JP2020170684A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system including a fuel cell that outputs electrical energy by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas.
従来、燃料電池システムとして、需要電力の変化に発電電力が追従するように燃料電池を動作させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, as a fuel cell system, a system in which a fuel cell is operated so that the generated power follows a change in demand power is known (see, for example, Patent Document 1).
ところで、燃料電池システムでは、例えば、系統電源の停電等によって、燃料電池の発電電力のうち負荷側で消費される電力を超える余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃料電池の発電電力が制限される。 By the way, in the fuel cell system, for example, when the surplus power exceeding the power consumed on the load side of the generated power of the fuel cell becomes an excess state exceeding a predetermined reference power due to a power failure of the system power supply or the like, the fuel cell generates power. Power is limited.
この際、燃料電池では、電力制限に対する燃料供給系の応答遅れ等によって発電に利用されない未反応の燃料ガスが増加する。これにより、燃料電池に接続される燃焼器に対して必要以上に未反応の燃料ガスが供給される。この場合、燃焼器の温度が過度に上昇することで、燃焼器および燃焼器の周囲に配置される機器（例えば、燃料電池、改質器）が熱的なダメージを受けてしまう虞がある。 At this time, in the fuel cell, unreacted fuel gas that is not used for power generation increases due to a delay in the response of the fuel supply system to the power limit. As a result, unreacted fuel gas is supplied to the combustor connected to the fuel cell more than necessary. In this case, if the temperature of the combustor rises excessively, the combustor and the equipment arranged around the combustor (for example, a fuel cell and a reformer) may be thermally damaged.
本開示は、燃料電池の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になる際に燃焼器に対して必要以上に未反応の燃料ガスが供給されることを抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present disclosure provides a fuel cell system capable of suppressing the supply of unreacted fuel gas to a combustor more than necessary when the surplus power of the fuel cell exceeds a predetermined reference power. The purpose is.
請求項１に記載の発明は、
需要電力に応じた発電電力を出力可能な燃料電池システムであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）と、
燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ポンプ（３１）と、
燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させる燃焼器（７３）と、
燃料オフガスの一部を燃料電池の上流に導くリサイクル経路（８２）と、
リサイクル経路を介して燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部（８０、８１、５１）と、
オフガス循環部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
制御装置は、燃料電池の発電電力のうち燃料電池に接続される負荷での消費電力を超える余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御する。
The invention according to claim 1
A fuel cell system that can output generated power according to the required power.
A fuel cell (10) that outputs electrical energy through an electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas, and
A fuel pump (31) for supplying fuel gas to the fuel cell,
A combustor (73) that burns the fuel off gas discharged from the fuel cell, and
A recycling route (82) that guides part of the fuel off-gas to the upstream of the fuel cell,
Off-gas circulation units (80, 81, 51) that adjust the circulation amount of fuel off-gas returned to the upstream of the fuel cell via the recycling route, and
A control device (100) for controlling an off-gas circulation unit is provided.
In the control device, when the surplus power that exceeds the power consumption of the load connected to the fuel cell out of the generated power of the fuel cell exceeds the predetermined reference power, the supply amount of fuel off gas supplied to the combustor is increased. The off-gas circulation unit is controlled so that the amount of fuel off-gas circulation decreases and the amount of fuel off-gas returned to the upstream of the fuel cell increases.
これによれば、燃料電池の発電電力に含まれる余剰電力が過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少するので、燃焼器の温度が過度に上昇することを抑制することができる。 According to this, when the surplus power contained in the generated power of the fuel cell becomes excessive, the supply amount of the fuel off gas supplied to the combustor decreases, so that the temperature of the combustor is suppressed from rising excessively. be able to.
ここで、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすためには、燃料電池への燃料ガスの供給量を減らすことでも実現可能である。しかしながら、この場合、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足してしまう可能性がある。燃料電池への燃料ガスの供給量が不足する燃料不足状態になると、例えば、燃料電池の内部に用いられる触媒の劣化が促進されてしまうことから好ましくない。 Here, in order to reduce the supply amount of fuel off gas to the combustor, it is also possible to reduce the supply amount of fuel gas to the fuel cell. However, in this case, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell may be insufficient. In a fuel shortage state in which the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is insufficient, for example, deterioration of the catalyst used inside the fuel cell is accelerated, which is not preferable.
これに対して、本開示では、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、燃料電池の上流に対する未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの循環量が増加するので、燃料電池が燃料供給量不足になり難くなる。 On the other hand, in the present disclosure, when the surplus power of the fuel cell becomes excessive, the circulation amount of the fuel off gas including the unreacted fuel gas to the upstream of the fuel cell increases, so that the fuel cell becomes insufficient in the fuel supply amount. It becomes difficult to become.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 The reference reference numerals in parentheses attached to each component or the like indicate an example of the correspondence between the component or the like and the specific component or the like described in the embodiment described later.
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same reference numerals may be assigned to parts that are the same as or equivalent to those described in the preceding embodiments, and the description thereof may be omitted. Further, when only a part of the component is described in the embodiment, the component described in the preceding embodiment can be applied to the other part of the component. The following embodiments can be partially combined with each other as long as the combination does not cause any trouble, even if not explicitly stated.
（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。燃料電池システム１は、家庭に適用される電源システムの一部を構成するものであって、需要電力に応じた発電電力を出力可能に構成されている。
(First Embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. The fuel cell system 1 constitutes a part of a power supply system applied to a home, and is configured to be able to output generated power according to demand power.
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本例では空気中の酸素）の電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）で構成されている。燃料電池１０は、複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。燃料極には、シフト反応等に活性の高いニッケルと電解質材料であるイットリア安定化ジルコニアのサーメット等が用いられている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。 Although not shown, the power generation cell is composed of a solid oxide electrolyte, an air electrode (that is, a cathode), and a fuel electrode (that is, an anode). Nickel, which is highly active in shift reactions, and cermet of yttria-stabilized zirconia, which is an electrolyte material, are used as the fuel electrode. The power generation cell of the present embodiment uses hydrogen and carbon monoxide produced by reforming city gas (that is, a gas containing methane as a main component), which is a hydrocarbon fuel, as fuel gas. As long as the fuel used is a hydrocarbon-based fuel, a gas other than city gas may be used.
燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
The
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ− …（Ｆ１） (Fuel electrode) 2H 2 + 2O 2- → 2H 2 O + 4e − … (F1)
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２− …（Ｆ２）
また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
(Air electrode) O 2 + 4e - → 2O 2- ... (F2)
Further, the
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ− …（Ｆ３） (Fuel electrode) 2CO + 2O 2- → 2CO 2 + 4e − … (F3)
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２− …（Ｆ４）
燃料電池１０には、燃料電池１０から出力される電流・電圧を検出する電流・電圧検出部１０１、燃料電池１０で発生した電気エネルギを取り出すためのパワーコンディショナＰＣ等が接続されている。
(Air electrode) O 2 + 4e - → 2O 2- ... (F4)
The
パワーコンディショナＰＣは、燃料電池１０で発生した直流電力を交流電力に変換する。具体的には、パワーコンディショナＰＣは、燃料電池１０で発生した直流電力を取り出して昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ、直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣインバータを含んで構成されている。
The power conditioner PC converts the DC power generated by the
パワーコンディショナＰＣには、電力ラインを介して家庭内の負荷が接続されている。これにより、燃料電池１０で発生した電気エネルギが、パワーコンディショナＰＣを介して家庭内の負荷に供給される。
A load in the home is connected to the power conditioner PC via a power line. As a result, the electric energy generated by the
また、パワーコンディショナＰＣには、燃料電池１０の発電電力のうち負荷側での消費電力を超える余剰電力を消費するためのヒータが接続されている。このヒータは、例えば、家庭内の貯湯ユニットの温水の加熱に利用される。ヒータは、その消費電力が燃料電池１０の発電電力の最大出力よりも低いものが採用されている。
Further, the power conditioner PC is connected to a heater for consuming surplus power exceeding the power consumption on the load side among the generated power of the
図示しないが、燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３２、気化器４２、燃焼器７３等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。燃料電池１０は、起動時に後述する燃焼器７３によって暖機される。
Although not shown, the
燃料電池１０は、空気入口部１０ａに、空気の流通経路である空気経路２０が接続されている。空気経路２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２が設けられている。
In the
圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給する酸化剤ポンプである。圧送ブロワ２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。
The
空気予熱器２２は、圧送ブロワ２１から圧送された空気を後述する燃焼器７３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。
The
一方、燃料電池１０は、燃料入口部１０ｂに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料経路３０が接続されている。燃料経路３０には、上流側から順に、燃料開閉弁３３、燃料ポンプ３１、改質器３２が設けられている。
On the other hand, in the
燃料ポンプ３１は、燃料電池１０側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
The
改質器３２は、水蒸気を用いて燃料ポンプ３１から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３２は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。
The
ここで、改質器３２としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることも考えられるが、この場合、改質器３２の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器３２として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。
Here, the
具体的には、改質器３２は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。
Specifically, the
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（Ｆ６）
ここで、改質器３２における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３２は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱（放射熱）を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。
CH 4 + H 2 O → CO + H 2 … (F5)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 … (F6)
Here, the steam reforming in the
改質器３２の出口側には、図示しないが改質器３２の温度を検出するための改質温度センサが設置されている。改質温度センサは、改質器３２を通過した後の燃料ガスの温度を検出する温度センサである。
Although not shown, a reforming temperature sensor for detecting the temperature of the
燃料経路３０には、燃料ポンプ３１の上流に燃料開閉弁３３が設けられている。この燃料開閉弁３３は、燃料経路３０における燃料ポンプ３１の上流を開閉することで、外部からの燃料供給が可能な燃料供給状態と、外部からの燃料供給ができない燃料遮断状態とに切り替える切替手段である。燃料開閉弁３３は、制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
The
燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間に水供給経路４０が接続されている。水供給経路４０には、システム外部から水を供給する水ポンプ４１、改質器３２へ供給する水蒸気を生成する気化器４２が設けられている。
A
水ポンプ４１は、気化器４２を介して改質器３２側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
The
気化器４２は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器４２は、水ポンプ４１から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。
The
気化器４２には、図示しないが気化器４２の温度を検出するための気化温度センサが設置されている。気化温度センサは、気化器４２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。
Although not shown, the
また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス経路７０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、空気出口部１０ｃに燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出経路７１が接続され、燃料出口部１０ｄに燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出経路７２が接続されている。
Further, the
オフガス経路７０には、燃焼器７３が接続されている。燃焼器７３は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器３２等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器７３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。図示しないが、燃焼器７３は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器７３では、バーナの点火によって、燃料の燃焼が開始される。
A
燃焼器７３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス経路７４が接続されている。燃焼ガス経路７４は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、触媒燃焼器７５といった順に接続されている。
A
触媒燃焼器７５は、システム外部に排気するオフガス中の水素濃度等を低下させるものである。触媒燃焼器７５は、燃料オフガスに含まれる水を触媒上で燃焼可能なように、例えば、白金等が担持された触媒を含む燃焼器で構成されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。 The catalyst combustor 75 reduces the hydrogen concentration and the like in the off-gas exhausted to the outside of the system. The catalyst combustor 75 is composed of a combustor containing, for example, a catalyst on which platinum or the like is supported so that water contained in the fuel off gas can be combusted on the catalyst. The order of flowing the combustion gas to each device may be changed according to the amount of heat required by each device.
ここで、燃料排出経路７２には、燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を燃料電池１０の上流に導くリサイクル経路８２が接続されている。リサイクル経路８２は、一端側が燃料排出経路７２に接続され、他端側が燃料経路３０における燃料ポンプ３１と改質器３２との間に接続されている。
Here, the fuel discharge path 72 is connected to a
リサイクル経路８２には、循環ポンプ８０が設けられている。循環ポンプ８０は、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０に向けて流れる燃料オフガスの流量を調整するものである。循環ポンプ８０は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。なお、循環ポンプ８０は、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部を構成している。
A
次に、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置１００について図２を参照して説明する。図２に示す制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含むマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。
Next, the
制御装置１００の入力側には、電流・電圧検出部１０１を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするための運転スイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。
Various sensors including the current /
一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、循環ポンプ８０、図示しない燃焼器７３のバーナ等が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
On the other hand, a
また、制御装置１００は、家庭内の負荷の需要電力に応じて、燃料電池１０の発電電力を制御し、これに合わせてパワーコンディショナＰＣを制御する。なお、燃料電池１０の発電電力の制御は、燃料電池１０の燃料供給系（すなわち、燃料電池１０に対する燃料ガスの供給量）を制御することによって実現される。
Further, the
また、制御装置１００は、燃料電池１０の発電電力の制御と並行し、燃料電池１０から取り出す電流（掃引電流）が、目標発電電力により定まる目標電流値に近づくようにパワーコンディショナＰＣを制御する。
Further, the
次に、燃料電池システム１の作動について説明する。燃料電池システム１は、運転スイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって燃料電池１０を起動させる起動処理が実行される。
Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described. In the fuel cell system 1, when the
制御装置１００は、例えば、起動処理において、燃焼器７３に対して燃料および空気を供給した状態でバーナを点火する。これにより、燃焼器７３では、バーナの点火によって燃料および空気の混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。これにより、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２が昇温する。また、燃料電池１０は、燃焼器７３、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２から受熱すること等によって昇温する。なお、制御装置１００は、起動処理の実行時に、燃料経路３０が燃料供給状態となるように燃料開閉弁３３を制御する。
The
制御装置１００は、上述の起動処理によって改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、燃料電池１０等が燃料電池１０の発電に適した温度状態になると、発電処理を実行する。制御装置１００は、例えば、起動処理の開始後、電池温度センサの検出温度が所定の発電基準温度（例えば、５００℃）以上となると、発電処理を実行する。
When the
制御装置１００は、発電処理において、燃料電池１０に対して発電に適した量の酸化剤ガスをおよび燃料ガスが供給されるように圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、循環ポンプ８０を制御する。
In the power generation process, the
圧送ブロワ２１から吹き出される酸化剤ガスは、空気予熱器２２に流入し、燃焼ガスとの熱交換によって昇温される。そして、空気予熱器２２を通過した空気は、燃料電池１０に流入する。
The oxidant gas blown out from the
また、燃料ポンプ３１から吐出される燃料は、燃料経路３０の途中において気化器４２で生成された水蒸気と混合された後、改質器３２に流入する。改質器３２では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。そして、改質器３２で生成された燃料ガスは、燃料電池１０に流入する。
Further, the fuel discharged from the
燃料電池１０は、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ１〜Ｆ４に示す反応により電気エネルギを出力する。この際、燃料電池１０は、オフガス経路７０にオフガスを排出する。
When the oxidant gas and the fuel gas are supplied, the
燃料電池１０から排出されたオフガスは、可燃ガスとして燃焼器７３で燃焼される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。
The off-gas discharged from the
本実施形態の燃料電池システム１には、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを再利用するためにリサイクル経路８２が設けられている。このため、燃料排出経路７２を流れる燃料オフガスの一部は、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に導かれ、燃料電池１０の発電に再利用される。
The fuel cell system 1 of the present embodiment is provided with a
ところで、制御装置１００は、燃料電池１０の発電中に、系統電源が停電すると、燃料電池１０が家庭内の負荷から切り離されるようにパワーコンディショナＰＣを制御する。
By the way, the
この際、単に、燃料電池１０を家庭内の負荷から切り離すと、負荷側で消費しきれない余剰電力が過剰になるため、制御装置１００は、燃料電池１０の発電電力を制限する。すなわち、燃料電池システム１では、系統電源の停電時の如く、燃料電池１０の余剰電力が過剰になると、制御装置１００によって燃料電池１０の発電電力が制限される。
At this time, if the
但し、燃料電池１０では、電力制限に対する燃料供給系の応答遅れ等によって発電に利用されない未反応の燃料ガスが増加する。この場合、燃焼器７３に対して必要以上の未反応の燃料ガスが供給され、燃焼器７３の温度が過度に上昇することがある。
However, in the
これに対して、本実施形態の制御装置１００は、燃焼器７３に対して必要以上の未反応の燃料ガスが供給されることを抑制する燃料制限処理を実行する。燃料制限処理については、図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図３に示す燃料制限処理は、燃料電池１０の発電中に制御装置１００によって周期的または不定期に実行される。
On the other hand, the
図３に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１００にて、入力側に接続される各種センサ、操作パネル１０５、パワーコンディショナＰＣ等からの信号を読み込む。
As shown in FIG. 3, in step S100, the
続いて、制御装置１００は、ステップＳ１１０にて、燃料電池１０の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になっているか否かを判定する。なお、燃料電池１０の余剰電力は、燃料電池１０の発電電力のうち家庭内の負荷での消費電力を超える電力である。また、基準電力は、例えば、ヒータにて消費可能な電力の最大値に設定される。
Subsequently, in step S110, the
具体的には、ステップＳ１１０の判定処理では、燃料電池１０の発電電力と家庭内の負荷で必要とされる電力との差分を余剰電力として算出し、当該余剰電力を基準電力と比較し、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になっているか否かを判定する。なお、系統電源の停電時には、燃料電池１０の発電電力が負荷側で消費されないので、燃料電池１０の余剰電力が基準電力を上回る過剰状態になる。このため、ステップＳ１１０の判定処理では、系統電源の停電の有無に基づいて余剰電力が過剰状態になっているか否かを判定するようになっていてもよい。
Specifically, in the determination process of step S110, the difference between the generated power of the
ステップＳ１１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態ではなく許容状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ１２０にて、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１および循環ポンプ８０を制御する。
As a result of the determination process in step S110, when the surplus power is not in the excess state but in the allowable state, the
一方、ステップＳ１１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ１３０にて、通常能力よりも高い能力で駆動されるように循環ポンプ８０を制御する。すなわち、制御装置１００は、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように循環ポンプ８０を制御する。
On the other hand, when the surplus power is in the excess state as a result of the determination process in step S110, the
これにより、リサイクル経路８２を介して、燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加する。そして、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。
As a result, the circulation amount of the fuel off gas returned to the upstream of the
ステップＳ１３０にて循環ポンプ８０を制御した後、制御装置１００は、ステップＳ１４０にて、通常能力よりも低い能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。これにより、改質器３２への燃料の供給量が減少し、外部から燃料電池１０へ供給される燃料ガスの供給量が減少する。なお、ステップＳ１４０の処理は、制御装置１００によってステップＳ１３０の処理が実行されてから所定時間経過した後に実行される。この所定時間は、例えば、ステップＳ１３０の処理を実行してから燃料電池１０に供給される燃料ガスの供給量が増え始めるまでに要する時間に設定される。
After controlling the
なお、系統電源が停電から復旧すると、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態から許容状態に移行し、燃焼器７３に対して供給される燃料ガスの供給量も適正な量となる。このため、燃料電池システム１は、系統電源が停電から復旧すると、制御装置１００によって、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１および循環ポンプ８０が制御されるように構成されている。
When the system power supply is restored from the power failure, the surplus power of the
また、系統電源の停電時は、燃料電池１０に余剰電力が生ずる。この余剰電力は、例えば、家庭内の貯湯ユニットの温水を加熱するヒータによって消費される。
Further, in the event of a power failure of the system power supply, surplus power is generated in the
以上説明した燃料電池システム１は、系統電源の停電等によって燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように制御装置１００によって循環ポンプ８０が制御される。
In the fuel cell system 1 described above, the
これにより、燃料電池システム１では、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加し、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。この結果、系統電源の停電等に、燃焼器７３の温度が過度に上昇することが抑制される。
As a result, in the fuel cell system 1, the circulation amount of the fuel off gas returned upstream of the
ここで、燃焼器７３への燃料オフガスの供給量を減らすことは、燃料ポンプ３１による燃料ガスの供給能力を低下させることで、燃料電池１０への燃料ガスの供給量を減らすことでも実現可能である。しかしながら、この場合、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が不足してしまう。燃料電池１０への燃料ガスの供給量が不足する燃料不足状態になると、例えば、燃料電池１０の内部に用いられる触媒の劣化が促進されてしまうことから好ましくない。
Here, reducing the supply amount of fuel off gas to the
これに対して、本開示では、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、燃料電池１０の上流に対する未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの循環量が増加するので、燃料電池１０が燃料供給量不足になり難くなる。
On the other hand, in the present disclosure, when the surplus electric power of the
加えて、制御装置１００は、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、先ず燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量が増加するように循環ポンプ８０を制御した後、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が減少するように燃料ポンプ３１を制御する。これによれば、燃料電池１０が燃料不足状態となることを回避しつつ、燃焼器７３への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。この際、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が減少するように燃料ポンプ３１を制御するので、外部からの燃料の投入量を減らすことができる。
In addition, when the surplus power of the
ところで、系統電源の停電時に、燃料電池１０の発電電力を制限せず、燃料電池１０の余剰電力の全てをヒータ等で消費する構成とすることも考えられる。
By the way, in the event of a power failure of the system power supply, it is conceivable that the generated power of the
しかしながら、燃料電池１０の余剰電力の全てをヒータ等で消費するためには、ヒータの大型化およびコスト増大が避けられないといった背反がある。
However, in order to consume all the surplus electric power of the
これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、系統電源の停電時に、燃料電池１０の発電電力を制限するので、余剰電力を消費するためのヒータとして大型で高価なものを用意する必要がないといった利点がある。
On the other hand, since the fuel cell system 1 of the present embodiment limits the generated power of the
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図４〜図６を参照して説明する。本実施形態では、循環ポンプ８０に代えてエジェクタ８１が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 6. The present embodiment is different from the first embodiment in that an
図４に示すように、燃料経路３０には、燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間にエジェクタ８１が設けられている。エジェクタ８１は、燃料ガスを噴射するノズル部８１１、燃料電池１０の出口側から燃料オフガスを吸引する吸引部８１２、ノズル部８１１から噴射される燃料ガスと吸引部８１２から吸引される燃料オフガスとを混合して吐出する吐出部８１３を有する。
As shown in FIG. 4, in the
ノズル部８１１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部８１１は、例えば、流路の出口よりも手前に最小の流路面積となる部位があるラバールノズルで構成される。なお、ノズル部８１１は、先細ノズルで構成されていてもよい。
The
エジェクタ８１の吐出部８１３は、ノズル部８１１からの流体および吸引部８１２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。吐出部８１３の下流には、改質器３２の入口が接続されている。
The
エジェクタ８１の吸引部８１２は、ノズル部８１１の出口側の負圧を利用して燃料電池１０の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部８１２には、燃料排出経路７２を流れる流体が吸引されるように、燃料排出経路７２から分岐するリサイクル経路８２が接続されている。
The
ここで、本実施形態のエジェクタ８１は、ノズル部８１１の絞り開度を調整する可変絞り部８１４が設けられている。可変絞り部８１４は、例えば、先端側に向かって断面積が縮小する円錐状のニードル、当該ニードルをノズル部８１１の内側で軸方向に変位させる駆動部を含む構成になっている。本実施形態では、エジェクタ８１が、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部を構成する。
Here, the
図５に示すように、制御装置１００の出力側には、制御機器として、可変絞り部８１４が接続されている。可変絞り部８１４は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
As shown in FIG. 5, a
次に、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置１００が実行する燃料制限処理について、図６を参照して説明する。なお、図６に示す燃料制限処理は、燃料電池１０の発電中に制御装置１００によって周期的または不定期に実行される。
Next, the fuel restriction process executed by the
図６に示すように、制御装置１００は、ステップＳ２００にて、入力側に接続される各種センサ、操作パネル１０５、パワーコンディショナＰＣ等からの信号を読み込む。
As shown in FIG. 6, in step S200, the
続いて、制御装置１００は、ステップＳ２１０にて、燃料電池１０の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になっているか否かを判定する。なお、ステップＳ２１０の判定処理は、図３のステップＳ１１０の判定処理と同様であるため、その説明を省略する。
Subsequently, in step S210, the
ステップＳ２１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態ではなく許容状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ２２０にて、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。同時に、制御装置１００は、ノズル部８１１の絞り開度が通常開度となるようにエジェクタ８１の可変絞り部８１４を制御する。
As a result of the determination process in step S210, when the surplus power is not in the excess state but in the allowable state, the
一方、ステップＳ２１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ２３０にて、ノズル部８１１が通常開度よりも小さい絞り開度となるようにエジェクタ８１の可変絞り部８１４を制御する。
On the other hand, when the surplus power is excessive as a result of the determination process in step S210, the
エジェクタ８１は、ノズル部８１１の絞り開度が小さくなると、ノズル部８１１の出口側の圧力が低下することで、リサイクル経路８２を介して吸引部８１２に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。つまり、ノズル部８１１の絞り開度が小さくなると、リサイクル経路８２を介して、燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加する。そして、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。
When the throttle opening of the
ステップＳ２３０にてエジェクタ８１を制御した後、制御装置１００は、ステップＳ２４０にて、通常能力よりも低い能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。これにより、改質器３２への燃料の供給量が減少し、外部から燃料電池１０へ供給される燃料ガスの供給量が減少する。なお、ステップＳ２４０の処理は、制御装置１００によってステップＳ２３０の処理が実行されてから所定時間経過した後に実行される。この所定時間は、例えば、ステップＳ２３０の処理を実行してから燃料電池１０に供給される燃料ガスの供給量が増え始めるまでに要する時間に設定される。
After controlling the
以上説明した燃料電池システム１は、系統電源の停電等によって燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように制御装置１００によってエジェクタ８１の可変絞り部８１４が制御される。これによれば、第１実施形態で説明した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
特に、本実施形態の燃料電池システム１は、オフガス循環部がエジェクタ８１で構成されている。これによると、動力を増やすことなく、燃料電池１０に供給する燃料ガスの供給量を増加させることができる。
In the fuel cell system 1 described above, when the surplus power of the
In particular, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the off-gas circulation unit is composed of an
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。本実施形態では、燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるガス循環経路５０が設けられている点が第２実施形態と相違している。本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について主に説明し、第２実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
(Third Embodiment)
Next, the third embodiment will be described with reference to FIGS. 7 to 9. The present embodiment is different from the second embodiment in that a
図７に示すように、燃料電池システム１には、燃料経路３０に対してガス循環経路５０が接続されている。ガス循環経路５０は、エジェクタ８１の下流から燃焼器７３に至るガス経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの一部を燃料ポンプ３１の上流に戻すための経路である。
As shown in FIG. 7, a
具体的には、ガス循環経路５０は、一端側が燃料経路３０における燃料開閉弁３３と燃料ポンプ３１との間に接続され、他端側が燃料経路３０における改質器３２と燃料電池１０との間に接続されている。
Specifically, one end of the
ガス循環経路５０には、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量を調整するための流量調整部５１が設けられている。流量調整部５１は、ガス循環経路５０の流路開度を制御することで、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量を調整するように構成されている。流量調整部５１は、制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
The
ここで、本実施形態のエジェクタ８１は、可変絞り部８１４が省略されている。すなわち、本実施形態のエジェクタ８１は、ノズル部８１１の絞り開度が固定された固定絞り構造になっている。なお、本実施形態では、エジェクタ８１および流量調整部５１が、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部を構成する。
Here, in the
図８に示すように、制御装置１００の出力側には、制御機器として、流量調整部５１が接続されている。流量調整部５１は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
As shown in FIG. 8, a flow
次に、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置１００が実行する燃料制限処理について、図９を参照して説明する。なお、図９に示す燃料制限処理は、燃料電池１０の発電中に制御装置１００によって周期的または不定期に実行される。
Next, the fuel restriction process executed by the
図９に示すように、制御装置１００は、ステップＳ３００にて、入力側に接続される各種センサ、操作パネル１０５、パワーコンディショナＰＣ等からの信号を読み込む。
As shown in FIG. 9, in step S300, the
続いて、制御装置１００は、ステップＳ３１０にて、燃料電池１０の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になっているか否かを判定する。なお、ステップＳ３１０の判定処理は、図３のステップＳ１１０の判定処理と同様であるため、その説明を省略する。
Subsequently, in step S310, the
ステップＳ３１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態ではなく許容状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ３２０にて、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。同時に、制御装置１００は、ガス循環経路５０の流路開度が通常開度（例えば、全閉となる開度）となるように流量調整部５１を制御する。
As a result of the determination process in step S310, when the surplus power is not in the excess state but in the allowable state, the
一方、ステップＳ３１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ３３０にて、ガス循環経路５０が通常開度よりも大きい流路開度となるように流量調整部５１を制御する。
On the other hand, when the surplus power is in an excess state as a result of the determination process in step S310, the
ガス循環経路５０が通常開度よりも大きい流路開度になると、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量が増加する。これにより、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入するガスの流量が増加する。
When the
エジェクタ８１は、ノズル部８１１に流入するガスの流量が増加すると、ノズル部８１１から噴射される駆動流のエネルギが大きくなることで、リサイクル経路８２を介して吸引部８１２に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。
When the flow rate of the gas flowing into the
このように、ガス循環経路５０が通常開度よりも大きい流路開度になると、リサイクル経路８２を介して、燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加する。そして、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。
As described above, when the
ステップＳ３３０にて流量調整部５１を制御した後、制御装置１００は、ステップＳ３４０にて、通常能力よりも低い能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。これにより、改質器３２への燃料の供給量が減少し、外部から燃料電池１０へ供給される燃料ガスの供給量が減少する。なお、ステップＳ３４０の処理は、制御装置１００によってステップＳ３３０の処理が実行されてから所定時間経過した後に実行される。この所定時間は、例えば、ステップＳ３３０の処理を実行してから燃料電池１０に供給される燃料ガスの供給量が増え始めるまでに要する時間に設定される。
After controlling the flow
以上説明した燃料電池システム１は、系統電源の停電等によって燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように制御装置１００によって流量調整部５１が制御される。これによれば、第１、第２実施形態で説明した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
In the fuel cell system 1 described above, when the surplus power of the
（第３実施形態の変形例）
上述の第３実施形態では、ガス循環経路５０が燃料経路３０における改質器３２と燃料電池１０との間に接続されているものを例示したが、これに限定されない。ガス循環経路５０は、例えば、燃料オフガスが流れるように燃料排出経路７２に接続されていてもよい。
(Modified example of the third embodiment)
In the third embodiment described above, the
（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
Although the typical embodiments of the present disclosure have been described above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified as follows, for example.
上述の実施形態の如く、燃料制限処理は、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、先ず循環ポンプ８０を制御した後、燃料ポンプ３１を制御することが望ましいが、これに限定されない。燃料制限処理では、例えば、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、循環ポンプ８０および燃料ポンプ３１を同時に制御してもよい。
As in the above-described embodiment, it is desirable, but not limited to, the fuel limiting process to control the
上述の実施形態では、改質器３２等の燃料ガスを生成すための機器を備える燃料電池システム１を例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、システムの外部で生成された燃料ガスが供給される構成になっていてもよい。この場合、システム構成が簡素になる。
In the above-described embodiment, the fuel cell system 1 including a device for generating fuel gas such as a
上述の実施形態では、燃料電池１０が固体酸化物型の燃料電池で構成されるものを例示したが、これに限定されない。燃料電池１０は、例えば、固体高分子型の燃料電池（すなわち、ＰＥＦＣ）で構成されていてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述の実施形態では、燃料電池システム１として、家庭に適用される電源システムの一部を構成するものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、車両の駆動に利用される電源システムに適用されていてもよい。 In the above-described embodiment, the fuel cell system 1 exemplifies a system that constitutes a part of a power supply system applied to a home, but is not limited thereto. The fuel cell system 1 may be applied to, for example, a power supply system used for driving a vehicle.
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Needless to say, in the above-described embodiment, the elements constituting the embodiment are not necessarily essential except when it is clearly stated that they are essential and when they are clearly considered to be essential in principle.
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。 In the above-described embodiment, when numerical values such as the number, numerical value, amount, range, etc. of the components of the embodiment are mentioned, when it is clearly stated that it is particularly essential, and in principle, it is clearly limited to a specific number. Except as the case, it is not limited to the specific number.
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。 In the above-described embodiment, when referring to the shape, positional relationship, etc. of a component or the like, the shape, positional relationship, etc., unless otherwise specified or limited in principle to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to.
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ポンプ、燃料オフガスを燃焼させる燃焼器、燃料オフガスの一部を燃料電池の上流に導くリサイクル経路を備える。また、燃料電池システムは、リサイクル経路を介して燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部、オフガス循環部を制御する制御装置を備える。制御装置は、燃料電池の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御する。
(Summary)
According to the first aspect shown in part or all of the above embodiments, the fuel cell system is a fuel cell, a fuel pump that supplies fuel gas to the fuel cell, a combustor that burns fuel off gas, a fuel off gas. It has a recycling route that leads a part of the fuel cell upstream. Further, the fuel cell system includes an off-gas circulation unit that adjusts the circulation amount of fuel off-gas returned to the upstream of the fuel cell via a recycling route, and a control device that controls the off-gas circulation unit. In the control device, when the surplus power of the fuel cell exceeds the predetermined reference power, the supply amount of the fuel off gas supplied to the combustor decreases, and the circulation amount of the fuel off gas returned to the upstream of the fuel cell. Control the off-gas circulation section so that
第２の観点によれば、制御装置は、余剰電力が過剰状態になると、先ず燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御し、その後、燃料電池への燃料ガスの供給量が減少するように燃料ポンプを制御する。 According to the second aspect, the control device first controls the off-gas circulation unit so that the circulation amount of the fuel off-gas returned to the upstream of the fuel cell increases when the surplus power becomes excessive, and then to the fuel cell. Control the fuel pump so that the supply of fuel gas is reduced.
このように、燃料電池への燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御した後に、燃料電池への燃料ガスの供給量を減少させれば、燃料電池が燃料不足状態となることを回避しつつ、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。 In this way, if the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is reduced after controlling the off-gas circulation unit so that the amount of fuel off-gas circulation to the fuel cell increases, the fuel cell becomes in a fuel shortage state. It is possible to reduce the amount of fuel off-gas supplied to the combustor while avoiding the above.
第３の観点によれば、オフガス循環部は、リサイクル経路に設けられ、燃料電池に向けて流れる燃料オフガスの流量を調整する循環ポンプを含んでいる。制御装置は、余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路を流れる燃料オフガスの流量が増加するように循環ポンプを制御する。 According to the third aspect, the off-gas circulation unit includes a circulation pump provided in the recycling path and adjusting the flow rate of the fuel off-gas flowing toward the fuel cell. The control device controls the circulation pump so that the flow rate of the fuel off gas flowing through the recycling path increases when the surplus electric power becomes excessive.
これによると、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、制御装置によってリサイクル経路を流れる燃料オフガスの流量が増加するように循環ポンプが制御されるので、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。 According to this, when the surplus power of the fuel cell becomes excessive, the circulation pump is controlled so that the flow rate of the fuel off gas flowing through the recycling path is increased by the control device, so that the supply amount of the fuel off gas to the combustor is reduced. be able to.
第４の観点によれば、オフガス循環部は、燃料ポンプと燃料電池との間に設けられたエジェクタを含んでいる。エジェクタは、燃料ガスを噴射するノズル部、ノズル部の絞り開度を調整する可変絞り部、燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引する吸引部、ノズル部から噴射される燃料ガスと吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して吐出する吐出部を有する。制御装置は、余剰電力が前記過剰状態になると、ノズル部の絞り開度が小さくなるように可変絞り部を制御する。 According to the fourth aspect, the off-gas circulation section includes an ejector provided between the fuel pump and the fuel cell. The ejector is a nozzle part that injects fuel gas, a variable throttle part that adjusts the throttle opening of the nozzle part, a suction part that sucks a part of the fuel off gas into the recycling path, and a fuel gas and suction part injected from the nozzle part. It has a discharge unit that mixes and discharges the sucked fuel off gas. The control device controls the variable throttle portion so that the throttle opening of the nozzle portion becomes small when the surplus power becomes the excess state.
このように、オフガス循環部をエジェクタで構成すれば、動力を増やすことなく、燃料電池に供給する燃料ガスの供給量を増加させることができる。 In this way, if the off-gas circulation unit is composed of an ejector, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell can be increased without increasing the power.
加えて、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、制御装置によってノズル部の絞り開度が小さくなるように可変絞り部が制御される。エジェクタは、ノズル部の絞り開度が小さくなると、ノズル部の出口側の圧力が低下することで、リサイクル経路を介して吸引部に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。このため、燃料電池の余剰電力が過剰状態になる際にノズル部の絞り開度が小さくなる構成になっていれば、リサイクル経路を流れる燃料オフガスを増加させ、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。 In addition, when the surplus power of the fuel cell becomes excessive, the control device controls the variable throttle portion so that the throttle opening of the nozzle portion becomes small. When the throttle opening of the nozzle portion of the ejector becomes smaller, the pressure on the outlet side of the nozzle portion decreases, so that the flow rate of the fuel off gas sucked into the suction portion via the recycling path increases. For this reason, if the throttle opening of the nozzle portion is reduced when the surplus power of the fuel cell becomes excessive, the amount of fuel off gas flowing through the recycling path is increased, and the amount of fuel off gas supplied to the combustor. Can be reduced.
第５の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるガス循環経路を備える。オフガス循環部は、燃料ポンプと燃料電池との間に設けられたエジェクタ、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部を含んでいる。ガス循環経路は、エジェクタの下流から燃焼器に至るガス経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを燃料ポンプの上流に導く経路である。制御装置は、余剰電力が過剰状態になると、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加するように流量調整部を制御する。 According to a fifth aspect, the fuel cell system comprises a gas circulation path through which fuel gas or fuel off gas flows. The off-gas circulation unit includes an ejector provided between the fuel pump and the fuel cell, and a flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the fuel gas or the fuel off-gas flowing through the gas circulation path. The gas circulation path is a path that guides the fuel gas or the fuel off gas flowing through the gas path from the downstream of the ejector to the combustor to the upstream of the fuel pump. The control device controls the flow rate adjusting unit so that the flow rate of the fuel gas or the fuel off gas flowing through the gas circulation path increases when the surplus electric power becomes excessive.
このように、オフガス循環部をエジェクタで構成すれば、動力を増やすことなく、燃料電池に供給する流体の供給量を増加させることができる。 In this way, if the off-gas circulation unit is composed of an ejector, the amount of fluid supplied to the fuel cell can be increased without increasing the power.
加えて、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、制御装置によってガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加するように流量調整部が制御される。これによると、エジェクタのノズル部に流入するガスの流量が増加し、ノズル部から噴射される駆動流のエネルギが大きくなることで、リサイクル経路を介して吸引部に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。このため、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加する構成になっていれば、リサイクル経路を流れる燃料オフガスを増加させ、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。 In addition, when the surplus power of the fuel cell becomes excessive, the control device controls the flow rate adjusting unit so that the flow rate of the fuel gas or the fuel off gas flowing through the gas circulation path increases. According to this, the flow rate of the gas flowing into the nozzle part of the ejector increases, and the energy of the drive flow injected from the nozzle part increases, so that the flow rate of the fuel off gas sucked into the suction part via the recycling path increases. To increase. Therefore, if the excess power of the fuel cell becomes excessive, the flow rate of the fuel gas or the fuel off gas flowing through the gas circulation path increases, and the fuel off gas flowing through the recycling path is increased to the combustor. The supply of fuel off gas can be reduced.
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３１ 燃料ポンプ
７３ 燃焼器
８０ 循環ポンプ（オフガス循環部）
８２ リサイクル経路
１００ 制御装置*/
1
82
Claims (5)
燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ポンプ（３１）と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させる燃焼器（７３）と、
燃料オフガスの一部を前記燃料電池の上流に導くリサイクル経路（８２）と、
前記リサイクル経路を介して前記燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部（８０、８１、５１）と、
前記オフガス循環部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電電力のうち前記燃料電池に接続される負荷での消費電力を超える余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、前記燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、前記燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するように前記オフガス循環部を制御する、燃料電池システム。 A fuel cell system that can output generated power according to the required power.
A fuel cell (10) that outputs electrical energy through an electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas, and
A fuel pump (31) for supplying fuel gas to the fuel cell and
A combustor (73) that burns the fuel off gas discharged from the fuel cell, and
A recycling route (82) that guides a part of the fuel off gas to the upstream of the fuel cell, and
Off-gas circulation units (80, 81, 51) that adjust the circulation amount of fuel off-gas returned to the upstream of the fuel cell via the recycling route, and
A control device (100) for controlling the off-gas circulation unit is provided.
When the surplus power exceeding the power consumption of the load connected to the fuel cell out of the generated power of the fuel cell becomes an excess state exceeding a predetermined reference power, the control device supplies fuel off gas to the combustor. A fuel cell system that controls the off-gas circulation unit so that the supply amount of the fuel cell is reduced and the circulation amount of the fuel off-gas returned upstream of the fuel cell is increased.
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、前記リサイクル経路を流れる燃料オフガスの流量が増加するように前記循環ポンプを制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The off-gas circulation unit includes a circulation pump (80) provided in the recycling path and adjusting the flow rate of fuel off-gas flowing toward the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control device controls the circulation pump so that the flow rate of the fuel off gas flowing through the recycling path increases when the surplus electric power becomes the excess state.
前記エジェクタは、燃料ガスを噴射するノズル部（８１１）、前記ノズル部の絞り開度を調整する可変絞り部（８１４）、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引する吸引部（８１２）、前記ノズル部から噴射される燃料ガスと前記吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して前記燃料電池に向けて吐出する吐出部（８１３）を有し、
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、前記ノズル部の絞り開度が小さくなるように前記可変絞り部を制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The off-gas circulation unit includes an ejector (81) provided between the fuel pump and the fuel cell.
The ejector is a part of fuel off gas by utilizing a nozzle portion (811) for injecting fuel gas, a variable throttle portion (814) for adjusting the throttle opening of the nozzle portion, and a negative pressure on the outlet side of the nozzle portion. A suction unit (812) that sucks the fuel into the recycling path, and a discharge unit (813) that mixes the fuel gas injected from the nozzle unit and the fuel off gas sucked from the suction unit and discharges the fuel toward the fuel cell. Have,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control device controls the variable throttle portion so that the throttle opening of the nozzle portion becomes small when the surplus power becomes the excess state.
前記オフガス循環部は、前記燃料ポンプと前記燃料電池との間に設けられたエジェクタ（８１）、前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部（５１）を含んでおり、
前記ガス循環経路は、前記エジェクタの下流から前記燃焼器に至るガス経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを前記燃料ポンプの上流に導く経路であり、
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加するように前記流量調整部を制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。 It has a gas circulation path (50) through which fuel gas or fuel off gas flows.
The off-gas circulation unit includes an ejector (81) provided between the fuel pump and the fuel cell, and a flow rate adjusting unit (51) for adjusting the flow rate of the fuel gas or the fuel off-gas flowing through the gas circulation path. Ori,
The gas circulation path is a path that guides fuel gas or fuel off gas flowing through the gas path from the downstream of the ejector to the combustor to the upstream of the fuel pump.
The fuel according to claim 1 or 2, wherein the control device controls the flow rate adjusting unit so that the flow rate of the fuel gas or the fuel off gas flowing through the gas circulation path increases when the surplus electric power becomes the excess state. Battery system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2019072952A JP2020170684A (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2019072952A JP2020170684A (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Fuel cell system |
Publications (1)
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ID=72746150
Family Applications (1)
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| JP2019072952A Pending JP2020170684A (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Fuel cell system |
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2019
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