JP2017135036A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスおよび酸素含有ガスによって発電する燃料電池装置を備え、燃料電池装置を制御して外部負荷へ電力を供給する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that includes a fuel cell device that generates electric power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, and controls the fuel cell device to supply electric power to an external load.
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス(または燃料ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られており、セルスタック装置を収容容器内に収容してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールおよび各種補機を外装ケース内に収容してなる燃料電池装置が種々提案されている。また、発電に使用されなかった燃焼ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル等の温度を高温に維持する構成の燃料電池装置も提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, a cell stack device in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using hydrogen-containing gas (or fuel gas) and oxygen-containing gas (air) is arranged as next-generation energy has been known. Various fuel cell modules in which a cell stack device is housed in a housing container, and fuel cell devices in which a fuel cell module and various auxiliary machines are housed in an outer case have been proposed. In addition, a fuel cell device having a configuration in which combustion gas that has not been used for power generation is burned and the temperature of the fuel cell or the like is maintained at a high temperature by the combustion heat has been proposed (for example, see Patent Document 1).
このような種々の燃料電池装置においては、その運転状態を管理するため、各部の温度を計測するための温度計測部を備え、これら温度計測部にて計測された温度に基づいて各種制御が実施される。 In such various fuel cell devices, in order to manage the operation state, a temperature measuring unit for measuring the temperature of each unit is provided, and various controls are performed based on the temperatures measured by these temperature measuring units. Is done.
ところで、燃料電池システムにおいては、上述した温度計測部の温度に基づいて各種制御を行なうが、温度計測部を複数備えている場合には、各温度計測部の温度測定に係る測定時間やその測定周期によっては、タイムリーに温度情報を得ることができず、応答速度に遅れが生じるなど、適切な制御を行なえないおそれがあった。また、温度計測部の測定時間や測定周期を早めた場合に、他の機器によるノイズの影響をうけ、正確な温度情報が得ることができないおそれがあった。 By the way, in the fuel cell system, various controls are performed based on the temperature of the temperature measurement unit described above. When a plurality of temperature measurement units are provided, the measurement time and the measurement related to the temperature measurement of each temperature measurement unit are performed. Depending on the cycle, temperature information could not be obtained in a timely manner, and there was a risk that appropriate control could not be performed, such as a delay in response speed. Further, when the measurement time or measurement cycle of the temperature measurement unit is advanced, there is a possibility that accurate temperature information cannot be obtained due to the influence of noise from other devices.
本発明の実施態様の、燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸素含有ガスによって発電する燃料電池を備える燃料電池装置と、
該燃料電池装置内の予め定める複数の部位に設置され、設置された部位の温度を計測する温度計測部と、
外部負荷への電力の供給が実行されているか否かを判定するとともに、外部負荷への電力の供給が実行されている場合は、予め定める第1周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させ、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合は、前記第1周期とは異なる予め定める第2周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させる制御部と、を備えることを特徴とする。
A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell device including a fuel cell that generates power using fuel gas and oxygen-containing gas;
A temperature measuring unit that is installed at a plurality of predetermined sites in the fuel cell device and measures the temperatures of the installed sites;
It is determined whether or not the supply of power to the external load is being performed, and when the supply of power to the external load is being performed, the temperature is sequentially applied to the plurality of temperature measurement units in a predetermined first cycle. And a control unit that causes the plurality of temperature measurement units to sequentially measure temperatures at a predetermined second period different from the first period when power supply to the external load is not performed. It is characterized by.
本発明の一実施態様の、燃料電池システムによれば、外部負荷への電力の供給が実行されている場合と、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合とで、計測周期を異ならせることにより、効率よく燃料電池システムの運転を行なうことができる。 According to the fuel cell system of one embodiment of the present invention, the measurement cycle is different between when the power supply to the external load is executed and when the power supply to the external load is not executed. By operating, the fuel cell system can be operated efficiently.
以下、図面を用いて本実施形態における燃料電池システム1について説明する。図1は、本実施形態の燃料電池装置1aを備える燃料電池システム1の構成の一例を示す図である。なお、以降の図において同一の構成については同一の参照符を用いて説明する。図1に示す燃料電池システム1は、燃料電池装置1aと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯装置1bと、これらの装置間を水が循環するための循環配管24および循環配管24内で水を循環させる循環ポンプ16と、燃料電池装置1aおよび各種機器の動作を制御する制御部2と、外部負荷3とを含んで構成されている。なお、貯湯装置1bを設けない構成とすることもできる。
Hereinafter, the
燃料電池装置1aは、都市ガス等の原燃料を供給する燃料ガス供給装置14、燃料ガスおよび水から水素を含む改質ガスを生成する改質器8、改質ガスおよび酸素含有ガスによって発電するセルスタック5、セルスタック5に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置15を備えている。また燃料電池装置1aは、セルスタック5で発電に使用されなかった未燃焼ガス(未燃焼の改質ガスと酸素含有ガスおよび燃料ガス)を燃焼させ、その燃焼熱によって改質器8やセルスタック5を加熱する燃焼部9と、燃焼部9で生じた燃焼排ガスを燃焼させる燃焼触媒11を備え、排ガスを排出する排気部10とをさらに備えている。改質ガスは改質ガス配管27を介して供給され、排ガスは燃料電池装置1a内の流路を流れて外気に排出される。
The fuel cell device 1a generates power using a fuel
また、燃料電池装置1aにおいては、セルスタック5で発電により生じた排熱と水との熱交換を行なう熱交換器6と、熱交換器6で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置12、水処理装置12にて処理された水(純水)を貯水するための水タンク13とが設けられており、水タンク13と水処理装置12および熱交換器6との間が凝縮水供給管25により接続されている。なお、水処理装置12としては、イオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。水タンク13に貯水された水は、水タンク13と改質器8とを接続する水供給管26に備えられた水ポンプ17により改質器8に供給される。
In the fuel cell device 1a, the heat exchanger 6 that performs heat exchange between the exhaust heat generated by the power generation in the
さらに燃料電池装置1aは、セルスタック5にて発電された直流電力を交流電力に変換して外部負荷3へ供給するとともに、変換された電力の外部負荷3への供給量を調整するパワーコンディショナ4を備えており、これらを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や運搬等が容易な燃料電池装置1aとすることができる。なお、貯湯装置1bは、温水を貯湯するための貯湯タンク7を具備して構成されている。
Further, the fuel cell device 1a converts the DC power generated in the
また、燃料電池システム1は、燃料電池装置1a内の予め定める複数の部位に熱電対36が設置され、設置された部位の温度を予め定める周期で計測する温度計測部を備えている。本実施形態においては、燃焼部9の温度を計測する第1温度計測部18と、燃焼触媒11を有する排気部10の温度を計測する第2温度計測部19と、改質器8の温度を計測する第3温度計測部20と、セルスタック5の温度を計測する第4温度計測部21と、熱交換器6の入口に流れる水(循環水流)の水温を計測する入口水温計測部である第5温度計測部22と、熱交換器6の出口に設けられ熱交換器6の出口を流れる水(循環水流)の水温を測定する出口水温計測部である第6温度計測部23とが備えられている。前記温度計測部18〜23のそれぞれは、例えば熱電対36によって実現される。
In addition, the
なお、運転状態を管理する上で温度情報が重要になる部位については、安全のために1つの部位に温度計測部を2つ以上設けて、1つの温度計測部が故障するリスクを回避することも可能である。装置を使用する上で安全上、温度情報が重要になる部位としては、例えば燃焼部9の温度を計測する第1温度計測部18が挙げられる。
For parts where temperature information is important in managing the operating state, for safety, provide two or more temperature measurement units in one part to avoid the risk of failure of one temperature measurement unit Is also possible. As a part where temperature information is important for safety in using the apparatus, for example, a first
ここで、図1に示した燃料電池システム1の運転方法について説明する。セルスタック5の発電に必要な改質ガスを生成するにあたり、制御部2は燃料ガス供給装置14、水ポンプ17を作動させる。それによって、改質器8に燃料ガスと水とが供給され、改質器8で水蒸気改質を行なうことによって、水素を含む改質ガスが生成されてセルスタック5内の燃料電池セルの燃料極層側に供給される。
Here, an operation method of the
一方、制御部2は、酸素含有ガス供給装置15を動作させることによって、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガスを供給する。なお、制御部2は、燃焼部9に配置された着火装置(着火ヒーター等)を作動させることによって、セルスタック5において発電に使用されなかった未燃焼ガスを燃焼させる。それによって、改質器8やセルスタック5の温度が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
On the other hand, the
セルスタック5の発電によって生じた排ガスは、浄化装置で浄化された後、熱交換器6に供給され、循環配管24を流れる水との間で熱交換される。熱交換器6での熱交換により生じた高温水は、循環配管24を流れて貯湯タンク7に貯水される。また、熱交換器6における熱交換によりセルスタック5から排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管25を流れて、水処理装置12に供給される。
The exhaust gas generated by the power generation of the
凝縮水は、水処理装置12において純水とされ、水タンク13に供給される。水タンク13に貯水された水は、水ポンプ17によって水供給管26を流れて改質器8に供給される。このように、凝縮水を有効に利用することによって、外部から水を供給する必要が無く、自立した運転を行なうことができる。なお、貯湯装置1bを設けない構成においては、熱交換器6の代わりに冷却装置を備えることによって凝縮水を生成してもよい。
The condensed water is made pure water in the
前述の例においては熱交換器6にて生成される凝縮水のみを改質器8に供給する構成の燃料電池装置1aを用いて説明したが、改質器8に供給する水として水道水を利用することもでき、この場合には、水道水に含まれる不純物を除去するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルターと逆浸透膜装置とイオン交換樹脂装置等とを、この順に接続することによって、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合でも、水処理装置にて生成した純水が、水タンク13に貯水されるように各装置を接続する。
In the above-described example, the fuel cell device 1 a configured to supply only the condensed water generated in the heat exchanger 6 to the reformer 8 has been described, but tap water is used as water to be supplied to the reformer 8. In this case, as a water treatment device for removing impurities contained in tap water, for example, an activated carbon filter, a reverse osmosis membrane device, an ion exchange resin device, etc. are connected in this order. By this, pure water can be purified efficiently. Even when tap water is used, each device is connected so that pure water generated by the water treatment device is stored in the
次に、図2を用いて本実施形態の制御部2の構成について説明する。制御部2は、燃料電池装置1aから外部負荷への電力の供給が実行されているか否かを継続的に判定する給電状態判定部30と、運転状態を管理する運転状態管理部31と、複数の温度計測部からの温度情報信号のうちの1つを選択するチャンネル切換え装置32と、温度情報のアナログ信号を増幅するアンプ回路である増幅器33と、温度情報をアナログ信号からデジタル信号へと変換するアナログ/デジタル変換器34と、温度情報から運転状態を判定する演算等を行う演算処理装置(Central Processing Unit:略称CPU)35とを備えている。
Next, the configuration of the
またパワーコンディショナ4から給電状態判定部30へパワーコンディショナ4が稼動しているか否かを伝達する稼動信号38が入力されるとともに、チャンネル切換え装置32は給電状態判定部30からのチャンネル切換え指令37に従ってチャンネルを切換える。給電状態判定部30は、パワーコンディショナ4が稼動しているか否かを稼動信号38により検知するのみならず、温度情報からもパワーコンディショナ4が稼動しているか否かを判定することが可能である。
In addition, an
ここで制御部2は、複数の温度計測部位に対して、時間ごとにそれぞれの計測部位に対応するチャンネルを切換えることにより全部位の値を読み取るので、全チャンネルの走査に要する時間は、1チャンネルあたりの時間を、チャンネルの数だけ加算した時間となる。すなわち、温度計測部位が多くなればなるほど、全チャンネルの走査に時間を要することになり、温度変化に対する応答が遅くなるおそれがある。これに対して、アンプ回路やアナログ/デジタル変換器を追加することが考えられるが、増設するとなると装置の体積、重量、消費電力が増加し、また装置が複雑化するとともに装置コストが増大する。また、温度変化に対する応答を速くするために、チャンネル切換え速度を大きくすることができるが、その場合には、各チャンネルのサンプリング時間が短くなり、ノイズレベルに対して信号レベルが相対的に低くなるので、信号対ノイズ比(SN比)が低下する。それゆえ、本実施形態においては、外部負荷への電力の供給が実行されているか否かによって、温度計測部での計測周期を異ならせる。
Here, since the
次に、図3のタイミングチャートを用いて、本実施形態において制御部2が行う温度計測制御について説明する。図3は、時間tを横軸に、温度Tを縦軸にとり、特定の野部位における温度変化を示すグラフTCに対して、温度計測のサンプリング時間とその変化の条件を示したものである。燃料電池システム1の起動時には消費電力を抑えるためパワーコンディショナ4を停止し、発電可能になってから初めて稼動させることができる。ここで発電開始の条件は、特定部位の温度が所定温度以上となること、または複数部位の温度がそれぞれ所定温度以上となることとされる。なお、発電可能か否かを判断する温度計測部としては、例えば、セルスタック5
の温度を計測する第4温度計測部21を用いることができる。
Next, temperature measurement control performed by the
The 4th
燃料電池システム1が起動すると、制御部2は、予め定める第2周期で複数の温度計測部に順に温度を計測させる。温度が上昇し、発電開始の条件が満たされた場合、ここでは例えばTCが所定温度T1を超えた場合に、パワーコンディショナ4を起動し、発電が開始される。燃料電池システム1の起動からパワーコンディショナ4の起動までが燃料電池装置1aが起動中の時間区間(起動時)であり、パワーコンディショナ4の起動後が燃料電池装置1aが発電中の時間区間(発電時)となる。
When the
発電が開始されると、制御部2は、第2周期とは異なる予め定める第1周期で複数の温度計測部に順に温度を計測させる。ここで第2周期における1周期あたりの時間S2は、第1周期における1周期あたりの時間S1よりも短い。発電中の温度TCは、正常時はT2からT3の間で推移する。
When power generation is started, the
次に、図4のフローチャートを用いて、本実施形態において制御部2が行う温度計測制御のフローについて説明する。給電状態判定部30は、それぞれの部位の温度計測の各サンプリング時点において、計測を開始すると、パワーコンディショナ4が運転中か否かを判定し(ステップS1)、パワーコンディショナ4が運転中の場合には、ステップS3で計測の更新周期を第1周期として、更新周期を長くとりサンプリング周期を長くする。
Next, a flow of temperature measurement control performed by the
またパワーコンディショナ4が運転中ではない場合には、温度計測結果の直近の履歴を参照し、温度が1分あたり摂氏ΔT度(ΔT[℃]/min.)以上で変化しているか否かをさらに判定する(ステップS2)。ΔT以上で変化していない場合にはステップS4で計測の更新周期を第1周期よりも短い第2周期として、サンプリング周期を短くする。ΔT以上で変化している場合にはステップS5で計測の更新周期を、第2周期よりも短い第3周期として、サンプリング周期をさらに短くする。給電状態判定部30がこのようにして判定した条件でチャンネル切換え指令37が出力されてそれぞれの部位の温度計測が順に行われて完了すると、温度計測が終了する。
In addition, when the
このようにして、温度が連続的に上昇する燃料電池装置1aの起動時には、計測にかかる時間(サンプリング時間)を短くし、更新時間を短くすることにより、高い応答速度を得ることが可能となる。また、温度変化は小さいが僅かな温度差が燃料電池装置1aの発電動作に影響を及ぼすため要求温度計測精度が高くなるとともに、パワーコンディショナ4が動作して強いノイズ耐性が必要となる発電時には、計測にかかる時間(サンプリング時間)を長くとることにより、計測精度を高めることが可能となる。さらに、燃料電池装置1aの停止時にも、温度サンプリング周期を運転時よりも短くすることもできる。したがって、動作段階ごとに要求される温度精度、応答速度がそれぞれ異なる燃料電池装置1aにおいて、それぞれを満足するような温度計測制御を行うことができる。
In this way, when the fuel cell device 1a whose temperature rises continuously is started, a high response speed can be obtained by shortening the measurement time (sampling time) and shortening the update time. . Further, since the temperature change is small but a slight temperature difference affects the power generation operation of the fuel cell device 1a, the required temperature measurement accuracy is increased, and the
以上、第2周期における1周期あたりの時間S2が、第1周期における1周期あたりの時間S1よりも短い場合について説明したが、温度計測部位によって各周期の中でサンプリング周期を変化させてもよく、また制御の各段階におけるサンプリング周期の変化のさせ方を、温度計測部位ごとに異ならせてもよい。例えば、第1温度計測部(燃焼部9の温度計測部)については、第2周期(起動時)において燃焼部9の着火検知を早めるために1周期あたりの時間S2を前述の通り短くすることが望ましい。 The case where the time S2 per cycle in the second cycle is shorter than the time S1 per cycle in the first cycle has been described above. However, the sampling cycle may be changed in each cycle depending on the temperature measurement part. In addition, the method of changing the sampling period at each stage of control may be different for each temperature measurement site. For example, for the first temperature measurement unit (temperature measurement unit of the combustion unit 9), the time S2 per cycle is shortened as described above in order to accelerate the ignition detection of the combustion unit 9 in the second cycle (during startup). Is desirable.
逆に、第2温度計測部(排気部10の温度計測部)については、第1周期(発電時)において燃焼部9の失火検知を早めるために1周期あたりの時間S1を短くすることが考えられる。燃焼部9の失火を生じた場合には、改質器8やセルスタック5を高温に維持することができず、結果として発電量が低下してしまうおそれがあるため、失火の検知を早めることは運転状態を管理する上で重要な内容となる。また温度が上がりすぎた場合には、セルスタック5における反応をシャットダウンさせて、各ガスや空気および水の供給、循環、排出のみを一定時間行って停止したのちに再起動する、復旧モードに入る制御を行うことも可能である。
Conversely, for the second temperature measurement unit (temperature measurement unit of the exhaust unit 10), it is considered that the time S1 per cycle is shortened in order to accelerate the misfire detection of the combustion unit 9 in the first cycle (during power generation). It is done. When the misfire of the combustion unit 9 occurs, the reformer 8 and the
なお、第1周期と第2周期の長短の2段階制御のみではなく、中間段階の第3周期を設ける等、3段階以上の制御を行うことももちろん可能であり、また起動時のみではなく停止時にも同様の制御を行ってもよい。 Of course, it is possible to perform not only two-stage control of the first and second periods, but also three or more stages, such as providing a third period of the intermediate stage. Sometimes, similar control may be performed.
1 燃料電池システム
1a 燃料電池装置
1b 貯湯装置
2 制御部
3 外部負荷
4 パワーコンディショナ
5 セルスタック
6 熱交換器
7 貯湯タンク
8 改質器
9 燃焼部
10 排気部
11 燃焼触媒
12 水処理装置
13 水タンク
14 燃料ガス供給装置
15 酸素含有ガス供給装置
16 循環ポンプ
17 水ポンプ
18 第1温度計測部
19 第2温度計測部
20 第3温度計測部
21 第4温度計測部
22 第5温度計測部
23 第6温度計測部
24 循環配管
25 凝縮水供給管
26 水供給管
27 改質ガス配管
30 給電状態判定部
31 運転状態管理部
32 チャンネル切換え装置
33 増幅器
34 アナログ/デジタル変換器
36 熱電対
37 チャンネル切換え指令
38 稼動信号
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該燃料電池装置内の予め定める複数の部位に設置され、設置された部位の温度を計測する温度計測部と、
外部負荷への電力の供給が実行されているか否かを判定するとともに、外部負荷への電力の供給が実行されている場合は、予め定める第1周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させ、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合は、前記第1周期とは異なる予め定める第2周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させる制御部と、を備える燃料電池システム。 A fuel cell device comprising a fuel cell that generates power using fuel gas and oxygen-containing gas;
A temperature measuring unit that is installed at a plurality of predetermined sites in the fuel cell device and measures the temperatures of the installed sites;
It is determined whether or not the supply of power to the external load is being performed, and when the supply of power to the external load is being performed, the temperature is sequentially applied to the plurality of temperature measurement units in a predetermined first cycle. And a control unit that causes the plurality of temperature measurement units to sequentially measure temperatures at a predetermined second period different from the first period when power supply to the external load is not performed. Battery system.
前記温度計測部が前記燃焼部を測定する第1温度計測部を備えるとともに、前記第1周期のうち燃料電池装置の起動時における前記第1温度計測部の1周期あたりの時間が、前記第2周期における前記第1温度計測部の1周期あたりの時間よりも短いことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell device includes a combustion section that burns with a fuel gas and an oxygen-containing gas that have not been used in the power generation,
The temperature measurement unit includes a first temperature measurement unit that measures the combustion unit, and a time per cycle of the first temperature measurement unit at the start of the fuel cell device in the first cycle is the second time. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is shorter than a time per cycle of the first temperature measurement unit in the cycle.
前記温度計測部が前記排気部を測定する第2温度計測部を備えるとともに、前記第2周期における前記第2温度計測部の1周期あたりの時間が、前記第1周期のうち燃料電池装置の起動時における前記第2温度計測部の1周期あたりの時間よりも短いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell device has an exhaust part including a combustion catalyst that combusts combustion exhaust gas generated in the combustion part,
The temperature measurement unit includes a second temperature measurement unit that measures the exhaust unit, and the time per cycle of the second temperature measurement unit in the second cycle is the start of the fuel cell device in the first cycle. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the time is shorter than a time per cycle of the second temperature measurement unit at the time.
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