JP2017162746A - Fuel cell system and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスを燃料として発電を行う燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack that generates power using fuel gas as fuel, and an operation method thereof.
一般的に、燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、水供給手段より供給される水を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、燃料ガス供給手段及び水供給手段を制御するための制御手段と、を備えている。このような燃料電池システム(例えば、家庭用の小型燃料電池システム)では、電力負荷追従の運転制御が行われ、電力負荷の大きさに応じて燃料電池セルスタックの発電出力が変動される。そして、部分負荷の運転の場合、燃料電池セルスタックの発電出力は、電力負荷から買電保証電力を減算した電力値となるように制御され、この発電出力の制御は、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給流量及び水供給手段からの改質用水の供給流量を制御することによって行われる。 In general, a fuel cell system uses a fuel gas supply means for supplying fuel gas, a water supply means for supplying reforming water, and water supplied from the water supply means to steam the fuel gas. A reformer for reforming, a fuel cell stack for generating power by oxidation and reduction of reformed fuel gas and oxidant steam-reformed in the reformer, fuel gas supply means, and water supply means Control means for controlling. In such a fuel cell system (for example, a small fuel cell system for home use), operation control is performed following the power load, and the power generation output of the fuel cell stack is changed according to the magnitude of the power load. In the case of partial load operation, the power generation output of the fuel cell stack is controlled to be a power value obtained by subtracting the power purchase guarantee power from the power load, and this power generation output is controlled by the fuel gas supply means. This is done by controlling the supply flow rate of fuel gas and the supply flow rate of reforming water from the water supply means.
電力負荷に応じて燃料電池セルスタックの発電出力を制御する場合、電力負荷の増大による発電出力の上昇に備えてある程度の余裕を見て少し多い目に燃料ガスを供給するように燃料ガス供給手段が制御され、換言すると、システムの燃料利用率を限界付近まで上げずに、この限界燃料利用率より少し小さい燃料利用率となるように制御され、燃料ガスの供給流量をこのように制御することによって、急激な発電電力の上昇による燃料ガス不足の発生を回避し、燃料電池セルスタックの破損を未然に防止している。 When controlling the power generation output of the fuel cell stack according to the power load, the fuel gas supply means supplies the fuel gas to a slightly larger amount with a certain margin in preparation for an increase in the power generation output due to an increase in the power load. In other words, the fuel usage rate of the system is controlled so that the fuel usage rate is slightly smaller than the critical fuel usage rate without increasing the fuel usage rate of the system to near the limit. Thus, the occurrence of a shortage of fuel gas due to a sudden increase in generated power is avoided, and damage to the fuel cell stack is prevented in advance.
ところが、このような運転では、発電電力の上昇がない定格負荷運転においても燃料ガスを少し多い目に供給しているために、システムの発電効率が少し悪化し、定格発電状態が長いほど発電効率の悪い状態が継続される。 However, in such operation, even in rated load operation where the generated power does not increase, fuel gas is supplied to the eyes a little, so the power generation efficiency of the system deteriorates slightly, and the longer the rated power generation state, the higher the power generation efficiency. The bad state continues.
この燃料電池システムの発電効率を改善するために、例えば、燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガス(未反応の燃料ガスを含んでいる)を再利用するようにしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。例えば、燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸収剤を用いて吸収除去し、二酸化炭素を除去した反応燃料ガスをリサイクルして新しい燃料ガスに混合して発電用の燃料ガスとして利用し、このように再利用することによりシステムの発電効率を高めている。 In order to improve the power generation efficiency of this fuel cell system, for example, one that reuses the reactive fuel gas (including unreacted fuel gas) discharged from the fuel cell stack has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1). For example, carbon dioxide contained in the reaction fuel gas discharged from the fuel cell stack is absorbed and removed using an absorbent, and the reaction fuel gas from which carbon dioxide has been removed is recycled and mixed with new fuel gas for power generation. By using it as fuel gas and reusing it in this way, the power generation efficiency of the system is enhanced.
しかし、上述した燃料電池システムでは、二酸化炭素を吸収する吸収剤を必要とし、また二酸化炭素を吸収除去した反応燃料ガスをリサイクルするためのリサイクル流路を設ける必要があり、燃料電池システムの構成が複雑になるなどの問題がある。 However, the fuel cell system described above requires an absorbent that absorbs carbon dioxide, and it is necessary to provide a recycling flow path for recycling the reaction fuel gas from which carbon dioxide has been absorbed and removed. There are problems such as complexity.
本発明の目的は、比較的簡単な構成でもってシステムの発電効率を高めることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system that can increase the power generation efficiency of the system with a relatively simple configuration.
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための第1燃料利用率設定手段と、定格負荷運転における定格負荷燃料利用率を設定するための第2燃料利用率設定手段と、前記燃料電池セルスタックの発電電流に基づいて定格発電状態であることを判定する定格発電判定手段を含んでおり、
前記燃料電池セルスタックが定格発電状態になると、前記定格発電判定手段による定格発電の判定に基づいて前記第2燃料利用率設定手段が前記定格負荷燃料利用率を設定し、前記制御手段は、前記部分負荷燃料利用率よりも大きい値の前記定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。
The fuel cell system according to
The control means includes first fuel utilization rate setting means for setting a partial load fuel utilization rate in partial load operation based on a relationship between the generated current of the fuel cell stack and a fuel utilization rate, and rated load operation. A second fuel utilization rate setting means for setting a rated load fuel utilization rate, and a rated power generation determination means for determining that the fuel cell stack is in a rated power generation state based on the generated current of the fuel cell stack,
When the fuel cell stack is in a rated power generation state, the second fuel usage rate setting unit sets the rated load fuel usage rate based on the rated power generation determination by the rated power generation determination unit, and the control unit includes the control unit, The fuel gas supply means is controlled so that the rated load fuel utilization rate is larger than the partial load fuel utilization rate.
また、本発明の請求項2に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、更に、前記燃料電池セルスタックに送給される改質燃料ガスのS/Cを設定するためのS/C設定手段を含み、前記S/C設定手段は、S/Cと前記燃料電池セルスタックのスタック温度との関係を示すS/C−スタック温度特性に基づいてS/Cを設定し、前記燃料電池セルスタックが定格発電状態となると、前記制御手段は、前記S/C−スタック温度特性におけるS/C値よりも小さい値となるように前記水供給手段を制御することを特徴とする。
Further, in the fuel cell system according to
更に、本発明の請求項3に記載の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池セルスタックの部分負荷発電状態のときには、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、また前記燃料電池セルスタックの定格発電状態のときには、前記部分負荷燃料利用率よりも大きい値の定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。
Further, the operation method of the fuel cell system according to claim 3 of the present invention includes a fuel gas supply means for supplying fuel gas, a water supply means for supplying reforming water, and the water supply means. A reformer for steam reforming the fuel gas supplied from the fuel gas supply means using the supplied water, and oxidation of the reformed fuel gas and the oxidizing material steam-reformed by the reformer And a method of operating a fuel cell system comprising: a fuel cell stack that generates power by reduction; and a combustion zone for combusting a reaction fuel gas discharged from the fuel cell stack,
When the fuel cell stack is in a partial load power generation state, the fuel gas supply means is controlled to achieve a partial load fuel usage rate set based on the relationship between the power generation current of the fuel cell stack and the fuel usage rate. In addition, when the fuel cell stack is in the rated power generation state, the fuel gas supply means is controlled so that the rated load fuel usage rate is larger than the partial load fuel usage rate.
本発明の請求項1に記載の燃料電池システム及び請求項3に記載の燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池セルスタックを部分負荷発電状態のときには、燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷燃料利用率となるように燃料ガス供給手段を制御し、また燃料電池セルスタックの定格発電状態のときには、部分負荷燃料利用率よりも大きい値の定格負荷燃料利用率となるように燃料ガス供給手段を制御するので、この定格負荷運転におけるシステムの発電効率を高めることができる。
According to the fuel cell system according to
燃料電池セルスタックの定格発電状態においては、この定格発電電力を実質上超えて運転されることがなく、それ故に、燃料ガスを少し多い目に供給する必要がなく、部分負荷発電状態のときの燃料利用率(即ち、部分負荷燃料利用率)よりも定格発電状態のときの燃料利用率(即ち、定格負荷燃料利用率)を大きくすることが可能となる。このような観点から、定格発電状態になると、部分負荷燃料利用率から定格負荷燃料利用率に変更して燃料利用率を高めて発電運転を行う。この燃料利用率とは、燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスのうち発電に寄与する燃料ガスの割合であり、この燃料利用率が大きくなると発電反応で消費される燃料ガスが多くなり、無駄となる燃料ガスが減って燃料電池セルスタックの発電効率が高くなる。 In the rated power generation state of the fuel cell stack, it is not operated substantially exceeding the rated power generation. Therefore, it is not necessary to supply the fuel gas to a few more eyes, and in the partial load power generation state It is possible to make the fuel utilization rate (that is, the rated load fuel utilization rate) in the rated power generation state larger than the fuel utilization rate (that is, the partial load fuel utilization rate). From this point of view, when the rated power generation state is reached, the partial load fuel usage rate is changed to the rated load fuel usage rate to increase the fuel usage rate and perform power generation operation. This fuel utilization rate is the ratio of the fuel gas that contributes to power generation in the fuel gas supplied to the fuel cell stack. When this fuel utilization rate increases, more fuel gas is consumed in the power generation reaction, resulting in waste. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell stack increases.
定格発電状態においてこのように燃料利用率を大きくするので、燃料電池セルスタックの発電効率の向上を図ることができ、その発電効率の向上の効果は、定格発電状態が長く継続して行われるほど大きくなる。 Since the fuel utilization rate is increased in this way in the rated power generation state, it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell stack, and the effect of improving the power generation efficiency is such that the rated power generation state continues for a long time. growing.
また、本発明の請求項2に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックが定格発電状態となると、S/C−スタック温度特性におけるS/C値よりも小さい値となるように水供給手段を制御するので、燃料電池セルスタックに送給される水成分(水蒸気)が少なくなり、燃料利用率を高めたことによる燃料電池セルスタックのスタック温度の低下を抑えて所望のスタック温度に維持することができる。
According to the fuel cell system of
S/Cとは、反応の際に添加される水蒸気と燃料ガス(炭化水素系ガス)に含まれる炭素とのモル比(スチーム/カーボンの比)であり、このS/Cが小さくなると、添加される水蒸気が少なくなって燃料電池セルスタックのスタック温度は上昇する。 S / C is the molar ratio (steam / carbon ratio) between water vapor added during the reaction and carbon contained in the fuel gas (hydrocarbon gas). The amount of water vapor is reduced and the stack temperature of the fuel cell stack rises.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システム及びその運転方法の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system and an operation method thereof according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1において、図示の燃料電池システム2は、燃料ガスとして炭化水素系の燃料ガス、例えば天然ガス(都市ガス)を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器4と、改質器4にて改質された燃料ガス(改質燃料ガス)及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック6と、空気を燃料電池セルスタック6に送給するための送風手段8と、を備えている。
In FIG. 1, a
燃料電池セルスタック6は、例えば固体酸化物形のものから構成され、燃料電池反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルが集電部材を介して積層され、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
The
燃料電池セルスタック6の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給ライン10を介して改質器4に接続され、この改質器4は、ガス・水蒸気送給ライン12を介して気化器14に接続され、この気化器14は、燃料ガス供給ライン16を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源18(例えば、埋設管や貯蔵タンクなど)に接続されているとともに、水供給ライン20を介して水供給源22(例えば、水タンクなど)に接続されている。改質器4は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものを備え、この改質触媒によって燃料ガスを水蒸気改質する。また、気化器14は、水供給ライン20を通して送給される水を気化させて水蒸気を発生する。なお、改質器4と気化器14とを一体的に形成することもできる。
The fuel cell introduction side of the
燃料ガス供給ライン16には、脱硫器24、燃料ガスポンプ26、燃料ガス流量検知センサ28及び遮断弁30が配設されている。脱硫器24は燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、燃料ガスポンプ26は燃料ガス供給源18からの燃料ガスを燃料ガス供給ライン16を通して気化器14に送給し、燃料ガス流量検知センサ28は燃料ガス供給ライン16を通して送給される燃料ガスの流量を検知し、また遮断弁30は燃料ガス供給ライン16を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行う。この形態では、燃料ガスポンプ26の回転数を制御することによって、燃料ガス供給ライン16を通して供給される燃料ガスの供給流量が制御され、その回転数が多くなる(又は少なくなる)と、燃料ガスの供給流量が増加し(又は減少し)、これら燃料ガス供給源18、燃料ガスポンプ26及び燃料ガス供給ライン16が燃料ガス供給手段を構成する。
In the fuel gas supply line 16, a
また、水供給ライン20には水ポンプ34及び水流量検知センサ35(水流量検知手段)が配設されており、この水ポンプ34は、水供給源22からの水を気化器14に供給し、水流量検知センサ35は、水供給ライン20を通して供給される改質用水の流量を検知する。この形態では、水ポンプ34の回転数を制御することによって、水供給ライン20を通して供給される改質用水の供給流量が制御され、その回転数が多くなる(又は少なくなる)と、改質用水の供給流量が増加し(又は減少し)、これら水供給源22、水ポンプ34及び水供給ライン20が水供給手段を構成する。
The
この燃料電池セルスタック6の酸素極の導入側は、空気送給ライン36を介して空気(酸化材)を予熱するための空気予熱器38に接続され、この空気予熱器38は、空気供給ライン40を介して送風手段8に接続されている。送風手段8は、例えば送風ブロアから構成され、この送風ブロアの回転数を制御することによって、空気供給ライン40を通して供給される空気の送給量が制御され、送風ブロアの回転数が多くなる(又は少なくなる)と、空気供給ライン40を通して供給される空気の供給流量が増加し(又は減少し)、これら送風手段8(送風ブロア)及び空気供給ライン40が空気供給手段(酸化材供給手段)を構成する。
An oxygen electrode introduction side of the
燃料電池セルスタック6の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼域44が配設され、燃料電池セルスタック6の一端から排出された反応燃料ガス(余剰の燃料ガスを含んでいる)と酸素極側から排出された空気(酸素を含んでいる)とがこの燃焼域44に送給されて燃焼される。この燃焼域44は排気ガス送給ライン46を介して空気予熱器38に接続され、空気予熱器38を流れる排気ガスは排気ガス排出ライン48を介して大気に排出される。空気予熱器38においては、空気供給ライン40を通して流れる空気と排気ガス送給ライン46を通して流れる排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された空気が空気送給ライン36を通して燃料電池セルスタック6に送給される。
A
この実施形態では、燃料電池セルスタック6に関連してスタック温度検知センサ50が配設され、このスタック温度検知センサ50は燃料電池セルスタック6の近傍に配設され、この燃料電池セルスタック6の温度を検知する。また、燃料電池セルスタック6の電力出力部(図示せず)には発電電流検知センサ52(図2参照)が配設され、この発電電流検知センサ52は、燃料電池セルスタック6からの発電電流を検知する。
In this embodiment, a stack
この実施形態では、また、改質器4、燃料電池セルスタック6、気化器14及び空気予熱器38が電池収容ハウジング54に収容され、この電池収容ハウジング54は、その内壁面が断熱材で覆われて高温室56を構成し、改質器4、燃料電池セルスタック6、気化器14及び空気予熱器38がこの高温室56内で高温状態に保たれる。
In this embodiment, the reformer 4, the
この燃料電池システム2は、例えば、次のように作動して発電が行われる。燃料ガス供給源18からの燃料ガス(例えば、都市ガス)が、燃料ガス供給ライン16を通して気化器14に供給され、また水供給源22からの水が、水供給ライン20を通して気化器14に供給される。気化器14においては、水が加熱されて水蒸気となり、加熱された燃料ガスと発生した水蒸気が混合されてガス・水蒸気送給ライン12を介して改質器4に送給される。
For example, the
改質器4においては、燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、水蒸気改質された燃料ガス(改質燃料ガス)が改質燃料ガス送給ライン10を通して燃料電池セルスタック6の燃料極側に送給される。また、送風手段8からの空気は、空気供給ライン40を通して空気予熱器38に供給され、この空気予熱器38において燃焼域44から排気ガス送給ライン46を通して流れる排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン36を通して燃料電池セルスタック6の酸素極側に送給される。
In the reformer 4, a steam reforming reaction is performed with the fuel gas and the steam, and the steam-reformed fuel gas (reformed fuel gas) passes through the reformed fuel
燃料電池セルスタック6の燃料極側は改質された燃料ガスを酸化し、またその酸素極側は空気中の酸素を還元し、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。燃料電池セルスタック6の一端側より排出された反応燃料ガス及び空気は燃焼域44に送給されて燃焼され、この反応燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器4及び気化器14が加熱される。燃焼域44からの排気ガスは排気ガス送給ライン46を通して空気予熱器38に送給され、この空気予熱器38において送風手段8から供給される空気との熱交換に利用された後に、排気ガス排出ライン48を通して大気に排出される。
The fuel electrode side of the
この燃料電池システム2は、更に、燃料ガスポンプ28、水ポンプ34及び送風手段8を作動制御するためのコントローラ60を備えている。図2を参照して更に説明すると、この実施形態では、コントローラ60は、第1燃料利用率設定手段62、第2燃料利用率設定手段64、定格発電判定手段66、S/C設定手段68、作動制御手段70及びメモリ手段72を備えている。第1燃料利用率設定手段62は、部分負荷運転時における燃料利用率(部分負荷燃料利用率)を後述する如く設定し、第2燃料利用率設定手段64は、定格負荷運転時における燃料利用率(定格負荷燃料利用率)を後述する如く設定し、定格発電判定手段66は、発電電流検知センサ52からの検知信号に基づいて後述する如く定格発電の判定を行い、S/C設定手段68は、後述する如くS/Cを設定する。また、作動制御手段70は、燃料ポンプ26及び水ポンプ34などを後述する如く作動制御する。メモリ手段72には、部分負荷運転時において燃料利用率を設定する際のベースとなる発電電流−燃料利用率特性マップ、定格負荷時の燃料利用率及びS/Cを設定する際のベースとなるS/C−スタック温度特性マップなどが登録されている。
The
燃料ガス流量検知センサ28(燃料ガス流量検知手段)、水流量検知センサ35(水流量検知手段)、スタック温度検知センサ50(スタック温度検知手段)及び発電電流検知センサ52(発電電流検知手段)からの検知信号は、コントローラ60に送給され、これら検知信号に基づいて、コントローラ60は燃料ガスポンプ26、水ポンプ34及び送風手段8を次のように作動制御する。
From the fuel gas flow detection sensor 28 (fuel gas flow detection means), the water flow detection sensor 35 (water flow detection means), the stack temperature detection sensor 50 (stack temperature detection means) and the generated current detection sensor 52 (generated current detection means). These detection signals are sent to the
主として図2及び図3を参照して、燃料電池システム2を発電運転すると、燃料電池セルスタック6にて上述したように発電が行われる。この発電運転では、まず、部分負荷運転が行われ(ステップS1)、その後電力負荷が大きくなると定格負荷運転に移行する。
Referring mainly to FIGS. 2 and 3, when the
この部分負荷運転においては、発電電流検知センサ52は、燃料電池セルスタック6からの発電電流を検知し(ステップS2)、第1燃料利用率設定手段62は、この発電電流検知センサ52の検知信号に基づいて部分負荷運転における燃料利用率を設定する(ステップS3)。メモリ手段72には、図4に示す通りの発電電流−燃料利用率特性マップが登録されており、この発電電流−燃料利用率特性マップでは、発電電流が増加するに伴って燃料利用率が大きくなり、限界燃料利用率よりも10〜20%低い値となっており、第1燃料利用率設定手段62は、この発電電流−燃料利用率特性マップを利用して部分負荷燃料利用率を設定する。
In this partial load operation, the generated
従って、この部分負荷運転においては、燃料電池セルスタック6の発電電流との関連で図4に実線で示すように燃料利用率が変動して設定され、作動制御手段70は、このように設定された部分負荷燃料利用率となるように燃料ガスポンプ26及び水ポンプ34を制御して発電運転を行う(このとき、必要な空気量が送給されるように、送風手段8も制御される)。尚、この部分負荷運転において、発電停止の操作を行うと、ステップS4からステップS5を経てステップS6に進み、発電運転が終了する。
Therefore, in this partial load operation, the fuel utilization is changed and set as shown by the solid line in FIG. 4 in relation to the generated current of the
このような部分負荷運転において、燃料電池セルスタック6の発電出力が上昇して発電電流検知センサ52からの検知信号が定格発電電流に達する、即ち定格発電状態になると、ステップS4からステップS7に移り、定格発電判定手段66は、定格発電状態になったとして定格発電の判定を行い、この判定結果に基づいて、定格発電運転が行われる(ステップS8)。
In such partial load operation, when the power generation output of the
このように定格発電運転に移ると、発電電流検知センサ52が燃料電池セルスタック6の発電電流を検知し(ステップS9)、燃料電池セルスタック6の定格発電状態が維持されていると、第2燃料利用率設定手段64は、メモリ手段72の登録されている定格負荷燃料利用率を設定する(ステップS10)。この定格負荷燃料利用率は限界燃料利用率よりも例えば5%程度低い値に設定され、この定格負荷燃料利用率となるように、作動制御手段70は燃料ガスポンプ26及び水ポンプ34を制御して発電運転を行う(このとき、必要な空気量が送給されるように、送風手段8も制御される)。
When the operation moves to the rated power generation operation in this way, the generated
従来の燃料電池システムにおける燃料利用率の設定は、図9に示す発電電流−燃料利用率特性マップを利用して行われ、定格発電状態においても限界燃料利用率よりも10〜20%低い値(例えば、燃料利用率:75%程度)で発電運転が行われている。これに対して、この実施形態における燃料利用率の設定は、図4に示すように行われ、燃料電池セルスタック6が定格発電状態になると、従来の燃料利用率よりも大きい定格負荷燃料利用率(例えば、燃料利用率:80%程度)が設定され、この定格負荷燃料利用率に達するように、図4で「●−●」と示すように連続的に上昇される。そして、この定格燃料利用率に達した後は、この定格燃料利用率、即ち従来の定格発電状態の燃料利用率よりも例えば5%程度大きい値に維持される。
The setting of the fuel utilization rate in the conventional fuel cell system is performed using the generated current-fuel utilization rate characteristic map shown in FIG. 9, and is 10 to 20% lower than the limit fuel utilization rate even in the rated power generation state ( For example, the power generation operation is performed at a fuel utilization rate of about 75%. On the other hand, the setting of the fuel utilization rate in this embodiment is performed as shown in FIG. 4, and when the
このように燃料利用率を大きくすると、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスのうち燃料電池セルスタック6での発電に寄与する割合が増え、その結果、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。
When the fuel utilization rate is increased in this way, the proportion of the fuel gas supplied from the fuel gas supply means that contributes to power generation in the
燃料電池セルスタック6の部分負荷運転において、このように燃料利用率を上昇させると、燃料電池セルスタック6の発電出力が上昇したときには対応できず、燃料ガス不足が生じるおそれがある。しかし、定格発電状態においては、発電出力が上昇することが実質上なく、このような発電出力の上昇を考慮する必要はない。従って、このように燃料利用率を上昇させたことによる不都合が生じることはなく、燃料利用率を上昇させたことによる発電効率の向上というメリットのみを得ることができる。
In the partial load operation of the
このように定格負荷燃料利用率が設定された後に、S/C設定手段68は、燃料電池セルスタック6に送給される改質燃料ガスのS/Cを設定変更する(ステップS11)。燃料電池セルスタック6の発電運転では、燃料利用率と燃料電池セルスタック6の温度(スタック温度)との関係は、図7の燃料利用率−スタック温度特性に示すように変化し、燃料利用率が大きくなる(又は小さくなる)と、燃料電池セルスタック6での発電に寄与する燃料ガスの割合が少なく(又は多く)なってスタック温度が低下する(又は上昇する)。また、S/Cとスタック温度との関係は、図8のS/C−スタック温度特性に示すように変化し、S/Cが大きくなる(又は小さくなる)と、改質燃料ガスに含まれる水分(水蒸気)が多くなり(又は少なくなり)、スタック温度が低下する(又は上昇する)。
After the rated load fuel utilization rate is set in this way, the S / C setting means 68 changes the S / C of the reformed fuel gas supplied to the fuel cell stack 6 (step S11). In the power generation operation of the
燃料電池セルスタック6の温度と燃料利用率及びS/Cとは、図7及び図8に示す関係にあるので、定格負荷運転において、上述したように燃料利用率を上げると、図7から理解されるように、燃料電池セルスタック6の温度が低下し、このようにスタック温度が低下すると、一般的に燃料電池セルスタック6の発電電圧は低下する。燃料電池セルスタック6は出力を維持するために発電電流が図5に「●−●」で示すように上がってしまい、供給される燃料ガス量が増える。その結果、上述の発電の効率上昇が相殺され、所望の効果が得られなくなる。
The temperature, fuel utilization rate, and S / C of the
このようなことから、S/C設定手段68は、燃料電池セルスタック6が定格負荷運転(即ち、定格発電状態)になると、図8に示すS/C−スタック温度特性により設定されるS/C値(例えば、2.4〜3.0)よりも小さい値(例えば、1.5〜2.4)になるように設定する。定格負荷運転において上述したように燃料利用率を上昇させると、発電に寄与しない燃料ガスが少なくなってスタック温度が低下傾向となるが、このようにS/C値を下げて改質燃料ガスに含まれる水分を少なくすることによって、このスタック温度の低下傾向を抑え、これによって、燃料電池セルスタック6の発電電圧の低下及び発電電流の上昇を抑えることができる。
For this reason, when the
このように定格負荷運転においては、部分負荷運転時よりも燃料利用率が高くなるように設定され、これに伴ってS/C値が小さくなるように設定され、このような運転条件でもって燃料電池システム2の発電運転が行われる。この定格負荷運転においても、発電電流検知センサ52による燃料電池セルスタック6の発電電流の検知が継続して行われ(ステップS9)、この検知電流が定格発電電流値から下がると、ステップS1に戻って、燃料電池システム2の部分負荷運転が行われる。尚、この定格負荷運転において、発電停止の操作を行うと、ステップS12からステップS13を経てステップS14に進み、発電運転が終了する 。
As described above, in the rated load operation, the fuel utilization rate is set to be higher than that in the partial load operation, and accordingly, the S / C value is set to be small. The power generation operation of the
燃料電池システム2は、上述したようにして発電運転されるが、この発電運転を長期にわたって行うと、燃料電池セルスタック6の劣化が進んでいく。図6に示すように、燃料電池システム2の設置初期(使用開始の初期状態)においては、燃料電池セルスタック6の劣化がなく、図6に太い実線で示すように、低い電流値でもって定格発電状態になるが、長期にわたって稼働すると、定格発電状態の電流値が大きくなり、その電流値は漸増するようになり、図6に細い実線で示すように、初期の電流値よりも大きい電流値でもって定格発電状態となり、このような定格発電状態における定格相当電流値も含めて、本明細書では定格発電電流として説明している。
The
以上、本発明に従う燃料電池システム及びその運転方法の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 As mentioned above, although one embodiment of the fuel cell system and the operation method thereof according to the present invention has been described, the present invention is not limited to such an embodiment, and various changes or modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible.
例えば、上述した実施形態では、水供給源22として水タンクなどを用いているが、このような構成に代えて、排気ガス排出ライン48を通して排出される排気ガスに含まれる水分を凝縮して水回収タンクに回収し、この水回収タンクに回収した水を改質用水として利用することもできる。
For example, in the above-described embodiment, a water tank or the like is used as the
また、例えば、排気ガスの熱を温水として貯える貯湯タンクを備えた貯湯装置と組み合わせて用いるようにすることもできる。例えば、排気ガス排出ライン48に熱交換器を配設し、この熱交換器において排気ガス排出ライン48を流れる排気ガスと貯湯タンクからの水との間で熱交換を行い、この熱交換により加温された温水を貯湯タンクに貯えるようにしてもよい。
Further, for example, it can be used in combination with a hot water storage device having a hot water storage tank for storing the heat of exhaust gas as hot water. For example, a heat exchanger is provided in the exhaust
2 燃料電池システム
4 改質器
6 燃料電池セルスタック
8 送風手段
14 気化器
18 燃料ガス供給源
22 水供給源
26 燃料ガスポンプ
28 燃料ガス流量検知センサ
34 水ポンプ
35 水流量検知センサ
44 燃焼域
50 スタック温度検知センサ
52 発電電流検知センサ
60 コントローラ
62 第1燃料利用率設定手段
64 第2燃料利用率設定手段
66 定格発電判定手段
68 S/C設定手段
70 作動制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記制御手段は、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための第1燃料利用率設定手段と、定格負荷運転における定格負荷燃料利用率を設定するための第2燃料利用率設定手段と、前記燃料電池セルスタックの発電電流に基づいて定格発電であることを判定する定格発電判定手段を含んでおり、
前記燃料電池セルスタックが定格発電状態になると、前記定格発電判定手段による定格発電判定に基づいて前記第2燃料利用率設定手段が前記定格負荷燃料利用率を設定し、前記制御手段は、前記部分負荷燃料利用率よりも大きい値の前記定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。 Fuel gas supply means for supplying fuel gas, water supply means for supplying reforming water, and fuel gas supplied from the fuel gas supply means using water supplied from the water supply means A reformer for steam reforming, a fuel cell stack for generating power by oxidation and reduction of reformed fuel gas and oxidant steam reformed by the reformer, and exhausted from the fuel cell stack A fuel cell system comprising: a combustion area for burning the reacted fuel gas; and a control means for controlling the fuel gas supply means and the water supply means,
The control means includes first fuel utilization rate setting means for setting a partial load fuel utilization rate in partial load operation based on a relationship between the generated current of the fuel cell stack and a fuel utilization rate, and rated load operation. A second fuel utilization rate setting means for setting a rated load fuel utilization rate, and a rated power generation determination means for determining the rated power generation based on the generated current of the fuel cell stack,
When the fuel cell stack is in a rated power generation state, the second fuel usage rate setting unit sets the rated load fuel usage rate based on the rated power generation determination by the rated power generation determination unit, and the control unit includes the part A fuel cell system, wherein the fuel gas supply means is controlled so that the rated load fuel utilization rate is larger than a load fuel utilization rate.
燃料電池セルスタックを部分負荷運転するときには、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、また前記燃料電池セルスタックを定格負荷運転するときには、前記部分負荷燃料利用率よりも大きい値の定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
Fuel gas supply means for supplying fuel gas, water supply means for supplying reforming water, and fuel gas supplied from the fuel gas supply means using water supplied from the water supply means A reformer for steam reforming, a fuel cell stack for generating power by oxidation and reduction of reformed fuel gas and oxidant steam reformed by the reformer, and exhausted from the fuel cell stack A combustion zone for burning the reacted fuel gas, and a method of operating a fuel cell system comprising:
When performing partial load operation of the fuel cell stack, the fuel gas supply means is controlled so that the partial load fuel utilization is set based on the relationship between the generated current of the fuel cell stack and the fuel utilization, When the fuel cell stack is operated at a rated load, the fuel gas supply means is controlled so that the rated load fuel usage rate is larger than the partial load fuel usage rate. how to drive.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021002461A (en) * | 2019-06-21 | 2021-01-07 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell system and control method therefor |
JP2021157896A (en) * | 2020-03-25 | 2021-10-07 | 大阪瓦斯株式会社 | Fuel cell device |
JP7435181B2 (en) | 2020-04-03 | 2024-02-21 | 株式会社アイシン | fuel cell system |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004288562A (en) * | 2003-03-25 | 2004-10-14 | Ebara Ballard Corp | Fuel cell power generation system |
JP2006059550A (en) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell power plant and operation control method |
JP2010092836A (en) * | 2008-09-12 | 2010-04-22 | Toto Ltd | Fuel battery system |
JP2010251309A (en) * | 2009-03-24 | 2010-11-04 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system including the same |
WO2011013758A1 (en) * | 2009-07-29 | 2011-02-03 | 京セラ株式会社 | Fuel cell device |
JP2013157189A (en) * | 2012-01-30 | 2013-08-15 | Kyocera Corp | Energy management device |
JP2013229228A (en) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Osaka Gas Co Ltd | Fuel cell system |
-
2016
- 2016-03-11 JP JP2016047887A patent/JP6721363B2/en active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004288562A (en) * | 2003-03-25 | 2004-10-14 | Ebara Ballard Corp | Fuel cell power generation system |
JP2006059550A (en) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell power plant and operation control method |
JP2010092836A (en) * | 2008-09-12 | 2010-04-22 | Toto Ltd | Fuel battery system |
JP2010251309A (en) * | 2009-03-24 | 2010-11-04 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system including the same |
WO2011013758A1 (en) * | 2009-07-29 | 2011-02-03 | 京セラ株式会社 | Fuel cell device |
JP2013157189A (en) * | 2012-01-30 | 2013-08-15 | Kyocera Corp | Energy management device |
JP2013229228A (en) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Osaka Gas Co Ltd | Fuel cell system |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021002461A (en) * | 2019-06-21 | 2021-01-07 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell system and control method therefor |
JP7226129B2 (en) | 2019-06-21 | 2023-02-21 | 株式会社アイシン | Fuel cell system and its control method |
JP2021157896A (en) * | 2020-03-25 | 2021-10-07 | 大阪瓦斯株式会社 | Fuel cell device |
JP7435181B2 (en) | 2020-04-03 | 2024-02-21 | 株式会社アイシン | fuel cell system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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