensor TRO is attached in the vicinity of the downstream portion of the reformer RF, that is, the portion where the pipe for supplying the fuel gas to the cell stack CS is connected (fuel gas outlet). ing. As will be described later, the control unit CU adjusts the flow rate of the reforming air supplied to the reformer RF based on the temperature of the reformer RF detected by the reformer outlet temperature sensor TRO.

燃料電池装置FSの動作について説明する。セルスタックCSでは、改質器RFからの燃料ガスの供給、及び第1ブロアBL1からの発電用空気の供給を受けて発電が行われる。発電に伴い、セルスタックCSでは発電熱が生じる。このため、燃料電池装置FSの動作中においては、発電熱によってセルスタックCSは高温となっており、セルスタックCSからの輻射熱RTが周囲に放散されている。   The operation of the fuel cell device FS will be described. In the cell stack CS, power is generated by receiving the supply of fuel gas from the reformer RF and the supply of power generation air from the first blower BL1. Along with power generation, heat is generated in the cell stack CS. For this reason, during the operation of the fuel cell device FS, the cell stack CS is heated by the generated heat, and the radiant heat RT from the cell stack CS is dissipated to the surroundings.

第2ブロアBL2が停止している状態においては、改質器RFには都市ガスと水蒸気のみが供給されている。このとき、改質器RFの内部では水蒸気改質反応のみが生じる。水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、反応を継続させるためには外部からの熱の供給が必要である。   In a state where the second blower BL2 is stopped, only the city gas and water vapor are supplied to the reformer RF. At this time, only the steam reforming reaction occurs inside the reformer RF. Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside in order to continue the reaction.

既に述べたように、本実施形態では、改質器RFとセルスタックCSとが互いに近接した状態で配置されており、セルスタックCSからの輻射熱RTの一部が改質器RFに到達するような構成となっている。改質器RFでは、この輻射熱RTが水蒸気改質反応に用いられることにより、水蒸気改質反応が継続して生じることとなる。   As already described, in the present embodiment, the reformer RF and the cell stack CS are arranged in a state of being close to each other so that a part of the radiant heat RT from the cell stack CS reaches the reformer RF. It has become a structure. In the reformer RF, the radiant heat RT is used for the steam reforming reaction, so that the steam reforming reaction continuously occurs.

また、セルスタックCSは、発電熱の一部を改質器RFに奪われることによって冷却される。セルスタックCSで発電される電力が比較的大きく、定格電力又はそれに近い電力である場合には、セルスタックCSにおいて生じる発電熱と、改質器RFに伝達される熱とのバランスが保たれており、セルスタックCSの温度は発電に適した温度(700)に維持される。   Further, the cell stack CS is cooled by taking part of the generated heat by the reformer RF. When the power generated in the cell stack CS is relatively large and is at or close to the rated power, the balance between the heat generated in the cell stack CS and the heat transmitted to the reformer RF is maintained. The temperature of the cell stack CS is maintained at a temperature (700) suitable for power generation.

尚、燃料電池装置FSの動作中においてセルスタックCSの温度に影響を及ぼすのは、発電熱と輻射伝熱だけではない。これらの他、第1ブロアBL1から供給される発電用空気や、改質器RFからセルスタックCSに供給される燃料ガスも、セルスタックCSの温度に影響を及ぼしている。制御装置CUは、第1ブロアBL1の回転数等を制御することにより、セルスタックCSの温度が700度の近傍に維持されるような制御を行っている。当該制御については後に詳しく説明する。   It is not only the generated heat and the radiant heat that affect the temperature of the cell stack CS during the operation of the fuel cell device FS. In addition to these, power generation air supplied from the first blower BL1 and fuel gas supplied from the reformer RF to the cell stack CS also affect the temperature of the cell stack CS. The control unit CU performs control such that the temperature of the cell stack CS is maintained in the vicinity of 700 degrees by controlling the rotation speed and the like of the first blower BL1. This control will be described in detail later.

燃料電池装置FSは、出力される電力の増減に応じて発電する電力を調整するような運転、すなわち、所謂負荷追従運転を行うように構成されている。このため、外部負荷の需要電力が低下した時には、セルスタックCSで発電される電力が小さくなり、セルスタックCSで生じる発電熱も小さくなる。   The fuel cell device FS is configured to perform an operation for adjusting the electric power to be generated according to the increase or decrease of the output electric power, that is, a so-called load following operation. For this reason, when the demand power of the external load decreases, the power generated by the cell stack CS is reduced, and the generated heat generated in the cell stack CS is also reduced.

これに対し、改質器RFにおいて水蒸気改質反応のみが生じているときにおいては、発電される電力が変化しても改質器RFの温度は大きくは変化しない。つまり、改質器RFによってセルスタックCSから奪われる熱量は、発電量が変化しても大きくは変化しない。このため、発電量が小さいときには、セルスタックCSで生じる発電熱の熱量よりも、改質器RFに奪われる熱量の方が大きくなってしまうため、セルスタックCSの温度が低下してしまうこととなる。   On the other hand, when only the steam reforming reaction occurs in the reformer RF, the temperature of the reformer RF does not change greatly even if the generated power changes. That is, the amount of heat taken from the cell stack CS by the reformer RF does not change greatly even if the power generation amount changes. For this reason, when the amount of power generation is small, the amount of heat taken away by the reformer RF is larger than the amount of heat generated by the cell stack CS, so that the temperature of the cell stack CS decreases. Become.

そこで、本実施形態に係る燃料電池装置FSでは、セルスタックCSにおける発電熱が小さくなってしまうような場合において、第2ブロアBL2を動作させることにより改質器RFに対して改質用空気を供給するよう構成されている。改質器RFに改質用空気が供給されると、改質器RFの内部では、水蒸気改質反応に加えて部分酸化改質反応も生じるようになる。部分酸化改質反応は、吸熱反応である水蒸気改質反応とは異なり、発熱反応である。このため、第2ブロアBL2を動作させて部分酸化改質反応を生じさせることにより、改質器RFの温度を上昇させることができる。第2ブロアBL2、及び第2ブロアBL2と改質器RFとを繋いでいる配管は、改質器RFの内部で発熱(部分酸化改質反応)を生じさせる「発熱手段」ということができる。   Therefore, in the fuel cell device FS according to the present embodiment, when the generated heat in the cell stack CS becomes small, the reformer RF is supplied with reforming air by operating the second blower BL2. It is configured to supply. When reforming air is supplied to the reformer RF, a partial oxidation reforming reaction occurs in addition to the steam reforming reaction inside the reformer RF. Unlike the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, the partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction. For this reason, the temperature of the reformer RF can be raised by operating the second blower BL2 to cause the partial oxidation reforming reaction. The second blower BL2 and the pipe connecting the second blower BL2 and the reformer RF can be referred to as “heating means” that generates heat (partial oxidation reforming reaction) inside the reformer RF.

尚、第2ブロアBL2を動作させる際には、水供給ポンプWPを停止させてもよい。つまり、改質器RFの内部において、部分酸化改質反応のみを生じさせて、水蒸気改質反応を生じさせないような運転を行ってもよい。この場合、改質器RFにおける発熱量が大きくなるため、例えば、温度が低下したセルスタックCSを改質器RFによって加熱することができる。   When operating the second blower BL2, the water supply pump WP may be stopped. That is, an operation may be performed in which only the partial oxidation reforming reaction is caused in the reformer RF and the steam reforming reaction is not caused. In this case, since the calorific value in the reformer RF increases, for example, the cell stack CS whose temperature has been lowered can be heated by the reformer RF.

制御装置CUが行う制御の詳細について、図3を参照しながら説明する。燃料電池装置FSの運転中において、制御装置CUは、図3のフローチャートに示される制御を繰り返し実行する。   Details of the control performed by the control unit CU will be described with reference to FIG. During the operation of the fuel cell device FS, the control unit CU repeatedly executes the control shown in the flowchart of FIG.

制御装置CUは、電流センサISで検知された電流値、及び電圧センサVSで検知された電圧値に基づいて、燃料電池装置FSから外部の負荷に向けた出力電力、すなわちセルスタックCSの発電量を常に算出しサンプリングしている。ステップS01では、サンプリングされた発電量の変化(前回サンプリングされた発電量との差の絶対値)が、所定の閾値を超えたか否かが判定される。発電量の変化が閾値を超えている場合にはステップS02に移行する。   Based on the current value detected by the current sensor IS and the voltage value detected by the voltage sensor VS, the control unit CU outputs power from the fuel cell device FS to the external load, that is, the amount of power generated by the cell stack CS. Is always calculated and sampled. In step S01, it is determined whether or not the change in the sampled power generation amount (the absolute value of the difference from the previously sampled power generation amount) exceeds a predetermined threshold. If the change in the power generation amount exceeds the threshold value, the process proceeds to step S02.

ステップS02では、セルスタックCSに対する燃料ガスの供給量が現在の発電量に適した供給量となるように、燃料ガスの供給量の目標値が決定される。同時に、セルスタックCSに対する発電用空気の供給量が現在の発電量に適した供給量となるように、発電用空気の供給量の目標値が決定される。尚、発電用空気の供給量の目標値は、セルスタックCSの温度に基づいて決定されてもよい。ステップS02の処理が完了すると、ステップS03に移行する。   In step S02, the target value of the fuel gas supply amount is determined so that the fuel gas supply amount to the cell stack CS becomes a supply amount suitable for the current power generation amount. At the same time, the target value of the supply amount of power generation air is determined so that the supply amount of power generation air to the cell stack CS becomes a supply amount suitable for the current power generation amount. The target value of the supply amount of power generation air may be determined based on the temperature of the cell stack CS. When the process of step S02 is completed, the process proceeds to step S03.

ステップS03では、セルスタックCSに対する燃料ガスの供給量が目標値通りとなるように、制御装置CUは流量調整弁VVの開度を調整し、改質器RFに対する都市ガスの供給量を調整する。ところで、燃料ガスの供給量の目標値と、これに対応する都市ガスの供給量との関係は、改質器RFで行われている水蒸気改質反応と部分酸化改質反応との比率によって異なる。このため、制御装置CUは、かかる比率にも基づいて流量調整弁VVの開度を調整する。ステップS03の処理が完了すると、ステップS04に移行する。   In step S03, the control unit CU adjusts the amount of city gas supplied to the reformer RF by adjusting the opening of the flow rate adjusting valve VV so that the amount of fuel gas supplied to the cell stack CS is equal to the target value. . By the way, the relationship between the target value of the fuel gas supply amount and the corresponding city gas supply amount varies depending on the ratio of the steam reforming reaction and the partial oxidation reforming reaction performed in the reformer RF. . For this reason, the control unit CU adjusts the opening degree of the flow rate adjustment valve VV based on the ratio. When the process of step S03 is completed, the process proceeds to step S04.

ステップS04では、セルスタックCSに対する発電用空気の供給量が目標値通りとなるように、制御装置CUは第1ブロアBL1の回転数を調整する。ステップS04の処理が完了すると、ステップS05に移行する。   In step S04, the control unit CU adjusts the rotation speed of the first blower BL1 so that the amount of power generation air supplied to the cell stack CS is equal to the target value. When the process of step S04 is completed, the process proceeds to step S05.

ステップS05では、セルスタックCSの発電に伴って生じている発電熱が算出される。発電熱は、発電効率が100%の場合における発電量から、実際の発電量を差し引くことによって算出される。「発電効率が100%の場合における発電量」とは、発電効率が100%の場合におけるセルスタックCSの電圧(1.23V×燃料電池セルの枚数)に、電流センサISで検知された電流値を掛けて得られる発電量である。ステップS05の処理が完了すると、ステップS06に移行する。   In step S05, heat generated by the power generation of the cell stack CS is calculated. The power generation heat is calculated by subtracting the actual power generation amount from the power generation amount when the power generation efficiency is 100%. “The amount of power generation when the power generation efficiency is 100%” means the current value detected by the current sensor IS at the voltage of the cell stack CS (1.23 V × the number of fuel cells) when the power generation efficiency is 100%. This is the amount of power generated by multiplying by. When the process of step S05 is completed, the process proceeds to step S06.

ステップS06では、改質器RFに供給される各種気体(都市ガス、水蒸気、及び改質用空気)によって改質器RFから奪われる熱量(冷却量)が算出される。換言すれば、改質器RFを通過する際に各種気体に加えられる熱量の合計値が算出される。かかる冷却量は、改質器入口温度センサTRIによって検知された改質器RFの入口部分の温度と、改質器出口温度センサTROによって検知された改質器RFの出口部分の温度と、改質器RFに供給される各種気体それぞれの流量及び比熱とに基づいて、制御装置CUによって算出される。ステップS06の処理が完了すると、ステップS07に移行する。   In step S06, the amount of heat (cooling amount) taken from the reformer RF by various gases (city gas, water vapor, and reforming air) supplied to the reformer RF is calculated. In other words, the total amount of heat applied to the various gases when passing through the reformer RF is calculated. The amount of cooling depends on the temperature of the inlet portion of the reformer RF detected by the reformer inlet temperature sensor TRI, the temperature of the outlet portion of the reformer RF detected by the reformer outlet temperature sensor TRO, and It is calculated by the control unit CU based on the flow rate and specific heat of each of various gases supplied to the mass device RF. When the process of step S06 is completed, the process proceeds to step S07.

ステップS07では、セルスタックCSの温度を発電に適した温度とするために必要な、改質器RFの吸熱量が算出される。「改質器RFの吸熱量」とは、改質器RFの内部で生じる吸熱反応(水蒸気改質反応)による吸熱量から、発熱反応(部分酸化改質反応)による発熱量を差し引いた熱量のことである。必要な吸熱量は、ステップS05で算出された発電熱から、ステップS06で算出された「各種気体によって改質器RFから奪われる熱量(冷却量)」を差し引くことによって得ることができる。ステップS07の処理が完了すると、ステップS08に移行する。   In step S07, the heat absorption amount of the reformer RF necessary for setting the temperature of the cell stack CS to a temperature suitable for power generation is calculated. “The endothermic amount of the reformer RF” is the amount of heat obtained by subtracting the exothermic amount due to the exothermic reaction (partial oxidation reforming reaction) from the endothermic amount due to the endothermic reaction (steam reforming reaction) occurring inside the reformer RF. That is. The necessary endothermic amount can be obtained by subtracting the “heat amount (cooling amount) taken from the reformer RF by various gases” calculated in step S06 from the generated heat calculated in step S05. When the process of step S07 is completed, the process proceeds to step S08.

ステップS08では、実際の「改質器RFの吸熱量」を、ステップS07で算出された「必要な吸熱量」に一致させるために必要となる、改質用空気の供給量が算出される。かかる算出は、改質器RFの形状や温度に基づいて得られる改質率の理論値等に基づいて行われる。また、このような態様に替えて、セルスタック温度センサTCSによって検知される改質器RFの温度と、当該温度において最適な改質用空気の供給量との関係を、予め実験などにより求めておき、両者の関係をテーブルとして記憶しておくような態様であってもよい。ステップS08の処理が完了すると、ステップS09に移行する。   In step S08, the supply amount of reforming air necessary to match the actual “endothermic amount of the reformer RF” with the “necessary endothermic amount” calculated in step S07 is calculated. Such calculation is performed based on the theoretical value of the reforming rate obtained based on the shape and temperature of the reformer RF. In addition, instead of such a mode, the relationship between the temperature of the reformer RF detected by the cell stack temperature sensor TCS and the optimal amount of reforming air supplied at the temperature is obtained in advance through experiments or the like. Alternatively, the relationship between the two may be stored as a table. When the process of step S08 is completed, the process proceeds to step S09.

ステップS09では、改質器RFに対する改質用空気の供給量が、ステップS08で算出された供給量と一致するように、制御装置CUにより第2ブロアBL2の回転数が調整される。これにより、改質器RFの内部における発熱量が調整され、改質器RFの温度が変化する。その結果、輻射熱RTとしてセルスタックCSから奪われる熱量が最適な値となり、セルスタックCSの温度は発電に適した温度に維持される。   In step S09, the rotation speed of the second blower BL2 is adjusted by the control unit CU so that the supply amount of reforming air to the reformer RF matches the supply amount calculated in step S08. As a result, the amount of heat generated inside the reformer RF is adjusted, and the temperature of the reformer RF changes. As a result, the amount of heat taken from the cell stack CS as the radiant heat RT becomes an optimum value, and the temperature of the cell stack CS is maintained at a temperature suitable for power generation.

ステップS01において発電量の変化が閾値を超えていない場合には、ステップS10に移行する。ステップS10では、セルスタック温度センサTCSによって測定されたセルスタックCSの温度が、所定の閾値TH1よりも高いか否かが判定される。セルスタックCSの温度が閾値TH1よりも高い場合には、ステップS11に移行する。   If the change in power generation amount does not exceed the threshold value in step S01, the process proceeds to step S10. In step S10, it is determined whether or not the temperature of the cell stack CS measured by the cell stack temperature sensor TCS is higher than a predetermined threshold value TH1. When the temperature of the cell stack CS is higher than the threshold value TH1, the process proceeds to step S11.

ステップS11では、制御装置CUは第2ブロアBL2の回転数を減少させることにより、改質器RFに供給される改質用空気の量を減少させる。改質用空気の供給量が減少する結果、改質器RFで生じている発熱反応(部分酸化改質反応)が抑制され、改質器RFの温度は低下して閾値TH1を下回るようになる。   In step S11, the control unit CU reduces the amount of reforming air supplied to the reformer RF by reducing the rotational speed of the second blower BL2. As a result of the reduction in the supply amount of the reforming air, the exothermic reaction (partial oxidation reforming reaction) occurring in the reformer RF is suppressed, and the temperature of the reformer RF decreases to fall below the threshold value TH1. .

ステップS10において、セルスタックCSの温度が閾値TH1以下である場合には、ステップS20に移行する。ステップS20では、セルスタック温度センサTCSによって測定されたセルスタックCSの温度が、所定の閾値TH2よりも低いか否かが判定される。閾値TH2は、閾値TH1よりも低い値として設定されている。セルスタックCSの温度が閾値TH2よりも低い場合には、ステップS21に移行する。   In step S10, when the temperature of the cell stack CS is equal to or lower than the threshold value TH1, the process proceeds to step S20. In step S20, it is determined whether or not the temperature of the cell stack CS measured by the cell stack temperature sensor TCS is lower than a predetermined threshold value TH2. The threshold value TH2 is set as a value lower than the threshold value TH1. When the temperature of the cell stack CS is lower than the threshold value TH2, the process proceeds to step S21.

ステップS21では、制御装置CUは第2ブロアBL2の回転数を増加させることにより、改質器RFに供給される改質用空気の量を増加させる。改質用空気の供給量が増加する結果、改質器RFで生じている発熱反応(部分酸化改質反応)が促進され、改質器RFの温度は上昇して閾値TH2を下回るようになる。   In step S21, the control unit CU increases the amount of reforming air supplied to the reformer RF by increasing the rotational speed of the second blower BL2. As a result of the increase in the supply amount of reforming air, the exothermic reaction (partial oxidation reforming reaction) occurring in the reformer RF is promoted, and the temperature of the reformer RF rises and falls below the threshold value TH2. .

ステップS20において、セルスタックCSの温度が閾値TH2以上である場合には、セルスタックCSの温度は適温(閾値TH2以上、閾値TH1未満)ということである。制御装置CUは、第2ブロアBL2の回転数を変化させることなく処理を終了する。   In step S20, when the temperature of the cell stack CS is equal to or higher than the threshold value TH2, the temperature of the cell stack CS is an appropriate temperature (threshold value TH2 or higher and lower than the threshold value TH1). The control device CU ends the process without changing the rotational speed of the second blower BL2.

以上に説明したように、本実施形態に係る燃料電池装置FSでは、制御装置CUが行う制御によって、改質器RFで生じる発熱反応(部分酸化改質反応)が調整され、これによりセルスタックCSの温度の変動が抑制されている。具体的には、改質器RFに対する改質用空気の供給量を調整することにより、改質器RFで生じる発熱反応が調整されている。   As described above, in the fuel cell device FS according to the present embodiment, the exothermic reaction (partial oxidation reforming reaction) generated in the reformer RF is adjusted by the control performed by the control unit CU, and thereby the cell stack CS. The fluctuation of temperature is suppressed. Specifically, the exothermic reaction that occurs in the reformer RF is adjusted by adjusting the amount of reforming air supplied to the reformer RF.

尚、このような態様に替えて、改質器RFに電気ヒータHTが取り付けられており、電気ヒータHTによって改質器RFが加熱されるような態様としてもよい。図1では、このような構成における電気ヒータHTの取り付け位置が点線で示されている。電気ヒータHTは、セルスタックCSで発電された電力の一部を消費することによって発熱し、改質器RFの略全体を外側から加熱するものである。   Instead of such an embodiment, an electric heater HT may be attached to the reformer RF, and the reformer RF may be heated by the electric heater HT. In FIG. 1, the attachment position of the electric heater HT in such a configuration is indicated by a dotted line. The electric heater HT generates heat by consuming a part of the electric power generated by the cell stack CS, and heats substantially the entire reformer RF from the outside.

このような態様においては、制御装置CUは、改質器RFに対する改質用空気の供給量を調整すること(図3のステップS09、S11、S21)に替えて、電気ヒータHTへの通電量を調整することで、セルスタックCSの温度を発電に適した温度に調整することができる。   In such an embodiment, the control unit CU replaces the supply amount of the reforming air to the reformer RF (steps S09, S11, S21 in FIG. 3), and the energization amount to the electric heater HT. By adjusting the temperature, the temperature of the cell stack CS can be adjusted to a temperature suitable for power generation.

また、例えば第2ブロアBL2の回転数を増加(減少)させることに替えて、改質器RFに対する水蒸気の供給量を減少(増加)させることにより、改質器RFの吸熱量を調整してもよい。   Further, for example, instead of increasing (decreasing) the rotation speed of the second blower BL2, the endothermic amount of the reformer RF is adjusted by decreasing (increasing) the amount of steam supplied to the reformer RF. Also good.

本実施形態では、制御装置CUは、セルスタックCSの発電量に基づいて改質用空気の供給量を調整すること(ステップS09)に加えて、セルスタックCSの温度にも基づいて改質用空気の供給量を調整している(ステップS11、S21)。これにより、発電量に基づく改質用空気の供給量の調整に誤差が生じた場合であっても、セルスタックCSの温度を最適な温度範囲内に維持することができる。   In the present embodiment, the control unit CU adjusts the supply amount of reforming air based on the power generation amount of the cell stack CS (step S09), and also uses the temperature of the cell stack CS for reforming. The supply amount of air is adjusted (steps S11 and S21). As a result, the temperature of the cell stack CS can be maintained within the optimum temperature range even when an error occurs in the adjustment of the supply amount of reforming air based on the power generation amount.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

FS:燃料電池装置
CS:セルスタック
RF:改質器
BL1:第1ブロア
BL2:第2ブロア
CU:制御装置
HT:電気ヒータ
FS: Fuel cell device CS: Cell stack RF: Reformer BL1: First blower BL2: Second blower CU: Control device HT: Electric heater

Claims (9)

水蒸気改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器(RF)と、
前記改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック(CS)と、を備え、
前記燃料電池スタックの発電により生じた熱が前記改質器に伝達されるように構成されており、
前記改質器には、発熱手段(BL2)が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
A reformer (RF) that reforms the raw fuel by a steam reforming reaction to generate a reformed fuel;
A fuel cell stack (CS) that generates electricity by receiving the supply of the reformed fuel and the oxidant,
The heat generated by the power generation of the fuel cell stack is configured to be transmitted to the reformer,
The reformer is provided with a heat generating means (BL2).
前記燃料電池スタックの温度が変動することを抑制するよう、前記発熱手段における発熱量を制御する制御手段(CU)を備えたことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, further comprising a control unit (CU) that controls a heat generation amount in the heat generating unit so as to suppress a change in temperature of the fuel cell stack. 前記発熱手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を生じさせるものであることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 2, wherein the heat generating means causes a partial oxidation reforming reaction in the reformer. 前記制御手段は、前記改質器に対する空気の供給量を調整することにより、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池装置。   4. The fuel cell device according to claim 3, wherein the control unit controls a heat generation amount in the heat generation unit by adjusting a supply amount of air to the reformer. 5. 前記制御手段は、前記改質器に対する水蒸気の供給量を調整することにより、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池装置。   4. The fuel cell device according to claim 3, wherein the control unit controls a heat generation amount in the heat generation unit by adjusting a supply amount of water vapor to the reformer. 5. 前記発熱手段は電気ヒータ(HT)であることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池装置。   The fuel cell apparatus according to claim 2, wherein the heat generating means is an electric heater (HT). 前記制御手段は、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池装置。   3. The fuel cell device according to claim 2, wherein the control unit controls a heat generation amount in the heat generation unit based on a temperature of the fuel cell stack. 前記制御手段は、前記燃料電池スタックにおける発電量に基づいて、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池装置。   3. The fuel cell device according to claim 2, wherein the control unit controls a heat generation amount in the heat generation unit based on a power generation amount in the fuel cell stack. 前記制御手段は、前記燃料電池スタックにおける発電量が小さくなると、前記発熱手段における発熱量を増加させることを特徴とする、請求項8に記載の燃料電池装置。   9. The fuel cell apparatus according to claim 8, wherein the control means increases the heat generation amount in the heat generation means when the power generation amount in the fuel cell stack decreases.
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