JP2021140871A - 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ものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
特許文献１に記載の燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって原料ガスを改質して、燃料電池に供給する燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池から排出される未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器と、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して水を回収する熱交換器とを備える。この燃料電池システムでは、改質器への水蒸気の供給を燃料電池システム内で回収される水のみで賄うことができる水自立が成立していない場合、原料ガスの供給量を増大させ、燃焼排ガスの露点を上げるようにしている。これにより、燃焼排ガスの露点を上げることで、熱交換器での水の回収量を増加させ、水自立の促進が図られている。 The fuel cell system described in Patent Document 1 includes a reformer that reforms a raw material gas by a steam reforming reaction to generate a fuel gas to be supplied to the fuel cell, and an unreacted fuel gas discharged from the fuel cell. It is provided with a combustor that burns fuel-off gas containing fuel to generate combustion exhaust gas, and a heat exchanger that condenses water vapor contained in the combustion exhaust gas to recover water. In this fuel cell system, if water independence is not established in which the supply of water vapor to the reformer can be covered only by the water recovered in the fuel cell system, the supply amount of the raw material gas is increased and the combustion exhaust gas is exhausted. I try to raise the dew point. As a result, by raising the dew point of the combustion exhaust gas, the amount of water recovered by the heat exchanger is increased, and water independence is promoted.
しかし、燃料電池の発電出力のためではなく、水自立を成立させるために、原料ガスの供給量を増大させることは、発電量に対する原料ガスの供給量の割合が高くなり、発電効率が大幅に悪化する。 However, increasing the supply amount of raw material gas not for the power generation output of the fuel cell but for establishing water independence increases the ratio of the raw material gas supply amount to the power generation amount, and the power generation efficiency is significantly improved. Getting worse.
本発明は上記点に鑑みて、原料ガスの供給量を大幅に増加させることなく、水自立を成立させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of establishing water independence without significantly increasing the supply amount of raw material gas.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池（２）と、
燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路（３）と、
燃料供給流路に設けられ、改質されて燃料ガスとなる原料ガスを吸入して吐出する原料ポンプ（１２）と、
燃料供給流路のうち原料ポンプの下流側に設けられ、ノズル部（１３ａ）、吸引部（１３ｂ）および吐出部（１３ｃ）を有するエジェクタ（１３）と、
燃料供給流路のうちエジェクタの吐出部の下流側に設けられ、水蒸気改質反応によって原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器（１４）と、
燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの一部を、リサイクルガスとしてエジェクタの吸引部に戻すリサイクル流路（１０）と、
改質器から流出した燃料ガスの一部を、アシストガスとして燃料供給流路のうち原料ポンプの上流側に戻すアシスト流路（１１）と、
アシスト流路に設けられ、アシストガスの流量を調整するアシスト調整部（２０）と、
燃料供給流路のうち原料ポンプとエジェクタとの間に接続され、改質器に水蒸気を供給するための水蒸気供給流路（４）と、
水蒸気供給流路に接続され、液体の水を貯える水タンク（１５）と、
水蒸気供給流路に設けられ、水タンクから送られた液体の水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発器（１７）と、
燃料オフガスが燃焼されて生成した燃焼排ガスとアシストガスとの少なくとも１つのガスに含まれる水を回収し、回収した水を水タンクへ供給する水回収器（１９、２５）と、
水自立が成立しているか否かを判定する判定部（Ｓ１）と、
判定部によって水自立が成立していないと判定された場合に、吐出能力を増加させるように原料ポンプを制御するとともに、アシストガスの流量を増加させるようにアシスト調整部を制御する流量制御部（Ｓ４）と、を備える。
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1,
The fuel cell system
A fuel cell (2) that generates electricity by an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas, and
A fuel supply flow path (3) for supplying fuel gas to the fuel cell, and
A raw material pump (12) provided in the fuel supply flow path that sucks in and discharges the raw material gas that is reformed to become the fuel gas.
An ejector (13) provided on the downstream side of the raw material pump in the fuel supply flow path and having a nozzle portion (13a), a suction portion (13b), and a discharge portion (13c).
A reformer (14) provided on the downstream side of the discharge part of the ejector in the fuel supply flow path and reforming the raw material gas by a steam reforming reaction to generate the fuel gas.
A recycling flow path (10) that returns a part of the fuel off gas including unreacted fuel gas discharged from the fuel cell to the suction part of the ejector as recycling gas.
An assist flow path (11) that returns a part of the fuel gas that has flowed out of the reformer to the upstream side of the raw material pump in the fuel supply flow path as an assist gas.
An assist adjusting unit (20) provided in the assist flow path and adjusting the flow rate of the assist gas, and
Of the fuel supply channels, the steam supply channel (4), which is connected between the raw material pump and the ejector and supplies steam to the reformer,
A water tank (15) that is connected to the water vapor supply channel and stores liquid water,
A water evaporator (17) provided in the steam supply flow path to generate steam by evaporating the liquid water sent from the water tank.
A water recovery device (19, 25) that recovers water contained in at least one gas of combustion exhaust gas and assist gas generated by burning fuel-off gas and supplies the recovered water to a water tank.
Judgment unit (S1) that determines whether water independence is established, and
When the judgment unit determines that water independence is not established, the flow control unit controls the raw material pump so as to increase the discharge capacity and controls the assist adjustment unit so as to increase the flow rate of the assist gas ( S4) and.
これによれば、水自立が成立していない場合に、アシストガスの流量を増加させることで、原料ガスの供給量を大幅に増加させることなく、エジェクタのノズル部から噴射される駆動流の流量を増加させることができる。これにより、エジェクタの吸引力が増加し、リサイクルガスの流量を増加させることができる。リサイクルガスには、燃料電池の発電によって生成した発電生成水が含まれる。リサイクルガスの流量が増加することで、改質器に供給される発電生成水が増加するため、水タンクから水蒸発器への水の流出量を低減することができる。この結果、原料ガスの供給量を大幅に増加させることなく、水自立を成立させることができる。 According to this, when water independence is not established, by increasing the flow rate of the assist gas, the flow rate of the drive flow injected from the nozzle portion of the ejector without significantly increasing the supply amount of the raw material gas. Can be increased. As a result, the suction force of the ejector is increased, and the flow rate of the recycled gas can be increased. The recycled gas includes power generation water generated by the power generation of the fuel cell. By increasing the flow rate of the recycled gas, the amount of power generation generated water supplied to the reformer increases, so that the amount of water flowing out from the water tank to the water evaporator can be reduced. As a result, water independence can be established without significantly increasing the supply amount of the raw material gas.
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、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, parts that are the same or equal to each other will be described with the same reference numerals.
（第１実施形態）
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料供給流路３と、水蒸気供給流路４と、空気供給流路５と、燃料オフガス流路６と、空気オフガス流路７と、燃焼器８と、燃焼排ガス流路９と、リサイクル流路１０と、アシスト流路１１とを備えている。
(First Embodiment)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する。本実施形態では、燃料電池２は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、複数のセルの集合体である。１つのセルでは、電解質を挟んで一方側の面に燃料極（すなわち、アノード）が形成され、他方の面に酸化剤極（すなわち、カソード）が形成されている。燃料ガスとして、後述する改質器１４での水蒸気改質反応によって生成した水素ガスを含むガスが用いられる。酸化剤ガスとして空気が用いられる。燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。
The
燃料供給流路３は、燃料電池２の燃料極に燃料ガスを供給するための流路である。燃料供給流路３は、燃料電池２の燃料入口側に接続されている。燃料供給流路３には、原料ポンプ１２、エジェクタ１３、改質器１４が設けられている。
The fuel supply flow path 3 is a flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode of the
原料ポンプ１２は、燃料供給流路３の上流側に設けられている。原料ポンプ１２は、原料ガス等のガスを吸入して吐出する。原料ポンプ１２は、回転数の変更によって吐出能力が調整される。原料ガスは、改質器１４で改質されて燃料電池２の燃料ガスとなる。本実施形態では、原料ガスとして都市ガスが用いられる。都市ガスは、炭化水素を含むガスである。なお、原料ガスとして、都市ガス以外の炭化水素を含むガスが用いられもよい。
The
エジェクタ１３は、燃料供給流路３のうち原料ポンプ１２の下流側かつ改質器１４の上流側に設けられている。エジェクタ１３は、ノズル部１３ａと、吸引部１３ｂと、吐出部１３ｃとを有する。ノズル部１３ａは、原料ポンプ１２から送られたガスを駆動流として噴射する。吸引部１３ｂは、ノズル部１３ａから噴射された駆動流によって吸引部１３ｂに接続された流路を流れるガスを吸引流として吸引する。吐出部１３ｃは、駆動流と吸引流との混合流を吐出する。
The
ノズル部１３ａは、燃料供給流路３の上流側に接続されている。吐出部１３ｃは、燃料供給流路３の下流側に接続されている。吸引部１３ｂは、リサイクル流路１０に接続されている。
The
改質器１４は、燃料供給流路３のうちエジェクタ１３の吐出部１３ｃの下流側に設けられている。改質器１４には、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。また、改質器１４では、燃焼排ガス流路９を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって、混合ガスが加熱される。改質器１４は、水蒸気を用いた水蒸気改質反応によって原料ガスを改質して、水素ガスを含む燃料ガスを生成する。
The
水蒸気供給流路４は、改質器１４に水蒸気を供給するための流路である。水蒸気供給流路４の一端は、燃料供給流路３のうち原料ポンプ１２とエジェクタ１３のノズル部１３ａとの間に接続されている。水蒸気供給流路４の他端は、水タンク１５に接続されている。水蒸気供給流路４には、水ポンプ１６、水蒸発器１７が設けられている。
The steam
水タンク１５は、液体の水を貯える。水ポンプ１６は、液体の水を吸入して吐出することで、液体の水を水タンク１５から水蒸発器１７に送る。水蒸発器１７は、燃焼排ガス流路９を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成する。
The
空気供給流路５は、燃料電池２の酸化剤極に空気を供給するための流路である。空気供給流路５は、燃料電池２の空気入口側に接続されている。空気供給流路５には、空気予熱器１８が設けられている。空気予熱器１８は、燃焼排ガス流路９を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって空気を加熱する。空気予熱器１８によって、予め加熱された空気が燃料電池２に供給される。
The air
燃料オフガス流路６は、燃料オフガスが流れる流路である。燃料オフガスは、燃料電池２から排出された未反応の燃料ガスを含むガスである。燃料オフガス流路６の上流側は、燃料電池２の燃料出口側に接続されている。
The fuel off gas flow path 6 is a flow path through which the fuel off gas flows. The fuel off gas is a gas containing unreacted fuel gas discharged from the
空気オフガス流路７は、空気オフガスが流れる流路である。空気オフガスは、燃料電池２から排出された未反応の空気を含むガスであり、酸化剤オフガスともいう。空気オフガス流路７の上流側は、燃料電池２の空気出口側に接続されている。
The air off gas flow path 7 is a flow path through which the air off gas flows. The air off gas is a gas containing unreacted air discharged from the
燃焼器８は、燃料オフガス流路６の下流側と空気オフガス流路の下流側とのそれぞれに接続されている。燃焼器８は、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。
The
燃焼排ガス流路９の上流側は、燃焼器８の出口側に接続されている。燃焼排ガス流路９は、燃焼排ガスが流れる流路である。燃焼排ガス流路９は、改質器１４、空気予熱器１８および水蒸発器１７のそれぞれを通過するように配置されている。本実施形態では、改質器１４、空気予熱器１８および水蒸発器１７の順に燃焼排ガスが流れるように、燃焼排ガス流路９が配置されている。燃焼排ガス流路９のうち水蒸発器１７よりも下流側に、水回収器１９が設けられている。
The upstream side of the combustion exhaust
水回収器１９は、燃焼排ガスに含まれる水を回収する燃焼排ガス用の水回収器である。水回収器１９では、燃焼排ガスと熱交換媒体との熱交換によって、燃焼排ガスが冷却される。燃焼排ガスが冷却されることによって、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して、液体の水が回収される。水回収器１９で回収された液体の水は、水タンク１５へ供給される。水回収器１９は、燃焼排ガスから排熱を回収する排熱回収器でもある。水回収器１９では、燃焼排ガスと熱交換媒体との熱交換によって、熱交換媒体が加熱される。これにより、燃焼排ガスの排熱が回収される。
The
リサイクル流路１０は、燃料オフガスの一部を、リサイクルガスとしてエジェクタ１３の吸引部１３ｂに戻す流路である。リサイクル流路１０の一端１０ａは、燃料オフガス流路６の途中に接続されている。リサイクル流路１０の他端１０ｂは、エジェクタ１３の吸引部１３ｂに接続されている。
The
アシスト流路１１は、改質器１４から流出した燃料ガスの一部を、アシストガスとして燃料供給流路３のうち原料ポンプ１２の上流側に戻す流路である。アシスト流路１１の一端１１ａは、燃料供給流路３のうち改質器１４の下流側に接続されている。アシスト流路１１の他端１１ｂは、燃料供給流路３のうち原料ポンプ１２の上流側に接続されている。
The
アシスト流路１１には、アシスト調整弁２０が設けられている。アシスト調整弁２０は、アシスト流路１１を流れるアシストガスの流量を調整するアシスト調整部である。アシスト調整弁２０は、弁開度を変更することで、アシストガスの流量を調整する。アシスト調整弁２０は、アシスト流路１１を閉じることができる。
The
燃料電池システム１は、制御装置２１を備える。制御装置２１は、原料ポンプ１２、水ポンプ１６およびアシスト調整弁２０等の作動を制御する。制御装置２１の入力側には、水位センサ２２、流量計２３が接続されている。水位センサ２２は、水タンク１５に設けられており、水タンク１５の内部の水位を検出する。流量計２３は、リサイクル流路１０に設けられており、リサイクルガスの流量を計測する。
The fuel cell system 1 includes a
また、燃料電池システム１は、燃料電池２の掃引電流を調整する電流調整装置２４を備える。電流調整装置２４は、燃料電池２の発電出力を調整する。電流調整装置２４は、制御装置２１によって制御される。燃料電池２で発生した電力は、電流調整装置２４を介して、負荷に供給される。
Further, the fuel cell system 1 includes a
次に、燃料電池システム１の作動について説明する。原料ポンプ１２の作動によって、原料ガスが燃料供給流路３を流れる。水ポンプ１６の作動によって、水タンク１５から水蒸発器１７へ水が供給され、水蒸発器１７で生成した水蒸気が、燃料供給流路３に流入し、原料ガスと混合して混合ガスとなる。混合ガスは、エジェクタ１３を介して、改質器１４に供給される。改質器１４で原料ガスが改質されて燃料ガスが生成する。生成した燃料ガスは、改質器１４から流出して、燃料電池２に流入する。また、空気供給流路５から燃料電池２に空気が供給される。これにより、燃料電池２が発電する。
Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described. By operating the
燃料電池２から排出された燃料オフガスの一部は、リサイクルガスとしてリサイクル流路１０を流れ、エジェクタ１３の吸引部１３ｂから吸引され、燃料電池２に供給される。これにより、燃料オフガスの一部は、燃料電池２の発電に再利用される。
A part of the fuel off gas discharged from the
燃料オフガスの他の一部は、燃焼器８に供給される。燃料電池２から排出された空気オフガスは、燃焼器８に供給される。燃料オフガスと空気オフガスとが、燃焼器８で燃焼されて燃焼排ガスが生成する。生成した燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路９を流れる。
The other part of the fuel off gas is supplied to the
原料ポンプ１２の作動時にアシスト調整弁２０が開かれていることで、改質器１４から流出した燃料ガスの一部は、アシストガスとしてアシスト流路１１を流れる。これにより、燃料電池システム１がアシスト流路１１を備えていない場合と原料ガスおよび水蒸気の流量が同じ条件で比較して、ノズル部１３ａに流入する駆動流が増加し、吸引部１３ｂに吸引されるリサイクルガスの流量が増加する。このように、原料ガスの流量および水蒸気の流量を発電に必要な流量よりも多くしなくても、アシスト流路１１にアシストガスを流すことで、駆動流の流量を増加させることでき、エジェクタ１３の能力を増大させることができる。リサイクルガスの流量を増加させることで、発電効率を向上させることができる。
Since the
このとき、制御装置２１は、電流調整装置２４に対して燃料電池２の掃引電流の大きさを指示するとともに、電流調整装置２４によって調整される掃引電流の大きさに応じて必要な原料ガスが燃料電池２に供給されるように、原料ポンプ１２等の作動を制御する。
At this time, the
また、制御装置２１は、図２に示す処理を行うことで、水自立が成立していない場合に、水自立が成立するように、原料ポンプ１２、アシスト調整弁２０、水ポンプ１６を制御する。図２に示す処理は、所定の周期で繰り返し、実行される。また、図中に示したステップは、各種機能を実現する機能部に対応するものである。このことは、他の図においても同様である。
Further, the
水自立とは、燃料電池システム１の外部から水タンク１５への水の補給を必要としない状態である。より具体的には、水自立とは、水回収器１９から水タンク１５に流入する水の流入量が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも多い状態、または、水タンク１５の水量が所定水量よりも多い状態である。水タンク１５の水の流入量が水の流出量よりも多い状態であれば、燃料電池システム１の外部から水タンク１５へ水を補給することなく、水タンク１５から水蒸発器１７への水の供給が可能である。また、水タンク１５の水量が所定水量よりも多い状態であれば、その状態が維持されている限り、燃料電池システム１の外部から水タンク１５へ水を補給することなく、水タンク１５から水蒸発器１７への水の供給が可能である。
Water independence is a state in which water does not need to be replenished from the outside of the fuel cell system 1 to the
ステップＳ１では、制御装置２１は、水位センサ２２によって検出された水タンク１５の水位が判定水位よりも高いか否かを判定する。これにより、制御装置２１は、水タンク１５の水量が所定水量よりも多い状態か否かを判定する。すなわち、制御装置２１は、水自立が成立しているか否かを判定する。水タンク１５の水位が判定水位よりも高い場合、制御装置２１は、ＹＥＳ判定し、ステップＳ２に進む。水タンク１５の水位が判定水位よりも低い場合、制御装置２１は、ＮＯ判定し、ステップＳ３に進む。
In step S1, the
ステップＳ２では、制御装置２１は、リサイクルガスの循環率の目標値Ａを所定値Ｘ［％］に設定する。所定値Ｘは、燃料電池２の掃引電流の大きさに応じて定められる。その後、制御装置２１は、ステップＳ４に進む。
In step S2, the
一方、ステップＳ３では、制御装置２１は、リサイクルガスの循環率の目標値Ａを現在値よりも高い値（すなわち、現在値＋Ｙ［％］）に設定する。初回では、現在値として所定値Ｘが用いられる。その後、制御装置２１は、ステップＳ４に進む。
On the other hand, in step S3, the
ステップＳ４では、制御装置２１は、原料ガスの流量が目標値となり、リサイクルガスの循環率が目標値Ａとなるように、原料ポンプ１２、アシスト調整弁２０、水ポンプ１６を制御する。原料ガスの流量の目標値は、燃料電池２の掃引電流の大きさに応じて定められる。
In step S4, the
続いて、ステップＳ５では、制御装置２１は、リサイクルガスの循環率を計測する。リサイクルガスの循環率は、燃料電池２から排出される燃料オフガスの流量に対するリサイクルガスの流量の割合である。燃料オフガスの流量は、原料ガスの流量と、水蒸発器１７に供給される水の流量とを用いて算出される。原料ガスの流量として、燃料供給流路３のうちアシスト流路１１の合流部（すなわち、アシスト流路１１の他端１１ｂ）よりも上流側に設置された、図示しない流量計で計測された計測値が用いられる。水蒸発器１７に供給される水の流量として、水ポンプ１６の回転数から算出された算出値が用いられる。リサイクルガスの流量として、流量計２３で計測された計測値が用いられる。
Subsequently, in step S5, the
このように、本実施形態では、制御装置２１は、リサイクルガスの流量として、リサイクル流路１０に設けられた流量計２３の計測値を用いて、リサイクルガスの循環率を算出する。なお、燃料オフガスの流量として、上記以外の方法によって得られたものが用いられてもよい。
As described above, in the present embodiment, the
続いて、ステップＳ６では、制御装置２１は、ステップＳ５で計測された循環率の現在値が目標値Ａ以上であるか否かを判定する。循環率の現在値が目標値Ａ以上でない場合、制御装置２１は、ＮＯ判定して、ステップＳ４に戻る。循環率の現在値が目標値Ａ以上である場合、制御装置２１は、ＹＥＳ判定して、図２に示すフローを一旦終了する。
Subsequently, in step S6, the
本実施形態によれば、水タンク１５の水位が判定水位よりも高い場合、制御装置２１は、ステップＳ１でＹＥＳ判定し、ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を行う。これにより、リサイクルガスの循環率がステップＳ２で設定された目標値Ａとなる。
According to the present embodiment, when the water level of the
水タンク１５の水位が判定水位よりも低い場合、制御装置２１は、ステップＳ１で、ＮＯ判定し、ステップＳ３で、リサイクルガスの循環率の目標値Ａを引き上げる。制御装置２１は、ステップＳ４で、リサイクルガスの循環率が目標値Ａになるように、原料ポンプ１２の回転数を増加させるとともに、アシスト調整弁２０の開度を増加させ、さらに、水ポンプ１６の回転数を減少させる。すなわち、制御装置２１は、吐出能力を増加させるように原料ポンプ１２を制御するとともに、アシストガスの流量を増加させるようにアシスト調整弁２０を制御し、さらに、吐出能力を減少させるように水ポンプ１６を制御する。これにより、原料ポンプ１２に流入する原料ガスの流量がほぼ一定のまま、アシストガスの流量が増加する。水蒸発器１７に供給される水の流量が減少する。
When the water level of the
これによれば、水タンク１５の水位が判定水位よりも低くなった場合に、アシストガスの流量を増加させることで、原料ガスの供給量を大幅に増加させることなく、エジェクタ１３の駆動流を増加させることができる。これにより、エジェクタ１３の吸引力が増加し、リサイクルガスの流量を増加させることができる。リサイクルガスには、燃料電池２の発電によって生成した水である発電生成水が含まれる。リサイクルガスの流量が増加することで、改質器１４に供給される発電生成水が増加するため、水タンク１５から水蒸発器１７への水の流出量を低減することができる。この結果、水タンク１５からの水の流出量よりも水タンク１５への水の流入量の方が多くなることで、水タンク１５の水位を上昇させて判定水位よりも高くすることができる。よって、これによれば、原料ガスの供給量を大幅に増加させることなく、水自立を成立させることができる。
According to this, when the water level of the
なお、本実施形態では、ステップＳ１が、水自立が成立しているか否かを判定する判定部に相当する。ステップＳ２、Ｓ３が、循環率の目標値を設定する循環率目標値設定部に相当する。ステップＳ４が、流量制御部に相当する。ステップＳ５が、循環率を計測する循環率計測部に相当する。 In this embodiment, step S1 corresponds to a determination unit for determining whether or not water independence is established. Steps S2 and S3 correspond to a circulation rate target value setting unit for setting a circulation rate target value. Step S4 corresponds to the flow rate control unit. Step S5 corresponds to a circulation rate measuring unit that measures the circulation rate.
また、水タンク１５の水位が判定水位よりも低くなった場合のステップＳ４では、原料ポンプ１２、アシスト調整弁２０、水ポンプ１６の各制御は、どのような順番で開始されてもよく、これらの制御のうち２つ以上が同時に開始されてもよい。ただし、下記の理由により、原料ポンプ１２の回転数を増加させることと、アシスト調整弁２０の開度を増加させることと、水ポンプ１６の回転数を減少させることとが、この記載順に行われることが望ましい。
Further, in step S4 when the water level of the
原料ポンプ１２の回転数の増加よりも先に、アシスト調整弁２０の開度の増加を行うと、原料ポンプ１２の回転数が増加されるまでの期間、原料ガスの流量が減少する。原料ガスの流量が減少して、原料ガスの流量が目標値よりも下がると、発電に必要な燃料ガスの流量を確保できず、セルの破損を引き起こす可能性がある。このため、先に、原料ポンプ１２の回転数を増加させる。これにより、原料ガスの流量が一旦増加する。その次に、アシスト調整弁２０の開度を増加させる。これにより、原料ガスの流量が目標値を下回らない程度に減少し、アシストガスの流量が増加する。この結果、原料ガスの流量を目標量以上に常に保つことができる。
If the opening degree of the
また、原料ポンプ１２の回転数の増加およびアシスト調整弁２０の開度の増加よりも先に、水ポンプ１６の回転数を減少させると、エジェクタ１３の駆動流の流量が減少する。この場合、原料ポンプ１２の回転数の増加およびアシスト調整弁２０の開度の増加を行うまでの期間、エジェクタ１３の動力が小さくなり、吸引部１３ｂから吸入されるリサイクルガスの流量が減少し、循環率が低下してしまう。循環率が低下すると、発電に必要な燃料ガスの流量を確保できない可能性が生じる。このため、先に、アシスト調整弁２０の開度を増加させて、アシストガスの流量を増加させた後、水ポンプ１６の回転数を減少させることが望ましい。
Further, if the rotation speed of the
（第２実施形態）
本実施形態では、ステップＳ５で行うリサイクルガスの循環率の計測方法が、第１実施形態と異なる。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態と同じである。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the method for measuring the circulation rate of the recycled gas performed in step S5 is different from that in the first embodiment. The other configuration of the fuel cell system 1 is the same as that of the first embodiment.
第１実施形態では、制御装置２１は、リサイクルガスの流量として、リサイクル流路１０に設けられた流量計２３の計測値を用いて、リサイクルガスの循環率を算出する。これに対して、本実施形態では、制御装置２１は、リサイクルガスの流量として、リサイクル流路１０のうち離れた２点間におけるリサイクルガスの圧力降下量の計測値に基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、リサイクルガスの循環率を算出する。
In the first embodiment, the
リサイクルガスの圧力降下量は、リサイクル流路１０に設けられた圧力降下量の計測器によって計測される。圧力降下量の計測器としては、リサイクル流路１０のうち離れた２か所に設けられた圧力計が挙げられる。また、圧力降下量の計測器として、差圧計が用いられてもよい。
The pressure drop amount of the recycled gas is measured by a pressure drop amount measuring instrument provided in the
リサイクル流路１０を流れるリサイクルガスの流量と、リサイクル流路１０を流れるリサイクルガスの圧力降下量との間には、一定の関係がある。このため、計測した圧力降下量と、圧力降下量とリサイクルガスの流量との関係とを用いて、リサイクルガスの流量を算出することができる。
There is a certain relationship between the flow rate of the recycled gas flowing through the
リサイクル流路１０を流れるリサイクルガスは、高温である。このため、リサイクルガスの流量を流量計２３で計測する場合、流量計２３の耐熱性が課題となる。これに対して、圧力計または差圧計であれば、高温のリサイクルガスに晒されないように設置することができる。このため、このような課題が生じない。
The recycled gas flowing through the
また、流量計２３を用いる場合、高温用の流量計が必要となる。一般的に、圧力計は、高温用の流量計よりも安価である。このため、本実施形態によれば、燃料電池システム１
のコストを低減することができる。
Further, when the
Cost can be reduced.
（第３実施形態）
本実施形態では、ステップＳ５で行うリサイクルガスの循環率の計測方法が、第１、第２実施形態と異なる。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態と同じである。
(Third Embodiment)
In the present embodiment, the method for measuring the circulation rate of the recycled gas performed in step S5 is different from that in the first and second embodiments. The other configuration of the fuel cell system 1 is the same as that of the first embodiment.
本実施形態では、制御装置２１は、リサイクルガスの流量として、改質器１４の入口側と出口側との間の圧力降下量の計測値から推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、リサイクルガスの循環率を算出する。
In the present embodiment, the
改質器１４の入口側と出口側との間の圧力降下量は、改質器１４に流入するガスと改質器１４から流出するガスとの間の圧力降下量である。改質器１４の入口側と出口側との間の圧力降下量は、改質器１４の入口側に設けられた圧力計と、改質器１４の出口側に設けられた圧力計とによって計測される。
The amount of pressure drop between the inlet side and the outlet side of the
改質器１４の入口側と出口側との間の圧力降下量と、改質器１４から流出したガスの流量との間には、一定の関係がある。このため、計測した圧力降下量と、圧力降下量と改質器から流出したガスの流量との間の関係とを用いて、改質器１４から流出したガスの流量を算出することができる。
There is a certain relationship between the amount of pressure drop between the inlet side and the outlet side of the
改質器１４から流出したガスには、水蒸気改質反応によって生成した燃料ガスと、アシストガスと、リサイクルガスとが含まれる。このため、改質器１４から流出したガスの流量と、水蒸気改質反応によって生成した燃料ガスの流量と、アシストガスの流量とを用いて、リサイクルガスの流量を算出することができる。水蒸気改質反応によって生成した燃料ガスの流量は、原料ガスの流量と、改質器に供給される水蒸気の流量とによって算出される。アシストガスの流量は、アシスト流路１１に設けられた図示しない流量計によって計測される。アシストガスの流量は、原料ポンプ１２の回転数とアシスト調整弁２０の開度から算出されてもよい。
The gas flowing out from the
本実施形態によれば、リサイクルガスの流量の推定のために、圧力計が用いられる。このため、第２実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態において、リサイクル流路１０を流れるリサイクルガスの圧力降下量が小さい場合、リサイクルガスの圧力降下量を計測する圧力計の高精度化が求められる。しかしながら、改質器１４の入口側と出口側との間の圧力降下量が、リサイクル流路の圧力降下量に比べて十分大きい場合、圧力計は高精度でなくてもよい。
According to this embodiment, a pressure gauge is used to estimate the flow rate of recycled gas. Therefore, the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Further, in the second embodiment, when the pressure drop amount of the recycled gas flowing through the
（第４実施形態）
本実施形態では、ステップＳ５で行うリサイクルガスの循環率の計測方法が、第１−第３実施形態と異なる。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態と同じである。
(Fourth Embodiment)
In the present embodiment, the method for measuring the circulation rate of the recycled gas performed in step S5 is different from that in the first to third embodiments. The other configuration of the fuel cell system 1 is the same as that of the first embodiment.
本実施形態では、制御装置２１は、リサイクルガスの流量として、燃料電池２の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量の計測値に基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、リサイクルガスの循環率を算出する。
In the present embodiment, the
燃料電池２の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量は、燃料電池２の燃料入口に流入する燃料ガスと、燃料電池２の燃料出口から流出した燃料オフガスとの間の圧力降下量である。燃料電池２の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量は、燃料電池２の燃料入口側に設けられた圧力計と、燃料電池２の燃料出口側に設けられた圧力計とによって計測される。
The amount of pressure drop between the fuel inlet side and the fuel outlet side of the
燃料電池２の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量と、燃料電池２から流出した燃料オフガスの流量との間には、一定の関係がある。このため、計測した圧力降下量と、圧力降下量と燃料オフガスの流量との間の関係とを用いて、燃料電池２から流出した燃料オフガスの流量を算出することができる。
There is a certain relationship between the amount of pressure drop between the fuel inlet side and the fuel outlet side of the
燃料電池２の燃料入口には、改質器１４で生成された燃料ガスと、リサイクルガスとが流入する。このため、燃料オフガスの流量と、改質器１４で生成された燃料ガスの流量とを用いて、リサイクルガスの流量を算出することができる。改質器１４で生成された燃料ガスの流量は、原料ガスの流量および水蒸気の流量から算出される。
The fuel gas generated by the
本実施形態によれば、リサイクルガスの流量の推定のために、圧力計が用いられる。このため、第２実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態において、リサイクル流路１０を流れるリサイクルガスの圧力降下量が小さい場合、リサイクルガスの圧力降下量を計測する圧力計の高精度化が求められる。しかしながら、燃料電池２の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量が、リサイクル流路の圧力降下量に比べて十分大きい場合、圧力計は高精度でなくてもよい。
According to this embodiment, a pressure gauge is used to estimate the flow rate of recycled gas. Therefore, the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Further, in the second embodiment, when the pressure drop amount of the recycled gas flowing through the
（第５実施形態）
本実施形態では、ステップＳ５で行うリサイクルガスの循環率の計測方法が、第１−第４実施形態と異なる。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態と同じである。
(Fifth Embodiment)
In the present embodiment, the method for measuring the circulation rate of the recycled gas performed in step S5 is different from that in the first to fourth embodiments. The other configuration of the fuel cell system 1 is the same as that of the first embodiment.
本実施形態では、制御装置２１は、リサイクルガスの流量として、エジェクタ１３のノズル部１３ａに流入する駆動流の温度および流量のそれぞれの計測値と、駆動流の温度に応じた駆動流の流量と吸引部１３ｂに吸引される吸引流の流量との関係とに基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、リサイクルガスの循環率を算出する。
In the present embodiment, the
エジェクタ１３の駆動流の温度に応じて、駆動流の流量と吸引流の流量との間に一定の関係がある。このため、駆動流の温度および流量のそれぞれの計測値と、駆動流の温度に応じた駆動流の流量と吸引流の流量との関係を示すマップとを用いることで、リサイクルガスの流量を推定することができる。
There is a certain relationship between the flow rate of the drive flow and the flow rate of the suction flow depending on the temperature of the drive flow of the
駆動流の温度は、熱電対等の温度計によって計測される。駆動流の流量は、原料ポンプ１２の回転数と、流量計によって計測されたアシストガスの流量とを用いて算出される。アシストガスの流量を計測する流量計は、燃料電池システム１の運転のために設置されている。本実施形態によれば、リサイクルガスの流量を計測するための計測器として、温度計を追加するだけでよく、圧力計の設置が必要ない。一般的に、熱電対等の温度計は、圧力計よりも安価である。このため、燃料電池システム１のコストの増大を抑制することができる。
The temperature of the drive stream is measured by a thermometer such as a thermoelectric pair. The flow rate of the drive flow is calculated using the rotation speed of the
（第６実施形態）
図３に示すように、本実施形態において制御装置２１が行う制御処理では、第１実施形態において制御装置２１が行う図２の制御処理に対して、ステップＳ７、Ｓ８、Ｓ９が追加されている。
(Sixth Embodiment)
As shown in FIG. 3, in the control process performed by the
ステップＳ６において、循環率の現在値が目標値Ａ以上でない場合、制御装置２１は、ＮＯ判定して、ステップＳ７に進む。
In step S6, if the current value of the circulation rate is not equal to or higher than the target value A, the
ステップＳ７では、制御装置２１は、原料ポンプ１２の回転数がｍａｘ（すなわち、最大値）よりも低いか否かを判定する。原料ポンプ１２の回転数が最大値よりも低い場合、制御装置２１は、ＹＥＳ判定してステップＳ８に進む。
In step S7, the
ステップＳ８では、制御装置２１は、アシスト調整弁２０の弁開度が全開よりも小さいか否かを判定する。弁開度が全開よりも小さい場合、制御装置２１は、ＹＥＳ判定してステップＳ４に戻る。
In step S8, the
ステップＳ７において、原料ポンプ１２の回転数が最大値である場合、制御装置２１は、ＮＯ判定してステップＳ９に進む。また、ステップＳ８において、アシスト調整弁２０の弁開度が全開の場合、制御装置２１は、ＮＯ判定してステップＳ９に進む。
In step S7, when the rotation speed of the
ステップＳ９では、制御装置２１は、燃料電池２の掃引電流を現在値よりも低い値（すなわち、現在値−Ｚ［Ａ］）になるように、電流調整装置２４を制御する。その後、制御装置２１は、ステップＳ４に戻る。
In step S9, the
これによれば、水タンク１５の水位が判定水位よりも低い場合、制御装置２１は、ステップＳ３で、リサイクルガスの循環率の目標値Ａを引き上げる。制御装置２１は、ステップＳ４で、循環率が目標値Ａになるように、原料ポンプ１２の回転数を増加させるとともに、アシスト調整弁２０の開度を増加させる。
According to this, when the water level of the
このステップＳ４では、原料ポンプ１２の回転数、アシスト調整弁２０の開度が、目標値Ａになるように、所定の変化量で変化される。このため、ステップＳ４を実行した後、循環率の現在値が目標値Ａ以上でない場合、原料ポンプ１２の回転数が最大値ではなく、アシスト調整弁２０の開度が全開ではなければ、循環率が目標値となるまで、制御装置２１は、ステップＳ４を繰り返す。そして、循環率の現在値が目標値Ａ以上となることで、図３に示す処理が一旦終了する。
In step S4, the rotation speed of the
また、ステップＳ４が実行された後、循環率の現在値が目標値Ａに到達せず、原料ポンプ１２の回転数が最大値になる、または、アシスト調整弁２０の開度が全開になる場合がある。この場合、循環率をこれ以上増加させることができず、循環率を目標値Ａ以上にすることができない。この結果、水自立を成立させることができない。
Further, after step S4 is executed, the current value of the circulation rate does not reach the target value A, the rotation speed of the
そこで、ステップＳ４が実行された後、原料ポンプ１２の回転数が最大値になった場合、制御装置２１は、ステップＳ７でＮＯ判定し、ステップＳ９を実行し、電流調整装置２４に対して燃料電池２の掃引電流を引き下げるように指示する。
Therefore, when the rotation speed of the
同様に、ステップＳ４が実行された後、アシスト調整弁２０の開度が全開になった場合、制御装置２１は、ステップＳ８でＮＯ判定し、ステップＳ９を実行し、電流調整装置２４に対して燃料電池２の掃引電流を引き下げるように指示する。
Similarly, when the opening degree of the
ステップＳ９の後のステップＳ４では、制御装置２１は、原料ガスの流量と水の流量とのそれぞれが、ステップＳ９で指示される掃引電流の大きさに応じた目標値となり、循環率が目標値となるように、原料ポンプ１２、アシスト調整弁２０、水ポンプ１６を制御する。例えば、制御装置２１は、原料ポンプ１２の回転数を減少させる、または、原料ポンプ１２の回転数とアシスト調整弁２０の開度とのそれぞれを減少させる。これにより、供給される原料ガスの流量を減らす。さらに、原料ガスの流量を減らした状態で、循環率が目標値Ａになるように、原料ポンプ１２の回転数、アシスト調整弁２０の開度、水ポンプ１６の回転数を調整する。
In step S4 after step S9, the
そして、循環率が目標値Ａになるまで、制御装置２１は、ステップＳ４〜ステップＳ９を繰り返す。循環率の現在値が目標値Ａ以上となることで、図３に示す処理が一旦終了する。
Then, the
以上の説明の通り、本実施形態によれば、ステップＳ１によって、水自立が成立していないと判定される。ステップＳ３、Ｓ４によって、原料ポンプ１２の吐出能力が増加され、アシスト調整弁２０によってアシストガスの流量が増加される。その後、原料ポンプ１２の吐出能力が最大に達した場合、または、アシスト調整弁２０によって調整されるアシストガスの流量が最大に達した場合、制御装置２１は、ステップＳ９によって、燃料電池２の掃引電流を減少させるように、電流調整装置２４を制御するとともに、ステップＳ４によって、原料ガスの供給量がステップＳ９で減少された掃引電流に応じた流量となり、リサイクルガスの循環率が目標値になるように、原料ポンプ１２とアシスト調整弁２０とを制御する。
As described above, according to the present embodiment, it is determined by step S1 that water independence has not been established. In steps S3 and S4, the discharge capacity of the
このように、原料ポンプ１２の吐出能力が最大に達した場合、掃引電流を現在値よりも低くする。これにより、発電に必要な燃料ガスの流量を減らすことができる。すなわち、発電に必要な原料ガスと水とのそれぞれの流量を減らすことができる。この結果、循環率を目標値にすることができ、水自立を成立させることができる。なお、本実施形態では、ステップＳ９が、電流調整装置を制御する電流制御部に相当する。
In this way, when the discharge capacity of the
本実施形態における制御装置２１の制御処理は、燃料電池２の出力が低い条件であれば、水自立が成立するときに有効である。
The control process of the
（第７実施形態）
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料排ガス用の水回収器１９に加えて、アシストガス用の水回収器２５を備える。アシストガス用の水回収器２５は、アシスト流路１１に設けられ、アシストガスに含まれる水を回収する。アシストガス用の水回収器２５は、アシストガスを冷却することによって、アシストガスに含まれる水蒸気を凝縮させて液体の水を回収し、回収した液体の水を水タンク１５へ供給する。
(7th Embodiment)
As shown in FIG. 4, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a
本実施形態では、燃料排ガス用の水回収器１９およびアシストガス用の水回収器２５が、ガスに含まれる水を回収する水回収器に相当する。本実施形態における水自立とは、燃料排ガス用の水回収器１９とアシストガス用の水回収器２５との両方の水回収器から水タンク１５に流入する水の流入量が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも多い状態、または、水タンク１５の水量が所定水量よりも多い状態である。
In the present embodiment, the
他の燃料電池システム１の構成は、第１実施形態と同じである。このため、本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。 The configuration of the other fuel cell system 1 is the same as that of the first embodiment. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained by this embodiment as well.
さらに、本実施形態によれば、燃料電池システム１は、燃料排ガス用の水回収器１９と、アシストガス用の水回収器２５との両方によって回収した水を水タンク１５へ供給する。このため、燃料電池システム１が、水回収器として燃料排ガス用の水回収器１９のみを備える場合と比較して、水タンク１５への水の供給量を増大でき、水自立を成立しやすくすることができる。
Further, according to the present embodiment, the fuel cell system 1 supplies the water recovered by both the
なお、燃料電池システム１は、燃料排ガス用の水回収器１９とアシストガス用の水回収器２５とのうち、アシストガス用の水回収器２５のみを備えていてもよい。この場合における水自立とは、アシストガス用の水回収器２５から水タンク１５に流入する水の流入量が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも多い状態、または、水タンク１５の水量が所定水量よりも多い状態である。
The fuel cell system 1 may include only the
（他の実施形態）
（１）上記した各実施形態では、制御装置２１は、ステップＳ１において、水タンク１５の水位が判定水位よりも高いか否かを判定することで、水自立が成立しているか否かを判定する。しかしながら、制御装置２１は、他の判定方法によって、水自立が成立しているか否かを判定してもよい。
(Other embodiments)
(1) In each of the above-described embodiments, the
例えば、水タンク１５に流入する水の流入量が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも少なく、水自立が成立していない場合、水タンク１５の水位が減少し続ける。そこで、上記した各実施形態で、制御装置２１は、水位センサ２２から取得した水位が下降しているか否かを判定することによって、水自立が成立しているか否かを判定してもよい。また、制御装置２１は、水タンク１５の水位の下降速度を算出し、算出した下降速度が判定速度よりも大きいか否かを判定することによって、水自立が成立しているか否かを判定してもよい。
For example, if the inflow amount of water flowing into the
また、例えば、第１−第６実施形態において、制御装置２１は、水回収器１９から水タンク１５に流入する水の流入量が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも多いか否かを判定することで、水自立が成立しているか否かを判定してもよい。この場合、水タンク１５の水の流入量は、水タンク１５へ向かって流れる液体の水の流路に設けられた流量計によって計測される。水タンク１５の水の流出量は、水ポンプ１６の回転数から算出される、または、水蒸気供給流路４に設けられた流量計によって計測される。水タンク１５の水の流入量および水の流出量は、これら以外の方法によって計測されてもよい。
Further, for example, in the first to sixth embodiments, in the
また、例えば、第７実施形態において、制御装置２１は、燃焼排熱ガス用の水回収器１９とアシストガス用の水回収器２５との両方から水タンク１５に流入する水の流入量の合計が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも多いか否かを判定することで、水自立が成立しているか否かを判定してもよい。
Further, for example, in the seventh embodiment, the
（２）上記した各実施形態では、水タンク１５には、燃焼排ガス用の水回収器１９とアシストガス用の水回収器２５との少なくとも一方によって回収された水が供給される。このように回収された水に加えて、燃料電池システム１に存在する他の水が、水タンク１５に供給されてもよい。燃料電池システム１に存在する他の水は、燃料電池２、改質器１４等を収容する筐体の内部に存在する水であり、結露水や雨水等が挙げられる。なお、燃料電池システム１に存在する他の水には、燃料電池システム１の外部の水源につながる外部配管から供給される水（例えば、水道水、井戸水等）は含まれない。この場合、水回収器１９、２５、および、燃料電池システム１のうち結露水や雨水が存在する部分から水タンク１５に流入する水の流入量が、水タンク１５から水蒸発器１７へ流出する水の流出量よりも多い状態、または、水タンク１５の水量が所定水量よりも多い状態が、水自立が成立した状態である。水タンク１５の水の流入量が水の流出量よりも多い状態であれば、燃料電池システム１の外部から水タンク１５へ水を補給することなく、水タンク１５から水蒸発器１７への水の供給が可能である。
(2) In each of the above-described embodiments, the
（３）上記した各実施形態では、燃料電池２は、固体酸化物形の燃料電池である。しかしながら、水蒸気改質反応によって改質された燃料ガスを用いるものであれば、燃料電池２は、他の方式の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形の燃料電池であってもよい。
(3) In each of the above-described embodiments, the
（４）上記した各実施形態では、制御装置２１は、原料ポンプ１２の回転数を変更させることで、原料ポンプ１２の吐出能力を調整した。しかしながら、制御装置２１は、原料ポンプ１２の吐出容量を変更させることで、原料ポンプ１２の吐出能力を調整してもよい。
(4) In each of the above-described embodiments, the
（５）上記した各実施形態では、アシスト調整部として、アシスト調整弁２０が用いられている。しかしながら、アシスト調整部として、アシストガスを吸引して吐出するポンプが用いられもよい。この場合、制御装置２１は、ポンプの回転数または吐出容量を変更させることで、アシストガスの流量を調整することができる。
(5) In each of the above-described embodiments, the
（６）上記した各実施形態では、制御装置２１は、水ポンプ１６の回転数を変更させることで、水ポンプ１６の吐出能力を調整した。しかしながら、水ポンプ１６の吐出容量を変更させることで、水ポンプ１６の吐出能力を調整してもよい。
(6) In each of the above-described embodiments, the
（７）上記した各実施形態では、燃料電池システム１は、水ポンプ１６を備えている。しかしながら、水ポンプ１６を備えていなくても、水タンク１５から水蒸発器１７に水を供給することができる。このため、燃料電池システム１は、水ポンプ１６を備えていなくてもよい。
(7) In each of the above-described embodiments, the fuel cell system 1 includes a
（８）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、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。また、上記各実施形態において、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るものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、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材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。 (8) The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope of claims, and includes various modifications and modifications within an equal range. Further, the above-described embodiments are not unrelated to each other, and can be appropriately combined unless the combination is clearly impossible. Further, in each of the above embodiments, it goes without saying that 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. stomach. Further, in each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical values, quantities, and ranges of the constituent elements of the embodiments are mentioned, when it is clearly stated that they are particularly essential, and in principle, the number is clearly limited to a specific number. It is not limited to the specific number except when it is done. Further, in each of the above embodiments, when the material, shape, positional relationship, etc. of the component or the like is referred to, except for the case where it is clearly stated and the case where it is limited to a specific material, shape, positional relationship, etc. in principle. , The material, shape, positional relationship, etc. are not limited.
（９）本開示に記載の制御装置及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御装置及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御装置及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。 (9) The control device and methods thereof described in the present disclosure are dedicated computers provided by configuring a processor and memory programmed to perform one or more functions embodied by a computer program. May be realized by. Alternatively, the control device and method thereof described in the present disclosure may be realized by a dedicated computer provided by configuring the processor with one or more dedicated hardware logic circuits. Alternatively, the control device and method thereof described in the present disclosure may be a combination of a processor and memory programmed to perform one or more functions and a processor composed of one or more hardware logic circuits. It may be realized by one or more dedicated computers configured. Further, the computer program may be stored in a computer-readable non-transitional tangible recording medium as an instruction executed by the computer.
（まとめ）
上記各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、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池（２）と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路（３）と、燃料供給流路に設けられ、改質されて燃料ガスとなる原料ガスを吸入して吐出する原料ポンプ（１２）と、燃料供給流路のうち原料ポンプの下流側に設けられ、ノズル部（１３ａ）、吸引部（１３ｂ）および吐出部（１３ｃ）を有するエジェクタ（１３）と、燃料供給流路のうちエジェクタの吐出部の下流側に設けられ、水蒸気改質反応によって原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器（１４）と、燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの一部を、リサイクルガスとしてエジェクタの吸引部に戻すリサイクル流路（１０）と、改質器から流出した燃料ガスの一部を、アシストガスとして燃料供給流路のうち原料ポンプの上流側に戻すアシスト流路（１１）と、アシスト流路に設けられ、アシストガスの流量を調整するアシスト調整部（２０）と、燃料供給流路のうち原料ポンプとエジェクタとの間に接続され、改質器に水蒸気を供給するための水蒸気供給流路（４）と、
水蒸気供給流路に接続され、液体の水を貯える水タンク（１５）と、水蒸気供給流路に設けられ、水タンクから送られた液体の水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発器（１７）と、燃料オフガスが燃焼されて生成した燃焼排ガスとアシストガスとの少なくとも１つのガスに含まれる水を回収し、回収した水を水タンクへ供給する水回収器（１９、２５）と、水自立が成立しているか否かを判定する判定部（Ｓ１）と、判定部によって水自立が成立していないと判定された場合に、吐出能力を増加させるように原料ポンプを制御するとともに、アシストガスの流量を増加させるようにアシスト調整部を制御する流量制御部（Ｓ４）と、を備える。
(summary)
According to the first aspect shown in part or all of the above embodiments, the fuel cell system comprises a fuel cell (2) that generates power by an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidizing agent gas, and a fuel. A fuel supply flow path (3) for supplying fuel gas to a battery, a raw material pump (12) provided in the fuel supply flow path for sucking and discharging a raw material gas which is reformed to become fuel gas, and a fuel. An ejector (13) provided on the downstream side of the raw material pump in the supply flow path and having a nozzle portion (13a), a suction portion (13b) and a discharge portion (13c), and an ejector discharge portion in the fuel supply flow path. A reformer (14) provided on the downstream side that reforms the raw material gas by a steam reforming reaction to generate fuel gas, and a part of the fuel off gas including unreacted fuel gas discharged from the fuel cell. , A recycling flow path (10) that returns to the suction part of the ejector as recycled gas, and an assist flow path that returns a part of the fuel gas that has flowed out of the reformer to the upstream side of the raw material pump in the fuel supply flow path as assist gas. (11), an assist adjusting unit (20) provided in the assist flow path and adjusting the flow rate of the assist gas, and a fuel supply flow path connected between the raw material pump and the ejector to supply water vapor to the reformer. Steam supply flow path (4) for supply and
A water tank (15) connected to the water vapor supply flow path and storing liquid water, and a water evaporator (17) provided in the water vapor supply flow path to evaporate the liquid water sent from the water tank to generate water vapor. ), A water recovery device (19, 25) that recovers the water contained in at least one gas of the combustion exhaust gas and the assist gas generated by burning the fuel off gas, and supplies the recovered water to the water tank, and water. The determination unit (S1) that determines whether or not the water independence is established, and when the determination unit determines that the water independence is not established, the raw material pump is controlled and assisted so as to increase the discharge capacity. A flow control unit (S4) that controls an assist adjustment unit so as to increase the flow rate of gas is provided.
また、第２の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスの流量に対するリサイクルガスの流量の割合であるリサイクルガスの循環率を計測する循環率計測部（Ｓ５）と、循環率の目標値を設定する循環率目標値設定部（Ｓ２、Ｓ３）と、をさらに備える。流量制御部は、循環率計測部に計測される循環率が目標値になるように、原料ポンプとアシスト調整部とを制御する。循環率目標値設定部は、判定部によって水自立が成立していないと判定された場合、目標値を引き上げる。このように、第１の観点において、第２の観点の構成を採用することができる。 Further, according to the second viewpoint, the fuel cell system includes a circulation rate measuring unit (S5) that measures the circulation rate of the recycled gas, which is the ratio of the flow rate of the recycled gas to the flow rate of the fuel off gas discharged from the fuel cell. , The circulation rate target value setting unit (S2, S3) for setting the target value of the circulation rate is further provided. The flow rate control unit controls the raw material pump and the assist adjustment unit so that the circulation rate measured by the circulation rate measurement unit becomes a target value. The circulation rate target value setting unit raises the target value when it is determined by the determination unit that water independence has not been established. In this way, in the first viewpoint, the configuration of the second viewpoint can be adopted.
また、第３の観点によれば、第１または第２の観点において、燃料電池システムは、水蒸気供給流路のうち水タンクと水蒸発器との間に設けられ、液体の水を吸入して吐出する水ポンプ（１６）をさらに備える。流量制御部は、判定部によって水自立が成立していないと判定された場合、原料ポンプの吐出能力を増加させることと、アシスト調整部によってアシストガスの流量を増加させることと、水ポンプの吐出能力を減少させることとを、この記載順に行う。 Further, according to the third aspect, in the first or second aspect, the fuel cell system is provided between the water tank and the water evaporator in the steam supply flow path, and sucks liquid water. A water pump (16) for discharging is further provided. When the judgment unit determines that water independence is not established, the flow rate control unit increases the discharge capacity of the raw material pump, increases the flow rate of the assist gas by the assist adjustment unit, and discharges the water pump. Reducing capacity is done in this order.
ここで、原料ポンプの吐出能力の増加よりも先に、アシスト調整部によるアシストガスの流量の増加を行うと、原料ポンプの吐出能力が増加されるまでの期間、原料ガスの流量が減少する。原料ガスの流量が減少して、原料ガスの流量が目標値よりも下がると、発電に必要な燃料ガスの流量を確保できず、燃料電池のセルの破損を引き起こす可能性がある。このため、先に、原料ポンプの吐出能力を増加させる。これにより、原料ガスの流量が一旦増加する。その次に、アシスト調整部によるアシストガスの流量の増加を行う。これにより、原料ガスの流量が目標値を下回らない程度に減少し、アシストガスの流量が増加する。この結果、原料ガスの流量を目標量以上に常に保つことができる。 Here, if the flow rate of the assist gas is increased by the assist adjusting unit before the discharge capacity of the raw material pump is increased, the flow rate of the raw material gas decreases until the discharge capacity of the raw material pump is increased. If the flow rate of the raw material gas decreases and the flow rate of the raw material gas falls below the target value, the flow rate of the fuel gas required for power generation cannot be secured, which may cause damage to the fuel cell cell. Therefore, the discharge capacity of the raw material pump is increased first. As a result, the flow rate of the raw material gas once increases. Next, the assist adjusting unit increases the flow rate of the assist gas. As a result, the flow rate of the raw material gas decreases to the extent that it does not fall below the target value, and the flow rate of the assist gas increases. As a result, the flow rate of the raw material gas can always be maintained above the target amount.
また、原料ポンプの吐出能力の増加およびアシスト調整部によるアシストガスの流量の増加よりも先に、水ポンプの吐出能力を減少させると、エジェクタの駆動流の流量が減少する。この場合、原料ポンプの吐出能力の増加およびアシスト調整部によるアシストガスの流量の増加を行うまでの期間、エジェクタの動力が小さくなり、吸引部から吸入されるリサイクルガスの流量が減少し、循環率が低下してしまう。循環率が低下すると、発電に必要な燃料ガスの流量を確保できない可能性が生じる。このため、先に、アシスト調整部によってアシストガスの流量を増加させた後、水ポンプの吐出能力を減少させることで、循環率の低下を回避することができる。 Further, if the discharge capacity of the water pump is reduced before the discharge capacity of the raw material pump is increased and the flow rate of the assist gas by the assist adjusting unit is increased, the flow rate of the drive flow of the ejector is reduced. In this case, the power of the ejector becomes small, the flow rate of the recycled gas sucked from the suction part decreases, and the circulation rate until the discharge capacity of the raw material pump is increased and the flow rate of the assist gas is increased by the assist adjustment part. Will decrease. If the circulation rate decreases, it may not be possible to secure the flow rate of fuel gas required for power generation. Therefore, it is possible to avoid a decrease in the circulation rate by first increasing the flow rate of the assist gas by the assist adjusting unit and then reducing the discharge capacity of the water pump.
また、第４の観点によれば、循環率計測部は、リサイクルガスの流量として、リサイクル流路に設けられた流量計（２３）の計測値を用いて、循環率を算出する。このように、第２の観点において、第４の観点の構成を採用することができる。 Further, according to the fourth viewpoint, the circulation rate measuring unit calculates the circulation rate by using the measured value of the flow meter (23) provided in the recycling flow path as the flow rate of the recycled gas. In this way, in the second viewpoint, the configuration of the fourth viewpoint can be adopted.
また、第５の観点によれば、循環率計測部は、リサイクルガスの流量として、リサイクル流路のうち２点間におけるリサイクルガスの圧力降下量の計測値に基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、循環率を算出する。このように、第２の観点において、第５の観点の構成を採用することができる。 Further, according to the fifth viewpoint, the circulation rate measuring unit determines the flow rate of the recycled gas as the flow rate of the recycled gas, which is estimated based on the measured value of the pressure drop of the recycled gas between two points in the recycling flow path. The circulation rate is calculated using the estimated value of. In this way, in the second viewpoint, the configuration of the fifth viewpoint can be adopted.
リサイクル流路を流れるリサイクルガスは、高温である。このため、リサイクルガスの流量を流量計で計測する場合、流量計の耐熱性が課題となる。これに対して、リサイクルガスの圧力降下量を圧力計または差圧計で計測する場合、圧力計または差圧計を高温のリサイクルガスに晒されないように設置することができる。このため、第５の観点によれば、このような課題が生じない。 The recycled gas flowing through the recycling channel has a high temperature. Therefore, when measuring the flow rate of recycled gas with a flow meter, the heat resistance of the flow meter becomes an issue. On the other hand, when the pressure drop amount of the recycled gas is measured by a pressure gauge or a differential pressure gauge, the pressure gauge or the differential pressure gauge can be installed so as not to be exposed to the high temperature recycled gas. Therefore, according to the fifth viewpoint, such a problem does not occur.
また、第６の観点によれば、循環率計測部は、リサイクルガスの流量として、改質器の入口側と出口側との間の圧力降下量の計測値に基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、循環率を算出する。このように、第２の観点において、第６の観点の構成を採用することができる。 Further, according to the sixth viewpoint, the circulation rate measuring unit determines the flow rate of the recycled gas as the flow rate of the recycled gas estimated based on the measured value of the pressure drop between the inlet side and the outlet side of the reformer. The circulation rate is calculated using the estimated value of the flow rate. In this way, in the second viewpoint, the configuration of the sixth viewpoint can be adopted.
リサイクル流路を流れるリサイクルガスは、高温である。このため、リサイクルガスの流量を流量計で計測する場合、流量計の耐熱性が課題となる。これに対して、改質器の入口側と出口側との間の圧力降下量を圧力計等で計測する場合、圧力計等を高温のリサイクルガスに晒されないように設置することができる。このため、第６の観点によれば、このような課題が生じない。 The recycled gas flowing through the recycling channel has a high temperature. Therefore, when measuring the flow rate of recycled gas with a flow meter, the heat resistance of the flow meter becomes an issue. On the other hand, when measuring the amount of pressure drop between the inlet side and the outlet side of the reformer with a pressure gauge or the like, the pressure gauge or the like can be installed so as not to be exposed to high-temperature recycled gas. Therefore, according to the sixth viewpoint, such a problem does not occur.
ところで、リサイクル流路のうち２点間におけるリサイクルガスの圧力降下量を計測する場合、リサイクル流路を流れるリサイクルガスの圧力降下量が小さいと、リサイクルガスの圧力降下量を計測する圧力計等の高精度化が求められる。しかしながら、改質器の入口側と出口側との間の圧力降下量が、リサイクル流路の圧力降下量に比べて十分大きい場合、圧力計等は高精度でなくてもよい。 By the way, when measuring the pressure drop amount of the recycled gas between two points in the recycling flow path, if the pressure drop amount of the recycled gas flowing through the recycling flow path is small, a pressure gauge or the like for measuring the pressure drop amount of the recycled gas High precision is required. However, if the amount of pressure drop between the inlet side and the outlet side of the reformer is sufficiently larger than the amount of pressure drop in the recycling flow path, the pressure gauge or the like does not have to be highly accurate.
また、第７の観点によれば、循環率計測部は、リサイクルガスの流量として、燃料電池の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量の計測値に基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、循環率を算出する。このように、第２の観点において、第７の観点の構成を採用することができる。 Further, according to the seventh viewpoint, the circulation rate measuring unit estimates the recycled gas flow rate as the flow rate of the recycled gas based on the measured value of the pressure drop between the fuel inlet side and the fuel outlet side of the fuel cell. The circulation rate is calculated using the estimated value of the flow rate of. In this way, in the second viewpoint, the configuration of the seventh viewpoint can be adopted.
リサイクル流路を流れるリサイクルガスは、高温である。このため、リサイクルガスの流量を流量計で計測する場合、流量計の耐熱性が課題となる。これに対して、燃料電池の燃料入口側と燃料出口側の圧力降下量を圧力計等で計測する場合、圧力計等を高温のリサイクルガスに晒されないように設置することができる。このため、第７の観点によれば、このような課題が生じない。 The recycled gas flowing through the recycling channel has a high temperature. Therefore, when measuring the flow rate of recycled gas with a flow meter, the heat resistance of the flow meter becomes an issue. On the other hand, when measuring the amount of pressure drop on the fuel inlet side and the fuel outlet side of the fuel cell with a pressure gauge or the like, the pressure gauge or the like can be installed so as not to be exposed to high-temperature recycled gas. Therefore, according to the seventh viewpoint, such a problem does not occur.
ところで、リサイクル流路のうち２点間におけるリサイクルガスの圧力降下量を計測する場合、リサイクル流路を流れるリサイクルガスの圧力降下量が小さいと、リサイクルガスの圧力降下量を計測する圧力計の高精度化が求められる。しかしながら、燃料電池の燃料入口側と燃料出口側との間の圧力降下量が、リサイクル流路の圧力降下量に比べて十分大きい場合、圧力計等は高精度でなくてもよい。 By the way, when measuring the pressure drop of the recycled gas between two points in the recycling flow path, if the pressure drop of the recycled gas flowing through the recycling flow path is small, the height of the pressure gauge for measuring the pressure drop of the recycled gas is high. Precision is required. However, if the amount of pressure drop between the fuel inlet side and the fuel outlet side of the fuel cell is sufficiently larger than the amount of pressure drop in the recycling flow path, the pressure gauge or the like does not have to be highly accurate.
また、第８の観点によれば、循環率計測部は、リサイクルガスの流量として、エジェクタのノズル部に流入する駆動流の温度および流量のそれぞれの計測値と、駆動流の温度に応じた駆動流の流量と吸引部に吸引される吸引流の流量との関係とに基づいて推定されたリサイクルガスの流量の推定値を用いて、循環率を算出する。このように、第２の観点において、第８の観点の構成を採用することができる。 Further, according to the eighth viewpoint, the circulation rate measuring unit drives according to the measured values of the temperature and the flow rate of the drive flow flowing into the nozzle portion of the ejector as the flow rate of the recycled gas and the temperature of the drive flow. The circulation rate is calculated using the estimated value of the flow rate of the recycled gas estimated based on the relationship between the flow rate of the flow and the flow rate of the suction flow sucked into the suction unit. In this way, in the second viewpoint, the configuration of the eighth viewpoint can be adopted.
これによれば、リサイクルガスの流量を計測するための計測器として、熱電対等の温度計を追加するだけでよく、圧力計の設置が必要ない。一般的に、熱電対等の温度計は、圧力計よりも安価である。このため、燃料電池システムのコストの増大を抑制することができる。 According to this, as a measuring instrument for measuring the flow rate of recycled gas, it is only necessary to add a thermometer such as a thermoelectric pair, and it is not necessary to install a pressure gauge. In general, thermometers such as thermoelectric pairs are cheaper than pressure gauges. Therefore, it is possible to suppress an increase in the cost of the fuel cell system.
また、第９の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池の掃引電流を調整する電流調整装置（２４）と、判定部によって水自立が成立していないと判定され、原料ポンプの吐出能力が増加され、アシスト調整部によってアシストガスの流量が増加された後、循環率計測部に計測される循環率が目標値に到達せず、原料ポンプの吐出能力が最大に達した場合、掃引電流を減少させるように電流調整装置を制御する電流制御部（Ｓ９）と、をさらに備える。流量制御部（Ｓ４）は、原料ガスの供給量が、電流制御部によって減少された掃引電流に応じた流量となり、循環率が目標値になるように、原料ポンプとアシスト調整部を制御する。 Further, according to the ninth viewpoint, in the fuel cell system, the current adjusting device (24) for adjusting the sweep current of the fuel cell and the determination unit determine that water independence is not established, and the discharge capacity of the raw material pump is determined. Is increased, and after the flow rate of assist gas is increased by the assist adjustment unit, if the circulation rate measured by the circulation rate measurement unit does not reach the target value and the discharge capacity of the raw material pump reaches the maximum, the sweep current A current control unit (S9) that controls the current adjusting device so as to reduce the amount of the current is further provided. The flow rate control unit (S4) controls the raw material pump and the assist adjustment unit so that the supply amount of the raw material gas becomes the flow rate corresponding to the sweep current reduced by the current control unit and the circulation rate becomes the target value.
判定部によって水自立が成立していないと判定され、原料ポンプの吐出能力が増加され、アシスト調整部によってアシストガスの流量が増加された後、循環率計測部に計測される循環率が目標値に到達せず、原料ポンプの吐出能力が最大に達した場合、原料ガスの現在の流量では、循環率をこれ以上増加させることができない。 After the judgment unit determines that water independence has not been established, the discharge capacity of the raw material pump is increased, the flow rate of the assist gas is increased by the assist adjustment unit, and then the circulation rate measured by the circulation rate measurement unit is the target value. If the discharge capacity of the raw material pump is reached to the maximum without reaching the above, the circulation rate cannot be further increased at the current flow rate of the raw material gas.
そこで、この場合、第９の観点では、電流制御部は、掃引電流を減少させるように電流調整装置を制御する。流量制御部は、原料ガスの供給量が、電流制御部によって減少された掃引電流に応じた流量となり、循環率が目標値になるように、原料ポンプとアシスト調整部とを制御する。掃引電流を現在値よりも低くすることで、発電に必要な燃料ガスの流量を減らすことができる。すなわち、発電に必要な原料ガスと水とのそれぞれの流量を減らすことができる。この結果、循環率を目標値にすることができ、水自立を成立させることができる。 Therefore, in this case, from the ninth aspect, the current control unit controls the current adjusting device so as to reduce the sweep current. The flow rate control unit controls the raw material pump and the assist adjustment unit so that the supply amount of the raw material gas becomes the flow rate corresponding to the sweep current reduced by the current control unit and the circulation rate becomes the target value. By lowering the sweep current below the current value, the flow rate of fuel gas required for power generation can be reduced. That is, the flow rates of the raw material gas and water required for power generation can be reduced. As a result, the circulation rate can be set as a target value, and water independence can be established.
また、第１０の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池の掃引電流を調整する電流調整装置（２４）と、判定部によって水自立が成立していないと判定され、原料ポンプの吐出能力が増加され、アシスト調整部によってアシストガスの流量が増加された後、循環率計測部に計測される循環率が目標値に到達せず、アシスト調整部によって調整されるアシストガスの流量が最大に達した場合、掃引電流を減少させるように電流調整装置を制御する電流制御部（Ｓ９）と、をさらに備える。流量制御部（Ｓ４）は、原料ガスの供給量が、電流制御部によって減少された掃引電流に応じた流量となり、循環率が目標値になるように、原料ポンプとアシスト調整部を制御する。 Further, according to the tenth viewpoint, in the fuel cell system, the current adjusting device (24) for adjusting the sweep current of the fuel cell and the determination unit determine that water independence is not established, and the discharge capacity of the raw material pump is determined. Is increased, and after the assist gas flow rate is increased by the assist adjustment unit, the circulation rate measured by the circulation rate measurement unit does not reach the target value, and the assist gas flow rate adjusted by the assist adjustment unit is maximized. When it reaches, it further includes a current control unit (S9) that controls the current regulator so as to reduce the sweep current. The flow rate control unit (S4) controls the raw material pump and the assist adjustment unit so that the supply amount of the raw material gas becomes the flow rate corresponding to the sweep current reduced by the current control unit and the circulation rate becomes the target value.
判定部によって水自立が成立していないと判定され、原料ポンプの吐出能力が増加され、アシスト調整部によってアシストガスの流量が増加された後、循環率計測部に計測される循環率が目標値に到達せず、アシスト調整部によって調整されるアシストガスの流量が最大に達した場合、原料ガスの現在の流量では、循環率をこれ以上増加させることができない。 After the judgment unit determines that water independence has not been established, the discharge capacity of the raw material pump is increased, the flow rate of the assist gas is increased by the assist adjustment unit, and then the circulation rate measured by the circulation rate measurement unit is the target value. When the flow rate of the assist gas adjusted by the assist adjusting unit reaches the maximum without reaching the above, the circulation rate cannot be further increased at the current flow rate of the raw material gas.
そこで、この場合、第１０の観点では、電流制御部は、掃引電流を減少させるように電流調整装置を制御する。流量制御部は、原料ガスの供給量が、電流制御部によって減少された掃引電流に応じた流量となり、循環率が目標値になるように、原料ポンプとアシスト調整部とを制御する。掃引電流を現在値よりも低くすることで、発電に必要な燃料ガスの流量を減らすことができる。すなわち、発電に必要な原料ガスと水とのそれぞれの流量を減らすことができる。この結果、循環率を目標値にすることができ、水自立を成立させることができる。 Therefore, in this case, from the tenth viewpoint, the current control unit controls the current adjusting device so as to reduce the sweep current. The flow rate control unit controls the raw material pump and the assist adjustment unit so that the supply amount of the raw material gas becomes the flow rate corresponding to the sweep current reduced by the current control unit and the circulation rate becomes the target value. By lowering the sweep current below the current value, the flow rate of fuel gas required for power generation can be reduced. That is, the flow rates of the raw material gas and water required for power generation can be reduced. As a result, the circulation rate can be set as a target value, and water independence can be established.
１０ リサイクル流路
１１ アシスト流路
１２ 原料ポンプ
１３ エジェクタ
１４ 改質器
１５ 水タンク
１７ 水蒸発器
１９ 燃焼排ガス用の水回収器
２０ アシスト調整部
２５ アシストガス用の水回収器
10
Claims (10)
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池（２）と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料供給流路（３）と、
前記燃料供給流路に設けられ、改質されて前記燃料ガスとなる原料ガスを吸入して吐出する原料ポンプ（１２）と、
前記燃料供給流路のうち前記原料ポンプの下流側に設けられ、ノズル部（１３ａ）、吸引部（１３ｂ）および吐出部（１３ｃ）を有するエジェクタ（１３）と、
前記燃料供給流路のうち前記エジェクタの前記吐出部の下流側に設けられ、水蒸気改質反応によって前記原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器（１４）と、
前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含む燃料オフガスの一部を、リサイクルガスとして前記エジェクタの前記吸引部に戻すリサイクル流路（１０）と、
前記改質器から流出した前記燃料ガスの一部を、アシストガスとして前記燃料供給流路のうち前記原料ポンプの上流側に戻すアシスト流路（１１）と、
前記アシスト流路に設けられ、前記アシストガスの流量を調整するアシスト調整部（２０）と、
前記燃料供給流路のうち前記原料ポンプと前記エジェクタとの間に接続され、前記改質器に水蒸気を供給するための水蒸気供給流路（４）と、
前記水蒸気供給流路に接続され、液体の水を貯える水タンク（１５）と、
前記水蒸気供給流路に設けられ、前記水タンクから送られた液体の水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発器（１７）と、
前記燃料オフガスが燃焼されて生成した燃焼排ガスと前記アシストガスとの少なくとも１つのガスに含まれる水を回収し、回収した水を前記水タンクへ供給する水回収器（１９、２５）と、
前記燃料電池システムの外部から前記水タンクへの水の補給を必要としない水自立が成立しているか否かを判定する判定部（Ｓ１）と、
前記判定部によって前記水自立が成立していないと判定された場合に、吐出能力を増加させるように前記原料ポンプを制御するとともに、前記アシストガスの流量を増加させるように前記アシスト調整部を制御する流量制御部（Ｓ４）と、を備える、燃料電池システム。 It ’s a fuel cell system,
A fuel cell (2) that generates electricity by an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas, and
A fuel supply flow path (3) for supplying the fuel gas to the fuel cell, and
A raw material pump (12) provided in the fuel supply flow path, which sucks and discharges a raw material gas which is reformed to become the fuel gas, and
An ejector (13) provided on the downstream side of the raw material pump in the fuel supply flow path and having a nozzle portion (13a), a suction portion (13b), and a discharge portion (13c).
A reformer (14) provided on the downstream side of the discharge portion of the ejector in the fuel supply flow path and reforming the raw material gas by a steam reforming reaction to generate the fuel gas.
A recycling flow path (10) that returns a part of the fuel off gas containing the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell to the suction portion of the ejector as a recycling gas.
An assist flow path (11) that returns a part of the fuel gas flowing out of the reformer to the upstream side of the raw material pump in the fuel supply flow path as an assist gas.
An assist adjusting unit (20) provided in the assist flow path and adjusting the flow rate of the assist gas,
Of the fuel supply flow path, a steam supply flow path (4) connected between the raw material pump and the ejector to supply steam to the reformer, and
A water tank (15) connected to the water vapor supply flow path and storing liquid water,
A water evaporator (17) provided in the steam supply flow path and evaporating liquid water sent from the water tank to generate steam.
A water recovery device (19, 25) that recovers water contained in at least one gas of the combustion exhaust gas generated by burning the fuel off gas and the assist gas, and supplies the recovered water to the water tank.
A determination unit (S1) for determining whether or not water independence that does not require replenishment of water from the outside of the fuel cell system to the water tank is established, and
When the determination unit determines that the water independence is not established, the raw material pump is controlled so as to increase the discharge capacity, and the assist adjustment unit is controlled so as to increase the flow rate of the assist gas. A fuel cell system including a flow rate control unit (S4).
前記循環率の目標値を設定する循環率目標値設定部（Ｓ２、Ｓ３）と、をさらに備え、
前記流量制御部は、前記循環率計測部に計測される前記循環率が前記目標値になるように、前記原料ポンプと前記アシスト調整部とを制御し、
前記循環率目標値設定部は、前記判定部によって前記水自立が成立していないと判定された場合、前記目標値を引き上げる、請求項１に記載の燃料電池システム。 A circulation rate measuring unit (S5) for measuring the circulation rate of the recycled gas, which is the ratio of the flow rate of the recycled gas to the flow rate of the fuel off gas discharged from the fuel cell.
Further provided with a circulation rate target value setting unit (S2, S3) for setting the target value of the circulation rate.
The flow rate control unit controls the raw material pump and the assist adjustment unit so that the circulation rate measured by the circulation rate measuring unit becomes the target value.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the circulation rate target value setting unit raises the target value when the determination unit determines that the water independence is not established.
前記流量制御部は、前記判定部によって前記水自立が成立していないと判定された場合、前記原料ポンプの吐出能力を増加させることと、前記アシスト調整部によって前記アシストガスの流量を増加させることと、前記水ポンプの吐出能力を減少させることとを、この記載順に行う、請求項１または２に記載の燃料電池システム。 A water pump (16) provided between the water tank and the water evaporator in the water vapor supply flow path and sucks and discharges liquid water is further provided.
When the determination unit determines that the water independence is not established, the flow rate control unit increases the discharge capacity of the raw material pump and increases the flow rate of the assist gas by the assist adjustment unit. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the discharge capacity of the water pump is reduced in the order described.
前記判定部によって前記水自立が成立していないと判定され、前記原料ポンプの吐出能力が増加され、前記アシスト調整部によって前記アシストガスの流量が増加された後、前記循環率計測部に計測される前記循環率が前記目標値に到達せず、前記原料ポンプの吐出能力が最大に達した場合、前記掃引電流を減少させるように前記電流調整装置を制御する電流制御部（Ｓ９）と、をさらに備え、
前記流量制御部（Ｓ４）は、前記原料ガスの供給量が、前記電流制御部によって減少された前記掃引電流に応じた流量となり、前記循環率が前記目標値になるように、前記原料ポンプと前記アシスト調整部を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。 A current adjusting device (24) that adjusts the sweep current of the fuel cell, and
The determination unit determines that the water independence is not established, the discharge capacity of the raw material pump is increased, the flow rate of the assist gas is increased by the assist adjustment unit, and then the measurement is performed by the circulation rate measurement unit. When the circulation rate does not reach the target value and the discharge capacity of the raw material pump reaches the maximum, a current control unit (S9) that controls the current adjusting device so as to reduce the sweep current. Further prepare
The flow rate control unit (S4) and the raw material pump so that the supply amount of the raw material gas becomes a flow rate corresponding to the sweep current reduced by the current control unit and the circulation rate becomes the target value. The fuel cell system according to claim 2, which controls the assist adjusting unit.
前記判定部によって前記水自立が成立していないと判定され、前記原料ポンプの吐出能力が増加され、前記アシスト調整部によって前記アシストガスの流量が増加された後、前記循環率計測部に計測される前記循環率が前記目標値に到達せず、前記アシスト調整部によって調整される前記アシストガスの流量が最大に達した場合、前記掃引電流を減少させるように前記電流調整装置を制御する電流制御部（Ｓ９）と、をさらに備え、
前記流量制御部（Ｓ４）は、前記原料ガスの供給量が、前記電流制御部によって減少された前記掃引電流に応じた流量となり、前記循環率が前記目標値になるように、前記原料ポンプと前記アシスト調整部を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。 A current adjusting device (24) that adjusts the sweep current of the fuel cell, and
The determination unit determines that the water independence is not established, the discharge capacity of the raw material pump is increased, the flow rate of the assist gas is increased by the assist adjustment unit, and then the measurement is performed by the circulation rate measurement unit. When the circulation rate does not reach the target value and the flow rate of the assist gas adjusted by the assist adjusting unit reaches the maximum, current control for controlling the current adjusting device so as to reduce the sweep current. With a part (S9),
The flow rate control unit (S4) and the raw material pump so that the supply amount of the raw material gas becomes a flow rate corresponding to the sweep current reduced by the current control unit and the circulation rate becomes the target value. The fuel cell system according to claim 2, which controls the assist adjusting unit.
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