JP2018206744A - Fuel cell system, control arrangement and control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, a control device for the fuel cell system, and a control method.
系統電源の停電時に、自立運転開始までの待機時間の間、外部負荷に電力を供給することなく、アイドリング電力以外の余剰電力をヒータや蓄電池に供給することにより、燃料電池の発電電力を自立時発電電力に維持する燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2015−186408号公報
When power is lost to the grid power supply, the power generated by the fuel cell is supplied independently by supplying surplus power other than idling power to the heater and storage battery without supplying power to the external load during the standby time until the start of autonomous operation. A fuel cell system that maintains generated power is known (see, for example, Patent Document 1).
Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-186408
ヒータや蓄電池等の負荷では余剰電力を消費しきれず、燃料電池の運転継続に必要な発電電力を維持できない場合がある。そのため、運転継続に必要な発電電力を維持するために負荷の容量を高めると、例えばシステムの大型化やコストアップを招く場合がある。 In some cases, a load such as a heater or a storage battery cannot consume surplus power, and the generated power necessary for continuing the operation of the fuel cell may not be maintained. Therefore, if the capacity of the load is increased in order to maintain the generated power necessary to continue the operation, for example, the system may be increased in size and cost.
本発明の第1の態様においては、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部を備えてよい。燃料電池システムは、原燃料ガス及び再循環した燃料排ガスが供給される改質部を備えてよい。燃料電池システムは、改質部に再循環される燃料排ガスの量を制御する制御部を備えてよい。燃料電池システムは、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部を備えてよい。制御部は、燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。 In a first aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system may include a power generation unit that generates power by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas and discharges fuel exhaust gas containing water vapor generated at the fuel electrode. The fuel cell system may include a reforming unit to which raw fuel gas and recirculated fuel exhaust gas are supplied. The fuel cell system may include a control unit that controls the amount of fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit. The fuel cell system may include a steam generating unit that consumes electric power and generates steam supplied to the reforming unit. When the fuel cell system is disconnected from an external power source capable of supplying power in parallel with the fuel cell system, the control unit supplies at least a part of the surplus power to the water vapor generation unit, and at least a part of the surplus power is supplied. The amount of fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit may be reduced in accordance with the amount of water vapor generated in the water vapor generating unit by consumption of the water vapor generating unit.
外部電源は系統電源であってよい。制御部は、燃料電池システムが系統電源から解列された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。 The external power supply may be a system power supply. When the fuel cell system is disconnected from the system power supply, the control unit supplies at least a part of the surplus power to the steam generation unit, and recycles it to the reforming unit according to the amount of steam generated by the steam generation unit. The amount of fuel exhaust gas circulated may be reduced.
制御部は、燃料電池システムが外部電源と並列して電力を供給中に、燃料電池システムの出力が定格出力となるように発電部を制御してよい。制御部は、燃料電池システムが外部電源から切り離された場合に、発電部の発電電力を低下させて、燃料電池システムの出力を、燃料電池システムを自立運転するために維持するべき予め定められた自立時出力に低下させるとともに、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。 The control unit may control the power generation unit so that the output of the fuel cell system becomes a rated output while the fuel cell system supplies power in parallel with the external power source. The control unit is configured to reduce the generated power of the power generation unit when the fuel cell system is disconnected from the external power source, and maintain the output of the fuel cell system in order to operate the fuel cell system independently. While reducing the output to stand-alone, supply at least part of the surplus power to the steam generation unit, and reduce the amount of fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit according to the amount of steam generated in the steam generation unit It's okay.
電力を消費する内部負荷をさらに備えてよい。制御部は、燃料電池システムが外部電源から切り離された場合に更に、余剰電力の一部を内部負荷に供給して、発電部の発電電力を、改質部及び発電部を含む燃料電池モジュールにおける熱自立を維持できる電力に維持してよい。 An internal load that consumes power may be further provided. When the fuel cell system is disconnected from the external power source, the control unit further supplies a part of the surplus power to the internal load, and generates the generated power of the power generation unit in the fuel cell module including the reforming unit and the power generation unit You may maintain the electric power which can maintain thermal independence.
制御部は、発電部の発電電力が負荷電力を超える場合に、負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。 When the generated power of the power generation unit exceeds the load power, the control unit supplies at least a part of surplus power exceeding the load power to the steam generation unit, and reforms according to the amount of steam generated by the steam generation unit. The amount of fuel exhaust gas recirculated to the section may be reduced.
制御部は、改質部に再循環される燃料排ガス及び原燃料ガスを含むガス中のスチームカーボン比を予め定められた値に維持するべく、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。 In order to maintain the steam carbon ratio in the gas containing the fuel exhaust gas and the raw fuel gas recirculated to the reforming unit at a predetermined value, the control unit, according to the amount of steam generated in the steam generating unit, The amount of fuel exhaust gas recirculated to the reforming section may be reduced.
第2の実施形態においては、燃料電池システムの制御装置が提供される。燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えてよい。制御装置は、燃料電池システムが外部電源と切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させる制御部を備えてよい。 In the second embodiment, a control device for a fuel cell system is provided. A fuel cell system includes a power generation unit that generates power by reaction of a fuel gas and an oxidant gas and discharges fuel exhaust gas containing water vapor generated at a fuel electrode, and a reforming unit to which fuel exhaust gas and raw fuel gas are supplied. A steam generation unit that consumes electric power and generates steam supplied to the reforming unit may be provided. When the fuel cell system is disconnected from the external power source, the control device supplies at least a part of the surplus power to the steam generating unit, and at least a part of the surplus power is consumed by the steam generating unit. A control unit that reduces the amount of fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit according to the amount of water vapor generated may be provided.
本発明の第3の態様においては、燃料電池システムの制御方法が提供される。燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えてよい。制御方法は、燃料電池システムが外部電源と切り離された場合に、負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給する段階を備えてよい。制御方法は、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させる段階を備えてよい。 In a third aspect of the present invention, a method for controlling a fuel cell system is provided. A fuel cell system includes a power generation unit that generates power by reaction of a fuel gas and an oxidant gas and discharges fuel exhaust gas containing water vapor generated at a fuel electrode, and a reforming unit to which fuel exhaust gas and raw fuel gas are supplied. A steam generation unit that consumes electric power and generates steam supplied to the reforming unit may be provided. The control method may include a step of supplying at least a part of surplus power exceeding the load power to the steam generation unit when the fuel cell system is disconnected from the external power source. The control method includes a step of reducing the amount of fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit according to the amount of water vapor generated in the water vapor generating unit by consuming at least part of the surplus power by the water vapor generating unit. It's okay.
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。 The above summary of the present invention does not enumerate all of the features of the present invention. A sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、一実施形態における燃料電池システム10の機能ブロックを含む、外部電源80、外部負荷90及び外部電源ライン20とともに概略的に示す。
FIG. 1 schematically shows an
図1において、太線は電気、電流、電力の流れを示す。実線は、例えばガスや水等の流体の流れを示す。破線は制御信号や検出信号等の各種の信号の流れを示す。 In FIG. 1, thick lines indicate flows of electricity, current, and power. A solid line shows the flow of fluids, such as gas and water, for example. Broken lines indicate the flow of various signals such as control signals and detection signals.
燃料電池システム10は、外部電源ライン20に接続され、外部電源ライン20に電力を供給する。外部電源ライン20には、外部電源80及び外部負荷90が接続されている。外部電源80は、外部電源ライン20に電力を供給する。外部負荷90は、外部電源ライン20から供給される電力により動作する。
The fuel cell system 10 is connected to the external
燃料電池システム10は、外部電源80と並列して電力を供給可能である。例えば、燃料電池システム10は、外部電源80と並列して電力を供給する場合に、定格運転を行う。これにより、燃料電池システム10の定格出力を外部電源ライン20に供給可能となる。外部負荷90は、外部負荷90の消費電力のうち燃料電池システム10の定格出力で賄えない部分の電力を、外部電源80から受け取る。
The fuel cell system 10 can supply power in parallel with the
本実施形態において、外部電源80は商用系統電源であり、燃料電池システム10は、連系運転を行うことが可能である。他の実施形態において、外部電源80は、内燃力発電機等の発電機であってよい。
In the present embodiment, the
燃料電池システム10は、継電器22と、内部電源ライン24と、内部負荷30と、水蒸気生成部40と、加熱部50と、DC−AC変換部60と、脱硫部70と、制御部100と、燃料電池モジュール110と、流量センサ150と、ブロア160と、原燃料流路180と、水蒸気供給流路181と、燃料排ガス流路182と、燃料排ガス再循環流路183と、燃料排ガス排出流路184と、酸化剤ガス流路186と、酸化剤排ガス流路188と、排エネルギー利用部190とを備える。燃料電池モジュール110は、改質部120と、発電部130とを備える。燃料電池モジュール110は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The fuel cell system 10 includes a
燃料電池システム10において、加熱部50は、燃料電池システム10の起動に必要な熱を供給する。例えば、加熱部50は、外部電力等を消費して、改質部120及び発電部130の少なくとも一方を加熱する。例えば、加熱部50は、電気ヒータである。加熱部50は、外部電源80から供給される電力により生じた熱で空気等の熱媒体を加熱して、改質部120及び発電部130の少なくとも一方に供給してよい。
In the fuel cell system 10, the
水蒸気生成部40は、燃料電池システム10の起動時に、外部電力等を消費して、水蒸気を生成する。例えば、水蒸気生成部40は、外部電源80から供給される電力により熱により水を加熱して、水蒸気を生成する。水蒸気生成部40が生成した水蒸気は、水蒸気供給流路181を通じて原燃料流路180に供給され、原燃料ガスとともに燃料電池モジュール110に供給される。なお、燃料電池システム10が外部電源80と連系運転している場合には、加熱部50及び水蒸気生成部40は停止状態となる。
The water
原燃料流路180には、脱硫部70が接続されている。脱硫部70には、原燃料ガスが供給される。原燃料ガスは、例えば、都市ガス、LPガス、灯油等から生成される。脱硫部70は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を実質的に除去する。脱硫部70により脱硫された原燃料ガスは、原燃料流路180に供給される。
A
後述するように、燃料電池モジュール110が外部電源80と連系運転している場合、原燃料流路180には、燃料電池モジュール110から排出された水蒸気を含む燃料排ガスが循環供給される。
As will be described later, when the
改質部120には、原燃料流路180を通じて、原燃料ガス及び水蒸気が供給される。改質部120は、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する。具体的には、改質部120は、燃料排ガスに含まれる水蒸気を用いて原燃料ガスに含まれる原燃料を改質して、燃料ガスを生成する。燃料ガスは、例えば水蒸気を含む改質水素である。改質部120が生成した燃料ガスは、発電部130に供給される。発電部130には更に、酸化剤ガス流路186を通じて、酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは例えば空気から生成されてよい。改質部120は、発電部内部に備えても良いし、発電部の外部に改質器として備えても良い。
The raw fuel gas and water vapor are supplied to the reforming
発電部130は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する。具体的には、発電部130は、複数の発電セルを積層または集合体として構成したセルスタックを有する。各発電セルは、酸化剤極と燃料極で電解質を挟んだ構成を有する。各発電セルの間にはセパレータが設けられ、各発電セルは電気的に直列に接続される。発電部130の各発電セルは、酸化剤極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と電気化学反応をすることにより、電気エネルギーを発生する。例えば、発電部130の燃料極において、酸素イオンが水素と反応することにより、電気エネルギーを発生する。
The
発電部130の燃料極において、酸素イオンが水素と反応することにより、水が生成される。燃料極で生成した水は、発電セルにおける電気化学反応に寄与しなかった燃料ガス成分とともに、燃料排ガスとして発電セルから排出される。このように、発電部130は、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する。燃料排ガスは、燃料排ガス流路182を通じて、燃料電池モジュール110の外部に排出される。また、酸化剤極において、水素及び一酸化炭素との電気化学反応に寄与しなかった酸化剤成分を含む酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路188を通じて、燃料電池モジュール110の外部に排出される。
In the fuel electrode of the
燃料排ガス流路182を通じて燃料電池モジュール110から排出された燃料排ガスの少なくとも一部は、燃料排ガス排出流路184を通じて排エネルギー利用部190に供給される。酸化剤排ガス流路188を通じて燃料電池モジュール110から排出された酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路188を通じて排エネルギー利用部190に供給される。
At least a part of the fuel exhaust gas discharged from the
排エネルギー利用部190は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスに含まれる熱エネルギー及び化学エネルギーの少なくとも一方を回収して、排ガスとして排出する。例えば、排エネルギー利用部190は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを燃焼させて得られる熱エネルギーにより、水を加温して温水を生成する。燃焼により生じた排ガスは外気に排出される。
The exhaust
燃料電池モジュール110から燃料排ガス流路182を通じて排出された燃料排ガスの少なくとも一部は、燃料排ガス再循環流路183を通じて、原燃料流路180に再循環される。したがって、改質部120には、上述したように燃料排ガス及び原燃料ガスが供給されることとなる。これにより、改質部120は、環流される燃料排ガスに含まれる水蒸気を用いて、原燃料ガスに含まれる原燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成することができる。
At least a part of the fuel exhaust gas discharged from the
燃料電池モジュール110の発電部130の発電により得られた直流電流は、DC−AC変換部60に供給される。DC−AC変換部60は、発電部130からの直流電流を交流電流に変換する。継電器22がオン状態の場合、DC−AC変換部60が出力する交流電流は、外部電源ライン20に供給される。このように、燃料電池システム10は、継電器22がオン状態の場合、外部電源80と連系状態となる。継電器22がオフ状態の場合、解列状態となる。
The direct current obtained by the power generation of the
燃料電池システム10が連系状態である場合の制御部100の制御を説明する。ここでは、燃料電池システム10は定格運転をしているものとする。制御部100は、脱硫部70からの原燃料ガスの流量を、燃料電池システム10が定格運転するための既定値に制御する。また、制御部100は、ブロア160を制御することにより、燃料電池モジュール110から再循環される燃料排ガスの流量を、燃料電池システム10を定格運転するための既定値にする。例えば、制御部100は、流量センサ150で検出された燃料排ガスの流量が規定値になるように、ブロア160を制御する。また、燃料電池システム10の定格運転時には、制御部100は、加熱部50及び水蒸気生成部40を停止させる。
The control of the
燃料電池システム10が解列状態の場合、燃料電池システム10は自立運転を行う。自立運転時には、制御部100は、燃料電池システム10の出力を定格出力より低い自立時出力まで低下させる。例えば、定格出力は100kWであり、自立時出力は50kWである。自立運転時には、発電部130の発電電力のうち一部が、ブロア160等の補機で使用される。発電部130の発電電力のうち、補機で使用される電力を除く50kWが、自立時出力となる。燃料電池システム10が自立運転をする場合、この50kWが余剰電力となり得る。
When the fuel cell system 10 is in a disconnected state, the fuel cell system 10 performs a self-supporting operation. During the autonomous operation, the
燃料電池システム10の自立運転時には、制御部100は、余剰電力で少なくとも水蒸気生成部40を駆動する。制御部100は、自立運転時において、余剰電力の一部を内部負荷30に供給する。内部負荷30は、例えば電気ヒータであってよい。電気ヒータで生じた熱は、燃料電池システム10の周囲に放出されてよい。
During the self-sustaining operation of the fuel cell system 10, the
自立運転時の余剰電力を水蒸気生成部40及び内部負荷30で消費することにより、発電部130の発電量を、燃料電池モジュール110が熱自立可能な発電量に維持することができる。そのため、燃料電池システム10が外部電源80と連系を再開する場合に、燃料電池システム10の出力を短時間で定格出力に戻すことができる。なお、燃料電池モジュール110の熱自立状態とは、例えば、発電部130の発電により生成する熱によって、発電部130の温度及び改質部120の温度を規定値に維持することが可能な状態であってよい。
By consuming surplus power during the self-sustaining operation with the
このように、燃料電池システム10によれば、自立運転時の余剰電力を水蒸気生成部40で消費させるので、自立運転を維持するために必要な内部負荷30の容量の増大を抑制することができる。ひいては、燃料電池システム10の大型化やコストアップを抑制することができる。
Thus, according to the fuel cell system 10, since the surplus power during the self-sustaining operation is consumed by the
なお、水蒸気生成部40を駆動することにより、原燃料流路180に供給される水蒸気量が増加する。したがって、改質部120に供給されるガスのスチームカーボン比(S/C)が上昇する。そこで、制御部100は、ブロア160を制御して、燃料排ガスの再循環流量を低下させる。これにより、スチームカーボン比(S/C)の上昇を抑制することができ、発電部130の出力低下を抑制することができる。そのため、自立運転時において燃料電池システム10を熱自立することが容易になる。
Note that the amount of water vapor supplied to the raw
このように、燃料電池システム10においては、制御部100は、燃料電池システム10が系統電源から解列された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部40に供給し、水蒸気生成部40で生成された水蒸気量に応じて、改質部120に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。具体的には、制御部100は、改質部120に再循環される燃料排ガス及び原燃料ガスを含むガス中のS/Cを予め定められた値に維持するべく、水蒸気生成部40で生成された水蒸気量に応じて、改質部120に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。
Thus, in the fuel cell system 10, when the fuel cell system 10 is disconnected from the system power supply, the
具体的には、制御部100は、燃料電池システム10が系統電源と連系運転中に、燃料電池システム10の出力が定格出力となるように発電部130を制御する。そして、燃料電池システム10が系統電源から解列された場合に、制御部100は、発電部130の発電電力を低下させて、燃料電池システム10の出力を、燃料電池システム10を自立運転するために維持するべき予め定められた自立時出力に低下させるとともに、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部40に供給し、水蒸気生成部40で生成された水蒸気量に応じて、改質部120に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。
Specifically, the
また、制御部100は、燃料電池システム10が系統電源から解列された場合に更に、余剰電力の一部を内部負荷30に供給する。これにより、発電部130の発電電力を、改質部120及び発電部130における熱自立を維持できる電力に維持する。
Further, the
なお、本実施形態では主として、外部電源80が商用系統電源である場合を説明する。しかし、本実施形態で説明する制御と同様の制御は、外部電源80が商用系統電源以外の電源である場合において、燃料電池システム10が外部電源80から切り離された場合にも適用できる。すなわち、制御部100は、燃料電池システム10が外部電源80から切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部40に供給し、水蒸気生成部40で生成された水蒸気量に応じて、改質部120に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
In the present embodiment, the case where the
図2は、燃料電池システム10が連系運転中に解列したときの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。図2の横軸は時間を示し、縦軸は運転パラメータを示す。図2には、運転パラメータとして、システム出力、内部負荷30の消費電力、水蒸気生成部40の消費電力、燃料排ガスの再循環流量、及びS/Cが示される。
FIG. 2 is a diagram for explaining the change over time in the operating parameters when the fuel cell system 10 is disconnected during the interconnected operation. The horizontal axis in FIG. 2 indicates time, and the vertical axis indicates operation parameters. In FIG. 2, the system output, the power consumption of the
連系運転中において、制御部100は、燃料電池システム10の出力が100kWの定格出力となるように制御する。具体的には、制御部100は、原燃料流路180に供給される原燃料ガスの量が、定格出力に対応づけられた規定量になるように、脱硫部70を制御する。また、制御部100は、燃料排ガス再循環流路183内の燃料排ガスの流量が、定格出力に対応づけられた規定量になるように、ブロア160を制御する。これにより、制御部100は、改質部120への供給ガスのS/Cが規定値3.5となるように制御する。
During the interconnected operation, the
図示されるように、燃料電池システム10の定格運転時には、内部負荷30及び水蒸気生成部40には電力は供給されていない。また、燃料電池システム10の出力とは、DC−AC変換部60が出力可能な電力のうち、燃料電池システム10が備える補機に供給される電力を差し引いた電力である。
As shown in the figure, during rated operation of the fuel cell system 10, power is not supplied to the
燃料電池システム10を解列すると、制御部100は、燃料電池システム10の出力が自立時出力である50kWとなるように制御する。例えば、制御部100は、原燃料流路180内の原燃料ガスの流量を、自立時出力に対応づけられた規定量になるように、脱硫部70を制御する。具体的には、制御部100は、原燃料ガスの流量を、定格運転時の流量から半減させる。
When the fuel cell system 10 is disconnected, the
そして、制御部100は、DC−AC変換部60からの電力を、内部電源ライン24を通じて内部負荷30に供給して消費させる。自立運転時に内部負荷30に供給する電力は25kWである。また、制御部100は、制御部100は、DC−AC変換部60からの出力電力を、内部電源ライン24を通じて水蒸気生成部40に供給して、水蒸気を生成させる。水蒸気生成部40に供給する電力は25kWである。内部負荷30及び水蒸気生成部40で電力を消費することにより、燃料電池モジュール110における熱自立を維持する。
Then, the
図2のS/Cのグラフにおける線210が示すように、水蒸気生成部40が25kWの電力を消費することにより水蒸気量は、S/C換算で3.0の寄与となる。そこで、制御部100は、図2のS/Cのグラフにおける線200に示されるように、燃料排ガスの再循環量を、S/C換算で0.5になるまで減少させて、改質部120への供給ガスのS/Cを既定値3.5に維持する。具体的には、制御部100は、燃料排ガスの再循環流量を、定格運転時の再循環流量の1/7に減少させる。燃料排ガスの再循環流量を減少させることで、制御部100の出力低下を抑制することができる。なお、燃料排ガスの再循環流量を減少させることで余剰となった燃料排ガスは、燃料排ガス排出流路184を通じて排エネルギー利用部190に供給される。
As indicated by a
このように、制御部100は、自立時出力の50kWの電力を、水蒸気生成部40に供給して消費させる。これにより、内部負荷30の容量を過剰に大きくする必要がなくなる。
In this way, the
表1は、本実施形態の燃料電池システム10の仕様と、比較例1、比較例2及び比較例3における燃料電池システムの仕様とを示す。
比較例1における燃料電池システムは、内部負荷の容量を50kWとして、自立時出力を内部負荷で全て消費する制御を行うようにしたものである。 In the fuel cell system in Comparative Example 1, the capacity of the internal load is set to 50 kW, and the control for consuming all of the self-sustained output by the internal load is performed.
図3は、比較例1の燃料電池システムにおける運転パラメータの時間変化を説明するための図である。図3の運転パラメータは、図2の運転パラメータと同じである。 FIG. 3 is a diagram for explaining temporal changes in operating parameters in the fuel cell system of Comparative Example 1. The operation parameters in FIG. 3 are the same as the operation parameters in FIG.
図3に示されるように、燃料電池システムが解列されると、燃料電池モジュールの出力は50kWに低下される。50kWの自立時出力は全て内部負荷で消費される。S/Cを3.5に維持するために、燃料排ガスの再循環流量は定格運転時の50%に制御される。 As shown in FIG. 3, when the fuel cell system is disconnected, the output of the fuel cell module is reduced to 50 kW. The 50 kW self-sustained output is all consumed by the internal load. In order to maintain the S / C at 3.5, the recirculation flow rate of the fuel exhaust gas is controlled to 50% of the rated operation.
比較例1の燃料電池システムによっても、自立運転を維持することができる。しかし、50kWの容量を持つ内部負荷を燃料電池システムに設ける必要がある。そのため、表1に示されるように、内部負荷の寸法が大きくなり、燃料電池システムが大型化してしまう。また、燃料電池システム全体のコストが増大してしまう。 The fuel cell system of Comparative Example 1 can also maintain a self-sustaining operation. However, it is necessary to provide the fuel cell system with an internal load having a capacity of 50 kW. Therefore, as shown in Table 1, the size of the internal load is increased, and the fuel cell system is increased in size. In addition, the cost of the entire fuel cell system increases.
次に、比較例2について説明する。比較例2における燃料電池システムは、比較例1の燃料電池システムにおいて、内部負荷の容量を25kWとし、燃料電池の自立時出力を25kWとしたものである。比較例2の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。しかし、燃料電池の自立時出力が25kWであるため、燃料電池モジュールの発電部における発熱量が小さい。そのため、燃料電池モジュール110の熱自立を維持することが容易でない。
Next, Comparative Example 2 will be described. The fuel cell system in Comparative Example 2 is the same as the fuel cell system in Comparative Example 1, except that the internal load capacity is 25 kW and the self-sustained output of the fuel cell is 25 kW. According to the fuel cell system of Comparative Example 2, an increase in size of the fuel cell system can be suppressed. However, since the output when the fuel cell is self-supporting is 25 kW, the amount of heat generated in the power generation unit of the fuel cell module is small. Therefore, it is not easy to maintain the heat self-supporting of the
次に、比較例3について説明する。比較例3における燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池システム10において、燃料排ガスの再循環流量を50%にする制御を行うものである。比較例3の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。しかし、燃料排ガスの再循環流量を50%とすると、改質部への供給ガス内の水蒸気分圧が著しく高まる。すなわち、S/Cが著しく高まる。これにより、発電部の出力が低下するため、燃料電池モジュールの熱自立を維持することが容易でない。
Next, Comparative Example 3 will be described. The fuel cell system in Comparative Example 3 performs control to make the recirculation flow rate of the
比較例1、比較例2、及び比較例3の燃料電池システムに比べると、燃料電池システム10によれば、燃料電池モジュールの熱自立が容易であり、かつ、より小型の燃料電池システムを提供することができる。 Compared to the fuel cell systems of Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3, according to the fuel cell system 10, the fuel cell module is easy to be thermally independent and provides a smaller fuel cell system. be able to.
図4は、制御部100による燃料電池システム10の制御方法を示すフローチャートである。本制御方法における各段階の動作の主体は、制御部100であってよい。制御部100は、本フローチャートで説明する制御方法を実装するために、CPU又はASIC等の処理装置及びメモリ等を有してよい。なお、図4のフローチャートは、燃料電池システム10における制御方法の一例を示すに過ぎない。図4のフローチャートの各段階を適宜組み換えてよく、図4のフローチャートの一部の段階を省略してもよく、図4のフローチャートに他の段階を追加してもよい。
FIG. 4 is a flowchart showing a method for controlling the fuel cell system 10 by the
本フローチャートのS400において、制御部100は、燃料電池システム10の起動処理を行う。具体的には、制御部100は、外部電源80からの電力を加熱部50に供給して加熱部50を駆動して、改質部120及び発電部130を加熱する。また、制御部100は、外部電源80からの電力を水蒸気生成部40に供給して水蒸気生成部40を駆動して、水蒸気を原燃料流路180に供給するとともに、原燃料ガスの流量を制御して原燃料流路180に供給する。
In S400 of this flowchart, the
燃料電池システム10の出力が定格出力に到達すると、S402において、外部電源80との連系運転を行う。連系運転中には、水蒸気生成部40及び加熱部50の動作は停止される。
When the output of the fuel cell system 10 reaches the rated output, the interconnection operation with the
S404において、燃料電池システム10を外部電源80から解列するか否かを判断する。例えば、制御部100は、外部電源80の停電が生じた場合に、外部電源80から解列すると判断する。例えば、制御部100は、外部電源ライン20の電圧が予め定められた値を下回った場合に、停電が生じたと判断してよい。また、制御部100は、外部電源ライン20の周波数と基準周波数との差が予め定められた値を超えた場合に、外部電源80から解列すると判断してよい。また、制御部100は、外部から解列指示を受信した場合に、外部電源80から解列すると判断してよい。
In S404, it is determined whether or not the fuel cell system 10 is disconnected from the
外部電源80から解列する場合、S406において、燃料電池システム10を外部電源80から解列する。具体的には、制御部100は、継電器22をオフ状態にすることにより、燃料電池システム10を外部電源80から解列する。
When disconnecting from the
S408において、制御部100は、燃料電池システム10の出力を、定格出力100kWから自立時出力50kWまで低下させる。具体的には、制御部100は、脱硫部70から原燃料流路180に供給される原燃料の流量を、定格運転時の50%にすることにより、燃料電池システム10の出力を定格出力から自立時出力に低下させる。
In S408, the
また、制御部100は、S410において、DC−AC変換部60からの電力を内部電源ライン24を通じて水蒸気生成部40に供給して水蒸気生成部40を起動して、水蒸気生成部40に水蒸気を生成させる。
In S410, the
また、制御部100は、S412において、DC−AC変換部60からの電力を内部電源ライン24を通じて内部負荷30に供給して、内部負荷30で消費させる。
In step S <b> 412, the
続いて、S414において、制御部100は、改質部120への供給ガスのS/Cが3.5の近傍に維持されるように、ブロア160を制御して燃料排ガスの再循環流量を制御する。
Subsequently, in S414, the
S416において、外部電源80との連系を再開するか否かを判断する。例えば、S404で外部電源80の停電に応じて解列した場合、制御部100は、外部電源80の復電を検出したときに、外部電源80との連系を再開すると判断してよい。また、制御部100は、外部電源ライン20の周波数と基準周波数との差が予め定められた値以下になった場合に、外部電源80から解列すると判断してよい。その他、外部からの連系指示を受信した場合に、外部電源80との連系を再開すると判断してよい。
In S416, it is determined whether or not the connection with the
外部電源80との連系を再開する場合、S418において、連系の再開処理を行う。具体的には、制御部100は、継電器22をオン状態にすることにより、DC−AC変換部60の出力側を外部電源ライン20に接続する。また、制御部100は、原燃料流路180に供給される原燃料の流量を、定格運転時の規定量まで上げていく。次に、外部電源80との連系運転を行うS402に進んだ後、燃料電池システム10の出力を定格出力まで上げる。上述したように、燃料電池システム10によれば、解列状態において出力50kWの自立運転を維持することができるので、連系運転を開始するまでに要する時間を短縮することができる。
When the connection with the
なお、本フローチャートのS416において、外部電源80との連系を再開しないと判断した場合、S420において燃料電池システム10の運転を停止するか否かを判断する。例えば、制御部100は、燃料電池システム10の運転停止指示を受信した場合に、燃料電池システム10の運転を停止すると判断する。燃料電池システム10の運転を停止しない場合、S414に処理を進める。燃料電池システム10の運転を停止する場合、S422で燃料電池システム10の停止処理をして、本フローチャートの処理を終了する。
If it is determined in S416 of this flowchart that the connection with the
また、本フローチャートのS404において、外部電源80から解列すると判断した場合、S420と同様に、S430において燃料電池システム10の運転を停止するか否かを判断する。燃料電池システム10の運転を停止しない場合、S402に処理を進める。燃料電池システム10の運転を停止する場合、S422に処理を進める。
Also, in S404 of this flowchart, when it is determined that the
図5は、他の実施形態における燃料電池システム500の機能ブロックを含む、外部電源80、外部負荷90及び外部電源ライン20とともに概略的に示す。燃料電池システム500は、その構造上、上述した燃料電池システム10が備える構成要素に加えて、制御弁510、制御弁520及び水蒸気排出流路580を備える点で、燃料電池システム10が備える構成と相違する。
FIG. 5 schematically shows the
水蒸気排出流路580は、水蒸気供給流路181から分岐して設けられる。水蒸気排出流路580は、燃料排ガス排出流路184に接続される。制御弁510は、水蒸気排出流路580に設けられる。制御弁520は、水蒸気供給流路181において水蒸気排出流路580との分岐点より下流側に設けられる。
The water
燃料電池システム500の制御内容については、主として燃料電池システム10との相違点を説明する。制御部100は、燃料電池システム10を自立時出力で運転させる場合に、制御弁520を閉状態にし、制御弁510を開状態にする。これにより、水蒸気生成部40で生成された水蒸気を、水蒸気排出流路580を通じて燃料排ガス排出流路184に排出する。燃料電池システム500によれば、燃料排ガスの再循環流量を大きく減少させることなく、自立時出力を維持することができる。
About the control content of the
なお、以上の説明において、燃料電池システム10における自立時出力の一部を内部負荷30が消費する形態を説明した。他の実施形態として、制御部100は、自立時出力の一部を加熱部50で消費させてもよい。すなわち、内部負荷とは、本実施形態で説明した内部負荷30以外に、加熱部50を含む概念である。内部負荷とは、定格運転時に燃料電池システム10において実質的に駆動されない様々な負荷を含み得る。
In the above description, the mode in which the
なお、制御部100は、コンピュータにより実現されてよい。コンピュータがプログラムを実行することにより、プログラムは、コンピュータが有するプロセッサおよびメモリ等の各部を制御することにより、制御部100の機能を実現してよい。当該プログラムは、コンピュータが読出し可能な記録媒体に格納されてよい。
The
なお、本実施形態で説明した制御部100の制御と同様の制御は、燃料電池システム10が外部電源80から切り離された場合以外にも適用できる。例えば、燃料電池システム10が起動後に自立運転を維持している場合において、燃料電池システム10の自立運転時の発電部130の発電電力が、自立運転時の負荷電力を超える場合にも適用できる。ここで、自立運転時の負荷電力は、燃料電池システム10の補機が消費する電力であってよい。また、内部電源ラインに24に非常用負荷が接続される場合、自立運転時の負荷電力には、非常用負荷が消費する電力を含み得る。更に、本実施形態で説明する制御部100の制御と同様の制御は、燃料電池システム10が外部電源80と接続されているか否かにかかわらず、発電部130が発電可能な電力が、発電部130の発電電力を消費する負荷電力を超える場合に、適用できる。
Note that the same control as the control of the
すなわち、制御部100は、発電部130の発電電力が負荷電力を超える場合に、負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部40に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部40が消費することにより水蒸気生成部40で生成された水蒸気量に応じて、改質部120に供給される燃料排ガスの量を減少させてよい。これにより、水蒸気量の増加に伴う発電電力の低下を抑制して、燃料電池システム10の熱自立を維持するために必要な出力を維持することができる。
That is, when the generated power of the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10 燃料電池システム
20 外部電源ライン
22 継電器
24 内部電源ライン
30 内部負荷
40 水蒸気生成部
50 加熱部
60 DC−AC変換部
70 脱硫部
80 外部電源
90 負荷
100 制御部
110 燃料電池モジュール
120 改質部
130 発電部
150 流量センサ
160 ブロア
180 原燃料流路
181 水蒸気供給流路
182 燃料排ガス流路
183 燃料排ガス再循環流路
184 燃料排ガス排出流路
186 酸化剤ガス流路
188 酸化剤排ガス流路
190 排エネルギー利用部
200、210 線
500 燃料電池システム
510 制御弁
520 制御弁
580 水蒸気排出流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Claims (8)
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、
前記燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、
前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を制御する制御部と、
電力を消費して、前記改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から前記燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A power generation unit that generates power by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and discharges fuel exhaust gas containing water vapor generated at the fuel electrode;
A reforming section to which the fuel exhaust gas and raw fuel gas are supplied;
A control unit for controlling the amount of the fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit;
A steam generating unit that consumes electric power and generates steam supplied to the reforming unit;
When the fuel cell system is disconnected from an external power source capable of supplying power in parallel with the fuel cell system, the control unit supplies at least part of the surplus power to the water vapor generation unit, and the surplus power The fuel cell system reduces the amount of the fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit according to the amount of water vapor generated by the water vapor generating unit by consuming the at least part of the water vapor generating unit.
前記制御部は、前記燃料電池システムが前記系統電源から解列された場合に、前記余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
請求項1に記載の燃料電池システム。 The external power supply is a system power supply,
When the fuel cell system is disconnected from the system power supply, the control unit supplies at least a part of the surplus power to the water vapor generation unit, and according to the amount of water vapor generated by the water vapor generation unit. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of the fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit is reduced.
前記燃料電池システムが前記外部電源と並列して電力を供給中に、前記燃料電池システムの出力が定格出力となるように前記発電部を制御し、
前記燃料電池システムが前記外部電源から切り離された場合に、前記発電部の発電電力を低下させて、前記燃料電池システムの出力を、前記燃料電池システムを自立運転するために維持するべき予め定められた自立時出力に低下させるとともに、前記余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The controller is
While the fuel cell system supplies power in parallel with the external power supply, the power generation unit is controlled so that the output of the fuel cell system becomes a rated output,
When the fuel cell system is disconnected from the external power source, the power generated by the power generation unit is reduced, and the output of the fuel cell system should be maintained in order to operate the fuel cell system independently. In addition, the output is reduced to a self-sustained output, and at least a part of the surplus power is supplied to the steam generation unit, and is recirculated to the reforming unit according to the amount of steam generated by the steam generation unit. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of fuel exhaust gas is reduced.
をさらに備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムが前記外部電源から切り離された場合に更に、前記余剰電力の一部を前記内部負荷に供給して、前記発電部の発電電力を、前記改質部及び前記発電部を含む燃料電池モジュールにおける熱自立を維持できる電力に維持する
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 An internal load that consumes power,
The control unit further supplies a part of the surplus power to the internal load when the fuel cell system is disconnected from the external power source, and converts the generated power of the power generation unit to the reforming unit and the reforming unit. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is maintained at electric power capable of maintaining thermal independence in the fuel cell module including the power generation unit.
請求項1から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 When the generated power of the power generation unit exceeds load power, the control unit supplies at least a part of surplus power exceeding the load power to the water vapor generation unit, and the at least part of the surplus power is supplied to the water vapor. The amount of the said fuel exhaust gas recirculated to the said reforming part is reduced according to the amount of water vapor | steam produced | generated by the said water vapor | steam production | generation part by consuming a production | generation part. Fuel cell system.
請求項1から5の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The controller generates the steam generated by the steam generator so as to maintain a steam carbon ratio in a gas including the fuel exhaust gas and the raw fuel gas supplied to the reforming unit at a predetermined value. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the amount of the fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit is reduced according to the amount.
前記燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、
電力を消費して、前記改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部と
を備える燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から前記燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる制御部
を備える制御装置。 A power generation unit that generates power by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and discharges fuel exhaust gas containing water vapor generated at the fuel electrode;
A reforming section to which the fuel exhaust gas and raw fuel gas are supplied;
A control device for a fuel cell system comprising a water vapor generating unit that consumes electric power and generates water vapor supplied to the reforming unit,
When the fuel cell system is disconnected from an external power source capable of supplying power in parallel with the fuel cell system, at least a part of surplus power is supplied to the water vapor generating unit, and the at least part of the surplus power is A control device comprising a control unit that reduces the amount of the fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit according to the amount of water vapor generated by the water vapor generation unit as a result of consumption of the water vapor generation unit.
前記燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、
電力を消費して、前記改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部と
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から前記燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給する段階と、
前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる段階と
を備える制御方法。 A power generation unit that generates power by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and discharges fuel exhaust gas containing water vapor generated at the fuel electrode;
A reforming section to which the fuel exhaust gas and raw fuel gas are supplied;
A method for controlling a fuel cell system, comprising a water vapor generating unit that consumes electric power and generates water vapor supplied to the reforming unit,
When the fuel cell system is disconnected from an external power source capable of supplying power in parallel with the fuel cell system, supplying at least a part of surplus power to the water vapor generating unit;
Reducing the amount of the fuel exhaust gas recirculated to the reforming unit according to the amount of water vapor generated in the water vapor generating unit by consuming at least a part of the surplus power by the water vapor generating unit; A control method comprising:
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