JP2020009663A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
下記特許文献１には、炭化水素を主体とする原燃料（原料ガス）を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成し、この燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールが記載されている。 Patent Document 1 listed below reforms a raw fuel (raw material gas) mainly composed of hydrocarbons to generate a fuel gas (reformed gas), and generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas and an oxidizing gas. A fuel cell module is described.
上記特許文献１に示されるような、原料ガスに含まれる炭化水素を改質して改質ガスを生成する燃料電池システムでは、単位時間あたりに投入される原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下する。燃料ガス濃度が低下すると、燃料電池システムの運転効率が低下する場合がある。または、単位時間あたりに投入される原料ガスの熱量が増加すると、改質器等において炭素析出が発生する場合がある。 In a fuel cell system that reforms hydrocarbons contained in a raw material gas to generate a reformed gas as disclosed in Patent Document 1, when the calorific value of the raw material gas supplied per unit time decreases, the reforming is performed. The fuel gas concentration in the gas decreases. When the fuel gas concentration decreases, the operation efficiency of the fuel cell system may decrease. Alternatively, when the calorific value of the raw material gas supplied per unit time increases, carbon deposition may occur in a reformer or the like.
本発明は、上記事実を考慮して、原料ガスの熱量が低下した際に運転効率が低下することを抑制し、原料ガスの熱量が増加した場合に炭素析出の発生を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention, in consideration of the above facts, suppresses a decrease in operating efficiency when the calorific value of the raw material gas is reduced, and provides a fuel cell system capable of suppressing the occurrence of carbon deposition when the calorific value of the raw material gas is increased. The purpose is to provide.
請求項１の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部と、前記改質部から供給された前記改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する制御部と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1, wherein power is generated by reacting the reforming unit that generates the reformed gas by steam reforming the raw material gas with the reformed gas supplied from the reforming unit and the oxidizing gas. A fuel cell to perform, a combustor for burning off-gas discharged from the fuel cell, and controlling at least one of a flow rate of the raw material gas, a flow rate of the reforming water, and a power generation amount according to a change in calorific value of the raw material gas. And a control unit that performs the control.
請求項１に記載の燃料電池システムによると、制御部が、原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する。 According to the fuel cell system of the first aspect, the control unit controls at least one of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount according to the change in the calorific value of the raw material gas.
例えば原料ガスの熱量が減少すると、制御部は原料ガスの流量を大きくする。これにより改質部へ供給される単位時間あたりの熱量を増やし、改質ガス中の燃料ガス濃度の低下を抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下することが抑制される。 For example, when the calorific value of the source gas decreases, the control unit increases the flow rate of the source gas. This increases the amount of heat per unit time supplied to the reforming unit, and suppresses a decrease in the fuel gas concentration in the reformed gas. Therefore, a decrease in the operating efficiency of the fuel cell system is suppressed.
または、原料ガスの熱量が減少すると、制御部は改質水の流量を少なくする。これにより改質部へ原料ガスの熱量に対して余分な水分が供給されることを抑制し、余分な水分を加熱することによる熱ロスを抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下することが抑制される。 Alternatively, when the calorific value of the source gas decreases, the control unit reduces the flow rate of the reforming water. This suppresses the supply of excess water to the reforming section with respect to the calorific value of the raw material gas, and suppresses the heat loss caused by heating the excess water. Therefore, a decrease in the operating efficiency of the fuel cell system is suppressed.
あるいは、原料ガスの熱量が減少すると、発電量を小さくする。これにより改質ガス中の燃料ガスの熱量に見合った発電量として、発電効率の低下を抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下することが抑制される。 Alternatively, when the calorific value of the source gas decreases, the power generation amount decreases. This suppresses a decrease in power generation efficiency as a power generation amount corresponding to the calorific value of the fuel gas in the reformed gas. Therefore, a decrease in the operating efficiency of the fuel cell system is suppressed.
また、例えば原料ガスの熱量が増加すると、制御部は改質水の流量を多くする。これにより改質部へ原料ガスの熱量に対して十分な水分が供給され、炭素の析出が抑制される。なお「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。 Further, for example, when the calorific value of the source gas increases, the control unit increases the flow rate of the reforming water. As a result, a sufficient amount of water with respect to the calorific value of the raw material gas is supplied to the reforming section, and carbon deposition is suppressed. The “reforming unit” refers to both a reformer provided separately from the fuel cell and a part where a reforming reaction is performed in the fuel cell.
請求項２の燃料電池システムは、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度センサと、前記改質部の温度を検出する改質部温度センサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電圧、前記燃焼器の温度及び前記改質部の温度の少なくとも１つから前記原料ガスの熱量変化を推測する。 The fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein a voltage sensor for detecting a voltage of the fuel cell, a combustor temperature sensor for detecting a temperature of the combustor, and a temperature of the reformer. And a controller for estimating a change in calorific value of the raw material gas from at least one of a voltage of the fuel cell, a temperature of the combustor, and a temperature of the reformer. .
請求項２の燃料電池システムによると、制御部は、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度の少なくとも１つから前記原料ガスの熱量変化を推測する。 According to the fuel cell system of the second aspect, the control unit estimates the change in the calorific value of the raw material gas from at least one of the voltage of the fuel cell, the temperature of the combustor, and the temperature of the reforming unit.
例えば燃料電池の電圧が低下すると、原料ガスの熱量が減少していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、燃料電池の電圧が低下するからである。 For example, when the voltage of the fuel cell decreases, it is estimated that the calorific value of the source gas decreases. This is because when the calorific value of the source gas decreases, the fuel gas concentration in the reformed gas decreases, and the voltage of the fuel cell decreases.
または、燃焼器の温度が低下すると、原料ガスの熱量が減少していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、燃焼器へ供給されるオフガスにおける燃料ガス濃度が低下するため、燃焼器の温度が低下するからである。 Alternatively, it is assumed that when the temperature of the combustor decreases, the calorific value of the raw material gas decreases. This is because when the calorific value of the raw material gas decreases, the fuel gas concentration in the off-gas supplied to the combustor decreases, so that the temperature of the combustor decreases.
あるいは、改質部の温度が上昇すると、原料ガスの熱量が減少していると推測する。これは、原料ガスの熱量が低下すると改質反応が低減されるため、水蒸気改質反応に伴う吸熱が抑制されるからである。 Alternatively, it is assumed that when the temperature of the reforming section increases, the calorific value of the raw material gas decreases. This is because when the calorific value of the raw material gas decreases, the reforming reaction is reduced, so that endothermic accompanying the steam reforming reaction is suppressed.
このように、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度の少なくとも１つから原料ガスの熱量変化を推測することで、熱量計を省略することができる。これにより燃料電池システムの構成を簡略化できる。 As described above, the calorimeter can be omitted by estimating the change in the calorific value of the raw material gas from at least one of the voltage of the fuel cell, the temperature of the combustor, and the temperature of the reforming section. Thereby, the configuration of the fuel cell system can be simplified.
請求項３の燃料電池システムは、請求項２の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の電圧、前記燃焼器の温度及び前記改質部の温度から前記原料ガスの熱量変化を推測する。 In a fuel cell system according to a third aspect, in the fuel cell system according to the second aspect, the control unit estimates a change in calorific value of the raw material gas from a voltage of the fuel cell, a temperature of the combustor, and a temperature of the reforming unit. I do.
請求項３の燃料電池システムによると、制御部は、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度、すなわち複数の指標を組み合わせて原料ガスの熱量変化を推測する。このため、１つの指標から推測する場合と比較して推測の精度が高い。 According to the fuel cell system of the third aspect, the control unit estimates the change in the calorific value of the raw material gas by combining the voltage of the fuel cell, the temperature of the combustor, and the temperature of the reforming unit, that is, a plurality of indices. For this reason, the accuracy of the estimation is higher than the case where the estimation is performed from one index.
請求項４の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を複数備え、後段に配置された前記燃料電池は前段に配置された前記燃料電池から排出されたオフガスを用いて発電を行ない、前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する。 The fuel cell system according to claim 4 is the fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system includes a plurality of the fuel cells, and the fuel cell disposed at a subsequent stage is configured to discharge off-gas discharged from the fuel cell disposed at a preceding stage. The power sensor is used to generate power, and the voltage sensor detects at least the voltage of the fuel cell disposed at the last stage.
請求項４の燃料電池システムは、燃料電池を複数備えている。原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、最前段に配置された燃料電池の電圧が低下する。また、この燃料電池から排出されるオフガス中の燃料ガス濃度も低下するため、後段側に配置された燃料電池の電圧も低下する。 The fuel cell system according to claim 4 includes a plurality of fuel cells. When the calorific value of the source gas decreases, the fuel gas concentration in the reformed gas decreases, so that the voltage of the fuel cell disposed at the forefront decreases. Further, since the concentration of the fuel gas in the off gas discharged from the fuel cell also decreases, the voltage of the fuel cell disposed on the subsequent stage also decreases.
このとき、前段側の燃料電池より、後段側の燃料電池のほうが、原料ガスの熱量が減少する「前」の電圧に対する電圧低下率が大きい。 At this time, the voltage drop rate of the fuel cell of the latter stage is larger than that of the fuel cell of the former stage with respect to the voltage “before” the calorific value of the source gas is reduced.
ここで、請求項４の電圧センサは、少なくとも最後段に配置された燃料電池の電圧を検出する。すなわち、原料ガスの熱量が減少することによる電圧低下率が最も高い燃料電池の電圧を検出する。これにより、例えば最前段に配置された燃料電池の電圧を検出する場合と比較して、原料ガスの微細な熱量変化を推測することができる。 Here, the voltage sensor according to claim 4 detects at least the voltage of the fuel cell arranged at the last stage. That is, the voltage of the fuel cell having the highest voltage decrease rate due to the decrease in the calorific value of the source gas is detected. This makes it possible to estimate a minute change in the calorific value of the raw material gas, for example, as compared with a case where the voltage of the fuel cell arranged at the forefront stage is detected.
請求項５の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を複数備え、後段に配置された前記燃料電池は前段に配置された前記燃料電池から排出されたオフガスを用いて発電を行ない、前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する。 The fuel cell system according to claim 5 is the fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell includes a plurality of the fuel cells, and the fuel cell disposed at a subsequent stage is configured to discharge off-gas discharged from the fuel cell disposed at a preceding stage. The power sensor is used to generate power, and the voltage sensor detects at least the voltage of the fuel cell disposed at the last stage.
請求項５の燃料電池システムによると、電圧センサは、少なくとも最後段に配置された燃料電池の電圧を検出する。すなわち、原料ガスの熱量が減少することによる電圧低下率が最も高い燃料電池の電圧を検出する。これにより、例えば最前段に配置された燃料電池の電圧を検出する場合と比較して、原料ガスの微細な熱量変化を推測することができる。 According to the fuel cell system of the fifth aspect, the voltage sensor detects at least the voltage of the fuel cell disposed at the last stage. That is, the voltage of the fuel cell having the highest voltage decrease rate due to the decrease in the calorific value of the source gas is detected. This makes it possible to estimate a minute change in the calorific value of the raw material gas, for example, as compared with a case where the voltage of the fuel cell arranged at the forefront stage is detected.
さらに、制御部は、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度、すなわち複数の指標を組み合わせて原料ガスの熱量変化を推測する。このため、１つの指標から推測する場合と比較して推測の精度が高い。 Further, the control unit estimates the change in the calorific value of the raw material gas by combining the voltage of the fuel cell, the temperature of the combustor, and the temperature of the reforming unit, that is, a plurality of indices. For this reason, the accuracy of the estimation is higher than the case where the estimation is performed from one index.
本発明に係る燃料電池システムでは、原料ガスの熱量が低下した際に運転効率が低下することを抑制し、原料ガスの熱量が増加した場合に炭素析出の発生を抑制できる。 In the fuel cell system according to the present invention, it is possible to suppress a decrease in operation efficiency when the calorific value of the raw material gas is reduced, and to suppress the occurrence of carbon deposition when the calorific value of the raw material gas is increased.
［第１実施形態］
（燃料電池システム）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器２０と、改質器２０から供給された改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池セルスタック３０と、燃料電池セルスタック３０から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器４０と、原料ガスの熱量変化に応じて、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量のうち少なくとも何れかを制御する制御部５０と、を備えている。
[First Embodiment]
(Fuel cell system)
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention has a reformer 20 that generates a reformed gas by steam reforming a raw material gas, and a reformer 20 that is supplied from the reformer 20. A fuel cell stack 30 for generating electric power by reacting the reformed gas and the oxidizing gas; a combustor 40 for burning off-gas discharged from the fuel cell stack 30; And a control unit 50 for controlling at least one of the flow rate, the reforming water flow rate, and the power generation amount.
（改質器）
改質器２０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器２０は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部と、改質用触媒を備える改質部とで構成されている。なお、以下の説明においては、特に断りのない限り改質器２０とは改質部を示すものとする。
(Reformer)
The reformer 20 generates a reformed gas by steam reforming the raw material gas. The reformer 20 includes, for example, a combustion unit in which a burner or a combustion catalyst is arranged, and a reforming unit including a reforming catalyst. In the following description, the reformer 20 indicates a reforming unit unless otherwise specified.
改質器２０には、原料ガス供給経路Ｐ１の一端が接続されている。原料ガス供給経路Ｐ１には、ブロアＢが設けられている。これによりメタンなどの原料ガスが原料ガス供給経路Ｐ１を通じて改質器２０に供給される。 One end of the source gas supply path P1 is connected to the reformer 20. A blower B is provided in the source gas supply path P1. Thereby, a source gas such as methane is supplied to the reformer 20 through the source gas supply path P1.
また、改質器２０には、水蒸気供給経路Ｐ４の一端が接続されている。水蒸気供給経路Ｐ４の他端は、水供給管Ｐ３から供給された改質水を気化させる気化器６０に接続されている。この気化器６０は、水蒸気供給経路Ｐ４を介して水蒸気を改質器２０に送出する。 Further, one end of a steam supply path P4 is connected to the reformer 20. The other end of the steam supply path P4 is connected to a vaporizer 60 that vaporizes the reformed water supplied from the water supply pipe P3. The vaporizer 60 sends out steam to the reformer 20 via the steam supply path P4.
改質器２０において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の（１）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（１）
When methane, which is an example of a raw material gas, is subjected to steam reforming in the reformer 20, carbon monoxide and hydrogen are generated by the following reaction (1).
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
更に、一酸化炭素をシフト改質させた場合、以下の（２）式の反応により水素及び二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・（２）
Furthermore, when carbon monoxide is shift-reformed, hydrogen and carbon dioxide are generated by the reaction of the following formula (2).
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (2)
なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは、天然ガス、都市ガス、又はＬＰガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。 In the present embodiment, methane is used as an example of the raw material gas. However, the gas is not particularly limited as long as the gas can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms, such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane. Methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gas, and the above-mentioned lower hydrocarbon gas is a gas such as natural gas, city gas, or LP gas, biogas, or the like. Is also good. Further, the source gas may be a mixed gas of these.
改質器２０には、改質ガス供給経路Ｐ２の一端が接続されている。改質ガス供給経路Ｐ２の他端は、燃料電池セルスタック３０におけるアノード３２Ｂに接続されている。これにより、改質器２０にて生成された改質ガスが、改質ガス供給経路Ｐ２を通じて燃料電池セルスタック３０に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器２０で生成された二酸化炭素、水素、未反応の一酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of the reformed gas supply path P2 is connected to the reformer 20. The other end of the reformed gas supply path P2 is connected to the anode 32B in the fuel cell stack 30. Thereby, the reformed gas generated in the reformer 20 is supplied to the fuel cell stack 30 through the reformed gas supply path P2. The reformed gas contains unreacted methane, carbon dioxide and hydrogen generated in the reformer 20, unreacted carbon monoxide, water vapor, and the like.
（燃料電池セルスタック）
燃料電池セルスタック３０は固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル３２を有している。個々の燃料電池セル３２は、電解質層３２Ｃと、電解質層３２Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたカソード３２Ａ及びアノード３２Ｂと、を有する。なお、図１に示す例では、複数の燃料電池セル３２の個々のカソードをまとめて「カソード３２Ａ」として図示されており、複数の燃料電池セル３２の個々のアノードをまとめて「アノード３２Ｂ」として図示されている。なお、燃料電池セルスタック３０は、溶融炭酸塩型や固体高分子型の燃料電池セルスタックとしてもよい。
(Fuel cell stack)
The fuel cell stack 30 is a solid oxide fuel cell stack, and has a plurality of fuel cells 32 stacked. Each fuel cell 32 has an electrolyte layer 32C, and a cathode 32A and an anode 32B which are respectively laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer 32C. In the example shown in FIG. 1, the individual cathodes of the plurality of fuel cells 32 are collectively illustrated as “cathode 32A”, and the individual anodes of the plurality of fuel cells 32 are collectively referred to as “anode 32B”. Is shown. The fuel cell stack 30 may be a molten carbonate type or solid polymer type fuel cell stack.
カソード３２Ａには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されている。カソード３２Ａには、酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガス（例えば空気）が供給される。カソード３２Ａでは、以下の（３）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層３２Ｃを通ってアノード３２Ｂに到達する。 One end of an oxidizing gas pipe P5, which is a pipe through which an oxidizing gas flows, is connected to the cathode 32A. An oxidizing gas (for example, air) is supplied to the cathode 32A via an oxidizing gas pipe P5. In the cathode 32A, as shown in the following equation (3), oxygen in the oxidizing gas reacts with electrons to generate oxygen ions. The generated oxygen ions reach the anode 32B through the electrolyte layer 32C.
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− ・・・（３） 1 / 2O 2 + 2e − → O 2 -... (3)
一方、アノード３２Ｂでは、以下の（４）式及び（５）式に示すように、電解質層３２Ｃを通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノード３２Ｂで生成された電子がアノード３２Ｂから外部回路を通ってカソード３２Ａに移動することで、各燃料電池セル３２において発電される。なお、各燃料電池セル３２は、発電時に発熱する。 On the other hand, at the anode 32B, as shown in the following equations (4) and (5), oxygen ions having passed through the electrolyte layer 32C react with hydrogen and carbon monoxide as fuel gas in the reformed gas, Water (steam), carbon dioxide and electrons are produced. Electrons generated at the anode 32B move from the anode 32B to the cathode 32A through an external circuit, thereby generating power in each fuel cell 32. Each fuel cell 32 generates heat during power generation.
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・(４) H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ··· (4)
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ− ・・・(５) CO + O 2- → CO 2 + 2e - ··· (5)
アノード３２Ｂには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６には、アノード３２Ｂからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。 One end of an anode off gas pipe P6, which is a pipe through which the anode off gas flows, is connected to the anode 32B, and the anode off gas is discharged from the anode 32B to the anode off gas pipe P6. The anode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.
カソード３２Ａには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ７には、カソード３２Ａからカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。 One end of a cathode off-gas pipe P7, which is a pipe through which the cathode off-gas flows, is connected to the cathode 32A, and the cathode off-gas is discharged from the cathode 32A to the cathode off-gas pipe P7. The cathode off-gas contains unreacted oxidizing gas and the like.
アノードオフガス管Ｐ６の他端及びカソードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０に接続されている。 The other end of the anode offgas pipe P6 and the other end of the cathode offgas pipe P7 are connected to the combustor 40.
（燃焼器）
燃焼器４０は、カソード３２Ａから排出されたカソードオフガスと、アノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスとの混合ガスを燃焼させる。燃焼器４０からの排気は、排気管Ｐ８を通じて排出される。
(Combustor)
The combustor 40 burns a mixed gas of the cathode off gas discharged from the cathode 32A and the anode off gas discharged from the anode 32B. Exhaust gas from the combustor 40 is discharged through an exhaust pipe P8.
（センサ）
燃料電池システム１０は、燃料電池セルスタック３０の電圧を検出する電圧センサ７２と、燃焼器４０の温度を検出する温度センサ７４（燃焼器温度センサ）と、改質器２０の温度を検出する温度センサ７６（改質器温度センサ）と、を備えている。
(Sensor)
The fuel cell system 10 includes a voltage sensor 72 for detecting the voltage of the fuel cell stack 30, a temperature sensor 74 for detecting the temperature of the combustor 40 (combustor temperature sensor), and a temperature for detecting the temperature of the reformer 20. A sensor 76 (reformer temperature sensor).
電圧センサ７２はカソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間に設けられており、カソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間の電位差（燃料電池セルスタック３０の電圧）を検出する。温度センサ７４は燃焼器４０に設けられており、燃焼器４０の温度を検出する。温度センサ７６は改質器２０に設けられており、改質器２０の温度を検出する。 The voltage sensor 72 is provided between the cathode 32A and the anode 32B, and detects a potential difference (voltage of the fuel cell stack 30) between the cathode 32A and the anode 32B. The temperature sensor 74 is provided in the combustor 40 and detects the temperature of the combustor 40. The temperature sensor 76 is provided in the reformer 20 and detects the temperature of the reformer 20.
（制御部）
制御部５０は、燃料電池システム１０の運転効率の低下や改質器２０、改質ガス供給経路Ｐ２、燃料電池セルスタック３０、アノードオフガス管Ｐ６又は燃焼器４０における炭素析出を抑制するための燃料電池システム用装置である。制御部５０は、電圧センサ７２、温度センサ７４、温度センサ７６と有線又は無線で接続されており、これらから燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度が入力される。
(Control unit)
The control unit 50 controls the fuel for suppressing the reduction of the operation efficiency of the fuel cell system 10 and the carbon deposition in the reformer 20, the reformed gas supply path P2, the fuel cell stack 30, the anode off-gas pipe P6 or the combustor 40. It is a device for a battery system. The control unit 50 is connected to the voltage sensor 72, the temperature sensor 74, and the temperature sensor 76 in a wired or wireless manner, from which the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 are input. Is done.
制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度から、原料ガスの熱量変化を推測する。例えば燃料電池セルスタック３０の電圧が「低下」すると、単位時間当たりに投入された原料ガスの熱量が「減少」していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、燃料電池セルスタック３０の電圧が低下するからである。 The control unit 50 estimates a change in the calorific value of the raw material gas from the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20. For example, when the voltage of the fuel cell stack 30 is “decreased”, it is estimated that the calorific value of the source gas supplied per unit time is “decreased”. This is because when the calorific value of the source gas decreases, the fuel gas concentration in the reformed gas decreases, and the voltage of the fuel cell stack 30 decreases.
または、燃焼器４０の温度が「低下」すると、原料ガスの熱量が「減少」していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、燃焼器４０へ供給されるアノードオフガスにおける燃料ガス濃度が低下するため、燃焼器４０の温度が低下するからである。 Alternatively, when the temperature of the combustor 40 is “decreased”, it is estimated that the calorific value of the source gas is “decreased”. This is because when the calorific value of the raw material gas decreases, the fuel gas concentration in the anode off-gas supplied to the combustor 40 decreases, so that the temperature of the combustor 40 decreases.
あるいは、改質器２０の温度が「上昇」すると、原料ガスの熱量が「減少」していると推測する。これは、原料ガスの熱量が低下すると改質反応が低減されるため、改質反応に伴う吸熱が抑制されるからである。 Alternatively, when the temperature of the reformer 20 rises, it is assumed that the calorific value of the raw material gas has fallen. This is because when the calorific value of the raw material gas is reduced, the reforming reaction is reduced, so that the heat absorption accompanying the reforming reaction is suppressed.
このように制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度のうち少なくとも１つを指標（パラメータ）として、原料ガスの熱量変化を推測することができる。但し、本実施形態においては、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度の「全て」を指標として、原料ガスの熱量変化を推測する。これにより指標数が少ない場合と比較して推測確度を高めることができる。 As described above, the control unit 50 can estimate the change in the calorific value of the raw material gas using at least one of the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 as an index (parameter). it can. However, in the present embodiment, the change in the calorific value of the raw material gas is estimated using “all” of the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 as indices. Thus, the estimation accuracy can be increased as compared with the case where the number of indices is small.
制御部５０による原料ガスの熱量変化推測方法について、図２のフローチャートに沿って説明する。まず、ステップ１００において、制御部５０に、電圧センサ７２、温度センサ７４、温度センサ７６から、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度がパラメータとして入力される。 The method of estimating the change in the calorific value of the raw material gas by the control unit 50 will be described with reference to the flowchart of FIG. First, in step 100, the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 are input as parameters from the voltage sensor 72, the temperature sensor 74, and the temperature sensor 76 to the control unit 50. .
次に、ステップ１０２で、制御部５０が燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲かどうかを判別する。例えば燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲より低い場合、原料ガスの熱量が減少していると推測してステップ１０４へ移行する。燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲内の場合、原料ガスの熱量は正常と判断して、ステップ１００へ戻る。なお、制御部５０が燃料電池セルスタック３０の電圧から原料ガスの熱量が減少していると推測する方法としては、例えば以下の方法がある。 Next, in step 102, the control unit 50 determines whether or not the voltage of the fuel cell stack 30 is within an allowable range. For example, when the voltage of the fuel cell stack 30 is lower than the allowable range, the process proceeds to step 104 on the assumption that the calorific value of the source gas has decreased. If the voltage of the fuel cell stack 30 is within the allowable range, the calorific value of the source gas is determined to be normal, and the process returns to step 100. As a method for the control unit 50 to estimate from the voltage of the fuel cell stack 30 that the calorific value of the source gas has decreased, for example, the following method is available.
改質器２０へ送出される原料ガスの熱量（単位時間あたりの熱量）を一定にして燃料電池システム１０を駆動させた場合、燃料電池セルスタック３０における発電量（Ｗ）と電圧（Ｖ）との関係は、例えば図６（Ａ）のように表される。ここで、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０における発電量（Ｗ）を制御している。また、制御部５０のメモリには、図６（Ａ）に示されるような発電量（Ｗ）と想定電圧値（Ｖ）との相関関係が保存されている。 When the fuel cell system 10 is driven with the calorific value (calorific value per unit time) of the raw material gas sent to the reformer 20 being constant, the power generation amount (W) and voltage (V) in the fuel cell stack 30 are determined. Is expressed, for example, as shown in FIG. Here, the control unit 50 controls the amount of power generation (W) in the fuel cell stack 30. The correlation between the power generation amount (W) and the assumed voltage value (V) as shown in FIG. 6A is stored in the memory of the control unit 50.
制御部５０は、燃料電池セルスタック３０を発電量Ｗ１で稼動させている際、電圧センサ７２で検出された電圧Ｖ２と、メモリに保存されている想定電圧Ｖ１とを比較する。そして、電圧センサ７２で検出された電圧Ｖ２が、想定電圧Ｖ１を基準とした許容範囲より低くなった場合、制御部５０は、原料ガスの熱量が減少していると推測する。 The control unit 50 compares the voltage V2 detected by the voltage sensor 72 with the assumed voltage V1 stored in the memory when the fuel cell stack 30 is operated at the power generation amount W1. When the voltage V2 detected by the voltage sensor 72 becomes lower than the allowable range based on the assumed voltage V1, the control unit 50 estimates that the calorific value of the source gas has decreased.
また、燃料電池セルスタック３０における発電量（単位時間あたりの発電量）を一定にして燃料電池システム１０を駆動させた場合、原料ガスの熱量（Ｊ）と電圧（Ｖ）との関係は、例えば図６（Ｂ）のように表される。制御部５０のメモリには、図６（Ｂ）に示されるような熱量（Ｊ）と電圧値（Ｖ）との相関関係が保存されている。 When the fuel cell system 10 is driven with the power generation amount (power generation amount per unit time) in the fuel cell stack 30 being constant, the relationship between the calorific value (J) of the source gas and the voltage (V) is, for example, It is represented as shown in FIG. The correlation between the amount of heat (J) and the voltage value (V) as shown in FIG. 6B is stored in the memory of the control unit 50.
制御部５０は、燃料電池セルスタック３０を一定の発電量Ｗ１で稼動させている際において、入力された電圧値が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に低下した場合、原料ガスの熱量が熱量Ｊ１から熱量Ｊ２に減少したと推測する。 When the input voltage value decreases from voltage V1 to voltage V2 while operating the fuel cell stack 30 at a constant power generation amount W1, the control unit 50 changes the heat amount of the source gas from the heat amount J1 to the heat amount J2. Guess it has decreased.
ステップ１０４では、制御部５０が燃焼器４０の温度が許容範囲かどうかを判別する。例えば燃焼器４０の温度が許容範囲より低い場合、原料ガスの熱量が減少していると推測してステップ１０６へ移行する。燃焼器４０の温度が許容範囲内の場合、原料ガスの熱量は正常と判断して、ステップ１００へ戻る。 In step 104, the control unit 50 determines whether the temperature of the combustor 40 is within the allowable range. For example, if the temperature of the combustor 40 is lower than the allowable range, the process proceeds to step 106 on the assumption that the calorific value of the source gas has decreased. If the temperature of the combustor 40 is within the allowable range, the calorific value of the raw material gas is determined to be normal, and the process returns to step 100.
ステップ１０６では、制御部５０が改質器２０の温度が許容範囲かどうかを判別する。例えば改質器２０の温度が許容範囲より高い場合、原料ガスの熱量が減少していると推測してステップ１０８へ移行する。改質器２０の温度が許容範囲内の場合、原料ガスの熱量は正常と判断して、ステップ１００へ戻る。 In step 106, the control unit 50 determines whether the temperature of the reformer 20 is within the allowable range. For example, when the temperature of the reformer 20 is higher than the allowable range, the process proceeds to step 108 on the assumption that the calorific value of the raw material gas has decreased. If the temperature of the reformer 20 is within the allowable range, the calorific value of the raw material gas is determined to be normal, and the process returns to step 100.
ステップ１０８では、制御部５０が、燃料電池システム１０を制御する。具体的には、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量のうち少なくとも何れかを制御する。 In step 108, the control unit 50 controls the fuel cell system 10. Specifically, at least one of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount is controlled.
例えば上述したステップ１０２〜１０６において、原料ガスの熱量が減少していると推測された場合、制御部５０は原料ガスの流量を大きくする。または、制御部５０は改質水の流量を少なくする。あるいは、制御部５０は発電量を小さくする。なお、制御部５０が、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の何れを制御するかは任意であり、予め制御部５０に対して何れを制御するかを設定しておくことができる。 For example, when it is estimated in steps 102 to 106 that the calorific value of the source gas has decreased, the control unit 50 increases the flow rate of the source gas. Alternatively, the control unit 50 reduces the flow rate of the reforming water. Alternatively, the control unit 50 reduces the power generation amount. It is optional that the control unit 50 controls the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, or the power generation amount, and it is possible to set in advance which of the control unit 50 to control. it can.
（作用・効果）
第１実施形態に係る燃料電池システム１０においては、制御部５０が、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度から原料ガスの熱量変化を推測する。このため、原料ガスの熱量を測定するための熱量計を設置する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡略化できる。
(Action / Effect)
In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the control unit 50 estimates a change in the calorific value of the raw material gas from the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20. Therefore, there is no need to install a calorimeter for measuring the calorific value of the raw material gas, and the configuration of the fuel cell system can be simplified.
さらに、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度の全てを指標として、原料ガスの熱量変化を推測している。例えば、燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲より低く、かつ、燃焼器４０の温度が許容範囲より低く、かつ、改質器２０の温度が許容範囲より高い場合には、制御部５０は、原料ガスの熱量が低下していると推測する。これに対して、少なくとも１つの指標が許容範囲内であれば、制御部５０は、原料ガスの熱量は正常であると判断する。 Further, the control unit 50 estimates the change in the calorific value of the raw material gas using all of the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 as indices. For example, when the voltage of the fuel cell stack 30 is lower than the allowable range, the temperature of the combustor 40 is lower than the allowable range, and the temperature of the reformer 20 is higher than the allowable range, the control unit 50 It is assumed that the calorific value of the source gas has decreased. On the other hand, if at least one index is within the allowable range, the control unit 50 determines that the calorific value of the source gas is normal.
これにより、原料ガスの熱量変化以外の要因によって各指標が変化した場合に、当該指標の変化が原料ガスの熱量変化に起因して発生したと判断されるエラーを抑制できる。このため、少ない指標で推測する場合と比較して原料ガスの熱量変化の推測確度が高い。 Accordingly, when each index changes due to a factor other than the change in the calorific value of the source gas, it is possible to suppress an error in which it is determined that the change in the index has occurred due to the change in the calorific value of the source gas. For this reason, the estimation accuracy of the change in the calorific value of the raw material gas is higher than when the estimation is performed using a small index.
また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０においては、制御部５０は、ステップ１０２〜１０６で原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、一例として原料ガスの流量を大きくする。これにより改質器２０へ供給される単位時間あたりの熱量を増やし、改質ガス中の燃料ガス濃度の低下を抑制する。これにより燃料電池セルスタック３０における燃料枯れや燃焼器４０の失火を抑制し、発電効率が低減することや燃料電池セルスタック３０の破損を抑制できる。また、単位発電量あたりの消費燃料を減らすことができる。 In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, when the control unit 50 estimates that the calorific value of the source gas has decreased in steps 102 to 106, the control unit 50 increases the flow rate of the source gas as an example. As a result, the amount of heat per unit time supplied to the reformer 20 is increased, and a decrease in the fuel gas concentration in the reformed gas is suppressed. As a result, it is possible to suppress fuel dying in the fuel cell stack 30 and misfire of the combustor 40, thereby reducing power generation efficiency and damaging the fuel cell stack 30. Further, fuel consumption per unit power generation can be reduced.
また、制御部５０は、ステップ１０２〜１０６で原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、他の一例として改質水の流量を少なくする。これにより改質器２０へ余分な水分が供給されることを抑制し、余分な水分を加熱することによる熱ロスを抑制する。換言すると、改質水の流量を少なくすることにより原料ガスの熱量減少に伴う炭素（Ｃ）と水（Ｓ）とのモル比（スチームカーボン比、Ｓ／Ｃ）の増加を抑制して、改質ガス中の燃料ガス濃度の低下を抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下し難い。 When the control unit 50 estimates that the calorific value of the raw material gas has decreased in steps 102 to 106, the control unit 50 reduces the flow rate of the reforming water as another example. This suppresses the supply of excess moisture to the reformer 20 and suppresses heat loss due to heating of excess moisture. In other words, by reducing the flow rate of the reforming water, the increase in the molar ratio (steam carbon ratio, S / C) between carbon (C) and water (S) due to the decrease in the calorific value of the raw material gas is suppressed, and the reforming is performed. The fuel gas concentration in the raw gas is prevented from lowering. For this reason, the operating efficiency of the fuel cell system does not easily decrease.
なお、制御部５０は、原料ガスの熱量が増大していると推測した場合、改質水の流量を多くすることもできる。これにより改質器２０へ十分な水分を供給して、改質器２０における炭素の析出を抑制できる。 When the control unit 50 estimates that the calorific value of the raw material gas has increased, the control unit 50 can also increase the flow rate of the reforming water. Thereby, a sufficient amount of water is supplied to the reformer 20, and the deposition of carbon in the reformer 20 can be suppressed.
また、制御部５０は、ステップ１０２〜１０６で原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、さらに他の一例として燃料電池セルスタック３０における発電量を小さくする。これにより改質ガス中の燃料ガスの熱量に見合った発電量として、燃料電池セルスタック３０における燃料枯れを抑制し、発電効率の低下を抑制する。また、燃料電池セルスタック３０の破損を抑制できる。 Further, when it is estimated in steps 102 to 106 that the calorific value of the source gas has decreased, the control unit 50 reduces the power generation amount in the fuel cell stack 30 as another example. As a result, the amount of power generation corresponding to the calorific value of the fuel gas in the reformed gas is suppressed, so that fuel depletion in the fuel cell stack 30 is suppressed, and a decrease in power generation efficiency is suppressed. Further, damage to the fuel cell stack 30 can be suppressed.
なお、制御部５０は、原料ガスの流量、改質水の流量、燃料電池セルスタック３０における発電量のうち少なくとも１つを制御する。つまり制御部５０は、原料ガスの流量、改質水の流量、燃料電池セルスタック３０における発電量のうち、２つ以上を制御してもよい。２つ以上を制御することにより相乗的に効果を発揮させて発電効率を高めることができる。 The control unit 50 controls at least one of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount in the fuel cell stack 30. That is, the control unit 50 may control two or more of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount in the fuel cell stack 30. By controlling two or more, synergistic effects can be exerted and power generation efficiency can be increased.
また、本実施形態においては、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度の全てを指標として、原料ガスの熱量変化を推測しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。たとえば、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度のうち少なくとも１つを指標として、原料ガスの熱量変化を推測してもよい。 Further, in the present embodiment, the control unit 50 estimates the change in calorific value of the raw material gas using all of the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 as indices. However, embodiments of the present invention are not limited to this. For example, the control unit 50 may estimate the change in the calorific value of the raw material gas using at least one of the voltage of the fuel cell stack 30, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20 as an index.
さらに、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の発電量と電圧値とを比較して、燃料電池セルスタック３０の劣化率を判定してもよい。この場合、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の劣化率に応じて原料ガスの熱量変化を推測し、原料ガスの流量、改質水の流量、燃料電池セルスタック３０における発電量のうち少なくとも１つを制御する。 Further, the control unit 50 may determine the deterioration rate of the fuel cell stack 30 by comparing the amount of power generation of the fuel cell stack 30 and the voltage value. In this case, the control unit 50 estimates a change in the calorific value of the raw material gas according to the deterioration rate of the fuel cell stack 30, and determines at least one of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount in the fuel cell stack 30. Control one.
またさらに、制御部５０には、原料ガスの熱量変化を推測するための各種の情報（例えば他の機器の制御情報等）を、予めプログラムしておいてもよいし、インターネットから逐次取得できる機構を組み込んでおいてもよい。 Further, the control unit 50 may be programmed in advance with various kinds of information (for example, control information of other devices) for estimating a change in the calorific value of the raw material gas, or a mechanism capable of sequentially acquiring the information from the Internet. May be incorporated.
［第２実施形態］
（燃料電池システム）
図３に示す第２実施形態に係る燃料電池システム１２は、多段式（２段）の燃料電池システムとされ、燃料電池セルスタック３０、３４を備えている。なお、第２実施形態において、上述の第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。
[Second embodiment]
(Fuel cell system)
The fuel cell system 12 according to the second embodiment shown in FIG. 3 is a multi-stage (two-stage) fuel cell system, and includes fuel cell stacks 30 and 34. In the second embodiment, the same components as those of the fuel cell system 10 according to the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
燃料電池セルスタック３４は、燃料電池セルスタック３０の後段に設置されたセルスタックである。燃料電池セルスタック３４は固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル３６を有している。個々の燃料電池セル３６は、電解質層３６Ｃと、電解質層３６Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたカソード３６Ａ及びアノード３６Ｂと、を有する。なお、燃料電池セルスタック３４は、燃料電池セルスタック３０と同様に、溶融炭酸塩型や固体高分子型の燃料電池セルスタックとしてもよい。 The fuel cell stack 34 is a cell stack installed after the fuel cell stack 30. The fuel cell stack 34 is a solid oxide fuel cell stack, and has a plurality of fuel cells 36 stacked. Each fuel cell 36 has an electrolyte layer 36C, and a cathode 36A and an anode 36B which are respectively laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer 36C. Note that, similarly to the fuel cell stack 30, the fuel cell stack 34 may be a molten carbonate type or solid polymer type fuel cell stack.
カソード３２Ａとカソード３６Ａとはカソードオフガス管Ｐ９で接続されており、カソード３６Ａには、カソード３２Ａから排出されたカソードオフガスが送出される。また、アノード３２Ｂとアノード３６Ｂとはアノードオフガス管Ｐ１０で接続されており、アノード３６Ｂには、アノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスが送出される。 The cathode 32A and the cathode 36A are connected by a cathode off-gas pipe P9, and the cathode off-gas discharged from the cathode 32A is delivered to the cathode 36A. The anode 32B and the anode 36B are connected by an anode off-gas pipe P10, and the anode off-gas discharged from the anode 32B is sent to the anode 36B.
電圧センサ７２Ａは、カソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間に設けられており、カソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間の電位差（燃料電池セルスタック３０の電圧）を検出する。また、電圧センサ７２Ｂは、カソード３６Ａとアノード３６Ｂとの間に設けられており、カソード３６Ａとアノード３６Ｂとの間の電位差（燃料電池セルスタック３４の電圧）を検出する。 The voltage sensor 72A is provided between the cathode 32A and the anode 32B, and detects a potential difference (voltage of the fuel cell stack 30) between the cathode 32A and the anode 32B. The voltage sensor 72B is provided between the cathode 36A and the anode 36B, and detects a potential difference between the cathode 36A and the anode 36B (voltage of the fuel cell stack 34).
第２実施形態における制御部５２は、電圧センサ７２Ａ、７２Ｂ、温度センサ７４、温度センサ７６と図示しない配線で接続されており、これらから燃料電池セルスタック３０、３４の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度が入力される。 The control unit 52 in the second embodiment is connected to the voltage sensors 72A and 72B, the temperature sensor 74, and the temperature sensor 76 by wiring (not shown), and from these, the voltage of the fuel cell stacks 30 and 34, the temperature of the combustor 40, and the like. And the temperature of the reformer 20 are input.
制御部５２は、燃料電池セルスタック３０、３４の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度から、原料ガスの熱量変化を推測する。 The control unit 52 estimates a change in the calorific value of the raw material gas from the voltages of the fuel cell stacks 30 and 34, the temperature of the combustor 40, and the temperature of the reformer 20.
（作用・効果）
第２実施形態に係る燃料電池システム１２では、複数の燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック３０、３４）が直列で繋がれている。燃料電池システム１２において原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、前段に配置された燃料電池セルスタック３０の電圧が低下する。また、燃料電池セルスタック３０から排出されるアノードオフガス中の燃料ガス濃度も低下するため、後段に配置された燃料電池セルスタック３４の電圧も低下する。
(Action / Effect)
In the fuel cell system 12 according to the second embodiment, a plurality of fuel cell stacks (fuel cell stacks 30 and 34) are connected in series. When the calorific value of the raw material gas in the fuel cell system 12 decreases, the fuel gas concentration in the reformed gas decreases, so that the voltage of the fuel cell stack 30 arranged in the preceding stage decreases. Further, since the concentration of the fuel gas in the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 30 also decreases, the voltage of the fuel cell stack 34 disposed at the subsequent stage also decreases.
このとき、前段の燃料電池セルスタック３０より後段の燃料電池セルスタック３４のほうが、原料ガスの熱量が減少する前の電圧に対する電圧低下率が高い。換言すると、原料ガスの熱量変化に対して、燃料電池セルスタック３０より燃料電池セルスタック３４のほうが敏感に反応する。 At this time, the fuel cell stack 34 in the subsequent stage has a higher voltage drop rate with respect to the voltage before the calorific value of the source gas is reduced than the fuel cell stack 34 in the preceding stage. In other words, the fuel cell stack 34 reacts more sensitively to the change in the calorific value of the source gas than the fuel cell stack 30.
ここで、制御部５２は、燃料電池セルスタック３０の電圧に加えて、燃料電池セルスタック３４の電圧から、原料ガスの熱量変化を推測する。つまり、相対的に電圧低下率が小さな燃料電池セルスタック３０の電圧だけでなく、相対的に電圧低下率が大きな燃料電池セルスタック３４の電圧を、原料ガスの熱量変化を推測するための指標としている。これにより、燃料電池セルスタック３０の電圧のみを指標とする場合と比較して、原料ガスの熱量変化を推測しやすい。また、燃料電池セルスタック３４の電圧のみを指標とする場合と比較して、指標数が増えるため推測の確度が高い。 Here, the control unit 52 estimates the change in the calorific value of the raw material gas from the voltage of the fuel cell stack 34 in addition to the voltage of the fuel cell stack 30. That is, not only the voltage of the fuel cell stack 30 having a relatively small voltage drop rate but also the voltage of the fuel cell cell stack 34 having a relatively large voltage reduction rate is used as an index for estimating a change in calorific value of the source gas. I have. This makes it easier to estimate a change in the calorific value of the raw material gas as compared to a case where only the voltage of the fuel cell stack 30 is used as an index. In addition, as compared with the case where only the voltage of the fuel cell stack 34 is used as an index, the number of indices increases, so that the estimation accuracy is high.
なお、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０、３４の双方の電圧を、原料ガスの熱量変化を推測するための指標としているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、少なくとも後段に配置された燃料電池セルスタック３４の電圧を指標とすればよい。これにより燃料電池セルスタック３０の電圧のみを指標とする場合と比較して、原料ガスの熱量変化を推測しやすい。 In the second embodiment, the voltage of both the fuel cell stacks 30 and 34 is used as an index for estimating a change in the calorific value of the raw material gas. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, at least the voltage of the fuel cell stack 34 arranged at the subsequent stage may be used as an index. This makes it easier to estimate the change in the calorific value of the source gas, as compared to the case where only the voltage of the fuel cell stack 30 is used as an index.
また、燃料電池システム１２では、複数の燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック３０、３４）を用いているため、燃料電池セルスタックを単独で用いたシステムと比較して総合燃料利用率が高い。このため原料ガスの熱量が減少した際に燃料枯れが生じる可能性が高くなる。 Further, since the fuel cell system 12 uses a plurality of fuel cell stacks (the fuel cell stacks 30 and 34), the overall fuel utilization is higher than a system using the fuel cell stack alone. For this reason, when the calorific value of the source gas decreases, the possibility of fuel depletion increases.
このとき、前段の燃料電池セルスタック３０へ供給される改質ガス中の燃料ガス濃度の低下率より、後段の燃料電池セルスタック３４へ供給されるアノードオフガス中の燃料ガス濃度の低下率が高くなる。このため、燃料電池セルスタック３０と比較して、燃料電池セルスタック３４において燃料枯れが生じ易くなる。 At this time, the decrease rate of the fuel gas concentration in the anode off-gas supplied to the subsequent fuel cell cell stack 34 is higher than the decrease rate of the fuel gas concentration in the reformed gas supplied to the preceding fuel cell cell stack 30. Become. For this reason, as compared with the fuel cell stack 30, fuel depletion is more likely to occur in the fuel cell stack.
第２実施形態に係る燃料電池システム１２においては、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同様に、制御部５２は、原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、一例として原料ガスの流量を大きくする。これにより燃料電池セルスタック３０における燃料枯れを抑制できるほか、燃料電池セルスタック３４における燃料枯れも抑制できる。この結果、燃料電池セルスタック３０だけでなく、燃料枯れが生じ易い燃料電池セルスタック３４の破損も抑制できる。 In the fuel cell system 12 according to the second embodiment, similarly to the fuel cell system 10 according to the first embodiment, when the control unit 52 estimates that the calorific value of the raw material gas is reduced, the control unit 52 exemplifies the raw material gas as an example. Increase the flow rate. As a result, fuel dying in the fuel cell stack 30 can be suppressed, and fuel dying in the fuel cell stack 34 can also be suppressed. As a result, it is possible to suppress not only the fuel cell stack 30 but also the fuel cell stack 34 that is liable to run out of fuel.
また、制御部５２は、原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、他の一例として燃料電池セルスタック３０、３４における発電量をそれぞれ小さくして、改質ガス中の燃料ガス及びアノードオフガス中の燃料ガスの熱量に見合った発電量とする。これにより燃料電池セルスタック３０における燃料枯れを抑制できるほか、燃料電池セルスタック３４における燃料枯れも抑制できる。この結果、燃料電池セルスタック３０だけでなく、燃料枯れが生じ易い燃料電池セルスタック３４の破損も抑制できる。 When the control unit 52 estimates that the calorific value of the raw material gas is decreasing, the control unit 52 reduces the power generation amount in the fuel cell stacks 30 and 34 as another example to reduce the fuel gas and the anode in the reformed gas. The amount of power generation shall be commensurate with the calorific value of the fuel gas in the offgas As a result, fuel dying in the fuel cell stack 30 can be suppressed, and fuel dying in the fuel cell stack 34 can also be suppressed. As a result, it is possible to suppress not only the fuel cell stack 30 but also the fuel cell stack 34 that is liable to run out of fuel.
また、第２実施形態においては、燃料電池セルスタックを２段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば３段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。この場合、最も後段に配置された燃料電池セルスタックに電圧センサを設置して、検出された電圧を原料ガスの熱量変化を推測するための指標とすることが好ましい。また、最も後段に配置された燃料電池セルスタック以外の燃料電池セルスタックにも電圧センサを設置することがさらに好ましい。 Further, in the second embodiment, the fuel cell stack is constituted by two stages, but the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, any three or more fuel cell stacks may be used. In this case, it is preferable to install a voltage sensor in the fuel cell stack arranged at the rearmost stage, and use the detected voltage as an index for estimating a change in calorific value of the source gas. Further, it is more preferable to install a voltage sensor also in a fuel cell stack other than the fuel cell stack arranged at the rearmost stage.
また、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０のアノード３２Ｂと燃料電池セルスタック３４のアノード３６Ｂとは、アノードオフガス管Ｐ１０で接続されている。そしてアノード３６Ｂにはアノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスが直接送出されるものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。 In the second embodiment, the anode 32B of the fuel cell stack 30 and the anode 36B of the fuel cell stack 34 are connected by an anode off-gas pipe P10. Although the anode off-gas discharged from the anode 32B is directly sent to the anode 36B, the embodiment of the present invention is not limited to this.
例えば図４に示す燃料電池システム１４のように、一端がアノード３２Ｂに接続されたアノードオフガス管Ｐ１０の他端を再生器８０に接続し、再生器８０とアノード３６Ｂとを再生ガス管Ｐ１１で接続してもよい。再生器８０は、アノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスから、水及び二酸化炭素のうち少なくとも一方を分離する。 For example, as in the fuel cell system 14 shown in FIG. 4, one end of the anode off-gas pipe P10 having one end connected to the anode 32B is connected to the regenerator 80, and the regenerator 80 and the anode 36B are connected by the regenerative gas pipe P11. May be. The regenerator 80 separates at least one of water and carbon dioxide from the anode off gas discharged from the anode 32B.
再生器８０は、一例として、アノードオフガスに含まれる水及び二酸化炭素のうち少なくとも一方を分離する分離膜を用いた再生器とすることができる。 As an example, the regenerator 80 may be a regenerator using a separation membrane that separates at least one of water and carbon dioxide contained in the anode off-gas.
また、再生器８０としては、水蒸気を凝縮して除去する凝縮器、水蒸気吸着材又は水蒸気吸収剤等を用いることができる。さらに、二酸化炭素吸着材又は二酸化炭素吸収材等を用いてもよい。すなわち、水及び二酸化炭素のうち少なくとも一方をアノードオフガスから除去する作用を持つものであれよい。このような再生器８０を用いることで、燃料電池セルスタック３４における発電効率を高めることができる。 Further, as the regenerator 80, a condenser for condensing and removing steam, a steam adsorbent, a steam absorbent, or the like can be used. Further, a carbon dioxide adsorbing material or a carbon dioxide absorbing material may be used. That is, any material that has the function of removing at least one of water and carbon dioxide from the anode off-gas may be used. By using such a regenerator 80, the power generation efficiency of the fuel cell stack 34 can be increased.
また、第１、第２実施形態においては、燃焼器４０と改質器２０とが離間して配置され、改質器２０の改質反応に使用する熱は燃焼器４０以外の熱源から得ているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図５に示す燃料電池システム１６のように、改質器２０と燃焼器４０とを隣接させて配置して、燃焼器４０における燃焼熱を改質器２０における改質反応（吸熱反応）に使用してもよい。すなわち、改質器２０と燃焼器４０との間で熱交換させてもよい。 Further, in the first and second embodiments, the combustor 40 and the reformer 20 are disposed apart from each other, and the heat used for the reforming reaction of the reformer 20 is obtained from a heat source other than the combustor 40. However, embodiments of the present invention are not limited to this. For example, as in the fuel cell system 16 shown in FIG. 5, the reformer 20 and the combustor 40 are arranged adjacent to each other, and the heat of combustion in the combustor 40 is used for the reforming reaction (endothermic reaction) in the reformer 20. May be used. That is, heat may be exchanged between the reformer 20 and the combustor 40.
なお、係る構成においては、原料ガスの熱量が低下して燃焼器４０の温度が低くなった際、改質器２０と熱交換できる熱量が少なくなる。このため、改質器２０による改質反応が抑制される。これにより、改質器２０の改質反応に使用する熱を燃焼器４０以外の熱源から得る場合と比較して、発電効率が低くなる可能性がある。 In this configuration, when the calorific value of the raw material gas decreases and the temperature of the combustor 40 decreases, the amount of heat that can exchange heat with the reformer 20 decreases. Therefore, the reforming reaction by the reformer 20 is suppressed. As a result, the power generation efficiency may be lower than when heat used for the reforming reaction of the reformer 20 is obtained from a heat source other than the combustor 40.
しかし、燃料電池システム１６は、制御部５２によって発電効率が低減することが抑制される。このため、燃焼器４０の温度が低くなることに起因する発電効率の低減作用を軽減することができる。 However, in the fuel cell system 16, the control unit 52 suppresses a decrease in power generation efficiency. For this reason, the effect of reducing the power generation efficiency due to the decrease in the temperature of the combustor 40 can be reduced.
また、第１、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０、３４には電圧センサのみを設置する構成としたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば電圧センサに加え、温度センサを設置してもよい。温度センサを設置することで、燃料電池セルスタック３０、３４の温度を、原料ガスの熱量変化を推測する指標として用いる事ができる。この場合、例えば燃料電池セルスタック３０、３４の温度が低くなると、原料ガスの熱量が減少したと推測できる。なお、上記の説明では、改質器２０をバーナや燃焼器４０で加熱する例について説明したが、燃料電池セルスタック３０、３４における反応熱を用いて改質器２０を加熱してもよい。 In the first and second embodiments, only the voltage sensors are provided in the fuel cell stacks 30 and 34. However, embodiments of the present invention are not limited to this. For example, a temperature sensor may be provided in addition to the voltage sensor. By installing a temperature sensor, the temperature of the fuel cell stacks 30 and 34 can be used as an index for estimating a change in the calorific value of the raw material gas. In this case, for example, when the temperature of the fuel cell stacks 30 and 34 decreases, it can be estimated that the calorific value of the source gas decreases. In the above description, an example in which the reformer 20 is heated by the burner or the combustor 40 has been described. However, the reformer 20 may be heated using reaction heat in the fuel cell stacks 30 and 34.
また、第１、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０、３４の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度等から、原料ガスの熱量変化を推測しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、原料ガスの熱量を、熱量計を用いて測定してもよい。この場合においても、制御部５０、５２が、原料ガスの熱量変化に応じて、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する。これにより、燃料電池システム１０、１２の運転効率の低下を抑制できる。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。 In the first and second embodiments, the change in the calorific value of the raw material gas is estimated from the voltages of the fuel cell stacks 30 and 34, the temperature of the combustor 40, the temperature of the reformer 20, and the like. Embodiments of the invention are not limited to this. For example, the calorific value of the source gas may be measured using a calorimeter. Also in this case, the control units 50 and 52 control at least one of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount according to the change in the calorific value of the raw material gas. Thereby, a decrease in the operating efficiency of the fuel cell systems 10 and 12 can be suppressed. Thus, the present invention can be implemented in various aspects.
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池システム
１４ 燃料電池システム
１６ 燃料電池システム
２０ 改質器（改質部）
３０ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
３４ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
４０ 燃焼器
５０ 制御部
５２ 制御部
７２ 電圧センサ
７２Ａ 電圧センサ
７２Ｂ 電圧センサ
７４ 温度センサ（燃焼器温度センサ）
７６ 温度センサ（改質器温度センサ）
Reference Signs List 10 fuel cell system 12 fuel cell system 14 fuel cell system 16 fuel cell system 20 reformer (reforming unit)
30 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
34 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
40 Combustor 50 Control unit 52 Control unit 72 Voltage sensor 72A Voltage sensor 72B Voltage sensor 74 Temperature sensor (combustor temperature sensor)
76 Temperature sensor (reformer temperature sensor)
Claims (5)
前記改質部から供給された前記改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する制御部と、
を備えた燃料電池システム。 A reforming unit that generates a reformed gas by steam reforming the raw material gas,
A fuel cell that generates power by reacting the reformed gas and the oxidizing gas supplied from the reforming unit,
A combustor for burning off-gas discharged from the fuel cell;
A control unit that controls at least one of the flow rate of the raw material gas, the flow rate of the reforming water, and the power generation amount, according to a change in the calorific value of the raw material gas;
A fuel cell system comprising:
前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度センサと、
前記改質部の温度を検出する改質部温度センサと、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧、前記燃焼器の温度及び前記改質部の温度の少なくとも１つから前記原料ガスの熱量変化を推測する、
請求項１に記載の燃料電池システム。 A voltage sensor for detecting a voltage of the fuel cell;
A combustor temperature sensor for detecting a temperature of the combustor;
A reforming unit temperature sensor for detecting a temperature of the reforming unit,
The control unit estimates a change in calorific value of the raw material gas from at least one of a voltage of the fuel cell, a temperature of the combustor, and a temperature of the reforming unit.
The fuel cell system according to claim 1.
請求項２に記載の燃料電池システム。 The control unit estimates the change in the calorific value of the raw material gas from the voltage of the fuel cell, the temperature of the combustor, and the temperature of the reforming unit,
The fuel cell system according to claim 2.
前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する、
請求項２に記載の燃料電池システム。 A plurality of the fuel cells are provided, and the fuel cell disposed at the subsequent stage performs power generation using off-gas discharged from the fuel cell disposed at the preceding stage,
The voltage sensor detects a voltage of the fuel cell disposed at least in the last stage,
The fuel cell system according to claim 2.
前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する、
請求項３に記載の燃料電池システム。 A plurality of the fuel cells are provided, and the fuel cell disposed at the subsequent stage performs power generation using off-gas discharged from the fuel cell disposed at the preceding stage,
The voltage sensor detects a voltage of the fuel cell disposed at least in the last stage,
The fuel cell system according to claim 3.
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