JP2020027714A - 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.
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、供給された改質水を気化する気化器(蒸発器)と、気化器により気化された水蒸気を用いて原料ガスを改質して燃料ガス(改質ガス)を生成する改質器と、燃料電池で利用されなかったオフガスを燃焼して気化器と改質器とを含む改質系を加熱する燃焼部とを備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池システムの制御部は、改質器に供給される水蒸気量と原料ガスの炭素量との比であるスチームカーボン比に基づいて改質水の供給量を制御している。改質触媒は、高温に晒されるとコーキングが生じ易いから、改質系の温度が高いほどスチームカーボン比の目標値を大きな値(比)に変更することで、改質水の供給量を多くして改質触媒の温度上昇を抑えてコーキングを防止するものとしている。 Conventionally, as a fuel cell system of this type, a fuel cell that generates electric power based on a fuel gas and an oxidizing gas, a vaporizer (evaporator) that vaporizes supplied reformed water, and a vaporizer that is vaporized by the vaporizer A reformer for reforming a raw material gas using steam to generate a fuel gas (reformed gas), and a reforming system including a vaporizer and a reformer by burning off-gas not used in the fuel cell And a combustion section that heats the fuel cell (for example, see Patent Document 1). The control unit of the fuel cell system controls the supply amount of the reforming water based on the steam carbon ratio, which is the ratio between the amount of steam supplied to the reformer and the amount of carbon in the raw material gas. Since the reforming catalyst is liable to cause coking when exposed to high temperatures, the higher the temperature of the reforming system, the larger the target value of the steam carbon ratio is changed to a larger value (ratio). Thus, the temperature rise of the reforming catalyst is suppressed to prevent coking.
上述したように、高温状態ではコーキングが生じ易いから、改質系の温度を検出してコーキングのおそれがある高温異常の有無を判定することも考えられる。しかしながら、改質系の温度は、燃料電池の出力に応じた改質水の供給量やオフガス量などによって変化し、その温度変化は燃料電池の出力変化に対して遅れが生じるものとなる。このため、改質系の温度を単に一律の閾値と比較することで異常を判定する手法では、高温異常を誤判定する場合がある。 As described above, coking is likely to occur in a high temperature state. Therefore, it is conceivable to detect the temperature of the reforming system to determine whether there is a high temperature abnormality that may cause coking. However, the temperature of the reforming system changes depending on the supply amount of reforming water, the amount of off-gas, and the like in accordance with the output of the fuel cell, and the temperature change has a delay with respect to the output change of the fuel cell. For this reason, in a method of determining an abnormality by simply comparing the temperature of the reforming system with a uniform threshold, a high-temperature abnormality may be erroneously determined.
本発明は、改質系の高温異常を適切に監視してコーキングの発生を防止することを主目的とする。 An object of the present invention is to appropriately monitor a high-temperature abnormality of a reforming system to prevent occurrence of coking.
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention employs the following means in order to achieve the above main object.
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原料ガスを燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質器と、原料ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給装置と、改質水を気化した水蒸気を前記改質器に供給する気化器と、改質水を前記気化器に供給する改質水供給装置と、前記燃料電池に要求される出力に応じて該燃料電池が発電するように目標ガス流量を設定して前記原料ガス供給装置を制御すると共に前記目標ガス流量に応じた目標改質水量を設定して前記改質水供給装置を制御する制御装置と、前記気化器と前記改質器とを含む改質系の温度を検出する温度検出器と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力が安定した状態で、前記温度検出器により検出される前記改質系の温度が所定の閾値を超える高温異常の有無を監視する監視処理を実行し、前記所定の閾値は、前記燃料電池の発電出力が小さい場合には大きい場合に比して高い温度となるように設定されることを要旨とする。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electric power based on a fuel gas and an oxidizing gas, a reformer that reforms a raw material gas into a fuel gas using water vapor and supplies the fuel gas to the fuel cell, A raw material gas supply device for supplying gas to the reformer, a vaporizer for supplying vaporized vaporized reformed water to the reformer, and a reformed water supply device for supplying reformed water to the vaporizer; Setting a target gas flow rate such that the fuel cell generates electric power in accordance with the output required of the fuel cell to control the raw material gas supply device, and setting a target reforming water amount according to the target gas flow rate. A control device that controls the reforming water supply device, and a temperature detector that detects a temperature of a reforming system including the vaporizer and the reformer. When the power generation output is stable, the temperature is detected by the temperature detector. Executing a monitoring process for monitoring the presence or absence of a high temperature abnormality in which the temperature of the reforming system exceeds a predetermined threshold, wherein the predetermined threshold is higher when the power output of the fuel cell is smaller than when it is higher. The gist is that the temperature is set to be the temperature.
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の発電出力が安定した状態で、温度検出器により検出される改質系の温度が所定の閾値を超える高温異常の有無を監視する監視処理を実行する。また、高温異常の判定に用いる所定の閾値は、燃料電池の発電出力が小さい場合には大きい場合に比して高い温度となるように設定される。このため、燃料電池の発電出力の大きさに拘わらず、発電出力の大きさに応じて設定される所定の閾値を用いて高温異常の有無を監視することができるから、コーキングが生じ易い高温異常の状態を検出して適切な対処が可能となる。また、燃料電池の発電出力が安定した状態で監視処理を実行するから、発電出力の変動に対する改質系の温度変化の遅れの影響を排除して、高温異常の誤判定を防止することができる。したがって、改質系の高温異常を適切に監視してコーキングの発生を防止することができる。 In the fuel cell system of the present invention, a monitoring process for monitoring whether or not there is a high temperature abnormality in which the temperature of the reforming system detected by the temperature detector exceeds a predetermined threshold value is performed while the power output of the fuel cell is stable. Further, the predetermined threshold value used for determining the high temperature abnormality is set so that the temperature becomes higher when the power generation output of the fuel cell is small than when it is large. For this reason, regardless of the magnitude of the power generation output of the fuel cell, it is possible to monitor the presence or absence of a high temperature abnormality using a predetermined threshold value set according to the magnitude of the power generation output. And appropriate measures can be taken. In addition, since the monitoring process is executed in a state where the power output of the fuel cell is stable, the influence of the delay in the temperature change of the reforming system with respect to the fluctuation of the power output can be eliminated, and the erroneous determination of the high temperature abnormality can be prevented. . Therefore, the occurrence of coking can be prevented by appropriately monitoring the high temperature abnormality of the reforming system.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力の変動が所定幅内となる状態が所定時間以上継続している場合に、前記燃料電池の発電出力が安定した状態であるとするものとしてもよい。こうすれば、発電出力が安定した状態を簡易な処理で判定して、監視処理を適切に実行することができる。 In the fuel cell system according to the aspect of the invention, the control device may be configured such that when a state in which the fluctuation of the power generation output of the fuel cell is within a predetermined width continues for a predetermined time or more, the power generation output of the fuel cell is stable. It may be assumed that there is. This makes it possible to determine the state in which the power generation output is stable by simple processing, and to appropriately execute the monitoring processing.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、原料ガスと水蒸気との比であるスチームカーボン比と前記目標ガス流量とに基づいて前記目標改質水量を設定し、前記スチームカーボン比は、前記温度検出器により検出される前記改質系の温度が高い場合には低い場合に比して大きな比となるように変更されるものとしてもよい。このようなスチームカーボン比の変更により、改質系の温度が高い場合にさらなる温度上昇を抑制するから、監視処理の実行と相まってコーキングの発生をより適切に防止することができる。 In the fuel cell system of the present invention, the control device sets the target reformed water amount based on the steam gas ratio, which is a ratio of a raw material gas to steam, and the target gas flow rate. When the temperature of the reforming system detected by the temperature detector is high, the ratio may be changed so as to be larger than when the temperature is low. Such a change in the steam carbon ratio suppresses a further increase in temperature when the temperature of the reforming system is high, so that the occurrence of coking can be more appropriately prevented in conjunction with the execution of the monitoring process.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記監視処理の実行により前記改質系の高温異常を検出した場合に、システムを停止させるものとしてもよい。こうすれば、改質系の高温異常を検出した場合に、コーキングの発生をより確実に防止して改質系の故障を防止することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the control device may stop the system when a high temperature abnormality of the reforming system is detected by performing the monitoring process. In this way, when a high temperature abnormality of the reforming system is detected, the occurrence of coking can be more reliably prevented, and the reforming system can be prevented from failing.
本発明を実施するための形態について説明する。 An embodiment for carrying out the present invention will be described.
図1は本実施形態の燃料電池システム10の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム10は、図1に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス(エア)との供給を受けて発電する燃料電池スタック36を有する発電ユニット20と、発電ユニット20の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク101を有する給湯ユニット100と、システム全体を制御する制御装置80と、を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of the
発電ユニット20は、気化器32,改質器33および燃料電池スタック36を含む燃料電池モジュール30と、気化器32に原料ガス(例えば天然ガスやLPガス)を供給する原料ガス供給装置40と、燃料電池スタック36にエアを供給するエア供給装置50と、改質水を気化器32に供給する改質水供給装置55と、燃料電池モジュール30で発生した排熱を回収する排熱回収装置60と、を備える。これらは、筐体22に収容されている。なお、筐体22には、吸気口22aと排気口22bとが設けられ、吸気口22a付近には外気を取り込んで筐体22の内部を換気するための換気ファン24が設けられている。
The
気化器32は、改質供給装置55からの改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原料ガス供給装置40からの原料ガスを予熱する。改質器33は、セラミックなどの担体に改質触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が担持されて構成され、気化器32から供給された原料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガス(改質ガス)に改質する。改質器33の入口付近には、改質器33の入口の温度(改質器温度T)を検出するための温度センサ91が設けられている。なお、温度センサ91は、気化器32と改質器33とを含む改質系の温度を検出するものであればよく、気化器32の出口付近に設けられてもよいし、気化器32と改質器33との間に設けられてもよい。
The
気化器32、改質器33および燃料電池スタック36は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース31内に収容されている。モジュールケース31内には、燃料電池スタック36の起動や、気化器32における水蒸気の生成、改質器33における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部34が設けられている。燃焼部34には燃料電池スタック36を通過した燃料オフガス(アノードオフガス)と酸化剤オフガス(カソードオフガス)とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ35により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック36や気化器32、改質器33を加熱する。燃焼部34には、当該燃焼部34の温度を検出するための温度センサ92が設けられている。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒37を介して熱交換器62へ供給される。燃焼触媒37は、燃焼部34で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。
The
排熱回収装置60は、燃料電池モジュール30から燃焼排ガスが供給される熱交換器62と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク101とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管61を有する。循環配管61には、循環ポンプ63が設けられており、循環ポンプ63を駆動することにより、熱交換器62における貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク101へ貯湯する。熱交換器62は、凝縮水供給管66を介して改質水タンク57に接続されると共に排気ガス排出管67を介して外気と接続されている。熱交換器62に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水(凝縮水)が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク57に回収される。また、残りの排気ガス(ガス成分)は、排気ガス排出管67を介して外気へ排出される。
The exhaust
原料ガス供給装置40は、ガス供給源1と気化器32とを接続する原料ガス供給管41を有する。原料ガス供給管41には、ガス供給源1側から順に、原料ガス供給弁(電磁弁)42,43、オリフィス44、原料ガスポンプ45、脱硫器46が設けられており、原料ガス供給弁42,43を開弁した状態で原料ガスポンプ45を駆動することにより、ガス供給源1からの原料ガスを脱硫器46を通過させて気化器32へ供給する。気化器32へ供給された原料ガスは、気化器32を経て改質器33へ供給され、燃料ガスへと改質される。原料ガス供給弁42,43は、直列に接続された2連弁である。脱硫器46は、原料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式などを採用することができる。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の方式を採用し得る。また、原料ガス供給管41の原料ガス供給弁43とオリフィス44との間には、当該原料ガス供給管41内の原料ガスの圧力を検出する圧力センサ47が設けられ、オリフィス44と原料ガスポンプ45との間には、原料ガス供給管41を流れる原料ガスの単位時間当たりの流量(ガス流量Fg)を検出する流量センサ48が設けられている。
The source
エア供給装置50は、外気と連通するフィルタ52と燃料電池スタック36とを接続するエア供給管51を有する。エア供給管51には、エアブロワ53が設けられており、エアブロワ53を駆動することにより、フィルタ52を介して吸入したエアを燃料電池スタック36へ供給する。また、エア供給管51には、エアブロワ53の下流側に、エア供給管51を流れるエアの単位時間当たりの流量(エア流量Fa)を検出する流量センサ54が設けられている。
The
改質水供給装置55は、改質水を貯蔵する改質水タンク57と気化器32とを接続する改質水供給管56を有する。改質水供給管56には、改質水ポンプ58が設けられており、改質ポンプ58を駆動することにより、改質水タンク57の改質水を気化器32へ供給する。気化器32へ供給された改質水は、気化器32で水蒸気とされ、改質器33における水蒸気改質反応に利用される。また、改質水タンク57には、貯蔵される改質水を精製するための図示しない水精製器が設けられている。
The reformed
燃料電池スタック36は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものである。燃料電池スタック36は、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック36の近傍には、当該燃料電池スタック36の温度を検出する温度センサ93が設けられている。燃料電池スタック36の出力端子にはパワーコンディショナ70を介して商用電源2から負荷4への電力ライン3が接続されている。
The
パワーコンディショナ70は、燃料電池スタック36から出力された直流電圧を所定電圧(例えば、DC250V〜300V)まで昇圧するDC/DCコンバータや、昇圧された直流電圧を商用電力系統2と連系可能な交流電圧(例えば、AC200V)に変換するインバータを含む。パワーコンディショナ70から分岐した電力ラインには電源基板78が接続されている。電源基板78は、燃料電池スタック36から出力された直流電圧や商用電力系統2からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して当該補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、原料ガス供給弁42,43や原料ガスポンプ45、エアブロワ53、改質水ポンプ58、循環ポンプ63などがある。
The
制御装置80は、CPU81を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、CPU81の他に処理プログラムを記憶するROM82と、データを一時的に記憶するRAM83と、計時を行なうタイマ84と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置80には、圧力センサ47や流量センサ48,54、電流センサ73、温度センサ91〜93などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置80からは、換気ファン24のファンモータへの駆動信号や原料ガス供給弁42,43のソレノイドへの駆動信号、原料ガスポンプ45のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ53のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ58のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ63のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ70(DC/DCコンバータやインバータ)への制御信号、電源基板78への制御信号、点火ヒータ35への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル90への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。
The
こうして構成された燃料電池システム10では、負荷4が要求する要求出力に基づくシステム要求値(システム要求出力)を入力し、入力したシステム要求値に基づいて燃料電池スタック36の目標スタック電流Iout*を設定し、設定した目標スタック電流Iout*に応じて原料ガス供給装置40と改質水供給装置55とエア供給装置50とを制御すると共にパワーコンディショナ70を制御する。具体的には、原料ガス供給装置40の制御は、目標スタック電流Iout*に基づいて原料ガス供給装置40が供給すべき目標ガス流量Fg*を設定し、目標ガス流量Fg*と流量センサ48により検出されるガス流量Fgとの偏差に基づくフィードバック制御によりデューティDgを設定し、設定したデューティDgに基づいて原料ガスポンプ45のポンプモータを制御することにより行なわれる。改質水供給装置55の制御は、改質器33に供給される原料ガスの単位時間当たりの流量に対する水蒸気の単位時間当たりの流量の比率であるスチームカーボン比(S/C)が所定の比率となるように目標改質水流量Fw*を設定し、設定した目標改質水流量Fw*に基づいてデューティDwを設定し、設定したデューティDwに基づいて改質水ポンプ58のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給装置50の制御は、原料ガスの目標ガス流量Fg*に対して所定の比率(空燃比)となるようにエア供給装置50が供給すべき目標エア流量Fa*を設定し、設定した目標エア流量Fa*と流量センサ54により検出されるエア流量Faとの偏差に基づくフィードバック制御によりデューティDaを設定し、設定したデューティDaに基づいてエアブロワ53のブロワモータを制御することにより行なわれる。パワーコンディショナ70の制御は、目標スタック電流Iout*と電流センサ73により検出されるスタック電流Ioutとの偏差に基づくフィードバック制御によりパワーコンディショナ70のインバータのPWM信号を生成し、生成したPWM信号によりインバータをスイッチングすることにより行なわれる。
In the
ここで、本実施形態では、温度センサ91により検出される改質器温度Tに基づいてS/Cを変更して、目標改質水流量Fw*の設定が行なわれる。図2は改質器温度TとS/Cとの関係の一例を示す説明図である。図示するように、本実施形態では、改質器温度Tが高い場合に低い場合に比してS/Cを大きな比率(値)とする。例えば改質器温度Tが600℃などの第1温度(高温)でS/Cを値5とし、改質器温度Tが第1温度よりも低い450℃などの第2温度(中温)でS/Cを値4とし、改質器温度Tが第2温度よりも低い300℃などの第3温度(低温)でS/Cを値3とする。改質器33は、改質触媒が高温に晒されるとコーキングが生じ易いため、改質性能の低下などが引き起こされるおそれがある。このため、改質器温度Tが高い場合には、さらなる温度上昇を抑制して改質触媒が高温に晒されるのを防止するために、S/Cを大きな値に変更する。これにより、S/Cを用いて設定される目標改質水流量Fw*が大きな値となり、より多くの改質水が気化器32に供給されるから、温度上昇を抑制することが可能となる。また、実際のS/Cが例えば値2程度あるいは値2未満などに低下している状態(低S/C状態)は、水蒸気が少なく原料ガスの供給が過剰となるから、コーキングが生じ易い状態といえる。このため、この低S/C状態などの改質系の異常を監視して適切に対応する必要がある。
Here, in the present embodiment, the target reforming water flow rate Fw * is set by changing the S / C based on the reformer temperature T detected by the
以下、燃料電池システム10の改質系の異常を監視する際の動作について説明する。図3は閾値設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートであり、図4は異常監視処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。これらの処理は、制御装置80のCPU81により実行される。図3の閾値設定処理ルーチンでは、制御装置80のCPU81は、まず、燃料電池スタック36の出力として電流センサ73により検出されるスタック電流Ioutを取得し(S100)、取得したスタック電流Ioutの変動が所定幅内の状態が所定時間に亘って継続しているか否かを判定する(S110)。S110の処理は、燃料電池スタック36の出力が安定した状態であることを判定するために行われ、例えば10分や15分などの十数分程度の所定時間に亘ってスタック電流Ioutの変動が数A程度の所定幅内にあるか否かを判定する。
Hereinafter, the operation when monitoring the abnormality of the reforming system of the
CPU81は、S110でスタック電流Ioutの変動が所定幅内の状態が所定時間に亘って継続していると判定すると、監視フラグがオフであるか否かを判定する(S120)。CPU81は、監視フラグがオフであると判定すると、異常監視処理を実行するために、監視フラグをオンとすると共に(S130)、異常判定用の所定の閾値である閾値Trefを設定して(S140)、閾値設定処理ルーチンを終了する。一方、S120で監視フラグがオフでなくオンであると判定すると、S130,S140をスキップして閾値設定処理ルーチンを終了する。また、CPU81は、S110でスタック電流Ioutの変動が所定幅内でないと判定したり、変動が所定幅内であっても所定時間継続していないと判定したりすると、監視フラグがオンであるか否かを判定する(S150)。CPU81は、監視フラグがオンであると判定すると、監視フラグをオフとして(S160)、閾値設定処理ルーチンを終了する。一方、S150で監視フラグがオンでなくオフであると判定すると、S160をスキップして閾値設定処理ルーチンを終了する。
When determining that the state of the variation of the stack current Iout within the predetermined width has continued for the predetermined time in S110, the
S140の閾値Trefの設定は、スタック電流Ioutと閾値Trefとの関係を予め求めて閾値設定用マップとしてROM82に記憶しておき、S100で取得したスタック電流Ioutに対応する閾値Trefをマップから導出することにより行なう。閾値Tref設定用マップの一例を図5に示す。図示するように閾値Trefは、例えば、スタック電流Ioutが第1電流I1以下の場合に600℃などの第1温度(高温)に設定され、スタック電流Ioutが第1電流I1を超えて第2電流I2以下の場合に450℃などの第2温度(中温)に設定され、スタック電流Ioutが第2電流I2を超える場合に300℃などの第3温度(低温)に設定される。即ち、閾値Trefは、スタック電流Ioutが小さい場合には大きい場合に比して高い温度となるように設定される。
In the setting of the threshold Tref in S140, the relationship between the stack current Iout and the threshold Tref is previously obtained and stored in the
ここで、改質器温度Tは、気化器32に供給される改質水量や燃料電池スタック36を通過した燃料オフガスの量と相関がある。上述したように、目標改質水流量Fw*はS/Cを用いて設定されるが、同じS/Cが用いられていても目標ガス流量Fg*に応じて目標改質水流量Fw*が変化するため、気化器32に供給される改質水量も変化することになる。例えば、燃料電池スタック36の発電出力が高出力であれば目標ガス流量Fg*が大きくなって目標改質水流量Fw*も大きくなるから、気化器32に供給される改質水量が増えて改質器温度Tが低くなる傾向にある。逆に、発電出力が低出力であれば目標ガス流量Fg*が小さくなって目標改質水流量Fw*も小さくなるから、気化器32に供給される改質水量が減って改質器温度Tが高くなる傾向にある。なお、発電出力が低出力の場合、原料ガスの供給量は低下するが燃料利用率も低下して余剰の燃料オフガスが増えるため、燃焼部34での燃焼が促進されることによっても改質器温度Tが高くなる。このように、同じS/Cを用いていても、燃料電池スタック36の発電出力の大きさによって改質水の供給量が変化するなどにより、改質器温度T(改質系の温度領域)が異なることになる。上述した低S/C状態は、改質水量(水蒸気)が少なくなる状態であるから、燃料電池スタック36の発電出力から想定される温度よりも改質器温度Tが高くなるときに生じるものといえる。これらのことから、本実施形態では、スタック電流Ioutの大きさに応じた閾値Trefを設定し、低S/C状態となる高温異常の有無を監視するのである。
Here, the reformer temperature T has a correlation with the amount of reforming water supplied to the
図4の異常監視処理ルーチンでは、CPU81は、まず、監視フラグがオンであるか否かを判定し(S200)、監視フラグがオンでなくオフであると判定すると、そのまま本ルーチンを終了する。一方、CPU81は、S200で監視フラグがオンであると判定すると、温度センサ91により検出される改質器温度Tを取得し(S210)、取得した改質器温度Tが閾値Trefを超えるか否かによって高温異常の有無を判定(監視)する(S220)。CPU81は、改質器温度Tが閾値Trefを超えないと判定すると、異常はないと判断して、異常監視処理ルーチンを終了する。
In the abnormality monitoring processing routine of FIG. 4, the
一方、CPU81は、改質器温度Tが閾値Trefを超えると判定すると、高温異常であると判断し、高温異常(低S/C状態)が生じた旨の警告を出力すると共に燃料電池システム10を異常停止して(S230)、異常監視処理ルーチンを終了する。なお、高温異常が生じた旨の警告には、改質水の供給量が少ない旨や燃料ガスの供給量が多い旨の情報、メンテナンスに有用な情報などを含めてもよい。本実施形態では、燃料電池スタック36の発電出力が安定した状態で高温異常の有無を判定するため、発電出力の出力変動に対し改質器温度Tが遅れて変化する影響を排除して高温異常の有無を判定することができるから、高温異常の誤判定を防止することができる。
On the other hand, if the
以上説明した実施形態の燃料電池システム10では、スタック電流Ioutが小さい場合には大きい場合に比して高い温度となるように閾値Trefを設定し、改質器温度Tが閾値Trefを超えるか否かに基づいて改質系の高温異常の有無(低S/C状態)を監視する。このため、燃料電池スタック36の発電出力の大きさに拘わらず適切に監視することができる。また、燃料電池スタック36の発電出力が安定した状態で監視するから、発電出力の変動に対する温度変化の遅れの影響を排除して適切に監視することができる。
In the
また、スタック電流Ioutの変動が所定幅内の状態が所定時間に亘って継続しているか否かを判定する簡易な処理で、発電出力が安定した状態を判定することができる。また、S/Cは改質器温度Tが高い場合には低い場合に比して大きな比となるように変更されるため、改質器温度Tが高い場合にさらなる温度上昇を抑制することができるから、高温異常の有無の監視と相まって、コーキングの発生をより適切に防止することができる。さらに、異常を検出した場合に燃料電池システム10を停止させるから、改質系の故障を防止することができる。
Further, the state in which the power generation output is stable can be determined by a simple process of determining whether or not the state of the variation of the stack current Iout within a predetermined range continues for a predetermined time. Further, when the reformer temperature T is high, the S / C is changed so as to have a larger ratio than when the reformer temperature T is low. Therefore, the occurrence of coking can be more appropriately prevented in combination with the monitoring of the presence or absence of a high temperature abnormality. Further, when the abnormality is detected, the
上述した実施形態では、スタック電流Ioutの変動が所定幅内の状態が所定時間に亘って継続している場合に発電出力が安定した状態と判定したが、これに限られるものではない。例えばスタック電流Ioutが比較的高い高出力状態で単位時間当たりの変化量が所定量未満となるなどの他の条件の成立に基づいて発電出力が安定した状態としてもよい。あるいは、発電ユニット20から出力される電力が安定した状態にあることを判定するものなどとしてもよい。
In the above-described embodiment, the power generation output is determined to be stable when the state of the variation of the stack current Iout within the predetermined width continues for the predetermined time. However, the present invention is not limited to this. For example, the power generation output may be stabilized based on the fulfillment of other conditions such as the amount of change per unit time being less than a predetermined amount in a high output state where the stack current Iout is relatively high. Alternatively, the power output from the
上述した実施形態では、異常を判定した場合には、警告を出力すると共に燃料電池システム10を停止させる対処を行なうものとしたが、これに限られず、いずれか一方の対処を行なうものなどとしてもよい。
In the above-described embodiment, when an abnormality is determined, a warning is output and a measure to stop the
上述した実施形態では、スタック電流Ioutに対応する閾値Trefを3段階に設定するものを例示したが、2段階に設定してもよいし、4以上の複数の段階に設定してもよい。あるいは、段階的に設定するものに限られず、無段階に設定するものなどとしてもよい。 In the embodiment described above, the threshold Tref corresponding to the stack current Iout is set in three steps. However, the threshold Tref may be set in two steps, or may be set in four or more steps. Alternatively, the setting is not limited to the stepwise setting, but may be the stepless setting.
上述した実施形態では、S/Cは改質器温度Tが高い場合には低い場合に比して大きな比となるように変更されるものとしたが、これに限られず、例えば原料ガスの種類に応じて予め定められた一律のS/Cを用いるものなどとしてもよい。 In the above-described embodiment, the S / C is changed so that the ratio is higher when the reformer temperature T is higher than when the reformer temperature T is lower. However, the present invention is not limited to this. May use a predetermined uniform S / C according to
実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック36が「燃料電池」に相当し、改質器33が「改質器」に相当し、原料ガス供給装置40が「原料ガス供給装置」に相当し、気化器32が「気化器」に相当し、改質水供給装置55が「改質水供給装置」に相当し、制御装置80が「制御装置」に相当し、温度センサ91が「温度検出器」に相当する。
The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the section of “Means for Solving the Problems” will be described. In the embodiment, the
なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。 The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the section of the means for solving the problem is as follows. This is merely an example for specifically describing a mode for carrying out the invention, and thus does not limit the elements of the invention described in the section of “Means for Solving the Problems”. That is, the interpretation of the invention described in the section of the means for solving the problem should be interpreted based on the description of the section, and the embodiment is an embodiment of the invention described in the section of the means for solving the problem. This is only a specific example.
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As described above, the embodiments for carrying out the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments at all, and various forms are possible without departing from the gist of the present invention. Of course, it can be implemented.
本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to a fuel cell system manufacturing industry and the like.
1 ガス供給源、2 商用電源、3 電力ライン、4 負荷、10 燃料電池システム、20 発電ユニット、22 筐体、22a 吸気口、22b 排気口、24 換気ファン、30 燃料電池モジュール、31 モジュールケース、32 気化器、33 改質器、34 燃焼部、35 点火ヒータ、36 燃料電池スタック、37 燃焼触媒、40 原料ガス供給装置、41 原料ガス供給管、42,43 原料ガス供給弁、44 オリフィス、45 原料ガスポンプ、46 脱硫器、47 圧力センサ、48 流量センサ、50 エア供給装置、51 エア供給管、52 フィルタ、53 エアブロワ、54 流量センサ、55 改質水供給装置、56 改質水供給管、57 改質水タンク、58 改質水ポンプ、60 排熱回収装置、61 循環配管、62 熱交換器、63 循環ポンプ、66 凝縮水供給管、67 排気ガス排出管、70 パワーコンディショナ、73 電流センサ、78 電源基板、80 制御装置、81 CPU、82 ROM、83 RAM、84 タイマ、90 表示パネル、91〜93 温度センサ、100 給湯ユニット、101 貯湯タンク。 1 gas supply source, 2 commercial power source, 3 power lines, 4 load, 10 fuel cell system, 20 power generation unit, 22 housing, 22a intake port, 22b exhaust port, 24 ventilation fan, 30 fuel cell module, 31 module case, 32 vaporizer, 33 reformer, 34 combustion section, 35 ignition heater, 36 fuel cell stack, 37 combustion catalyst, 40 source gas supply device, 41 source gas supply pipe, 42, 43 source gas supply valve, 44 orifice, 45 Raw material gas pump, 46 desulfurizer, 47 pressure sensor, 48 flow sensor, 50 air supply device, 51 air supply tube, 52 filter, 53 air blower, 54 flow sensor, 55 reformed water supply device, 56 reformed water supply tube, 57 Reforming water tank, 58 Reforming water pump, 60 Exhaust heat recovery device, 61 Circulation pipe, 62 Heat Exchanger, 63 circulation pump, 66 condensed water supply pipe, 67 exhaust gas discharge pipe, 70 power conditioner, 73 current sensor, 78 power supply board, 80 control device, 81 CPU, 82 ROM, 83 RAM, 84 timer, 90 display Panel, 91-93 Temperature sensor, 100 hot water supply unit, 101 hot water storage tank.
Claims (4)
水蒸気を用いて原料ガスを燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質器と、
原料ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給装置と、
改質水を気化した水蒸気を前記改質器に供給する気化器と、
改質水を前記気化器に供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に要求される出力に応じて該燃料電池が発電するように目標ガス流量を設定して前記原料ガス供給装置を制御すると共に前記目標ガス流量に応じた目標改質水量を設定して前記改質水供給装置を制御する制御装置と、
前記気化器と前記改質器とを含む改質系の温度を検出する温度検出器と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力が安定した状態で、前記温度検出器により検出される前記改質系の温度が所定の閾値を超える高温異常の有無を監視する監視処理を実行し、
前記所定の閾値は、前記燃料電池の発電出力が小さい場合には大きい場合に比して高い温度となるように設定される
燃料電池システム。 A fuel cell that generates power based on the fuel gas and the oxidant gas;
A reformer that reforms a raw material gas into a fuel gas using steam and supplies the fuel gas to the fuel cell;
A source gas supply device for supplying a source gas to the reformer,
A vaporizer for supplying steam reformed water to the reformer,
A reforming water supply device for supplying reforming water to the vaporizer,
Setting the target gas flow rate so that the fuel cell generates power according to the output required for the fuel cell, controlling the source gas supply device, and setting the target reforming water amount according to the target gas flow rate A control device for controlling the reformed water supply device,
A temperature detector for detecting a temperature of a reforming system including the vaporizer and the reformer,
With
The control device, in a state where the power generation output of the fuel cell is stable, executes a monitoring process of monitoring the presence or absence of a high temperature abnormality in which the temperature of the reforming system detected by the temperature detector exceeds a predetermined threshold,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined threshold value is set such that the temperature is higher when the power generation output of the fuel cell is low than when the power generation output is high.
前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力の変動が所定幅内となる状態が所定時間以上継続している場合に、前記燃料電池の発電出力が安定した状態であるとする
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device is configured to stabilize the power generation output of the fuel cell when the fluctuation of the power generation output of the fuel cell is within a predetermined width for a predetermined time or more.
前記制御装置は、原料ガスと水蒸気との比であるスチームカーボン比と前記目標ガス流量とに基づいて前記目標改質水量を設定し、
前記スチームカーボン比は、前記温度検出器により検出される前記改質系の温度が高い場合には低い場合に比して大きな比となるように変更される
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The control device sets the target reformed water amount based on the steam gas ratio and the target gas flow rate, which is a ratio between the raw material gas and steam,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the steam carbon ratio is changed to be a larger ratio when the temperature of the reforming system detected by the temperature detector is high than when the temperature is low.
前記制御装置は、前記監視処理の実行により前記改質系の高温異常を検出した場合に、システムを停止させる
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
The fuel cell system, wherein the control device stops the system when a high temperature abnormality of the reforming system is detected by executing the monitoring process.
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