JP2018190682A - Fuel cell power generation system and control method of fuel cell power generation system - Google Patents

Fuel cell power generation system and control method of fuel cell power generation system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation of a fuel cell stack.SOLUTION: A fuel cell power generation system in an embodiment includes a fuel cell stack for generating a direct current using a hydrogen gas which is supplied via a fuel supply pipe. The system further includes a discharge part for regularly discharging at least a part of an exhaust gas which is discharged from a fuel electrode of the fuel cell stack out of the fuel supply pipe. The system further includes a control part for controlling the discharge of the exhaust gas so that the discharge part regularly discharges at least a part of the exhaust gas out of the fuel supply pipe.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system and a control method for the fuel cell power generation system.

従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素ガスと、酸化剤である酸素ガスとを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。また、燃料電池は、静かで、有害な排ガスを出さず、環境性に優れたシステムでもある。これまで、比較的大型のＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）が主として開発されてきたが、近年では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発も進められている。これにより、家庭用燃料電池発電システムの商品化も実現し、２０１６年度には国内に１５万台が設置されている状況となっている。   Conventionally, a fuel cell is known as a system for directly converting chemical energy of a fuel into electricity. In this fuel cell, hydrogen gas as a fuel and oxygen gas as an oxidant are electrochemically reacted to take out electricity directly, and electric energy can be taken out with high efficiency. In addition, the fuel cell is a quiet system that does not emit harmful exhaust gas and is excellent in environmental performance. So far, relatively large PAFCs (phosphoric acid fuel cells) have been mainly developed, but in recent years, development of small PEFCs (solid polymer fuel cells) has also been promoted. As a result, commercialization of a household fuel cell power generation system has also been realized, and 150,000 units have been installed in Japan in FY2016.

また、燃料電池発電システムでは一般に、燃料電池スタックを用いて発電を行い、燃料電池スタックから排出された未反応の水素ガスを循環流路により循環させている。この未反応の水素ガスの循環を繰り返しているうちに、水素ガス中の不純物が次第に濃縮される。このため、水素ガスとしては、純水素や、不純物の少ない水素ガスを用いることが望ましい。従来の燃料電池発電システムでは、不純物が所定値を超えて濃縮されると、水素ガスの一部を循環流路から大気に排出することが行われる。ところが、より多くの不純物が含まれている副生水素ガスなどを燃料電池発電システムの燃料電池スタックの発電に用いると、定常運転時に不純物がより短時間に増加し、水素燃料利用率が１００％を超えてしまい、燃料電池スタックを劣化させてしまう恐れがある。   In general, in a fuel cell power generation system, power is generated using a fuel cell stack, and unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell stack is circulated through a circulation channel. As the unreacted hydrogen gas is circulated repeatedly, impurities in the hydrogen gas are gradually concentrated. For this reason, it is desirable to use pure hydrogen or hydrogen gas with few impurities as the hydrogen gas. In the conventional fuel cell power generation system, when the impurities are concentrated beyond a predetermined value, part of the hydrogen gas is discharged from the circulation flow path to the atmosphere. However, when a by-product hydrogen gas containing more impurities is used for power generation of the fuel cell stack of the fuel cell power generation system, the impurities increase in a shorter time during steady operation and the hydrogen fuel utilization rate is 100%. There is a risk of deteriorating the fuel cell stack.

特開２０１６−９６０８１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-96081

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックの劣化を抑制可能な燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell power generation system and a control method for the fuel cell power generation system capable of suppressing deterioration of the fuel cell stack.

本実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料供給配管を介して供給される水素ガスを用いて直流電流を発生する燃料電池スタックを備える。前記システムは更に、前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出する排出部を備える。前記システムは更に、前記排出部が前記排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出するように、前記排出ガスの排出を制御する制御部を備える。   The fuel cell power generation system according to the present embodiment includes a fuel cell stack that generates a direct current using hydrogen gas supplied via a fuel supply pipe. The system further includes a discharge unit that steadily discharges at least part of the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the outside of the fuel supply pipe. The system further includes a control unit that controls discharge of the exhaust gas so that the discharge unit regularly discharges at least part of the exhaust gas to the outside of the fuel supply pipe.

本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。   According to the present invention, deterioration of the fuel cell stack can be suppressed.

第１実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。The block diagram explaining the structure of the fuel cell power generation system which concerns on 1st Embodiment. 制御部の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of a control part. 制御部の制御動作の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the control action of a control part. 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。The block diagram explaining the structure of the fuel cell power generation system which concerns on 2nd Embodiment. 第３実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。The block diagram explaining the structure of the fuel cell power generation system which concerns on 3rd Embodiment. 第４実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。The block diagram explaining the structure of the fuel cell power generation system which concerns on 4th Embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

（第１実施形態）
（構成）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素比率のより低い水素ガスを用いて発電するシステムであり、燃料供給配管１０２と、大気供給配管１０４と、燃料電池スタック１０６と、燃料排出配管１０８と、大気排出配管１１０と、燃料遮断弁１１２と、燃料流量計１１４と、除湿器１１６と、アノードオフガス遮断弁１１８と、排出部１２０と、調整部１２２と、直流電流計１２４と、制御部１２６とを、備えて構成されている。水素比率とは、不純物を含み得る水素ガス中の水素（水素分子）の比率である。 (First embodiment)
(Constitution)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel cell power generation system 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a fuel cell power generation system 100 according to this embodiment is a system that generates power using hydrogen gas having a lower hydrogen ratio, and includes a fuel supply pipe 102, an air supply pipe 104, and a fuel cell stack. 106, a fuel discharge pipe 108, an air discharge pipe 110, a fuel cutoff valve 112, a fuel flow meter 114, a dehumidifier 116, an anode off-gas cutoff valve 118, a discharge section 120, an adjustment section 122, a direct current An ammeter 124 and a control unit 126 are provided. The hydrogen ratio is the ratio of hydrogen (hydrogen molecules) in hydrogen gas that may contain impurities.

図１は更に、燃料電池発電システム１００の外に設けられた副生水素母管２、副生水素引込管４、副生水素戻し管６、水素燃焼装置８、及び副生水素利用管１０を示している。副生水素母管２は、曹達工場や石油精製工場などの工場で発生するガスから分離された副生水素ガスを発電施設などに供給する母管である。この副生水素母管２には接続部４Ａで副生水素引込管４が接合されている。また、副生水素ガスは、不純物を含んでいるが、一般的にその組成はほぼ一定であり、安定している。副生水素戻し管６、水素燃焼装置８、及び副生水素利用管１０の詳細については、後述する。   1 further shows a by-product hydrogen mother pipe 2, a by-product hydrogen lead-in pipe 4, a by-product hydrogen return pipe 6, a hydrogen combustion apparatus 8, and a by-product hydrogen utilization pipe 10 provided outside the fuel cell power generation system 100. Show. The by-product hydrogen mother pipe 2 is a mother pipe that supplies by-product hydrogen gas separated from gas generated in a factory such as Soda factory and oil refinery factory to a power generation facility. The by-product hydrogen drawing-in pipe 4 is joined to the by-product hydrogen mother pipe 2 at a connection portion 4A. The by-product hydrogen gas contains impurities, but generally its composition is almost constant and stable. Details of the by-product hydrogen return pipe 6, the hydrogen combustion apparatus 8, and the by-product hydrogen utilization pipe 10 will be described later.

燃料供給配管１０２の一端は、副生水素引込管４の端部に接続されており、他端は燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａの吸気口に接続されている。すなわち、この燃料供給配管１０２は、副生水素引込管４を介して、副生水素母管２から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給する管である。   One end of the fuel supply pipe 102 is connected to the end of the by-product hydrogen lead-in pipe 4, and the other end is connected to the intake port of the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106. That is, the fuel supply pipe 102 is a pipe that supplies the hydrogen gas supplied from the by-product hydrogen mother pipe 2 to the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 via the by-product hydrogen lead-in pipe 4.

大気供給配管１０４は、燃料電池スタック１０６のカソード１０６Ｂの吸気口に接続され、大気中の酸素ガスをカソード１０６Ｂに供給する。   The air supply pipe 104 is connected to the intake port of the cathode 106B of the fuel cell stack 106, and supplies oxygen gas in the air to the cathode 106B.

燃料電池スタック１０６は、電解質膜を挟んで設けられたアノード１０６Ａとカソード１０６Ｂとを備えている。すなわち、この燃料電池スタック１０６は、副生水素母管２、副生水素引込管４、及び燃料供給配管１０２を介してアノード１０６Ａに供給された水素ガスと、大気供給配管１０４を介してカソード１０６Ｂに供給された大気中の酸素ガスとを用いて発電する。また、アノード１０６Ａの吸気口及び排気口の大きさは、燃料供給配管１０２内を流れる水素ガスの圧損を抑制する大きさに構成されている。例えば、アノード１０６Ａの吸気口及び排気口は、一般的な燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａの吸気口及び排気口のよりも大きく構成されている。なお、このアノード１０６Ａが、本実施形態に係る燃料極を構成し、カソード１０６Ｂが本実施形態に係る空気極を構成している。   The fuel cell stack 106 includes an anode 106A and a cathode 106B that are provided with an electrolyte membrane interposed therebetween. That is, the fuel cell stack 106 includes the hydrogen gas supplied to the anode 106A via the by-product hydrogen mother pipe 2, the by-product hydrogen lead-in pipe 4, and the fuel supply pipe 102, and the cathode 106B via the air supply pipe 104. Power is generated using oxygen gas in the atmosphere supplied to the plant. Further, the size of the intake port and the exhaust port of the anode 106 </ b> A is configured to suppress the pressure loss of the hydrogen gas flowing through the fuel supply pipe 102. For example, the intake port and the exhaust port of the anode 106 </ b> A are configured to be larger than the intake port and the exhaust port of the anode 106 </ b> A of the general fuel cell stack 106. The anode 106A constitutes the fuel electrode according to this embodiment, and the cathode 106B constitutes the air electrode according to this embodiment.

燃料排出配管１０８の一端は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａの排出口に接続され、他端は副生水素戻し管６に接続されている。また、副生水素戻し管６は、接続部６Ａで副生水素母管２に接続され、さらに、副生水素母管２の下流には水素燃焼装置８が配置されている。すなわち、この燃料排出配管１０８は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出されたガスを副生水素戻し管６、及び副生水素母管２を介して水素燃焼装置８に排出する。そして、水素燃焼装置８に排出されガスは、水素燃焼装置８により燃焼される。これにより、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料電池スタック１０６の排出ガスに含まれる不純物などは燃焼される。このため、この燃料電池発電システム１００は、有害な排ガスを出すことがなく、環境性にも優れている。なお、本実施形態に係る水素母管は、副生水素母管２により構成され、本実施形態に係る水素引込管は、副生水素引込管４により構成され、本実施形態に係る水素戻し管は、副生水素戻し管６により構成される。   One end of the fuel discharge pipe 108 is connected to the discharge port of the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106, and the other end is connected to the byproduct hydrogen return pipe 6. The by-product hydrogen return pipe 6 is connected to the by-product hydrogen mother pipe 2 at the connection portion 6 </ b> A, and a hydrogen combustion apparatus 8 is disposed downstream of the by-product hydrogen mother pipe 2. That is, the fuel discharge pipe 108 discharges the gas discharged from the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 to the hydrogen combustion apparatus 8 through the byproduct hydrogen return pipe 6 and the byproduct hydrogen mother pipe 2. The gas discharged to the hydrogen combustion device 8 is combusted by the hydrogen combustion device 8. Thereby, in the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, impurities and the like contained in the exhaust gas of the fuel cell stack 106 are combusted. For this reason, this fuel cell power generation system 100 does not emit harmful exhaust gas and is excellent in environmental performance. The hydrogen mother pipe according to the present embodiment is configured by the by-product hydrogen mother pipe 2, and the hydrogen inlet pipe according to the present embodiment is configured by the by-product hydrogen inlet pipe 4, and the hydrogen return pipe according to the present embodiment. Is constituted by a by-product hydrogen return pipe 6.

また、副生水素戻し管６には、アノード１０６Ａから排出されたガスを、副生水素母管２を介さずに水素燃焼装置８に供給する副生水素利用管１０も利用可能に接続されている。これらから分かるように、副生水素利用管１０を利用しない場合、副生水素母管２と副生水素引込管４との接続部４Ａの気圧と、副生水素母管２と副生水素戻し管６との接続部６Ａの気圧との差圧に応じて、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに水素ガスが供給される。   Further, a by-product hydrogen utilization pipe 10 for supplying the gas discharged from the anode 106A to the hydrogen combustion apparatus 8 without passing through the by-product hydrogen mother pipe 2 is also connected to the by-product hydrogen return pipe 6. Yes. As can be seen from these, when the by-product hydrogen utilization pipe 10 is not used, the atmospheric pressure of the connecting portion 4A between the by-product hydrogen mother pipe 2 and the by-product hydrogen lead-in pipe 4, and the by-product hydrogen mother pipe 2 and the by-product hydrogen return. Hydrogen gas is supplied to the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 in accordance with the differential pressure from the pressure of the connecting portion 6 </ b> A with the pipe 6.

一方で、副生水素利用管１０を利用する場合、燃料排出配管１０８の出口の気圧がより低下し、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスがより増加する。なお、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を設けていないが、これに限定されず、循環流路を設けてもよい。   On the other hand, when using the by-product hydrogen utilization pipe 10, the pressure at the outlet of the fuel discharge pipe 108 is further lowered, and the hydrogen gas supplied to the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 is further increased. In the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, a circulation flow path for returning a part of the exhaust gas from the anode 106A from the fuel discharge pipe 108 to the fuel supply pipe 102 is not provided. A flow path may be provided.

大気排出配管１１０は、燃料電池スタック１０６のカソード１０６Ｂの排出口に接続されている。これにより、カソード１０６Ｂから排出されたガスは、大気排出配管１１０を介して燃料電池発電システム１００の外部に排出される。   The air discharge pipe 110 is connected to the discharge port of the cathode 106 </ b> B of the fuel cell stack 106. As a result, the gas discharged from the cathode 106B is discharged to the outside of the fuel cell power generation system 100 via the atmospheric discharge pipe 110.

燃料遮断弁１１２は、燃料供給配管１０２に設けられ、燃料供給配管１０２を遮断する。この燃料遮断弁１１２は、例えば低圧損タイプのバタフライ弁により構成されている。このバタフライ弁は、弁を開いた状態での圧損が一般的な遮断弁よりも低くなるように構成されている。   The fuel cutoff valve 112 is provided in the fuel supply pipe 102 and shuts off the fuel supply pipe 102. The fuel cutoff valve 112 is constituted by, for example, a low pressure loss type butterfly valve. This butterfly valve is configured such that the pressure loss when the valve is open is lower than that of a general shut-off valve.

燃料流量計１１４は、燃料供給配管１０２に設けられ、燃料供給配管１０２内を流れる水素ガスの流量を測定する。そして、燃料流量計１１４は、測定した流量の値を後述の制御部１２６に出力する。   The fuel flow meter 114 is provided in the fuel supply pipe 102 and measures the flow rate of hydrogen gas flowing through the fuel supply pipe 102. Then, the fuel flow meter 114 outputs the measured flow value to the control unit 126 described later.

除湿器１１６は、燃料排出配管１０８に設けられ、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出されるガスを除湿する。   The dehumidifier 116 is provided in the fuel discharge pipe 108 and dehumidifies the gas discharged from the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106.

アノードオフガス遮断弁１１８は、燃料排出配管１０８に設けられ、燃料排出配管１０８を遮断する。このアノードオフガス遮断弁１１８は、燃料遮断弁１１２と同等の構成であり、低圧損タイプのバタフライ弁により構成されている。   The anode off-gas cutoff valve 118 is provided in the fuel discharge pipe 108 and shuts off the fuel discharge pipe 108. The anode off-gas cutoff valve 118 has the same configuration as the fuel cutoff valve 112, and is constituted by a low-pressure loss type butterfly valve.

排出部１２０は、例えば燃料排出配管１０８と副生水素戻し管６との接続部に構成され、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出された排出ガスを定常的に副生水素戻し管６に排出する。つまり、この排出部１２０は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出された排出ガスを、燃料電池スタック１０６の発電中に燃料供給配管１０２の外に常に排出する。   The discharge unit 120 is configured, for example, at a connection portion between the fuel discharge pipe 108 and the by-product hydrogen return pipe 6, and exhaust gas discharged from the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 is steadily discharged to the by-product hydrogen return pipe 6. To do. That is, the discharge unit 120 always discharges the exhaust gas discharged from the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 to the outside of the fuel supply pipe 102 during power generation of the fuel cell stack 106.

調整部１２２は、燃料電池スタック１０６の電極に接続され、燃料電池スタック１０６の発電量を調整する。この調整部１２２は、例えばインバータであり、燃料電池スタック１０６が発電した直流電力を交流電力に変換する。つまり、調整部１２２は、交流電力に変換する電力量を調整することにより、燃料電池スタック１０６の発電量を調整する。また、調整部１２２の交流出力部は、負荷１２に接続されている。   The adjustment unit 122 is connected to the electrode of the fuel cell stack 106 and adjusts the power generation amount of the fuel cell stack 106. The adjustment unit 122 is, for example, an inverter, and converts DC power generated by the fuel cell stack 106 into AC power. That is, the adjustment unit 122 adjusts the amount of power generated by the fuel cell stack 106 by adjusting the amount of power to be converted into AC power. In addition, the AC output unit of the adjustment unit 122 is connected to the load 12.

直流電流計１２４は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａと、調整部１２２の直流入力部との間に配置され、燃料電池スタック１０６が出力する直流電流値を測定する。そして、直流電流計１２４は、測定した直流電流値を制御部１２６に出力する。   The DC ammeter 124 is disposed between the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 and the DC input unit of the adjustment unit 122, and measures the DC current value output from the fuel cell stack 106. Then, the direct current ammeter 124 outputs the measured direct current value to the control unit 126.

制御部１２６は、燃料電池発電システム１００全体の制御を行う。例えば、燃料電池スタック１０６の発電開始時には、制御部１２６は、燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８を開状態にし、除湿器１１６を駆動状態にする制御を行う。一方で、燃料電池スタック１０６の発電終了時には、制御部１２６は、燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８を閉状態にし、除湿器１１６を停止状態にする制御を行う。このように、制御部１２６は、燃料電池スタック１０６の発電開始時から発電終了時までアノードオフガス遮断弁１１８を継続的に開状態に設定することで、排出部１２０から副生水素戻し管６に排出ガスを定常的に排出させる。   The control unit 126 controls the entire fuel cell power generation system 100. For example, at the start of power generation of the fuel cell stack 106, the control unit 126 performs control to open the fuel cutoff valve 112 and the anode off-gas cutoff valve 118 and drive the dehumidifier 116. On the other hand, at the end of power generation of the fuel cell stack 106, the control unit 126 performs control to close the fuel cutoff valve 112 and the anode off-gas cutoff valve 118 and stop the dehumidifier 116. In this manner, the control unit 126 continuously sets the anode offgas cutoff valve 118 from the start of power generation to the end of power generation of the fuel cell stack 106, so that the discharge unit 120 returns to the byproduct hydrogen return pipe 6. The exhaust gas is exhausted constantly.

また、制御部１２６は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率に基づき、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値、例えば８０パーセントになるように調整部１２２を制御する。   Further, the control unit 126 controls the adjustment unit 122 so that the hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack 106 becomes a predetermined value, for example, 80%, based on the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106. Control.

図２は、制御部１２６の構成を示すブロック図の一例であり、図２に基づき、調整部１２２に対する制御に関してより詳細に説明する。すなわち、この制御部１２６は、水素流量演算部１２６Ａと、水素消費量演算部１２６Ｂと、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃと、発電制御部１２６Ｄとを備えて構成されている。   FIG. 2 is an example of a block diagram showing the configuration of the control unit 126, and the control on the adjustment unit 122 will be described in more detail based on FIG. That is, the control unit 126 includes a hydrogen flow rate calculation unit 126A, a hydrogen consumption calculation unit 126B, a hydrogen combustion utilization rate calculation unit 126C, and a power generation control unit 126D.

水素流量演算部１２６Ａは、予め運転員に設定された水素比率と燃料流量計１１４から入力される燃料流量の値に基づき、単位時間あたりに燃料供給配管１０２内を流れる水素ガスの流量である水素流量を演算する。具体的には、水素流量（リットル／秒）＝水素比率×燃料流量（リットル／秒）として演算される。ここで、水素比率は、０から１．０の間の値である。つまり、水素比率が０であれば、燃料供給配管１０２内を流れるガスは水素ガスを含んでいないことを示している。一方で、水素比率が１．０であれば、燃料供給配管１０２内を流れるガスは、全て純水な水素ガスであることを示している。   The hydrogen flow rate calculation unit 126A is a hydrogen flow rate of hydrogen gas flowing in the fuel supply pipe 102 per unit time based on the hydrogen ratio preset by the operator and the fuel flow rate value input from the fuel flow meter 114. Calculate the flow rate. Specifically, it is calculated as hydrogen flow rate (liter / second) = hydrogen ratio × fuel flow rate (liter / second). Here, the hydrogen ratio is a value between 0 and 1.0. That is, if the hydrogen ratio is 0, it indicates that the gas flowing in the fuel supply pipe 102 does not contain hydrogen gas. On the other hand, if the hydrogen ratio is 1.0, all the gas flowing in the fuel supply pipe 102 is pure water hydrogen gas.

水素消費量演算部１２６Ｂは、直流電流計１２４の測定値に基づき、単位時間あたりに燃料電池スタック１０６が発電に用いる水素ガスの量を演算する。具体的には、水素消費量（リットル／秒）＝直流電流計１２４の測定値（クーロン／秒）×２２．４（リットル／モル）／Ｆ（クーロン／モル）／２として演算される。ここで、Ｆはファラデー定数である。つまり、この水素消費量は、直流電流値から求められる水素の消費量である。   The hydrogen consumption calculation unit 126B calculates the amount of hydrogen gas used by the fuel cell stack 106 for power generation per unit time based on the measurement value of the DC ammeter 124. Specifically, hydrogen consumption (liter / second) = measured value of DC ammeter 124 (coulomb / second) × 22.4 (liter / mol) / F (coulomb / mol) / 2 is calculated. Here, F is a Faraday constant. That is, the hydrogen consumption is a hydrogen consumption determined from the direct current value.

水素燃焼利用率演算部１２６Ｃは、水素流量演算部１２６Ａにより演算された水素流量（リットル／秒）と、水素消費量演算部１２６Ｂにより演算された水素消費量（リットル／秒）とに基づき、水素燃焼利用率を演算する。具体的には、水素燃焼利用率（パーセント）＝水素消費量（リットル／秒）／水素流量（リットル／秒）×１００（パーセント）として演算される。例えば、燃料電池スタック１０６による水素消費量と燃料供給配管１０２内の水素流量が一致する場合、水素燃焼利用率は１００パーセントである。このように、水素燃焼利用率は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率及び流量と、燃料電池スタック１０６が出力する直流電流値とに基づき、演算可能である。なお、水素燃焼利用率の上限は、一般に８０パーセント程度に設定されている。水素燃焼利用率が１００パーセント近くになると、燃料電池スタック１０６のカーボンを腐食しながらの発電となり、燃料電池スタック１０６を永続的に劣化させてしまう恐れがあるためである。なお、水素ガスに一酸化炭素が混入しているケースがある。この場合には、燃料電池スタック１０６の触媒の一酸化炭素による被毒により、燃料電池スタック１０６に一時的な特性低下が生じ、発電の継続が不能となってしまう恐れがある。   Based on the hydrogen flow rate (liter / second) calculated by the hydrogen flow rate calculation unit 126A and the hydrogen consumption amount (liter / second) calculated by the hydrogen consumption calculation unit 126B, the hydrogen combustion utilization rate calculation unit 126C Calculate the combustion utilization rate. Specifically, the hydrogen combustion utilization rate (percent) = hydrogen consumption (liter / second) / hydrogen flow rate (liter / second) × 100 (percent). For example, when the hydrogen consumption by the fuel cell stack 106 matches the hydrogen flow rate in the fuel supply pipe 102, the hydrogen combustion utilization rate is 100%. As described above, the hydrogen combustion utilization rate can be calculated based on the hydrogen ratio and flow rate of the hydrogen gas supplied to the anode 106 </ b> A of the fuel cell stack 106 and the direct current value output from the fuel cell stack 106. The upper limit of the hydrogen combustion utilization rate is generally set to about 80%. This is because when the hydrogen combustion utilization rate is close to 100%, power generation occurs while corroding the carbon of the fuel cell stack 106, and the fuel cell stack 106 may be permanently deteriorated. There are cases where carbon monoxide is mixed in hydrogen gas. In this case, due to poisoning of the fuel cell stack 106 by carbon monoxide, the fuel cell stack 106 may be temporarily deteriorated in characteristics, and power generation may not be continued.

発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃで演算された水素燃焼利用率が所定値、例えば上述の８０％になるように調整部１２２を制御する。この発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率が所定値よりも高い場合には、調整部１２２を制御して燃料電池スタック１０６の発電量を減少させる。一方で、発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率が所定値よりも低い場合には、調整部１２２を制御して燃料電池スタック１０６の発電量を増加させる。
（作用） The power generation control unit 126D controls the adjustment unit 122 so that the hydrogen combustion utilization rate calculated by the hydrogen combustion utilization rate calculation unit 126C becomes a predetermined value, for example, 80% described above. When the hydrogen combustion utilization rate is higher than a predetermined value, the power generation control unit 126D controls the adjustment unit 122 to decrease the power generation amount of the fuel cell stack 106. On the other hand, the power generation control unit 126D controls the adjustment unit 122 to increase the power generation amount of the fuel cell stack 106 when the hydrogen combustion utilization rate is lower than a predetermined value.
(Function)

次に、制御部１２６の制御動作例について説明する。   Next, a control operation example of the control unit 126 will be described.

図３は、制御部１２６の制御動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、制御部１２６の制御に従い燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８が共に開状態となり、副生水素母管２から水素ガスが燃料電池発電システム１００内に引き込まれている場合の制御例を説明する。   FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of the control operation of the control unit 126. Here, the control when the fuel cutoff valve 112 and the anode off-gas cutoff valve 118 are both opened in accordance with the control of the control unit 126 and hydrogen gas is drawn into the fuel cell power generation system 100 from the by-product hydrogen mother pipe 2. An example will be described.

水素流量演算部１２６Ａは、予め設定された水素比率と燃料流量計１１４から入力された流量の値に基づき、燃料供給配管１０２内を流れる水素流量を演算する（ステップＳ１００）。次に、水素消費量演算部１２６Ｂは、直流電流計１２４の測定値に基づき、燃料電池スタック１０６が消費する水素ガスの量を演算する（ステップＳ１０２）。次に、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃは、水素流量演算部１２６Ａが演算した水素流量と、水素消費量演算部１２６Ｂが演算した水素消費量とに基づき、水素燃焼利用率を演算する（ステップＳ１０４）。   The hydrogen flow rate calculation unit 126A calculates the flow rate of hydrogen flowing in the fuel supply pipe 102 based on the preset hydrogen ratio and the flow rate value input from the fuel flow meter 114 (step S100). Next, the hydrogen consumption calculation unit 126B calculates the amount of hydrogen gas consumed by the fuel cell stack 106 based on the measured value of the DC ammeter 124 (step S102). Next, the hydrogen combustion utilization rate calculation unit 126C calculates the hydrogen combustion utilization rate based on the hydrogen flow rate calculated by the hydrogen flow rate calculation unit 126A and the hydrogen consumption amount calculated by the hydrogen consumption amount calculation unit 126B (step S104). ).

次に、発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃが演算した水素燃焼利用率と、予め定められた水素燃焼利用率との差分を演算し、差分の絶対値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。差分の絶対値が所定値以上である場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率が予め定められた水素燃焼利用率未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。水素燃焼利用率が予め定められた水素燃焼利用率未満である場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、発電制御部１２６Ｄは、調整部１２２に対して交流電力への変換量を増加させる制御を行い（ステップＳ１１０）、後述のステップＳ１１４の処理を行う。一方で、水素燃焼利用率が予め定められた水素燃焼利用率以上である場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、発電制御部１２６Ｄは、調整部１２２に対して交流電力への変換量を減少させる制御を行い（ステップＳ１１２）、後述のステップＳ１１４の処理を行う。   Next, the power generation control unit 126D calculates a difference between the hydrogen combustion usage rate calculated by the hydrogen combustion usage rate calculation unit 126C and a predetermined hydrogen combustion usage rate, and the absolute value of the difference is less than a predetermined value. It is determined whether or not (step S106). When the absolute value of the difference is equal to or greater than the predetermined value (step S106: No), the power generation control unit 126D determines whether the hydrogen combustion utilization rate is less than a predetermined hydrogen combustion utilization rate (step S108). . When the hydrogen combustion utilization rate is less than the predetermined hydrogen combustion utilization rate (step S108: Yes), the power generation control unit 126D performs control to increase the amount of conversion to AC power with respect to the adjustment unit 122 (step S108). S110), the process of step S114 described later is performed. On the other hand, when the hydrogen combustion utilization rate is equal to or higher than the predetermined hydrogen combustion utilization rate (step S108: No), the power generation control unit 126D controls the adjustment unit 122 to reduce the amount of conversion to AC power. (Step S112), and the process of Step S114 described later is performed.

一方で、差分の絶対値が所定値未満である場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、発電制御部１２６Ｄは、調整部１２２に対して現在の発電量を維持させる制御を行う。次に、発電制御部は、運転員により燃料電池発電システム１００の停止指示が出されたか否かを判定し（ステップＳ１１４）、停止指示が出されていない場合（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、制御部は、ステップＳ１００からの制御動作を繰り返す。一方で、停止指示が出されている場合（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、制御部は、燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８を共に閉状態にして制御動作を終了する。   On the other hand, when the absolute value of the difference is less than the predetermined value (step S106: Yes), the power generation control unit 126D performs control for causing the adjustment unit 122 to maintain the current power generation amount. Next, the power generation control unit determines whether or not a stop instruction for the fuel cell power generation system 100 has been issued by the operator (step S114). If the stop instruction has not been issued (step S114: No), the control unit Repeats the control operation from step S100. On the other hand, if a stop instruction has been issued (step S114: Yes), the control unit closes both the fuel cutoff valve 112 and the anode off-gas cutoff valve 118 and ends the control operation.

このように、制御部１２６は、燃料電池スタック１０６に供給される水素ガスの水素比率及び流量と、燃料電池スタック１０６が出力する直流電流とに基づき、水素燃焼利用率を演算し、この水素燃焼利用率に基づき、燃料電池スタック１０６の発電量を制御する。
（効果） In this way, the control unit 126 calculates the hydrogen combustion utilization rate based on the hydrogen ratio and flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 106 and the direct current output from the fuel cell stack 106, and this hydrogen combustion Based on the utilization rate, the power generation amount of the fuel cell stack 106 is controlled.
(effect)

以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、排出部１２０がアノード１０６Ａから排出された排出ガスを、定常的に燃料供給配管１０２の外に排出することにした。これにより、燃料電池発電システム１００の定常運転時において、アノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率の低下を抑制できる。このため、制御部１２６が、アノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率及び流量に基づき、調整部１２２を制御することで、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が上限値を超えないように燃料電池スタック１０６の発電量を制御でき、燃料電池スタック１０６の劣化を抑制できる。
（第２実施形態） As described above, in the fuel cell power generation system 100 according to this embodiment, the exhaust gas discharged from the anode 106 </ b> A by the discharge unit 120 is regularly discharged out of the fuel supply pipe 102. Thereby, during the steady operation of the fuel cell power generation system 100, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied to the anode 106A. Therefore, the control unit 126 controls the adjustment unit 122 based on the hydrogen ratio and flow rate of the hydrogen gas supplied to the anode 106A so that the hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack 106 does not exceed the upper limit value. The power generation amount of the fuel cell stack 106 can be controlled, and deterioration of the fuel cell stack 106 can be suppressed.
(Second Embodiment)

上述した第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料供給配管１０２の入口の気圧と、燃料排出配管１０８の出口の気圧との差圧に応じて、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに水素ガスが供給されていたが、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、水素ブロワ１２８を燃料供給配管１０２に設け、水素ブロワ１２８によりアノード１０６Ａに水素ガスを供給する点で相違する。以下に第１実施形態と相違する点を説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同等の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合を除き説明を省略する。
（構成） In the fuel cell power generation system 100 according to the first embodiment described above, hydrogen is supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106 in accordance with the differential pressure between the pressure at the inlet of the fuel supply pipe 102 and the pressure at the outlet of the fuel discharge pipe 108. The gas is supplied, but the fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment is different in that a hydrogen blower 128 is provided in the fuel supply pipe 102 and hydrogen gas is supplied to the anode 106A by the hydrogen blower 128. The points different from the first embodiment will be described below. In the following description, components having functions and configurations equivalent to those of the fuel cell power generation system 100 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted unless necessary.
(Constitution)

図４は、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８と、燃料圧力計１３０と、流量調整弁１３２とを、更に備えることで、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００と相違する。すなわち、燃料供給配管１０２における燃料遮断弁１１２の下流側に水素ブロワ１２８、及び燃料圧力計１３０が設けられている。   FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment further includes a hydrogen blower 128, a fuel pressure gauge 130, and a flow rate adjustment valve 132, so that the fuel cell according to the first embodiment. Different from the power generation system 100. That is, a hydrogen blower 128 and a fuel pressure gauge 130 are provided on the downstream side of the fuel cutoff valve 112 in the fuel supply pipe 102.

水素ブロワ１２８は、燃料供給配管１０２内の水素ガスを燃料電池スタック１０６に向けて圧送する。水素ブロワ１２８は、例えば、羽根車の回転運動により、水素ガスを燃料電池スタック１０６に向けて圧風する。なお、本実施形態に係る送風装置は、水素ブロワ１２８により構成されている。   The hydrogen blower 128 pumps the hydrogen gas in the fuel supply pipe 102 toward the fuel cell stack 106. The hydrogen blower 128 blows hydrogen gas toward the fuel cell stack 106 by, for example, the rotational movement of the impeller. In addition, the air blower according to the present embodiment is configured by a hydrogen blower 128.

燃料圧力計１３０は、燃料供給配管１０２内の水素ガスの圧力を測定し、測定値を制御部１２６に出力する。なお、水素ブロワ１２８を副生水素引込管４内に設置してもよい。この場合にも、燃料供給配管１０２に水素ブロワ１２８を設けた場合と同等の効果が得られる。   The fuel pressure gauge 130 measures the pressure of hydrogen gas in the fuel supply pipe 102 and outputs the measured value to the control unit 126. Note that the hydrogen blower 128 may be installed in the by-product hydrogen inlet pipe 4. In this case, the same effect as that obtained when the hydrogen blower 128 is provided in the fuel supply pipe 102 can be obtained.

流量調整弁１３２は、例えば燃料排出配管１０８の除湿器１１６と排出部１２０との間に設けられている。この流量調整弁１３２は、弁の開度を変化させることで、燃料供給配管１０２内及び燃料排出配管１０８内を流れるガスの流量を調整する。すなわち、この流量調整弁１３２は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの流量を調整する。   The flow rate adjusting valve 132 is provided between the dehumidifier 116 and the discharge unit 120 of the fuel discharge pipe 108, for example. The flow rate adjustment valve 132 adjusts the flow rate of the gas flowing in the fuel supply pipe 102 and the fuel discharge pipe 108 by changing the opening of the valve. That is, the flow rate adjustment valve 132 adjusts the flow rate of the hydrogen gas supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106.

制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された圧力値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とに基づき、水素ブロワ１２８を制御する。また、制御部１２６は、流量調整弁１３２における弁の開度を制御する。   The control unit 126 controls the hydrogen blower 128 based on the pressure value measured by the fuel pressure gauge 130 and the DC current value measured by the DC ammeter 124. Further, the control unit 126 controls the opening degree of the flow rate adjusting valve 132.

なお、本実施形態においても、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を設けてもよい。また、本実施形態に係る副生水素戻し管６には逆止弁１４が設けられており、水素ガスの逆流が防止されている。さらにまた、大気供給配管１０４及び大気排出配管１１０のうちの少なくとも一方に、送風機能を有するブロワを設けてもよい。
（作用） Also in this embodiment, a circulation flow path for returning a part of the exhaust gas of the anode 106A from the fuel discharge pipe 108 to the fuel supply pipe 102 may be provided. Further, the by-product hydrogen return pipe 6 according to this embodiment is provided with a check valve 14 to prevent the backflow of hydrogen gas. Furthermore, a blower having a blowing function may be provided in at least one of the air supply pipe 104 and the air discharge pipe 110.
(Function)

ここでは、副生水素母管２から供給される副生水素ガスの水素比率が一定値で安定している場合に、水素燃焼利用率を所定値に保つための制御について説明する。すなわち、副生水素ガスの水素比率は一定値で安定しているので、水素燃焼利用率を所定値に保つためには、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの量と、燃料電池スタック１０６の発電量とを比例させればよい。   Here, the control for maintaining the hydrogen combustion utilization rate at a predetermined value when the hydrogen ratio of the by-product hydrogen gas supplied from the by-product hydrogen mother pipe 2 is stable at a constant value will be described. That is, since the hydrogen ratio of the byproduct hydrogen gas is stable at a constant value, in order to keep the hydrogen combustion utilization rate at a predetermined value, the amount of hydrogen gas supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106, the fuel The power generation amount of the battery stack 106 may be proportional.

より具体的には、制御部１２６は、燃料供給配管内１０２の水素ガスの流量が、燃料電池スタック１０６の出力電流に比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。例えば、制御部１２６は、燃料流量計１１４で測定された流量の値に水素比率を乗算した値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第１定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。この第１定数は、水素燃焼利用率に基づき定まる定数である。これらから分かるように、水素比率が低下するに従い、燃料電池スタック１０６の発電量も低下する。   More specifically, the control unit 126 controls at least one of the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 so that the flow rate of the hydrogen gas in the fuel supply pipe 102 is proportional to the output current of the fuel cell stack 106. I do. For example, the control unit 126 determines that the value obtained by multiplying the value of the flow rate measured by the fuel flow meter 114 by the hydrogen ratio is proportional to the DC current value measured by the DC ammeter 124 according to the first constant. Control of at least one of the blower 128 and the adjusting unit 122 is performed. This first constant is a constant determined based on the hydrogen combustion utilization rate. As can be seen, as the hydrogen ratio decreases, the amount of power generated by the fuel cell stack 106 also decreases.

また、制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された燃料供給配管内１０２の圧力値に水素比率を乗算した値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第２定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行ってもよい。燃料供給配管内１０２の水素ガスの圧力値と、燃料供給配管内１０２の水素ガスの流量とは、比例するためである。この第２定数も、水素燃焼利用率に基づき定まる定数である。   Further, the control unit 126 is proportional to the value obtained by multiplying the pressure value in the fuel supply pipe 102 measured by the fuel pressure gauge 130 by the hydrogen ratio and the DC current value measured by the DC ammeter 124 according to the second constant. As described above, at least one of the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 may be controlled. This is because the pressure value of the hydrogen gas in the fuel supply pipe 102 is proportional to the flow rate of the hydrogen gas in the fuel supply pipe 102. This second constant is also a constant determined based on the hydrogen combustion utilization rate.

このように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８を設けたので、水素燃焼利用率を所定値にするためには、水素ブロワ１２８の送風量及び燃料電池スタック１０６の発電量の内の少なくとも一方の制御を行えばよい。
（効果） As described above, since the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment is provided with the hydrogen blower 128, in order to set the hydrogen combustion utilization rate to a predetermined value, the blower amount of the hydrogen blower 128 and the power generation of the fuel cell stack 106 are determined. Control of at least one of the quantities may be performed.
(effect)

以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、制御部１２６が、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素量と、燃料電池スタック１０６の発電量とが比例するように、燃料供給配管１０２に配置される水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行うこととした。これにより、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値になるように制御できるので、燃料電池スタック１０６の劣化を抑制できる。
（第３実施形態） As described above, in the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, the control unit 126 is configured so that the amount of hydrogen supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106 and the power generation amount of the fuel cell stack 106 are proportional. In addition, at least one of the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 arranged in the fuel supply pipe 102 is controlled. Thereby, since the hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack 106 can be controlled to be a predetermined value, deterioration of the fuel cell stack 106 can be suppressed.
(Third embodiment)

上述した第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８及び燃料圧力計１３０を燃料供給配管１０２に設けていたが、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８及び燃料圧力計１３０を燃料排出配管１０８に設けた点で相違する。以下に第２実施形態と相違する点を説明する。なお、以下の説明において、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同等の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合を除き説明を省略する。
（構成） In the fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment described above, the hydrogen blower 128 and the fuel pressure gauge 130 are provided in the fuel supply pipe 102. However, the fuel cell power generation system 100 according to the third embodiment includes the hydrogen blower 128. The difference is that the fuel pressure gauge 130 is provided in the fuel discharge pipe 108. The points different from the second embodiment will be described below. In the following description, components having functions and configurations equivalent to those of the fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted unless necessary.
(Constitution)

図５は、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８、及び燃料圧力計１３０が燃料排出配管１０８に設けられている。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the fuel cell power generation system 100 according to the third embodiment. As shown in FIG. 5, in the fuel cell power generation system 100 according to this embodiment, a hydrogen blower 128 and a fuel pressure gauge 130 are provided in a fuel discharge pipe 108.

制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された圧力値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とに基づき、水素ブロワ１２８を制御する。   The control unit 126 controls the hydrogen blower 128 based on the pressure value measured by the fuel pressure gauge 130 and the DC current value measured by the DC ammeter 124.

なお、水素ブロワ１２８を副生水素戻し管６内に設けてもよい。この場合にも、燃料排出配管１０８に水素ブロワ１２８を設けた場合と同等の効果が得られる。さらにまた、本実施形態においても、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を設けてもよい。
（作用） A hydrogen blower 128 may be provided in the byproduct hydrogen return pipe 6. In this case, the same effect as that obtained when the hydrogen blower 128 is provided in the fuel discharge pipe 108 can be obtained. Furthermore, in this embodiment, a circulation flow path for returning a part of the exhaust gas from the anode 106A from the fuel discharge pipe 108 to the fuel supply pipe 102 may be provided.
(Function)

ここでは、第２実施形態と同様に、副生水素母管２から供給される副生水素ガスの水素比率が一定値で安定している場合に、水素燃焼利用率を所定値に保つための制御について説明する。すなわち、副生水素ガスの水素比率は一定値で安定しているので、水素燃焼利用率を所定値に保つため、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素量と、燃料電池スタック１０６の発電量とを比例させる制御を行う。   Here, as in the second embodiment, when the hydrogen ratio of the byproduct hydrogen gas supplied from the byproduct hydrogen mother pipe 2 is stable at a constant value, the hydrogen combustion utilization rate is maintained at a predetermined value. Control will be described. That is, since the hydrogen ratio of the by-product hydrogen gas is stable at a constant value, in order to keep the hydrogen combustion utilization rate at a predetermined value, the amount of hydrogen supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106 and the fuel cell stack 106 Control to make the power generation proportional.

より具体的には、制御部１２６は、燃料排出配管内１０８の排出ガスの流量が、燃料電池スタック１０６の出力電流に比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。例えば、制御部１２６は、燃料流量計１１４で測定された流量の値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第３定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。この第３定数は、水素燃料利用率に基づき定まる定数である。これらから分かるように、水素比率が低下するに従い、燃料電池スタック１０６の発電量も低下する。   More specifically, the control unit 126 controls at least one of the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 so that the flow rate of the exhaust gas in the fuel discharge pipe 108 is proportional to the output current of the fuel cell stack 106. I do. For example, the control unit 126 adjusts the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 so that the flow rate value measured by the fuel flow meter 114 and the DC current value measured by the DC ammeter 124 are proportional to each other according to the third constant. Control at least one of them. This third constant is a constant determined based on the hydrogen fuel utilization rate. As can be seen, as the hydrogen ratio decreases, the amount of power generated by the fuel cell stack 106 also decreases.

また、制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された燃料排出配管１０８内の排出ガスの圧力値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第４定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行ってもよい。燃料排出配管１０８内の排出ガスの圧力値と、燃料供給配管内１０２の水素ガスの流量とは、比例するためである。この第４定数も、水素燃料利用率に基づき定まる定数である。   Further, the control unit 126 adjusts the pressure value of the exhaust gas in the fuel discharge pipe 108 measured by the fuel pressure gauge 130 and the DC current value measured by the DC ammeter 124 in proportion to the fourth constant. Control of at least one of the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 may be performed. This is because the pressure value of the exhaust gas in the fuel discharge pipe 108 is proportional to the flow rate of the hydrogen gas in the fuel supply pipe 102. This fourth constant is also a constant determined based on the hydrogen fuel utilization rate.

このように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、燃料排出配管１０８に水素ブロワ１２８を設けたので、水素燃焼利用率を所定値にするために、燃料排出配管１０８の水素ブロワ１２８の送風量及び燃料電池スタック１０６の発電量の内の少なくとも一方の制御を行なえばよい。
（効果） Thus, in the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, the hydrogen blower 128 is provided in the fuel discharge pipe 108. Therefore, in order to set the hydrogen combustion utilization rate to a predetermined value, the hydrogen blower 128 of the fuel discharge pipe 108 is Control of at least one of the air flow rate and the power generation amount of the fuel cell stack 106 may be performed.
(effect)

以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、制御部１２６が、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素量と、燃料電池スタック１０６の発電量とが比例するように、燃料排出配管１０８に配置される水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行うこととした。これにより、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値になるように制御できるので、燃料電池スタック１０６の劣化を抑制できる。
（第４実施形態） As described above, in the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, the control unit 126 is configured so that the amount of hydrogen supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106 and the power generation amount of the fuel cell stack 106 are proportional. Therefore, at least one of the hydrogen blower 128 and the adjustment unit 122 arranged in the fuel discharge pipe 108 is controlled. Thereby, since the hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack 106 can be controlled to be a predetermined value, deterioration of the fuel cell stack 106 can be suppressed.
(Fourth embodiment)

上述した第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環経路を設けていなかったが、第４実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環経路を設け、アノード１０６Ａから排出されたガスを再びアノード１０６Ａに供給する点で相違する。以下に第２実施形態と相違する点を説明する。なお、以下の説明において、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同等の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合を除き説明を省略する。
（構成） The fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment described above does not have a circulation path. However, the fuel cell power generation system 100 according to the fourth embodiment has a circulation path and uses the gas discharged from the anode 106A. It is different in that it is supplied again to the anode 106A. The points different from the second embodiment will be described below. In the following description, components having functions and configurations equivalent to those of the fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted unless necessary.
(Constitution)

図６は、第４実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環配管１３４と、循環量調整弁１３６とを更に備えることで、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００と相違する。   FIG. 6 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell power generation system 100 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 6, the fuel cell power generation system 100 according to this embodiment is different from the fuel cell power generation system 100 according to the second embodiment by further including a circulation pipe 134 and a circulation amount adjustment valve 136. .

循環配管１３４は、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を構成する。すなわち、循環配管１３４は、燃料供給配管１０２と、燃料排出配管１０８とを接続し、燃料排出配管１０８内を流れる排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す管である。   The circulation pipe 134 constitutes a circulation flow path for returning a part of the exhaust gas from the anode 106 </ b> A from the fuel discharge pipe 108 to the fuel supply pipe 102. That is, the circulation pipe 134 is a pipe that connects the fuel supply pipe 102 and the fuel discharge pipe 108 and returns a part of the exhaust gas flowing through the fuel discharge pipe 108 to the fuel supply pipe 102.

循環量調整弁１３６は、燃料電池スタック１０６におけるアノード１０６Ａの排出ガスの中から燃料供給配管１０２に戻す排出ガスの量を調整する。例えば、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率が上がるに従い、開度が上がるように制御部１２６により制御される。また、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率が所定値以下の場合には閉状態にしてもよい。
（作用） The circulation amount adjusting valve 136 adjusts the amount of exhaust gas that is returned to the fuel supply pipe 102 from the exhaust gas of the anode 106 </ b> A in the fuel cell stack 106. For example, as the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied from the byproduct hydrogen mother pipe 2 increases, the opening degree is controlled by the control unit 126 so as to increase. Further, when the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied from the byproduct hydrogen mother pipe 2 is equal to or less than a predetermined value, the hydrogen gas may be closed.
(Function)

本実施形態に係る排出部１２０は、アノード１０６Ａの排出ガスの少なくとも一部を定常的に燃料供給配管１０２の外に排出する。このため、定常運転時において、排出ガスを排出しない場合と比較し、不純物の増加を抑制させることが可能である。   The discharge unit 120 according to the present embodiment regularly discharges at least a part of the exhaust gas from the anode 106 </ b> A out of the fuel supply pipe 102. For this reason, it is possible to suppress an increase in impurities during steady operation as compared with a case where exhaust gas is not discharged.

また、制御部１２６は、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率に基づき、流量調整弁１３２、及び循環量調整弁１３６の制御を行う。例えば、制御部１２６は、水素比率が低くなるに従い、流量調整弁１３２の開度を大きくし、循環量調整弁１３６の開度を小さくする制御を行う。これにより、水素比率が低くなるに従い、排出ガスの中から燃料供給配管１０２に戻す排出ガスの割合を低下させることが可能となる。このように、排出部１２０から排出する排出ガスの量と、循環経路を戻す排出ガスの量とを調整することで、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率を所定値に収束させることも可能である。この場合、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率よりもアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率は低下するが、燃料電池発電システム１００に供給される水素ガスの中で発電に使用させる水素ガスの割合は増加する。   The control unit 126 controls the flow rate adjustment valve 132 and the circulation amount adjustment valve 136 based on the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied from the byproduct hydrogen mother pipe 2. For example, the control unit 126 performs control to increase the opening degree of the flow rate adjustment valve 132 and reduce the opening degree of the circulation amount adjustment valve 136 as the hydrogen ratio decreases. As a result, as the hydrogen ratio decreases, the ratio of the exhaust gas returned from the exhaust gas to the fuel supply pipe 102 can be reduced. Thus, by adjusting the amount of exhaust gas discharged from the discharge unit 120 and the amount of exhaust gas returning to the circulation path, the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied to the anode 106A of the fuel cell stack 106 is set to a predetermined value. It is also possible to converge to In this case, the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied to the anode 106A is lower than the hydrogen ratio of the hydrogen gas supplied from the by-product hydrogen mother pipe 2, but the hydrogen gas supplied to the fuel cell power generation system 100 is The proportion of hydrogen gas used for power generation will increase.

（効果）
以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環経路を設けた場合に、排出部１２０がアノード１０６Ａから排出された排出ガスの少なくとも一部を、定常的に燃料供給配管１０２の外に排出することにした。これにより、定常運転時において、排出ガスを排出しない場合と比較し、不純物の増加を抑制させることが可能である。このため、定常運転時において、制御部１２６は、排出ガスを排出しない場合と比較し、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値になるようにより安定的に制御でき、燃料電池スタック１０６の劣化をより抑制できる。 (effect)
As described above, in the fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, when the circulation path is provided, at least a part of the exhaust gas discharged from the anode 106A by the discharge unit 120 is steadily supplied to the fuel supply pipe 102. Decided to discharge outside. Thereby, it is possible to suppress an increase in impurities during steady operation as compared with the case where exhaust gas is not discharged. Therefore, during steady operation, the control unit 126 can more stably control the hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack 106 to be a predetermined value as compared with the case where the exhaust gas is not discharged. Deterioration can be further suppressed.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１００：燃料電池発電システム、１０２：燃料供給配管、１０６：燃料電池スタック、１０６Ａ：アノード、１０６Ｂ：カソード、１０８：燃料排出配管、１１２：燃料遮断弁、
１１４：燃料流量計、１１６：除湿器、１１８：アノードオフガス遮断弁、１２０：排出部、１２２：調整部、１２４：直流電流計、１２６制御部、１２８：水素ブロワ、１３０：燃料圧力計、１３２：流量調整弁、１３４：循環配管 100: Fuel cell power generation system, 102: Fuel supply pipe, 106: Fuel cell stack, 106A: Anode, 106B: Cathode, 108: Fuel discharge pipe, 112: Fuel cutoff valve,
114: Fuel flow meter, 116: Dehumidifier, 118: Anode off-gas cutoff valve, 120: Discharge unit, 122: Adjustment unit, 124: DC ammeter, 126 control unit, 128: Hydrogen blower, 130: Fuel pressure gauge, 132 : Flow adjustment valve, 134: Circulation piping

Claims (10)

燃料供給配管を介して供給される水素ガスを用いて直流電流を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出する排出部と、
前記排出部が前記排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出するよう、前記排出ガスの排出を制御する制御部と、
を備える燃料電池発電システム。 A fuel cell stack that generates a direct current using hydrogen gas supplied through a fuel supply pipe;
A discharge unit that regularly discharges at least part of the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the outside of the fuel supply pipe;
A control unit that controls the discharge of the exhaust gas so that the discharge unit discharges at least a part of the exhaust gas to the outside of the fuel supply pipe constantly;
A fuel cell power generation system comprising: 前記燃料電池スタックの発電量を調整する調整部を更に備え、
前記制御部は、前記燃料供給配管を介して供給される水素ガスの水素比率に少なくとも基づき、前記燃料電池スタックの水素燃焼利用率が所定値になるように前記調整部を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。 An adjustment unit for adjusting the power generation amount of the fuel cell stack;
2. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls the adjustment unit so that a hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack becomes a predetermined value based at least on a hydrogen ratio of hydrogen gas supplied through the fuel supply pipe. The fuel cell power generation system described. 前記制御部は、前記燃料電池スタックに供給される水素ガスの水素比率及び流量の値と、前記燃料電池スタックが出力する直流電流値とに基づき、前記燃料電池スタックの発電量を制御する請求項２に記載の燃料電池発電システム。   The control unit controls a power generation amount of the fuel cell stack based on a value of a hydrogen ratio and a flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack and a direct current value output by the fuel cell stack. 2. The fuel cell power generation system according to 2. 前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスを前記排出部に排出する燃料排出配管を更に備え、
前記水素ガスは、水素母管、及び当該水素母管に接続される水素引込管を介して前記燃料供給配管に供給され、
前記排出ガスの少なくとも一部は、前記燃料排出配管、及び当該燃料排出配管に接続される水素戻し管を介して前記水素母管に排出され、
前記燃料供給配管を介して供給される水素ガスは、前記水素母管と前記水素引込管との接続部における気圧と、前記水素母管と前記水素戻し管との接続部における気圧との差圧に応じて供給される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。 A fuel discharge pipe for discharging exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the discharge unit;
The hydrogen gas is supplied to the fuel supply pipe through a hydrogen mother pipe and a hydrogen lead-in pipe connected to the hydrogen mother pipe,
At least a part of the exhaust gas is discharged to the hydrogen mother pipe through the fuel discharge pipe and a hydrogen return pipe connected to the fuel discharge pipe.
The hydrogen gas supplied through the fuel supply pipe is a differential pressure between the atmospheric pressure at the connection between the hydrogen mother pipe and the hydrogen lead-in pipe and the atmospheric pressure at the connection between the hydrogen mother pipe and the hydrogen return pipe. The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3, which is supplied according to the above. 前記燃料供給配管内の水素ガスを送風する送風装置を更に備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの水素燃焼利用率が所定値になるように前記送風装置を制御する請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム。 A blower for blowing hydrogen gas in the fuel supply pipe;
The fuel cell power generation system according to claim 2 or 3, wherein the control unit controls the blower so that a hydrogen combustion utilization rate of the fuel cell stack becomes a predetermined value. 前記燃料供給配管内、及び前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスを外部に排出する燃料排出配管内の少なくともいずれかを流れる水素ガスの量を測定する燃料流量計を更に備え、
前記制御部は、前記燃料流量計の測定値に基づき、前記燃料供給配管内の水素ガスの流量が所定値になるように前記送風装置を制御する請求項５に記載の燃料電池発電システム。 A fuel flow meter for measuring the amount of hydrogen gas flowing through at least one of the fuel supply pipe and the fuel discharge pipe for discharging the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the outside;
The fuel cell power generation system according to claim 5, wherein the control unit controls the blower so that a flow rate of hydrogen gas in the fuel supply pipe becomes a predetermined value based on a measurement value of the fuel flow meter. 前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスを外部に排出する燃料排出配管内、及び前記燃料供給配管内の少なくともいずかの圧力を測定する圧力計を更に備え、
前記制御部は、前記圧力計の測定値に基づき、前記圧力が所定値になるように前記送風装置を制御する請求項５に記載の燃料電池発電システム。 A pressure gauge for measuring the pressure in at least one of the fuel discharge pipe for discharging the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the outside, and the fuel supply pipe;
The fuel cell power generation system according to claim 5, wherein the control unit controls the blower so that the pressure becomes a predetermined value based on a measurement value of the pressure gauge. 前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスの少なくとも一部を前記燃料供給配管に戻す循環経路を更に備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a circulation path for returning at least part of exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the fuel supply pipe. 前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスの少なくとも一部を水素燃焼装置に排出する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 8, wherein at least a part of the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack is discharged to a hydrogen combustion apparatus. 燃料電池スタックに供給される水素ガスの水素比率及び流量と、前記燃料電池スタックが出力する直流電流とに基づき、水素燃焼利用率を演算する工程と、
前記水素燃焼利用率に基づき、前記燃料電池スタックの発電量を制御する工程と、
を備える燃料電池発電システムの制御方法。 Calculating a hydrogen combustion utilization rate based on a hydrogen ratio and flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack and a direct current output from the fuel cell stack;
Controlling the power generation amount of the fuel cell stack based on the hydrogen combustion utilization rate;
A control method for a fuel cell power generation system.
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