JP2023081179A - Solid oxide ful cell system - Google Patents

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Bunichi Saito
輝幸 牛島
Teruyuki Ushijima
幸裕 福嶋
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Abstract

To reduce a stack temperature of a fuel cell stack without increasing a total amount of an oxidant gas supplied to the fuel cell stack.SOLUTION: A solid oxide fuel cell system comprises: a ratio determination unit (216) for determining, in accordance with a stack temperature (CB), a ratio (RM) of an oxidant supply amount from a first oxidant supply pump with respect to a total amount (XT) of an oxidant gas; a target value determination unit (218) for determining a first target value and a second target value of the oxidant supply amount based on the ratio and the total amount; and a pump control unit (220) which controls a first oxidant supply pump (34) based the first target value and controls a second oxidant supply pump (36) based on the second target value, thereby causing the pumps to supply the oxidant gas.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池システムに関する。 The present invention relates to solid oxide fuel cell systems.

特許文献1には、燃料電池装置が開示されている。燃料電池装置は、セルスタック(燃料電池スタック)と、改質器とを有する。燃料電池スタックへは第1ブロアから空気が供給される。燃料電池スタックを加熱する場合は、第2ブロアから空気が改質器へ供給される。改質器の内部で部分酸化改質反応が生じ、発熱する。燃料電池スタックは、改質器によって加熱される。 Patent Literature 1 discloses a fuel cell device. A fuel cell device has a cell stack (fuel cell stack) and a reformer. Air is supplied from the first blower to the fuel cell stack. When heating the fuel cell stack, air is supplied to the reformer from the second blower. A partial oxidation reforming reaction occurs inside the reformer, generating heat. The fuel cell stack is heated by a reformer.

特開2016-25005号公報JP 2016-25005 A

特許文献1に開示された燃料電池装置によると、燃料電池スタックにおいて生じる発電熱と、水蒸気改質反応が生じる改質器に伝達される熱とのバランスが保たれることにより、燃料電池スタックは発電に適した温度に維持される。しかし、燃料電池スタックが劣化すると、発電出力を維持しようとして、スタック温度が高くなるおそれがある。スタック温度を低下させるため、燃料電池スタックへ供給される空気量を増加させると、ブロア駆動電力の増分による発電出力の相殺分が無視できない、という課題がある。 According to the fuel cell device disclosed in Patent Document 1, the balance between the generated heat generated in the fuel cell stack and the heat transmitted to the reformer in which the steam reforming reaction occurs is maintained, so that the fuel cell stack It is maintained at a temperature suitable for power generation. However, when the fuel cell stack deteriorates, the stack temperature may increase in an attempt to maintain power generation output. If the amount of air supplied to the fuel cell stack is increased in order to lower the stack temperature, there is a problem that the offset of the power output due to the increase in blower drive power cannot be ignored.

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the problems described above.

本発明の態様は、固体酸化物燃料電池システムであって、燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを出力する燃焼器と、前記燃料電池スタックのスタック温度を検出するスタック温度検出部と、前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給する第1酸化剤供給ポンプと、前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給する、前記第1酸化剤供給ポンプとは異なる第2酸化剤供給ポンプと、前記第1酸化剤供給ポンプにより供給される前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給される前に前記燃焼排ガスを用いて昇温させる熱交換器と、前記スタック温度が所定温度を越えると、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスの総量に対する、前記第1酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスの酸化剤供給量の比率を前記スタック温度に応じて決定する比率決定部と、前記比率および前記総量に基づいて、前記第1酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤供給量の第1目標値と、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤供給量の第2目標値とを決定する目標値決定部と、前記第1目標値に基づいて前記第1酸化剤供給ポンプを制御するとともに、前記第2目標値に基づいて前記第2酸化剤供給ポンプを制御して、前記酸化剤ガスを前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから前記燃料電池スタックへ供給させるポンプ制御部と、を備える。 An aspect of the present invention is a solid oxide fuel cell system, comprising: a fuel cell stack that generates electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant gas; and a fuel exhaust gas and an oxidant exhaust gas emitted from the fuel cell stack are burned a combustor that outputs combustion exhaust gas; a stack temperature detection unit that detects the stack temperature of the fuel cell stack; a first oxidant supply pump that supplies the oxidant gas to the fuel cell stack; a second oxidant supply pump different from the first oxidant supply pump for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack; a heat exchanger that raises the temperature of the combustion exhaust gas before it is supplied to the stack; and when the stack temperature exceeds a predetermined temperature, the first a ratio determination unit that determines a ratio of the oxidant supply amount of the oxidant gas from the oxidant supply pump according to the stack temperature; a target value determination unit that determines a first target value of the oxidant supply amount and a second target value of the oxidant supply amount from the second oxidant supply pump; controlling the first oxidant supply pump and controlling the second oxidant supply pump based on the second target value to supply the oxidant gas to the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump; and a pump control unit for supplying from to the fuel cell stack.

本発明によれば、燃料電池スタックへ供給される酸化剤ガスの総量を増加させずに、燃料電池スタックのスタック温度を低下させることができる。 According to the present invention, the stack temperature of the fuel cell stack can be lowered without increasing the total amount of oxidant gas supplied to the fuel cell stack.

図1は、一実施の形態における固体酸化物燃料電池システムを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a solid oxide fuel cell system in one embodiment. 図2は、制御装置の機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of the control device. 図3Aは、スタック温度および改質器温度が、時刻の経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。図3Bは、燃料電池スタックの電流が、時刻の経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。図3Cは、原燃料の供給量が、時刻の経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。図3Dは、酸化剤ガスの総量が、時刻の経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。FIG. 3A is a diagram schematically showing how the stack temperature and the reformer temperature change over time. FIG. 3B is a diagram schematically showing how the current in the fuel cell stack changes over time. FIG. 3C is a diagram schematically showing how the raw fuel supply amount changes over time. FIG. 3D is a diagram schematically showing how the total amount of oxidant gas changes over time. 図4は、固体酸化物燃料電池システムのシステム状態毎に算出される酸化剤ガスの供給量の種別を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing types of oxidant gas supply amounts calculated for each system state of the solid oxide fuel cell system. 図5は、酸化剤ガスの供給量の種別毎の算出根拠を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the basis for calculating the supply amount of the oxidant gas for each type. 図6は、酸化剤ガスの供給量の目標値を決定する処理手順を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flow chart showing a processing procedure for determining the target value of the supply amount of the oxidant gas. 図7は、酸化剤ガスの総量の目標値を決定する処理手順を示すフローチャートである。FIG. 7 is a flow chart showing a processing procedure for determining a target value for the total amount of oxidant gas. 図8Aは、燃料電池スタックの発電電力が、時刻の経過に関わらず一定で推移する様子を模式的に示す図である。図8Bは、スタック温度が、時刻の経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。図8Cは、第1酸化剤供給ポンプからの酸化剤供給量および第2酸化剤供給ポンプからの酸化剤供給量が、時刻の経過に応じてそれぞれ変化する様子と、酸化剤ガスの総量が時刻の経過に関わらず一定で推移する様子とを模式的に示す図である。FIG. 8A is a diagram schematically showing how the power generated by the fuel cell stack remains constant regardless of the passage of time. FIG. 8B is a diagram schematically showing how the stack temperature changes over time. FIG. 8C shows how the oxidant supply amount from the first oxidant supply pump and the oxidant supply amount from the second oxidant supply pump change over time, and the total amount of oxidant gas changes over time. FIG. 10 is a diagram schematically showing how the constant changes regardless of the progress of . 図9は、酸化剤ガスの総量に対する、第1酸化剤供給ポンプからの酸化剤供給量の比率と、スタック温度との対応関係が定められたマップを例示する図である。FIG. 9 is a diagram exemplifying a map that defines the correspondence between the ratio of the oxidant supply amount from the first oxidant supply pump to the total amount of oxidant gas and the stack temperature. 図10は、第1酸化剤供給ポンプからの酸化剤供給量の第1目標値、および第2酸化剤供給ポンプからの酸化剤供給量の第2目標値を決定する処理手順を示すフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure for determining a first target value of the oxidant supply amount from the first oxidant supply pump and a second target value of the oxidant supply amount from the second oxidant supply pump. .

図1は、一実施の形態における固体酸化物燃料電池システム10を示す図である。固体酸化物燃料電池システム10は、パワーユニット20と、原燃料供給ポンプ30と、水供給ポンプ32と、第1酸化剤供給ポンプ34と、第2酸化剤供給ポンプ36と、第1弁44と、第2弁46と、パワーコンディショナーシステム(PCS)50と、制御装置60とを有する。本実施の形態において、燃料は、後述する原燃料、水、改質ガスを含む。 FIG. 1 shows a solid oxide fuel cell system 10 in one embodiment. The solid oxide fuel cell system 10 includes a power unit 20, a raw fuel supply pump 30, a water supply pump 32, a first oxidant supply pump 34, a second oxidant supply pump 36, a first valve 44, It has a second valve 46 , a power conditioner system (PCS) 50 and a controller 60 . In the present embodiment, the fuel includes raw fuel, water, and reformed gas, which will be described later.

原燃料供給ポンプ30は、炭化水素を含む原燃料をパワーユニット20内の流路へ出力する。原燃料は、例えば天然ガス、石油ガス、或いは液化石油である。原燃料は、メタン、エタン、プロパン、或いはブタン等の炭化水素を含む。水供給ポンプ32は、水をパワーユニット20内の流路へ出力する。第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36は、酸化剤ガスをパワーユニット20内の流路へそれぞれ出力する。酸化剤ガスは、例えば空気である。酸化剤ガスは、酸素を含む。 Raw fuel supply pump 30 outputs a raw fuel containing hydrocarbons to a flow channel in power unit 20 . The raw fuel is, for example, natural gas, petroleum gas, or liquefied petroleum. Raw fuels include hydrocarbons such as methane, ethane, propane, or butane. Water supply pump 32 outputs water to the flow path in power unit 20 . The first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 output the oxidant gas to flow paths in the power unit 20, respectively. The oxidant gas is air, for example. The oxidant gas contains oxygen.

第1弁44は、第2酸化剤供給ポンプ36と部分酸化改質器70とを接続する第1流路40に配置される。第1弁44は、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、部分酸化改質器70に供給させるか否かを切り換える。第2弁46は、第2酸化剤供給ポンプ36と燃料電池スタック90とを接続する第2流路42に配置される。第2弁46は、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、燃料電池スタック90に供給させるか否かを切り換える。 A first valve 44 is arranged in the first flow path 40 connecting the second oxidant supply pump 36 and the partial oxidation reformer 70 . The first valve 44 switches whether to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the partial oxidation reformer 70 . The second valve 46 is arranged in the second flow path 42 connecting the second oxidant supply pump 36 and the fuel cell stack 90 . The second valve 46 switches whether to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the fuel cell stack 90 .

パワーユニット20は、燃料および酸化剤ガスを用いて発電し、直流電力をパワーコンディショナーシステム50へ出力する。パワーユニット20は、部分酸化改質器(POx)70と、水蒸気改質器(SR)72と、燃焼器74と、第1熱交換器76と、第2熱交換器78と、排気触媒80と、燃料電池スタック90とを有する。部分酸化改質器70および水蒸気改質器72は、互いに近接して、或いは一体に設けられる。 Power unit 20 generates power using fuel and oxidant gas, and outputs DC power to power conditioner system 50 . The power unit 20 includes a partial oxidation reformer (POx) 70, a steam reformer (SR) 72, a combustor 74, a first heat exchanger 76, a second heat exchanger 78, and an exhaust catalyst 80. , and a fuel cell stack 90 . The partial oxidation reformer 70 and the steam reformer 72 are provided close to each other or integrally.

部分酸化改質器70には、原燃料供給ポンプ30により供給される原燃料と、第2酸化剤供給ポンプ36により供給される酸化剤ガスとが流入する。部分酸化改質器70は、原燃料に含まれる炭化水素を、酸化剤ガスに含まれる酸素で部分酸化させることにより、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む改質ガスを生成する。この改質には触媒が用いられる。部分酸化改質器70が生成した改質ガスは、水蒸気改質器72を通って燃料電池スタック90に流入する。 The raw fuel supplied by the raw fuel supply pump 30 and the oxidant gas supplied by the second oxidant supply pump 36 flow into the partial oxidation reformer 70 . The partial oxidation reformer 70 generates a reformed gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas by partially oxidizing hydrocarbons contained in the raw fuel with oxygen contained in the oxidant gas. A catalyst is used for this reforming. The reformed gas produced by the partial oxidation reformer 70 flows through the steam reformer 72 into the fuel cell stack 90 .

水蒸気改質器72には、原燃料供給ポンプ30により供給される原燃料と、水蒸気とを含む混合ガスが流入する。水蒸気改質器72は、原燃料に含まれる炭化水素を改質して、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガスを生成し、出力する。この改質には触媒が用いられる。改質されずに残った一部の混合ガスもまた、水蒸気改質器72から出力される。水蒸気改質器72が生成した改質ガスおよび一部の混合ガスは、燃料電池スタック90に流入する。なお、水蒸気は、水供給ポンプ32により供給された水が、第1熱交換器76により昇温されて生成される。 A mixed gas containing raw fuel supplied by the raw fuel supply pump 30 and steam flows into the steam reformer 72 . The steam reformer 72 reforms the hydrocarbon contained in the raw fuel to generate and output a reformed gas containing hydrogen gas and carbon dioxide gas. A catalyst is used for this reforming. A portion of the mixed gas remaining without being reformed is also output from the steam reformer 72 . The reformed gas and part of the mixed gas produced by the steam reformer 72 flow into the fuel cell stack 90 . Note that water vapor is generated by raising the temperature of the water supplied by the water supply pump 32 by the first heat exchanger 76 .

燃焼器74は、燃料電池スタック90からの燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼させて、高温の燃焼排ガスを出力する。燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、点火装置100により点火されると、燃焼し始める。燃焼排ガスは、水蒸気改質器72、部分酸化改質器70、第1熱交換器76、第2熱交換器78および排気触媒80を経由する流路を流れ、パワーユニット20の外部へ排気される。燃焼排ガスは、水蒸気改質器72、部分酸化改質器70、第1熱交換器76、第2熱交換器78および排気触媒80を昇温させる。 The combustor 74 combusts the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas from the fuel cell stack 90 and outputs high-temperature combustion exhaust gas. The fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas begin to burn when ignited by the ignition device 100 . The flue gas flows through the steam reformer 72, the partial oxidation reformer 70, the first heat exchanger 76, the second heat exchanger 78, and the exhaust catalyst 80, and is exhausted to the outside of the power unit 20. . The flue gas raises the temperatures of the steam reformer 72 , the partial oxidation reformer 70 , the first heat exchanger 76 , the second heat exchanger 78 and the exhaust catalyst 80 .

燃焼排ガスにより、部分酸化改質器70および水蒸気改質器72の温度が上昇する。水蒸気改質器72は、水蒸気改質に必要な温度まで温められると水蒸気改質を行うことができる。 The flue gas increases the temperature of the partial oxidation reformer 70 and the steam reformer 72 . The steam reformer 72 can perform steam reforming when warmed to the temperature required for steam reforming.

燃焼排ガスにより、第1熱交換器76の温度が上昇する。第1熱交換器76は、原燃料供給ポンプ30から供給される原燃料、および水供給ポンプ32から供給される水を昇温させる。これにより、水が蒸発して水蒸気に変化する。こうして、原燃料および水蒸気を含む混合ガスが得られる。混合ガスは、改質が停止した部分酸化改質器70を通過して、水蒸気改質器72へ流入する。 The flue gas increases the temperature of the first heat exchanger 76 . The first heat exchanger 76 heats the raw fuel supplied from the raw fuel supply pump 30 and the water supplied from the water supply pump 32 . This causes the water to evaporate and turn into steam. Thus, a mixed gas containing raw fuel and steam is obtained. The mixed gas passes through the partial oxidation reformer 70 whose reforming has stopped and flows into the steam reformer 72 .

燃焼排ガスにより、第2熱交換器78の温度が上昇する。第2熱交換器78は、第1酸化剤供給ポンプ34により供給される酸化剤ガスを昇温させる。第2熱交換器78で昇温された酸化剤ガスは、燃料電池スタック90へ流入することにより、燃料電池スタック90を昇温させる。 The combustion exhaust gas increases the temperature of the second heat exchanger 78 . The second heat exchanger 78 raises the temperature of the oxidant gas supplied by the first oxidant supply pump 34 . The oxidizing gas heated by the second heat exchanger 78 flows into the fuel cell stack 90 to raise the temperature of the fuel cell stack 90 .

燃料電池スタック90は、燃料(改質ガス)と酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池スタック90は、複数の燃料電池110が積層された積層体を有する。複数の燃料電池110は、不図示のセパレータで互いに隔てられる。 The fuel cell stack 90 generates power through an electrochemical reaction between fuel (reformed gas) and oxidant gas. The fuel cell stack 90 has a laminate in which a plurality of fuel cells 110 are stacked. The plurality of fuel cells 110 are separated from each other by separators (not shown).

燃料電池110は、アノード電極(燃料極)112と、カソード電極(空気極)114と、電解質膜116とを有する。部分酸化改質器70または水蒸気改質器72により改質された燃料(改質ガス)は、燃料電池スタック90の燃料ガス入口120を通って流入し、各燃料電池110のアノード電極112へ分配される。 The fuel cell 110 has an anode electrode (fuel electrode) 112 , a cathode electrode (air electrode) 114 and an electrolyte membrane 116 . The fuel (reformed gas) reformed by the partial oxidation reformer 70 or steam reformer 72 enters through the fuel gas inlet 120 of the fuel cell stack 90 and is distributed to the anode electrode 112 of each fuel cell 110 . be done.

第1酸化剤供給ポンプ34により供給され、第2熱交換器78で昇温された酸化剤ガスは、燃料電池スタック90の酸化剤ガス入口122を通って流入し、各燃料電池110のカソード電極114へ分配される。電解質膜116は、アノード電極112およびカソード電極114に挟まれる。電解質膜116に用いられる材料は、酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニア等の酸化物である。 The oxidant gas supplied by the first oxidant supply pump 34 and heated by the second heat exchanger 78 flows through the oxidant gas inlet 122 of the fuel cell stack 90 and flows into the cathode electrode of each fuel cell 110 . 114. Electrolyte membrane 116 is sandwiched between anode electrode 112 and cathode electrode 114 . The material used for the electrolyte membrane 116 is an oxide such as stabilized zirconia having oxygen ion conductivity.

カソード電極114に流入した酸化剤ガスから陰イオンである酸素イオンが生成される。したがって、カソード電極114は正極として機能する。カソード電極114で生成された酸素イオンは電解質膜116を透過する。アノード電極112に流入した改質ガスに含まれる水素ガスおよび一酸化炭素ガスが、電解質膜116を透過した酸素イオンと反応して、水(水蒸気)および二酸化炭素ガスと、電子とが生成される。したがって、アノード電極112は負極として機能する。 Oxygen ions, which are negative ions, are generated from the oxidant gas that has flowed into the cathode electrode 114 . Therefore, cathode electrode 114 functions as a positive electrode. Oxygen ions generated at the cathode electrode 114 permeate the electrolyte membrane 116 . Hydrogen gas and carbon monoxide gas contained in the reformed gas that has flowed into the anode electrode 112 react with oxygen ions that have permeated the electrolyte membrane 116 to produce water (water vapor), carbon dioxide gas, and electrons. . Therefore, the anode electrode 112 functions as a negative electrode.

カソード電極114で未反応の酸化剤ガスは、上述した酸化剤排ガスに対応する。アノード電極112で生成された水(水蒸気)および二酸化炭素ガスは、上述した燃料排ガスに対応する。各燃料電池110のアノード電極112およびカソード電極114で発生した燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、それぞれ集められて、燃料電池スタック90の燃料ガス出口124および酸化剤ガス出口126からそれぞれ出力される。燃料電池スタック90から出力された燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、それぞれ燃焼器74へ向かう。 The oxidant gas that has not reacted at the cathode electrode 114 corresponds to the oxidant exhaust gas described above. The water (water vapor) and carbon dioxide gas generated at the anode electrode 112 correspond to the fuel exhaust gas described above. Fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas generated at the anode electrode 112 and cathode electrode 114 of each fuel cell 110 are respectively collected and output from the fuel gas outlet 124 and the oxidant gas outlet 126 of the fuel cell stack 90, respectively. The fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas output from the fuel cell stack 90 are directed to the combustor 74 respectively.

排気触媒80には、燃焼器74から、高温の燃焼排ガスが流入する。排気触媒80は、高温の燃焼排ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物を除去し、残ったガスおよび水分を排出する。 High-temperature flue gas flows into the exhaust catalyst 80 from the combustor 74 . Exhaust catalyst 80 removes hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides contained in the hot flue gas and exhausts remaining gases and moisture.

パワーコンディショナーシステム50は、パワーユニット20から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力を外部へ出力する。パワーコンディショナーシステム50は、各燃料電池110のアノード電極112とカソード電極114との間に電流を印加し、各燃料電池110に発電させる。 The power conditioner system 50 converts the DC power output from the power unit 20 into AC power and outputs the AC power to the outside. The power conditioner system 50 applies a current between the anode electrode 112 and the cathode electrode 114 of each fuel cell 110 to cause each fuel cell 110 to generate electricity.

制御装置60は、固体酸化物燃料電池システム10全体を制御する。固体酸化物燃料電池システム10は、スタック温度検出部130と、触媒温度検出部140と、改質器温度検出部150とを、さらに有する。 The controller 60 controls the solid oxide fuel cell system 10 as a whole. The solid oxide fuel cell system 10 further includes a stack temperature detection section 130 , a catalyst temperature detection section 140 and a reformer temperature detection section 150 .

スタック温度検出部130は、燃料電池スタック90の代表的な温度であるスタック温度を検出する温度センサである。この温度センサは、例えば燃料電池スタック90の酸化剤ガス出口126近傍に設置される。触媒温度検出部140は、排気触媒80の触媒温度を検出する温度センサである。改質器温度検出部150は、部分酸化改質器70および水蒸気改質器72の改質器温度を検出する温度センサである。 Stack temperature detection unit 130 is a temperature sensor that detects a stack temperature, which is a typical temperature of fuel cell stack 90 . This temperature sensor is installed, for example, near the oxidant gas outlet 126 of the fuel cell stack 90 . Catalyst temperature detection unit 140 is a temperature sensor that detects the catalyst temperature of exhaust catalyst 80 . The reformer temperature detection unit 150 is a temperature sensor that detects the reformer temperatures of the partial oxidation reformer 70 and the steam reformer 72 .

制御装置60は、上述した複数の温度センサからのセンサ信号を受信することにより、それぞれ検出されたスタック温度、触媒温度および改質器温度を取得する。制御装置60は、取得した温度に基づき、原燃料供給ポンプ30、水供給ポンプ32、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36を制御して、燃料電池スタック90の温度および発電電力を調整する。 The controller 60 acquires the detected stack temperature, catalyst temperature, and reformer temperature by receiving sensor signals from the plurality of temperature sensors described above. The control device 60 controls the raw fuel supply pump 30, the water supply pump 32, the first oxidant supply pump 34, and the second oxidant supply pump 36 based on the acquired temperature, thereby controlling the temperature of the fuel cell stack 90 and power generation. Adjust power.

燃料電池スタック90が安定的に発電を行うためには、スタック温度が所定温度に達する必要がある。そのため、まず初めに、制御装置60は、原燃料供給ポンプ30、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36を制御する。これにより、原燃料供給ポンプ30および第2酸化剤供給ポンプ36は、炭化水素を含む原燃料と、酸化剤ガスとを、部分酸化改質器70へ供給する。また、第1酸化剤供給ポンプ34は、酸化剤ガスを燃料電池スタック90へ供給する。 In order for the fuel cell stack 90 to stably generate power, the stack temperature must reach a predetermined temperature. Therefore, first of all, the control device 60 controls the raw fuel supply pump 30 , the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . Thereby, the raw fuel supply pump 30 and the second oxidant supply pump 36 supply the raw fuel containing hydrocarbon and the oxidant gas to the partial oxidation reformer 70 . Also, the first oxidant supply pump 34 supplies the oxidant gas to the fuel cell stack 90 .

上述したように、部分酸化改質器70は、炭化水素と酸素との部分酸化反応により、改質ガスを生成する。この部分酸化反応は摂氏数百度の高熱を発生させるため、改質ガスは高温になる。高温の改質ガスは、水蒸気改質器72を通過し、燃料電池スタック90へ流入するため、水蒸気改質器72および燃料電池スタック90が昇温される。 As described above, the partial oxidation reformer 70 produces reformed gas through partial oxidation reaction between hydrocarbons and oxygen. Since this partial oxidation reaction generates high heat of several hundred degrees Celsius, the reformed gas becomes hot. Since the hot reformed gas passes through the steam reformer 72 and flows into the fuel cell stack 90, the temperatures of the steam reformer 72 and the fuel cell stack 90 are raised.

部分酸化改質器70で改質ガスが生成されている段階においては、スタック温度が所定温度に達していないため、燃料ガス入口120および酸化剤ガス入口122を通ってそれぞれ流入した改質ガスおよび酸化剤ガスは、各燃料電池110でほとんど電気化学反応しない。したがって、改質ガスおよび酸化剤ガスは、略そのまま燃料排ガスおよび酸化剤排ガスとして、それぞれ燃料ガス出口124および酸化剤ガス出口126を通って、燃焼器74へ向かう。 While the reformed gas is being generated in the partial oxidation reformer 70, the stack temperature has not reached the predetermined temperature. The oxidant gas hardly electrochemically reacts in each fuel cell 110 . Therefore, the reformed gas and the oxidant gas pass through the fuel gas outlet 124 and the oxidant gas outlet 126, respectively, toward the combustor 74 as fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas, respectively.

燃料排ガスおよび酸化剤排ガスが燃焼器74で燃焼されることにより得られる燃焼排ガスは、上述したように、水蒸気改質器72、部分酸化改質器70、第1熱交換器76、および第2熱交換器78を昇温させる。これにより、第1酸化剤供給ポンプ34により供給される酸化剤ガスも、第2熱交換器78で昇温され、燃料電池スタック90へ流入する。この酸化剤ガスもまた、燃料電池スタック90の昇温に寄与する。また、部分酸化改質器70に供給される原燃料も第1熱交換器76で昇温される。 The flue gas obtained by combusting the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas in the combustor 74 passes through the steam reformer 72, the partial oxidation reformer 70, the first heat exchanger 76, and the second The heat exchanger 78 is heated. Thereby, the oxidant gas supplied by the first oxidant supply pump 34 is also heated in the second heat exchanger 78 and flows into the fuel cell stack 90 . This oxidant gas also contributes to the temperature rise of the fuel cell stack 90 . The temperature of the raw fuel supplied to the partial oxidation reformer 70 is also raised by the first heat exchanger 76 .

制御装置60は、取得した改質器温度に基づき、水蒸気改質器72が有する触媒の温度を推定する。水蒸気改質器72の触媒の温度が水蒸気改質に必要な温度に達すると、制御装置60は、部分酸化改質器70による改質を停止させ、水蒸気改質器72による改質を開始させる。なお、部分酸化改質器70による改質と水蒸気改質器72による改質とが併用される期間があってもよい。制御装置60は、第2酸化剤供給ポンプ36を制御して、部分酸化改質器70への酸化剤ガスの供給を停止させる。制御装置60は、水供給ポンプ32を制御して、水蒸気改質器72への水の供給を開始させる。 The control device 60 estimates the temperature of the catalyst of the steam reformer 72 based on the obtained reformer temperature. When the temperature of the catalyst of the steam reformer 72 reaches the temperature required for steam reforming, the controller 60 stops reforming by the partial oxidation reformer 70 and starts reforming by the steam reformer 72. . Note that there may be a period in which the reforming by the partial oxidation reformer 70 and the reforming by the steam reformer 72 are used together. The controller 60 controls the second oxidant supply pump 36 to stop the supply of the oxidant gas to the partial oxidation reformer 70 . The controller 60 controls the water supply pump 32 to start supplying water to the steam reformer 72 .

これにより、第1熱交換器76には原燃料と水とが供給される。第1熱交換器76により水が水蒸気に変化する。原燃料と水蒸気とを含む混合ガスが部分酸化改質器70を通って水蒸気改質器72に供給される。水蒸気改質器72は、炭化水素を水蒸気で改質することにより、改質ガスを生成する。改質ガスは、燃料電池スタック90へ流入する。 As a result, raw fuel and water are supplied to the first heat exchanger 76 . The water is changed to steam by the first heat exchanger 76 . A mixed gas containing raw fuel and steam is supplied to a steam reformer 72 through a partial oxidation reformer 70 . The steam reformer 72 produces reformed gas by reforming hydrocarbons with steam. The reformed gas flows into the fuel cell stack 90 .

燃料電池スタック90のスタック温度が所定温度に達する少し前から、燃料ガス入口120および酸化剤ガス入口122を通ってそれぞれ流入した改質ガスおよび酸化剤ガスの一部が、各燃料電池110で電気化学反応し始める。したがって、その電気化学反応が生じた分だけ、燃料電池スタック90の発電電力が得られる。 Shortly before the stack temperature of the fuel cell stack 90 reaches a predetermined temperature, a part of the reformed gas and the oxidant gas that respectively flowed in through the fuel gas inlet 120 and the oxidant gas inlet 122 are used to generate electricity in each fuel cell 110 . A chemical reaction begins. Therefore, the electric power generated by the fuel cell stack 90 can be obtained by the amount of the electrochemical reaction.

電気化学反応によりアノード電極112で発生した水(水蒸気)と、二酸化炭素と、電気化学反応せずに残った改質ガスとを含む燃料排ガスは、燃料ガス出口124を通って、燃焼器74へ向かう。電気化学反応せずに残った酸化剤ガスは、酸化剤排ガスとして、酸化剤ガス出口126を通って、燃焼器74へ向かう。スタック温度が所定温度に達すると、燃料電池スタック90による通常の発電が、安定的に継続して行われる。 Fuel exhaust gas containing water (water vapor) generated at the anode electrode 112 by the electrochemical reaction, carbon dioxide, and the reformed gas remaining without the electrochemical reaction passes through the fuel gas outlet 124 to the combustor 74. Head. The oxidant gas remaining without electrochemical reaction passes through the oxidant gas outlet 126 and is directed to the combustor 74 as oxidant exhaust gas. When the stack temperature reaches a predetermined temperature, normal power generation by the fuel cell stack 90 continues stably.

図2は、制御装置60の機能ブロック図である。制御装置60は、処理回路と、プログラム等を記憶するメモリとを有する。処理回路は、CPU等のプロセッサを含む。 FIG. 2 is a functional block diagram of the control device 60. As shown in FIG. The control device 60 has a processing circuit and a memory that stores programs and the like. The processing circuit includes a processor such as a CPU.

制御装置60の処理回路がプログラムを実行することにより、制御装置60は、状態判定部200、電流値決定部202、燃料供給量決定部204、総量決定部206、第1算出部208、第2算出部210、第3算出部212、第4算出部214、比率決定部216、目標値決定部218、ポンプ制御部220および弁制御部222として機能する。それら各部のうちの少なくとも一部が、ASIC、FPGA、またはその他の集積回路によって実現されてもよい。 By the processing circuit of the control device 60 executing the program, the control device 60 operates the state determination unit 200, the current value determination unit 202, the fuel supply amount determination unit 204, the total amount determination unit 206, the first calculation unit 208, the second It functions as a calculation unit 210 , a third calculation unit 212 , a fourth calculation unit 214 , a ratio determination unit 216 , a target value determination unit 218 , a pump control unit 220 and a valve control unit 222 . At least some of these units may be implemented by ASICs, FPGAs, or other integrated circuits.

制御装置60のメモリは、RAM等の揮発性メモリと、ROMおよびフラッシュメモリ等の不揮発性メモリとを含む。メモリの1つである記憶部250には、後述するマップが保存される。 The memory of the control device 60 includes volatile memory such as RAM and non-volatile memory such as ROM and flash memory. A map, which will be described later, is stored in the storage unit 250, which is one of the memories.

状態判定部200は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態を判定する。システム状態は、固体酸化物燃料電池システム10が起動する第1段階、固体酸化物燃料電池システム10が通常の発電処理を行う第2段階、固体酸化物燃料電池システム10が停止に向かう第3段階のうちのいずれの段階にあるかを示す。 The state determination unit 200 determines the system state of the solid oxide fuel cell system 10 . The system state is a first stage in which the solid oxide fuel cell system 10 starts up, a second stage in which the solid oxide fuel cell system 10 performs normal power generation processing, and a third stage in which the solid oxide fuel cell system 10 stops. indicates which stage it is in.

電流値決定部202は、システム状態およびスタック温度に基づいて、燃料電池スタック90から出力される電流の電流値(出力電流値)を決定する。燃料供給量決定部204は、システム状態と、スタック温度または改質器温度と、出力電流値とに基づいて、燃料供給量を決定する。燃料供給量は、原燃料供給ポンプ30および水供給ポンプ32により燃料電池スタック90へ供給される原燃料および水の供給量である。 Current value determination unit 202 determines the current value (output current value) of the current output from fuel cell stack 90 based on the system state and the stack temperature. A fuel supply amount determination unit 204 determines the fuel supply amount based on the system state, stack temperature or reformer temperature, and output current value. The fuel supply amount is the amount of raw fuel and water supplied to the fuel cell stack 90 by the raw fuel supply pump 30 and the water supply pump 32 .

総量決定部206は、スタック温度と、システム状態と、出力電流値と、燃料供給量と、触媒温度と、改質器温度とに基づいて、燃料電池スタック90へ供給される酸化剤ガスの総量を、理論値として決定する。システム状態が第1段階にある場合、総量決定部206は、決定した総量(酸化剤供給総量の理論値)に基づいて、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給総量の目標値を決定する。 The total amount determining unit 206 determines the total amount of oxidant gas supplied to the fuel cell stack 90 based on the stack temperature, system state, output current value, fuel supply amount, catalyst temperature, and reformer temperature. is determined as a theoretical value. When the system state is in the first stage, the total amount determination unit 206 determines the total amount of oxidant supplied from the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 based on the determined total amount (theoretical value of the total oxidant supply amount). Determine the target value for the total amount of agent supplied.

第1算出部208は、システム状態および出力電流値に基づいて、発電用供給量を算出する。発電用供給量は、燃料電池スタック90による発電のために、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36から供給される酸化剤ガスの供給量を示す。 The first calculator 208 calculates the supply amount for power generation based on the system state and the output current value. The power generation supply amount indicates the amount of oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 for power generation by the fuel cell stack 90 .

第2算出部210は、システム状態および燃料供給量に基づいて、燃焼用供給量を算出する。燃焼用供給量は、燃料電池スタック90から排気される燃料排ガスの燃焼のために、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36から供給される酸化剤ガスの供給量を示す。 The second calculator 210 calculates the supply amount for combustion based on the system state and the fuel supply amount. The combustion supply amount indicates the amount of oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 for combustion of the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell stack 90 .

第3算出部212は、システム状態および燃料供給量に基づいて、希釈用供給量を算出する。希釈用供給量は、燃料電池スタック90から排気される燃料排ガスの希釈のために第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36から供給される酸化剤ガスの供給量を示す。 The third calculator 212 calculates the supply amount for dilution based on the system state and the fuel supply amount. The supply amount for dilution indicates the amount of oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 for diluting the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell stack 90 .

第4算出部214は、システム状態、触媒温度、スタック温度および改質器温度に基づいて、温度調節用供給量を算出する。温度調節用供給量は、触媒温度、スタック温度および改質器温度を調節するために、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36から供給される酸化剤ガスの供給量を示す。 The fourth calculator 214 calculates the supply amount for temperature control based on the system state, catalyst temperature, stack temperature and reformer temperature. The supply amount for temperature adjustment indicates the amount of oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 to adjust the catalyst temperature, stack temperature and reformer temperature. .

比率決定部216は、スタック温度が所定温度を越えると、燃料電池スタック90へ供給される酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)に対する、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤ガスの酸化剤供給量の比率を、スタック温度に応じて決定する。なお、比率決定部216は、酸化剤ガスの総量に対する、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスの酸化剤供給量の比率を決定してもよい。 When the stack temperature exceeds a predetermined temperature, the ratio determining unit 216 determines the ratio of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump 34 to the total amount of oxidant gas supplied to the fuel cell stack 90 (theoretical value of the total oxidant supply amount). The gas oxidant supply rate is determined as a function of the stack temperature. Note that the ratio determination unit 216 may determine the ratio of the oxidant supply amount of the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the total amount of the oxidant gas.

目標値決定部218は、比率決定部216により決定された比率および酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)に基づいて、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)の理論値および第1目標値を決定する。目標値決定部218は、第1目標値および酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)に基づいて、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)の第2目標値を決定する。具体的には、第2目標値は、酸化剤供給総量の理論値から第1目標値を減算することにより決定される。なお、目標値決定部218は、先に第2目標値を決定し、続いて、酸化剤供給総量の理論値から第2目標値を減算することにより、第1目標値を決定してもよい。 The target value determination unit 218 determines the amount of oxidant supplied from the first oxidant supply pump 34 (second Determine the theoretical value and the first target value of 1 supply amount). The target value determining unit 218 determines the oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36 based on the first target value and the total amount of oxidant gas (theoretical value of the total oxidant supply amount). Determine a second target value. Specifically, the second target value is determined by subtracting the first target value from the theoretical value of the total oxidant supply amount. Note that the target value determining unit 218 may first determine the second target value, and then determine the first target value by subtracting the second target value from the theoretical value of the total oxidant supply amount. .

ポンプ制御部220は、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36を制御して、酸化剤ガスを燃料電池スタック90へ供給させる。システム状態が第1段階にある場合、ポンプ制御部220は、酸化剤供給総量の目標値に基づいて第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36を制御する。 The pump control unit 220 controls the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 to supply the oxidant gas to the fuel cell stack 90 . When the system state is in the first stage, the pump control unit 220 controls the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 based on the target value of the total oxidant supply amount.

システム状態が第2段階または第3段階にある場合、ポンプ制御部220は、第1目標値に基づいて第1酸化剤供給ポンプ34を制御する。ポンプ制御部220は、第2目標値に基づいて第2酸化剤供給ポンプ36を制御する。ポンプ制御部220は、原燃料供給ポンプ30および水供給ポンプ32を制御して、燃料電池スタック90の発電電力を調整する。 When the system state is in the second stage or the third stage, the pump control section 220 controls the first oxidant supply pump 34 based on the first target value. The pump controller 220 controls the second oxidant supply pump 36 based on the second target value. The pump control unit 220 controls the raw fuel supply pump 30 and the water supply pump 32 to adjust the power generated by the fuel cell stack 90 .

弁制御部222は、第1弁44を制御して、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、部分酸化改質器70に供給させる。弁制御部222は、第2弁46を制御して、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、燃料電池スタック90に供給させる。 The valve control unit 222 controls the first valve 44 to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the partial oxidation reformer 70 . The valve control unit 222 controls the second valve 46 to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the fuel cell stack 90 .

弁制御部222は、スタック温度が所定温度に達する前であって、部分酸化改質器70により原燃料が改質される期間においては、第1弁44および第2弁46を制御して、第1弁44が開放され、且つ第2弁46が閉塞された状態にする。第1弁44が開放されているので、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを部分酸化改質器70に供給させることができる。 The valve control unit 222 controls the first valve 44 and the second valve 46 before the stack temperature reaches a predetermined temperature and during the period in which the raw fuel is reformed by the partial oxidation reformer 70, The first valve 44 is opened and the second valve 46 is closed. Since the first valve 44 is open, the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 can be supplied to the partial oxidation reformer 70 .

弁制御部222は、スタック温度が所定温度を越えると、第1弁44および第2弁46を制御して、第1弁44が閉塞され、且つ第2弁46が開放された状態にする。第2弁46が開放されているので、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、燃料電池スタック90に供給させることができる。 When the stack temperature exceeds a predetermined temperature, the valve control section 222 controls the first valve 44 and the second valve 46 so that the first valve 44 is closed and the second valve 46 is opened. Since the second valve 46 is open, the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 can be supplied to the fuel cell stack 90 .

図3Aは、スタック温度CBおよび改質器温度CRが、時刻Tの経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。時刻T=T1までのシステム状態は第1段階にある。時刻T=T1から時刻T=T2までのシステム状態は第2段階にある。時刻T=T2以降のシステム状態は第3段階にある。 FIG. 3A is a diagram schematically showing how the stack temperature CB and the reformer temperature CR change as time T elapses. The system state until time T=T1 is in the first stage. From time T=T1 to time T=T2 the system state is in the second phase. After time T=T2, the system state is in the third stage.

第1段階において、部分酸化改質器70による部分酸化反応が始まると、改質器温度CRが上昇する。これにより発生した高温の改質ガスにより、燃料電池スタック90が昇温されるため、スタック温度CBが上昇し始める。時刻T1において、スタック温度CBが所定温度C1に達すると、燃料電池スタック90による通常の発電が行われる。第2段階において、燃料電池スタック90の劣化を促進させないように、スタック温度CBは所定温度C1を維持することが好ましい。 In the first stage, when the partial oxidation reaction by the partial oxidation reformer 70 starts, the reformer temperature CR rises. Since the temperature of the fuel cell stack 90 is raised by the hot reformed gas generated thereby, the stack temperature CB starts to rise. At time T1, when stack temperature CB reaches predetermined temperature C1, normal power generation by fuel cell stack 90 is performed. In the second stage, it is preferable to maintain the stack temperature CB at the predetermined temperature C1 so as not to accelerate deterioration of the fuel cell stack 90 .

図3Bは、燃料電池スタック90の電流ICが、時刻Tの経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。第1段階において、スタック温度CBが上昇すると、燃料電池スタック90は、さらにスタック温度CBを所定温度C1まで上昇させるために起動用発電を開始する。燃料電池スタック90が起動用発電を開始すると、電流ICが増加する。第2段階において、燃料電池スタック90による通常の発電が安定的に継続して行われ、その間、電流ICは略一定となる。第3段階になると、燃料電池スタック90による発電は停止工程に入るため、電流ICは段階的に減少する。 FIG. 3B is a diagram schematically showing how the current IC of the fuel cell stack 90 changes as time T elapses. In the first stage, when the stack temperature CB rises, the fuel cell stack 90 starts power generation for startup in order to further raise the stack temperature CB to the predetermined temperature C1. When the fuel cell stack 90 starts power generation for start-up, the current IC increases. In the second stage, normal power generation by the fuel cell stack 90 continues stably, and the current IC becomes substantially constant during this period. In the third stage, power generation by the fuel cell stack 90 is stopped, so the current IC decreases step by step.

図3Cは、原燃料の供給量AFが、時刻Tの経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。第1段階において、排気触媒80が昇温された後、部分酸化改質器70による改質ガスの生成が開始される時点から、原燃料の供給量AFが増加し始める。第2段階において、燃料電池スタック90による通常の発電が安定的に継続して行われている間、原燃料の供給量AFは略一定となる。第3段階になると、燃料電池スタック90による発電が停止できるように、原燃料の供給量AFは段階的に減少する。 FIG. 3C is a diagram schematically showing how the raw fuel supply amount AF changes as time T elapses. In the first stage, after the temperature of the exhaust catalyst 80 is raised, the supply amount AF of the raw fuel starts to increase from the time point when the partial oxidation reformer 70 starts to generate the reformed gas. In the second stage, while normal power generation by the fuel cell stack 90 continues stably, the raw fuel supply amount AF becomes substantially constant. In the third stage, the supply amount AF of the raw fuel is reduced step by step so that the power generation by the fuel cell stack 90 can be stopped.

図3Dは、酸化剤ガスの総量XTが、時刻Tの経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。酸化剤ガスの総量XTは、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量と、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量との合計である。酸化剤ガスは、第1段階、第2段階および第3段階のいずれの段階においても、供給される。酸化剤ガスの供給量の具体的な種別については、図4を用いて説明する。 FIG. 3D is a diagram schematically showing how the total amount XT of oxidant gas changes as time T elapses. The total amount of oxidant gas XT is the sum of the amount of oxidant supplied from the first oxidant supply pump 34 and the amount of oxidant supplied from the second oxidant supply pump 36 . Oxidant gas is supplied in any of the first, second and third stages. A specific type of supply amount of the oxidant gas will be described with reference to FIG.

図4は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態毎に算出される酸化剤ガスの供給量の種別を示す図である。第1段階、第2段階および第3段階に分けられるシステム状態は、以下の(1)から(11)までの11種類の詳細な状態に細分化される。各状態において算出される酸化剤ガスの供給量種別を説明する。 FIG. 4 is a diagram showing types of oxidant gas supply amounts calculated for each system state of the solid oxide fuel cell system 10. In FIG. The system states, which are divided into the first, second, and third stages, are subdivided into the following 11 types of detailed states (1) to (11). The types of oxidant gas supply amount calculated in each state will be described.

(1)排気触媒80を昇温中の状態
第1段階の当初、排気触媒80を昇温させるため、温度調節用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。温度調節用供給量は、触媒温度に基づいて第4算出部214により算出される。温度調節用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、温度調節用供給量に基づいて決定される。
(1) State in which exhaust catalyst 80 is being heated At the beginning of the first stage, in order to raise the temperature of exhaust catalyst 80 , a supply amount of oxidant gas for temperature control is supplied into power unit 20 . The supply amount for temperature adjustment is calculated by the fourth calculator 214 based on the catalyst temperature. A supply amount of the oxidant gas for temperature control is supplied from the first oxidant supply pump 34 . The total amount XT of oxidant gas is determined based on the supply amount for temperature control.

(2)部分酸化改質を開始中の状態
酸化剤ガスは、部分酸化改質器70による部分酸化改質を開始させるために供給される。弁制御部222は、第1弁44を制御して、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、部分酸化改質器70に供給させる。部分酸化改質器70による部分酸化改質を開始させるためには、部分酸化改質器70の触媒の温度を上昇させる必要がある。
(2) State of Starting Partial Oxidation Reforming Oxidant gas is supplied to start partial oxidation reforming by the partial oxidation reformer 70 . The valve control unit 222 controls the first valve 44 to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the partial oxidation reformer 70 . In order to start partial oxidation reforming by the partial oxidation reformer 70, the temperature of the catalyst of the partial oxidation reformer 70 must be raised.

燃焼器74から出力される高温の燃焼排ガスが、部分酸化改質器70を昇温させる。燃焼排ガスは、燃料電池スタック90から出力された燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを、燃焼器74が燃焼することにより、発生する。燃料電池スタック90による発電が開始されていないため、実質的には、原燃料供給ポンプ30からの原燃料を用いて生成された改質ガスが、略そのまま、燃焼用供給量の酸化剤ガスで燃焼される。 The high temperature flue gas output from the combustor 74 raises the temperature of the partial oxidation reformer 70 . The combustion exhaust gas is generated when the combustor 74 burns the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas output from the fuel cell stack 90 . Since power generation by the fuel cell stack 90 has not started, substantially the reformed gas generated using the raw fuel from the raw fuel supply pump 30 is substantially the same as the oxidant gas in the amount supplied for combustion. Burned.

燃焼用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。燃焼用供給量の酸化剤ガスは、原燃料の燃料供給量に基づいて第2算出部210により算出される。燃焼用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36から供給される。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスは、改質ガスの生成に用いられる。改質ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤ガスを用いて、燃焼器74により燃焼される。酸化剤ガスの総量XTは、燃焼用供給量に基づいて決定される。 A combustion supply of oxidant gas is supplied into the power unit 20 . The amount of oxidant gas supplied for combustion is calculated by the second calculator 210 based on the fuel supply amount of the raw fuel. A supply of oxidant gas for combustion is supplied from a first oxidant supply pump 34 and a second oxidant supply pump 36 . The oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 is used to generate reformed gas. The reformed gas is combusted by combustor 74 using oxidant gas from first oxidant supply pump 34 . The total amount of oxidant gas XT is determined based on the combustion supply.

(3)部分酸化改質中の状態
部分酸化改質中に、水蒸気改質器72による水蒸気改質を開始させるために、水蒸気改質器72の触媒の温度を上昇させる必要がある。部分酸化改質器70における部分酸化反応により生成された改質ガスが、水蒸気改質器72を昇温させる。水蒸気改質器72を昇温させるのに必要な酸化剤ガスの供給量を示す温度調節用供給量が、改質器温度CRに基づいて第4算出部214により算出される。算出された温度調節用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。温度調節用供給量の酸化剤ガスは、第2酸化剤供給ポンプ36から供給される。
(3) State during Partial Oxidation Reforming In order to start steam reforming by the steam reformer 72 during partial oxidation reforming, it is necessary to raise the temperature of the catalyst of the steam reformer 72 . The reformed gas produced by the partial oxidation reaction in the partial oxidation reformer 70 raises the temperature of the steam reformer 72 . The fourth calculator 214 calculates the supply amount for temperature adjustment, which indicates the supply amount of the oxidizing gas required to raise the temperature of the steam reformer 72, based on the reformer temperature CR. The calculated supply amount of the oxidant gas for temperature control is supplied into the power unit 20 . A supply amount of oxidant gas for temperature control is supplied from the second oxidant supply pump 36 .

さらに、燃焼器74から出力される高温の燃焼排ガスが、水蒸気改質器72を昇温させる。燃焼排ガスの生成に必要な酸化剤ガスの供給量を示す燃焼用供給量が、第2算出部210により算出される。燃焼用供給量は、原燃料の燃料供給量に基づいて算出される。算出された燃焼用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。燃焼用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、温度調節用供給量および燃焼用供給量に基づいて決定される。 Furthermore, the high-temperature flue gas output from the combustor 74 raises the temperature of the steam reformer 72 . The second calculator 210 calculates a supply amount for combustion, which indicates the supply amount of the oxidant gas necessary for generating combustion exhaust gas. The supply amount for combustion is calculated based on the fuel supply amount of the raw fuel. The calculated supply amount of oxidant gas for combustion is supplied into the power unit 20 . A supply of oxidant gas for combustion is supplied from a first oxidant supply pump 34 . The total amount of oxidant gas XT is determined based on the temperature control feed rate and the combustion feed rate.

(4)部分酸化改質器70および水蒸気改質器72を併用中の状態
水蒸気改質器72により行われる水蒸気改質は吸熱反応である。そのため、引き続き、高温の燃焼排ガスを用いた水蒸気改質器72の温度調節が必要となる。温度調節用供給量の酸化剤ガスと、燃焼用供給量の酸化剤ガスとが、パワーユニット20内へ供給される。
(4) State in which the partial oxidation reformer 70 and the steam reformer 72 are being used together The steam reforming performed by the steam reformer 72 is an endothermic reaction. Therefore, it is necessary to continuously adjust the temperature of the steam reformer 72 using the high-temperature flue gas. A supply amount of oxidant gas for temperature regulation and a supply amount of oxidant gas for combustion are supplied into the power unit 20 .

温度調節用供給量は、改質器温度CRに基づいて第4算出部214により算出される。燃焼用供給量は、原燃料および水の燃料供給量に基づいて第2算出部210により算出される。温度調節用供給量および燃焼用供給量の酸化剤ガスは、それぞれ、第2酸化剤供給ポンプ36および第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、温度調節用供給量および燃焼用供給量に基づいて決定される。 The supply amount for temperature control is calculated by the fourth calculator 214 based on the reformer temperature CR. The fuel supply amount for combustion is calculated by the second calculator 210 based on the fuel supply amount of the raw fuel and water. The temperature control supply and the combustion supply of oxidant gas are supplied from the second oxidant supply pump 36 and the first oxidant supply pump 34, respectively. The total amount of oxidant gas XT is determined based on the temperature control feed rate and the combustion feed rate.

(5)水蒸気改質中の状態
上述したように、水蒸気改質は吸熱反応である。そのため、改質ガスが、部分酸化改質器70により生成されている状態から、水蒸気改質器72により生成している状態へ移行した後においても、引き続き、高温の燃焼排ガスを用いた水蒸気改質器72の温度調節が必要となる。
(5) State during steam reforming As described above, steam reforming is an endothermic reaction. Therefore, even after the reformed gas transitions from being generated by the partial oxidation reformer 70 to being generated by the steam reformer 72, steam reforming using the high-temperature flue gas continues. Temperature control of the qualityr 72 is required.

したがって、温度調節用供給量の酸化剤ガスと、燃焼用供給量の酸化剤ガスとが、パワーユニット20内へ供給される。温度調節用供給量は、改質器温度CRに基づいて第4算出部214により算出される。燃焼用供給量は、原燃料および水の燃料供給量に基づいて第2算出部210により算出される。 Therefore, the supply amount of the oxidant gas for temperature regulation and the supply amount of the oxidant gas for combustion are supplied into the power unit 20 . The supply amount for temperature control is calculated by the fourth calculator 214 based on the reformer temperature CR. The fuel supply amount for combustion is calculated by the second calculator 210 based on the fuel supply amount of the raw fuel and water.

温度調節用供給量および燃焼用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、温度調節用供給量および燃焼用供給量に基づいて決定される。なお、部分酸化改質器70における部分酸化改質は停止される。弁制御部222は、第1弁44を制御して、第2酸化剤供給ポンプ36から部分酸化改質器70への酸化剤ガスの供給を停止させる。 The oxidant gas for temperature control supply and combustion supply is supplied from a first oxidant supply pump 34 . The total amount of oxidant gas XT is determined based on the temperature control feed rate and the combustion feed rate. The partial oxidation reforming in the partial oxidation reformer 70 is stopped. The valve control unit 222 controls the first valve 44 to stop the supply of the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 to the partial oxidation reformer 70 .

(6)起動用発電中の状態
燃料電池スタック90へ流入する改質ガスおよび酸化剤ガスは、燃料電池スタック90への流入前に、燃焼器74から出力される高温の燃焼排ガスにより昇温される。そのため、改質ガスおよび酸化剤ガスは、燃料電池スタック90を昇温させる。燃料電池スタック90のスタック温度CBが上昇すると、スタック温度CBが所定温度C1に達する少し前から、燃料電池スタック90は上述した起動用発電を開始する。発電用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。発電用供給量は、燃料電池スタック90の出力電流値に基づいて第1算出部208により算出される。発電用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。
(6) State during start-up power generation The reformed gas and the oxidant gas flowing into the fuel cell stack 90 are heated by the high-temperature flue gas output from the combustor 74 before flowing into the fuel cell stack 90. be. Therefore, the reformed gas and the oxidant gas raise the temperature of the fuel cell stack 90 . When the stack temperature CB of the fuel cell stack 90 rises, the fuel cell stack 90 starts the start-up power generation just before the stack temperature CB reaches the predetermined temperature C1. A power generation supply amount of oxidant gas is supplied into the power unit 20 . The power generation supply amount is calculated by the first calculator 208 based on the output current value of the fuel cell stack 90 . The power generation supply amount of oxidant gas is supplied from the first oxidant supply pump 34 .

燃料電池スタック90の起動用発電は、燃料電池スタック90自体の昇温に寄与する。スタック温度CBが所定温度C1に達するまで、温度調節用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。温度調節用供給量は、改質器温度CRに基づいて第4算出部214により算出される。温度調節用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、発電用供給量および温度調節用供給量に基づいて決定される。 Power generation for startup of the fuel cell stack 90 contributes to temperature rise of the fuel cell stack 90 itself. A supply amount of the oxidant gas for temperature regulation is supplied into the power unit 20 until the stack temperature CB reaches the predetermined temperature C1. The supply amount for temperature control is calculated by the fourth calculator 214 based on the reformer temperature CR. A supply amount of the oxidant gas for temperature control is supplied from the first oxidant supply pump 34 . The total amount XT of the oxidant gas is determined based on the supply amount for power generation and the supply amount for temperature control.

(7)通常発電中の状態
スタック温度CBが所定温度C1に達すると、システム状態は第2段階となる。燃料電池スタック90は安定的に通常の発電を行う。発電用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。発電用供給量は、出力電流値に基づいて第1算出部208により算出される。発電用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。
(7) State during normal power generation When the stack temperature CB reaches the predetermined temperature C1, the system state enters the second stage. The fuel cell stack 90 stably performs normal power generation. A power generation supply amount of oxidant gas is supplied into the power unit 20 . The supply amount for power generation is calculated by the first calculator 208 based on the output current value. The power generation supply amount of oxidant gas is supplied from the first oxidant supply pump 34 .

燃料電池スタック90による発電は、燃料電池スタック90自体の昇温に寄与する。そのため、スタック温度CBが所定温度C1を越えてさらに上昇する可能性がある。スタック温度CBが上昇すると、燃料電池スタック90の劣化を招くおそれがある。燃料電池スタック90が劣化すると、発電出力が低下し得る。燃料電池スタック90の発電出力が維持されるように、燃料供給量が増加した結果として、スタック温度CBが上昇する場合もある。スタック温度CBが上昇した場合は、スタック温度CBの温度調節を行うことにより、スタック温度CBを所定温度C1に近づけるように引き下げる必要がある。 Electric power generation by the fuel cell stack 90 contributes to an increase in the temperature of the fuel cell stack 90 itself. Therefore, the stack temperature CB may exceed the predetermined temperature C1 and further increase. If the stack temperature CB rises, the fuel cell stack 90 may deteriorate. When the fuel cell stack 90 deteriorates, power generation output may decrease. The stack temperature CB may rise as a result of an increase in the amount of fuel supplied so that the power output of the fuel cell stack 90 is maintained. When the stack temperature CB rises, it is necessary to lower the stack temperature CB so as to approach the predetermined temperature C1 by adjusting the stack temperature CB.

スタック温度CBが所定温度C1に達するまで、温度調節用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。温度調節用供給量は、スタック温度CBに基づいて第4算出部214により算出される。温度調節用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36のうちの少なくとも一方から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、発電用供給量および温度調節用供給量に基づいて決定される。第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)は、酸化剤ガスの総量XTに比率を乗じることにより決定される。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)は、酸化剤ガスの総量XTから第1供給量を減算することにより決定される。 A supply amount of the oxidant gas for temperature regulation is supplied into the power unit 20 until the stack temperature CB reaches the predetermined temperature C1. The supply amount for temperature adjustment is calculated by the fourth calculator 214 based on the stack temperature CB. The supply amount of oxidant gas for temperature control is supplied from at least one of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . The total amount XT of the oxidant gas is determined based on the supply amount for power generation and the supply amount for temperature control. The oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 is determined by multiplying the total amount XT of the oxidant gas by a ratio. The oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36 is determined by subtracting the first supply amount from the total amount XT of the oxidant gas.

第2酸化剤供給ポンプ36から温度調節用供給量の酸化剤ガスが供給される場合、弁制御部222は、第2弁46を制御して、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスを、燃料電池スタック90に供給させる。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスの供給が停止される場合、弁制御部222は、第2弁46を制御して、第2酸化剤供給ポンプ36から燃料電池スタック90への酸化剤ガスの供給を停止させる。 When the temperature control supply amount of oxidant gas is supplied from the second oxidant supply pump 36 , the valve control unit 222 controls the second valve 46 so that the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 is is supplied to the fuel cell stack 90 . When the supply of the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 is stopped, the valve control unit 222 controls the second valve 46 so that the oxidation from the second oxidant supply pump 36 to the fuel cell stack 90 is stopped. Stop the agent gas supply.

(8)発電電力を低減させながら冷却中の状態
燃料電池スタック90による発電の停止が指示されると、システム状態は第3段階となる。発電が弱まることにより、パワーユニット20は冷却される。発電用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。発電用供給量は、出力電流値に基づいて第1算出部208により算出される。発電用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36のうちの少なくとも一方から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、発電用供給量に基づいて決定される。第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)は、酸化剤ガスの総量XTに比率を乗じることにより決定される。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)は、酸化剤ガスの総量XTから第1供給量を減算することにより決定される。
(8) State during cooling while reducing generated power When an instruction to stop power generation by the fuel cell stack 90 is given, the system state enters the third stage. Power unit 20 is cooled due to the weakening of power generation. A power generation supply amount of oxidant gas is supplied into the power unit 20 . The supply amount for power generation is calculated by the first calculator 208 based on the output current value. The amount of oxidant gas supplied for power generation is supplied from at least one of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . The total amount XT of oxidant gas is determined based on the power generation supply amount. The oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 is determined by multiplying the total amount XT of the oxidant gas by a ratio. The oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36 is determined by subtracting the first supply amount from the total amount XT of the oxidant gas.

(9)燃焼器74を停止して冷却中の状態
燃焼器74による燃焼の停止が指示されると、燃焼器74が停止する。燃焼による発熱が失われることにより、パワーユニット20は冷却される。燃料電池スタック90による発電が完全には停止していないため、発電用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。発電用供給量は、出力電流値に基づいて第1算出部208により算出される。発電用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34から供給される。
(9) Cooling State with Combustor 74 Stopped When an instruction to stop combustion by the combustor 74 is given, the combustor 74 is stopped. Power unit 20 is cooled by the loss of heat generated by combustion. Since the power generation by the fuel cell stack 90 has not completely stopped, the power generation supply amount of the oxidant gas is supplied into the power unit 20 . The supply amount for power generation is calculated by the first calculator 208 based on the output current value. The power generation supply amount of oxidant gas is supplied from the first oxidant supply pump 34 .

燃料電池スタック90から出力された燃料排ガスは、酸化剤ガスとの電気化学反応がされずに残留する改質ガスまたは原燃料を含む場合がある。改質ガスは一酸化炭素を含む。原燃料は炭化水素を含む。燃焼器74が停止しているため、一酸化炭素または炭化水素が、燃焼されずにそのままパワーユニット20の外部へ排出されるおそれがある。 The fuel exhaust gas output from the fuel cell stack 90 may contain reformed gas or raw fuel remaining without being electrochemically reacted with the oxidant gas. The reformed gas contains carbon monoxide. The raw fuel contains hydrocarbons. Since combustor 74 is stopped, carbon monoxide or hydrocarbons may be discharged to the outside of power unit 20 without being burned.

これを防止するため、一酸化炭素または炭化水素を含む燃料排ガスが、酸化剤ガスで希釈されてから排出される必要がある。そこで、燃料排ガスの希釈に必要な酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。希釈用供給量は、原燃料および水の燃料供給量に基づいて第3算出部212により算出される。 In order to prevent this, fuel exhaust gas containing carbon monoxide or hydrocarbons must be diluted with oxidant gas before being discharged. Therefore, the oxidant gas necessary for diluting the fuel exhaust gas is supplied into the power unit 20 . The supply amount for dilution is calculated by the third calculator 212 based on the fuel supply amounts of the raw fuel and water.

希釈用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36のうちの少なくとも一方から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、発電用供給量および希釈用供給量に基づいて決定される。第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)は、酸化剤ガスの総量XTに比率を乗じることにより決定される。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)は、酸化剤ガスの総量XTから第1供給量を減算することにより決定される。 A supply of oxidant gas for dilution is supplied from at least one of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . The total amount XT of oxidant gas is determined based on the power generation supply amount and the dilution supply amount. The oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 is determined by multiplying the total amount XT of the oxidant gas by a ratio. The oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36 is determined by subtracting the first supply amount from the total amount XT of the oxidant gas.

(10)発電を停止して冷却中の状態
燃料電池スタック90による発電が停止してから、原燃料および水の供給が停止するまでの間、原燃料および水蒸気から生成された一酸化炭素または炭化水素を含む燃料排ガスが、排出される恐れがある。そこで、燃料排ガスの希釈に必要な酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給される。
(10) Power Generation Stopped and Cooling State During the period from the stop of power generation by the fuel cell stack 90 to the stop of supply of the raw fuel and water, carbon monoxide or carbonized carbon monoxide generated from the raw fuel and water vapor Fuel exhaust gases containing hydrogen may be emitted. Therefore, the oxidant gas necessary for diluting the fuel exhaust gas is supplied into the power unit 20 .

希釈用供給量は、原燃料および水の燃料供給量に基づいて第3算出部212により算出される。希釈用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36のうちの少なくとも一方から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、希釈用供給量に基づいて決定される。第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)は、酸化剤ガスの総量XTに比率を乗じることにより決定される。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)は、酸化剤ガスの総量XTから第1供給量を減算することにより決定される。 The supply amount for dilution is calculated by the third calculator 212 based on the fuel supply amounts of the raw fuel and water. A supply of oxidant gas for dilution is supplied from at least one of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . The total amount XT of oxidant gas is determined based on the diluent supply amount. The oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 is determined by multiplying the total amount XT of the oxidant gas by a ratio. The oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36 is determined by subtracting the first supply amount from the total amount XT of the oxidant gas.

(11)燃料供給を停止して冷却中の状態
原燃料および水の供給が停止すると、温度調節用供給量の酸化剤ガスが、パワーユニット20内へ供給されることにより、パワーユニット20が冷却される。温度調節用供給量は、スタック温度CBおよび改質器温度CRに基づいて第4算出部214により算出される。温度調節用供給量の酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36のうちの少なくとも一方から供給される。酸化剤ガスの総量XTは、温度調節用供給量に基づいて決定される。酸化剤ガスの総量XTに基づいて、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)および第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)が決定される。例えば、第2供給量はゼロであってもよい。
(11) Cooling State with Stopped Fuel Supply When the supply of the raw fuel and water is stopped, the power unit 20 is cooled by supplying the temperature control supply amount of the oxidant gas into the power unit 20. . The temperature control supply amount is calculated by the fourth calculator 214 based on the stack temperature CB and the reformer temperature CR. The supply amount of oxidant gas for temperature control is supplied from at least one of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . The total amount XT of oxidant gas is determined based on the supply amount for temperature control. Based on the total amount of oxidant gas XT, the oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 and the oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36 are determined. It is determined. For example, the second supply amount may be zero.

図5は、酸化剤ガスの供給量の種別毎の算出根拠を示す図である。酸化剤ガスの供給量のうち、発電用供給量は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態と、燃料電池スタック90の出力電流値とに基づいて算出される。酸化剤ガスの供給量のうち、燃焼用供給量は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態と、燃料電池スタック90へ供給される原燃料および水(燃料)の燃料供給量とに基づいて算出される。 FIG. 5 is a diagram showing the basis for calculating the supply amount of the oxidant gas for each type. Of the oxidant gas supply amount, the power generation supply amount is calculated based on the system state of the solid oxide fuel cell system 10 and the output current value of the fuel cell stack 90 . Of the oxidant gas supply amount, the combustion supply amount is determined based on the system state of the solid oxide fuel cell system 10 and the fuel supply amount of the raw fuel and water (fuel) supplied to the fuel cell stack 90. Calculated.

酸化剤ガスの供給量のうち、希釈用供給量は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態と、燃料電池スタック90へ供給される原燃料および水(燃料)の燃料供給量とに基づいて算出される。酸化剤ガスの供給量のうち、温度調節用供給量は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態と、排気触媒80の触媒温度と、燃料電池スタック90のスタック温度CBと、部分酸化改質器70および水蒸気改質器72の改質器温度CRとに基づいて算出される。 Of the oxidant gas supply amount, the supply amount for dilution is determined based on the system state of the solid oxide fuel cell system 10 and the fuel supply amount of the raw fuel and water (fuel) supplied to the fuel cell stack 90. Calculated. Of the oxidant gas supply amount, the supply amount for temperature control depends on the system state of the solid oxide fuel cell system 10, the catalyst temperature of the exhaust catalyst 80, the stack temperature CB of the fuel cell stack 90, and the partial oxidation reforming It is calculated based on the reformer temperature CR of the reactor 70 and the steam reformer 72 .

図6は、酸化剤ガスの供給量の目標値を決定する処理手順を示すフローチャートである。本処理手順は、例えば制御装置60の処理回路がプログラムを実行することにより行われる。本処理手順が開始されると、ステップS400で、状態判定部200は、固体酸化物燃料電池システム10のシステム状態を判定する。ステップS402で、状態判定部200は、システム状態が第1段階にあるか否かを判定する。 FIG. 6 is a flow chart showing a processing procedure for determining the target value of the supply amount of the oxidant gas. This processing procedure is performed, for example, by the processing circuit of the control device 60 executing a program. When this processing procedure is started, the state determination unit 200 determines the system state of the solid oxide fuel cell system 10 in step S400. In step S402, the state determination unit 200 determines whether the system state is in the first stage.

ステップS402でYESとなると、本処理手順はステップS404へ進む。ステップS402でNOとなると、本処理手順はステップS440へ進む。ステップS404で、第4算出部214は、排気触媒80の触媒温度を、触媒温度検出部140から取得する。ステップS406で、第4算出部214は、部分酸化改質器70および水蒸気改質器72の改質器温度CRを、改質器温度検出部150から取得する。 If YES in step S402, the process proceeds to step S404. If NO in step S402, the process proceeds to step S440. In step S<b>404 , the fourth calculator 214 acquires the catalyst temperature of the exhaust catalyst 80 from the catalyst temperature detector 140 . In step S<b>406 , the fourth calculator 214 acquires the reformer temperatures CR of the partial oxidation reformer 70 and the steam reformer 72 from the reformer temperature detector 150 .

ステップS408で、第4算出部214は、燃料電池スタック90のスタック温度CBを、スタック温度検出部130から取得する。ステップS410で、電流値決定部202は、システム状態およびスタック温度CBに基づいて、燃料電池スタック90の出力電流値を決定する。ステップS412で、燃料供給量決定部204は、システム状態と、スタック温度CBまたは改質器温度CRと、出力電流値とに基づいて、原燃料および水の燃料供給量を決定する。 In step S<b>408 , the fourth calculator 214 acquires the stack temperature CB of the fuel cell stack 90 from the stack temperature detector 130 . In step S410, the current value determination unit 202 determines the output current value of the fuel cell stack 90 based on the system state and the stack temperature CB. In step S412, the fuel supply amount determination unit 204 determines the fuel supply amounts of raw fuel and water based on the system state, stack temperature CB or reformer temperature CR, and output current value.

ステップS414で、第1算出部208は、システム状態および出力電流値に基づいて、発電用供給量を算出する。ステップS416で、第2算出部210は、システム状態および燃料供給量に基づいて、燃焼用供給量を算出する。ステップS418で、第4算出部214は、システム状態、触媒温度および改質器温度CRに基づいて、温度調節用供給量を算出する。 In step S414, the first calculator 208 calculates the supply amount for power generation based on the system state and the output current value. In step S416, the second calculator 210 calculates the supply amount for combustion based on the system state and the fuel supply amount. In step S418, the fourth calculator 214 calculates the supply amount for temperature adjustment based on the system state, the catalyst temperature and the reformer temperature CR.

ステップS420で、総量決定部206は、燃料電池スタック90へ供給される酸化剤ガスの総量XTを決定する。図4に示した、細分化された詳細なシステム状態毎に算出される酸化剤ガスの供給量の種別に基づいて、酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)XTが決定される。ステップS422で、総量決定部206は、酸化剤供給総量の目標値を決定する。ステップS422で行われる処理の詳細については、図7を用いて後述する。ステップS422の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 In step S<b>420 , the total amount determining unit 206 determines the total amount XT of oxidant gas supplied to the fuel cell stack 90 . The total amount of oxidant gas (theoretical value of the total oxidant supply amount) XT is determined based on the type of oxidant gas supply amount calculated for each subdivided detailed system state shown in FIG. . In step S422, the total amount determination unit 206 determines the target value of the total amount of oxidant to be supplied. Details of the processing performed in step S422 will be described later using FIG. When the processing of step S422 is completed, this processing procedure ends.

ステップS440で、状態判定部200は、システム状態が第2段階にあるか否かを判定する。ステップS440でYESとなると、本処理手順はステップS442へ進む。ステップS440でNOとなると、システム状態が第3段階にあると判定され、本処理手順はステップS472へ進む。ステップS442で、第4算出部214は、燃料電池スタック90のスタック温度CBを、スタック温度検出部130から取得する。 In step S440, state determination unit 200 determines whether the system state is in the second stage. If YES in step S440, the process proceeds to step S442. If NO in step S440, it is determined that the system state is in the third stage, and the process proceeds to step S472. In step S<b>442 , the fourth calculator 214 acquires the stack temperature CB of the fuel cell stack 90 from the stack temperature detector 130 .

ステップS444で、電流値決定部202は、システム状態およびスタック温度CBに基づいて、燃料電池スタック90の出力電流値を決定する。ステップS446で、第1算出部208は、システム状態および出力電流値に基づいて、発電用供給量を算出する。ステップS448で、第4算出部214は、システム状態およびスタック温度CBに基づいて、温度調節用供給量を算出する。 At step S444, the current value determination unit 202 determines the output current value of the fuel cell stack 90 based on the system state and the stack temperature CB. In step S446, the first calculator 208 calculates the supply amount for power generation based on the system state and the output current value. In step S448, the fourth calculator 214 calculates the supply amount for temperature adjustment based on the system state and the stack temperature CB.

ステップS450で、総量決定部206は、燃料電池スタック90へ供給される酸化剤ガスの総量XTを決定する。図4に示した酸化剤ガスの供給量の種別に基づいて、酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)XTが決定される。ステップS452で、比率決定部216は、酸化剤供給総量の理論値に対する、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)の比率を決定する。 In step S<b>450 , the total amount determination unit 206 determines the total amount XT of oxidant gas supplied to the fuel cell stack 90 . The total amount of oxidant gas (theoretical value of the total amount of oxidant supplied) XT is determined based on the type of oxidant gas supply amount shown in FIG. In step S452, the ratio determination unit 216 determines the ratio of the oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 to the theoretical value of the total oxidant supply amount.

ステップS454で、目標値決定部218は、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)の第1目標値、および第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)の第2目標値を決定する。ステップS454で行われる処理の詳細については、図10を用いて後述する。ステップS454の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 In step S<b>454 , the target value determination unit 218 determines the first target value of the oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 and the oxidant supply amount from the second oxidant supply pump 36 . A second target value of (second supply amount) is determined. Details of the processing performed in step S454 will be described later using FIG. When the processing of step S454 is completed, this processing procedure ends.

ステップS472で、第4算出部214は、水蒸気改質器72の改質器温度CRを、改質器温度検出部150から取得する。ステップS474で、第4算出部214は、燃料電池スタック90のスタック温度CBを、スタック温度検出部130から取得する。 In step S<b>472 , the fourth calculator 214 acquires the reformer temperature CR of the steam reformer 72 from the reformer temperature detector 150 . In step S<b>474 , the fourth calculator 214 acquires the stack temperature CB of the fuel cell stack 90 from the stack temperature detector 130 .

ステップS476で、電流値決定部202は、システム状態およびスタック温度CBに基づいて、燃料電池スタック90の出力電流値を決定する。ステップS478で、燃料供給量決定部204は、システム状態と、スタック温度CBまたは改質器温度CRと、出力電流値とに基づいて、原燃料および水の燃料供給量を決定する。ステップS480で、第1算出部208は、システム状態および出力電流値に基づいて、発電用供給量を算出する。 At step S476, the current value determination unit 202 determines the output current value of the fuel cell stack 90 based on the system state and the stack temperature CB. In step S478, the fuel supply amount determination unit 204 determines the fuel supply amount of raw fuel and water based on the system state, stack temperature CB or reformer temperature CR, and output current value. In step S480, the first calculator 208 calculates the supply amount for power generation based on the system state and the output current value.

ステップS482で、第3算出部212は、システム状態および燃料供給量に基づいて、希釈用供給量を算出する。ステップS484で、第4算出部214は、システム状態、スタック温度CBおよび改質器温度CRに基づいて、温度調節用供給量を算出する。 In step S482, the third calculator 212 calculates the supply amount for dilution based on the system state and the fuel supply amount. In step S484, the fourth calculator 214 calculates the supply amount for temperature adjustment based on the system state, stack temperature CB and reformer temperature CR.

ステップS486で、総量決定部206は、燃料電池スタック90へ供給される酸化剤ガスの総量XTを決定する。図4に示した、細分化された詳細なシステム状態毎に算出される酸化剤ガスの供給量の種別に基づいて、酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)XTが決定される。ステップS486の処理が完了すると、本処理手順は上述したステップS452の処理へ進む。ステップS452およびステップS454の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 In step S<b>486 , total amount determination unit 206 determines the total amount XT of oxidant gas supplied to fuel cell stack 90 . The total amount of oxidant gas (theoretical value of the total oxidant supply amount) XT is determined based on the type of oxidant gas supply amount calculated for each subdivided detailed system state shown in FIG. . When the processing of step S486 is completed, the processing procedure advances to the processing of step S452 described above. When the processing of steps S452 and S454 is completed, this processing procedure ends.

図7は、酸化剤ガスの総量XTの目標値を決定する処理手順を示すフローチャートである。図7は、図6に示すステップS422の詳細な処理の内容を示している。 FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for determining the target value of the total amount XT of oxidant gas. FIG. 7 shows the detailed processing contents of step S422 shown in FIG.

ステップS600で、総量決定部206は、図6のステップS420で決定された酸化剤供給総量の理論値が、酸化剤供給総量の現在の目標値よりも小さいか否かを判定する。ステップS600でYESとなると、本処理手順はステップS602へ進む。ステップS600でNOとなると、本処理手順はステップS620へ進む。なお、酸化剤供給総量の目標値の初期値は、酸化剤供給総量の下限値とする。酸化剤供給総量の下限値は、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36の制御安定性に応じて予め定められる。 In step S600, the total amount determination unit 206 determines whether the theoretical value of the total oxidant supply amount determined in step S420 of FIG. 6 is smaller than the current target value of the total oxidant supply amount. If YES in step S600, the process proceeds to step S602. If NO in step S600, the process proceeds to step S620. The initial value of the target value of the total oxidant supply amount is the lower limit value of the total oxidant supply amount. The lower limit value of the total oxidant supply amount is predetermined according to the control stability of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 .

ステップS602で、総量決定部206は、酸化剤供給総量の現在の目標値から減算用所定値を減算して得られる値に、目標値を更新する。ステップS604で、総量決定部206は、更新された目標値が、上述した酸化剤供給総量の下限値より小さいか否かを判定する。ステップS604でYESとなると、本処理手順はステップS606へ進む。ステップS604でNOとなると、本処理手順は終了する。ステップS606で、総量決定部206は、目標値を下限値に再更新する。ステップS606の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 In step S602, the total amount determining unit 206 updates the target value to a value obtained by subtracting the predetermined value for subtraction from the current target value of the total oxidant supply amount. In step S604, the total amount determination unit 206 determines whether or not the updated target value is smaller than the above-described lower limit value of the total oxidant supply amount. If YES in step S604, the process proceeds to step S606. If NO in step S604, this processing procedure ends. In step S606, the total amount determining unit 206 re-updates the target value to the lower limit value. When the processing of step S606 is completed, this processing procedure ends.

ステップS620で、総量決定部206は、酸化剤供給総量の現在の目標値に加算用所定値を加算して得られる値に、目標値を更新する。ステップS622で、総量決定部206は、更新された目標値が、酸化剤供給総量の上限値より大きいか否かを判定する。酸化剤供給総量の上限値は、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36の設計仕様に応じて予め定められる。 In step S620, the total amount determination unit 206 updates the target value to a value obtained by adding the predetermined value for addition to the current target value of the total oxidant supply amount. In step S622, the total amount determination unit 206 determines whether or not the updated target value is greater than the upper limit value of the total oxidant supply amount. The upper limit value of the total oxidant supply amount is predetermined according to the design specifications of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 .

ステップS622でYESとなると、本処理手順はステップS624へ進む。ステップS622でNOとなると、本処理手順は終了する。ステップS624で、総量決定部206は、目標値を上限値に再更新する。ステップS624の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 If YES in step S622, the process proceeds to step S624. If NO in step S622, this processing procedure ends. In step S624, the total amount determination unit 206 re-updates the target value to the upper limit value. When the processing of step S624 is completed, this processing procedure ends.

図6に示したステップS454の処理は、システム状態が第2段階または第3段階にある場合に行われる。システム状態が第2段階にある場合を例に、ステップS454の処理を説明するが、システム状態が第3段階にある場合においても、ステップS454の処理は同様である。図8Aは、燃料電池スタック90の発電電力Pが、時刻Tの経過に関わらず一定で推移する様子を模式的に示す図である。システム状態が第2段階にあるため、発電電力Pが一定となる。 The processing of step S454 shown in FIG. 6 is performed when the system state is in the second stage or the third stage. The processing of step S454 will be described using the case where the system state is in the second stage as an example, but the processing of step S454 is the same even when the system state is in the third stage. FIG. 8A is a diagram schematically showing how the generated power P of the fuel cell stack 90 remains constant regardless of the passage of time T. As shown in FIG. Since the system state is in the second stage, the generated power P is constant.

図8Bは、スタック温度CBが、時刻Tの経過に応じて変化する様子を模式的に示す図である。上述したように、第2段階において、燃料電池スタック90の劣化を促進させないように、スタック温度CBは所定温度C1を維持することが好ましい。図8Bに示す例では、スタック温度CBが所定温度C1よりも高い温度C0となっている。スタック温度CBを、現在の温度C0から所定温度C1へ近づけるように引き下げる必要がある。 FIG. 8B is a diagram schematically showing how the stack temperature CB changes as time T elapses. As described above, in the second stage, it is preferable to maintain the stack temperature CB at the predetermined temperature C1 so as not to accelerate deterioration of the fuel cell stack 90 . In the example shown in FIG. 8B, the stack temperature CB is a temperature C0 higher than the predetermined temperature C1. It is necessary to lower the stack temperature CB from the current temperature C0 so as to approach the predetermined temperature C1.

燃料電池スタック90による発電のために、発電用供給量の酸化剤ガスが、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36のうちの少なくとも一方から供給される。第1酸化剤供給ポンプ34から供給される酸化剤ガスは、第2熱交換器78で昇温される。第2弁46が開放されることにより、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスが、燃料電池スタック90に供給される場合、その酸化剤ガスは昇温されていない。 For power generation by the fuel cell stack 90 , a power generation supply of oxidant gas is supplied from at least one of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 . The oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump 34 is heated in the second heat exchanger 78 . When the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 is supplied to the fuel cell stack 90 by opening the second valve 46, the temperature of the oxidant gas is not raised.

したがって、スタック温度CBが所定温度C1より高くなるにつれて、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)の比率を減少させるのが好ましい。これにより、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)が増加する。第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤ガスは、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤ガスよりも低温であるため、スタック温度CBを引き下げる効果が高まる。 Therefore, it is preferable to decrease the ratio of the oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 as the stack temperature CB becomes higher than the predetermined temperature C1. As a result, the amount of oxidant supplied from the second oxidant supply pump 36 (second supply amount) increases. Since the oxidant gas from the second oxidant supply pump 36 has a lower temperature than the oxidant gas from the first oxidant supply pump 34, the effect of lowering the stack temperature CB is enhanced.

酸化剤ガスの総量XTは変化せずに、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)の比率が減少する。これにより、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36の駆動電力を増加させることなく、スタック温度CBを引き下げる効果を得ることができる。 The ratio of the oxidant supply amount (first supply amount) from the first oxidant supply pump 34 decreases while the total amount XT of the oxidant gas remains unchanged. As a result, the effect of lowering the stack temperature CB can be obtained without increasing the drive power of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 .

図8Cは、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)XMおよび第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)XSが、時刻Tの経過に応じてそれぞれ変化する様子と、酸化剤ガスの総量XTが時刻Tの経過に関わらず一定で推移する様子とを模式的に示す図である。 FIG. 8C shows that the oxidant supply amount (first supply amount) XM from the first oxidant supply pump 34 and the oxidant supply amount (second supply amount) XS from the second oxidant supply pump 36 are FIG. 4 is a diagram schematically showing how the total amount XT of the oxidizing gas changes over time and how the total amount XT of the oxidant gas remains constant regardless of the passage of time T;

スタック温度CBが所定温度C1よりも高い温度C0の場合には、第2供給量XSが第1供給量XMよりも多い。そのため、時刻Tが経過するにつれてスタック温度CBが低下していくと、第2供給量XSが減少し、第1供給量XMが増加していく。スタック温度CBが所定温度C1と略等しい温度まで低下すると、酸化剤ガスの総量XTに対する第1供給量XMの比率が1となる。このとき、第2供給量XSは略ゼロとなり、第1供給量XMは酸化剤ガスの総量XTに略等しい。 When the stack temperature CB is a temperature C0 higher than the predetermined temperature C1, the second supply amount XS is greater than the first supply amount XM. Therefore, as the stack temperature CB decreases as the time T elapses, the second supply amount XS decreases and the first supply amount XM increases. When the stack temperature CB drops to a temperature substantially equal to the predetermined temperature C1, the ratio of the first supply amount XM to the total amount XT of the oxidant gas becomes one. At this time, the second supply amount XS is substantially zero, and the first supply amount XM is substantially equal to the total amount XT of the oxidant gas.

図8Cに示すように、酸化剤ガスの総量XTが時刻Tの経過に関わらず一定で推移するので、第1酸化剤供給ポンプ34および第2酸化剤供給ポンプ36の駆動電力の合計値が増加することは抑止される。 As shown in FIG. 8C, the total amount XT of the oxidant gas remains constant regardless of the passage of time T, so the total driving power of the first oxidant supply pump 34 and the second oxidant supply pump 36 increases. to be deterred.

図9は、酸化剤ガスの総量XTに対する、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)XMの比率RMと、スタック温度CBとの対応関係が定められたマップ300を例示する図である。図9には、参考のため、酸化剤ガスの総量XTに対する、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)XSの比率RSも示されている。比率RMと比率RSとの和は、スタック温度CBの値に関わらず常に1となる。 FIG. 9 is a map 300 that defines the correspondence relationship between the ratio RM of the oxidant supply amount (first supply amount) XM from the first oxidant supply pump 34 to the total amount XT of the oxidant gas and the stack temperature CB. It is a figure which illustrates. For reference, FIG. 9 also shows the ratio RS of the oxidant supply amount (second supply amount) XS from the second oxidant supply pump 36 to the total amount XT of the oxidant gas. The sum of the ratio RM and the ratio RS is always 1 regardless of the value of the stack temperature CB.

スタック温度CBが所定温度C1に等しい場合、酸化剤ガスの総量XTに対する第1供給量XMの比率RMは、1である。スタック温度CBが所定温度C1より高くなるにつれて、比率RMが減少する。スタック温度CBが所定温度C1より高い温度C2以上の温度の場合、比率RMはゼロである。この場合、比率RSは1であるから、スタック温度CBが引き下げられる効果が高い。 When the stack temperature CB is equal to the predetermined temperature C1, the ratio RM of the first supply amount XM to the total amount XT of the oxidant gas is one. As the stack temperature CB becomes higher than the predetermined temperature C1, the ratio RM decreases. When the stack temperature CB is equal to or higher than the temperature C2 which is higher than the predetermined temperature C1, the ratio RM is zero. In this case, since the ratio RS is 1, the effect of lowering the stack temperature CB is high.

図9に示すマップ300は、記憶部250に保存される。スタック温度CBが所定温度C1を越えると、比率決定部216は、マップ300に定められた比率RMとスタック温度CBとの対応関係に基づいて、比率RMを決定する。 A map 300 shown in FIG. 9 is stored in the storage unit 250 . When the stack temperature CB exceeds the predetermined temperature C1, the ratio determining unit 216 determines the ratio RM based on the corresponding relationship between the ratio RM defined in the map 300 and the stack temperature CB.

図10は、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)XMの第1目標値、および第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)XSの第2目標値を決定する処理手順を示すフローチャートである。図10は、図6に示すステップS454の詳細な処理の内容を示している。 FIG. 10 shows the first target value of the oxidant supply amount (first supply amount) XM from the first oxidant supply pump 34 and the oxidant supply amount (second supply amount) from the second oxidant supply pump 36. 7 is a flow chart showing a processing procedure for determining a second target value of XS; FIG. 10 shows the detailed processing contents of step S454 shown in FIG.

ステップS800で、目標値決定部218は、比率決定部216により決定された比率RMおよび酸化剤ガスの総量(酸化剤供給総量の理論値)XTに基づいて、第1酸化剤供給ポンプ34からの酸化剤供給量(第1供給量)XMの理論値を決定する。 In step S800, the target value determining unit 218 determines the amount of the oxidizing agent supplied from the first oxidizing agent supply pump 34 based on the ratio RM determined by the ratio determining unit 216 and the total amount of oxidizing gas (theoretical value of the total oxidizing agent supply amount) XT. A theoretical value of the oxidant supply amount (first supply amount) XM is determined.

ステップS802で、目標値決定部218は、第1供給量XMの理論値が、第1供給量XMの現在の第1目標値より小さいか否かを判定する。ステップS802でYESとなると、本処理手順はステップS804へ進む。ステップS802でNOとなると、本処理手順はステップS820へ進む。なお、第1目標値の初期値は、第1供給量XMの下限値とする。第1供給量XMの下限値は、第1酸化剤供給ポンプ34の制御安定性に応じて予め定められる。 In step S802, the target value determining unit 218 determines whether or not the theoretical value of the first supply amount XM is smaller than the current first target value of the first supply amount XM. If YES in step S802, the process proceeds to step S804. If NO in step S802, the process proceeds to step S820. Note that the initial value of the first target value is the lower limit value of the first supply amount XM. The lower limit value of the first supply amount XM is predetermined according to the control stability of the first oxidant supply pump 34 .

ステップS804で、目標値決定部218は、現在の第1目標値から第1所定値を減算して得られる値に、第1目標値を更新する。ステップS806で、目標値決定部218は、更新された第1目標値が、上述した第1供給量XMの下限値より小さいか否かを判定する。ステップS806でYESとなると、本処理手順はステップS808へ進む。ステップS806でNOとなると、本処理手順はステップS810へ進む。 In step S804, the target value determining unit 218 updates the first target value to a value obtained by subtracting the first predetermined value from the current first target value. In step S806, the target value determining unit 218 determines whether or not the updated first target value is smaller than the lower limit value of the first supply amount XM described above. If YES in step S806, the process proceeds to step S808. If NO in step S806, the process proceeds to step S810.

ステップS808で、目標値決定部218は、第1目標値を下限値に再更新する。ステップS810で、目標値決定部218は、酸化剤供給総量の理論値から第1目標値を減算することにより、第2酸化剤供給ポンプ36からの酸化剤供給量(第2供給量)XSの第2目標値を決定する。ステップS810の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 At step S808, the target value determination unit 218 re-updates the first target value to the lower limit value. In step S810, the target value determination unit 218 subtracts the first target value from the theoretical value of the total oxidant supply amount to obtain the oxidant supply amount (second supply amount) XS from the second oxidant supply pump 36. Determine a second target value. When the processing of step S810 is completed, this processing procedure ends.

ステップS820で、目標値決定部218は、現在の第1目標値に第2所定値を加算して得られる値に、第1目標値を更新する。ステップS822で、目標値決定部218は、更新された第1目標値が、第1供給量XMの上限値より大きいか否かを判定する。第1供給量XMの上限値は、第1酸化剤供給ポンプ34の設計仕様に応じて予め定められる。 In step S820, the target value determining unit 218 updates the first target value to a value obtained by adding the second predetermined value to the current first target value. In step S822, the target value determination unit 218 determines whether or not the updated first target value is greater than the upper limit value of the first supply amount XM. The upper limit value of the first supply amount XM is determined in advance according to the design specifications of the first oxidant supply pump 34 .

ステップS822でYESとなると、本処理手順はステップS824へ進む。ステップS822でNOとなると、本処理手順はステップS810へ進む。ステップS824で、目標値決定部218は、第1目標値を上限値に再更新する。ステップS824の処理が完了すると、本処理手順は上述したステップS810の処理へ進む。ステップS810の処理が完了すると、本処理手順は終了する。 If YES in step S822, the process proceeds to step S824. If NO in step S822, the process proceeds to step S810. In step S824, the target value determination unit 218 re-updates the first target value to the upper limit value. When the processing of step S824 is completed, the processing procedure advances to the processing of step S810 described above. When the processing of step S810 is completed, this processing procedure ends.

本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can take various configurations without departing from the gist of the present invention.

[実施の形態から得られる発明]
上記実施の形態および変形例から把握しうる発明について、以下に記載する。
[Invention obtained from the embodiment]
Inventions that can be understood from the above embodiments and modifications will be described below.

(1)固体酸化物燃料電池システム(10)は、燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック(90)と、前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを出力する燃焼器(74)と、前記燃料電池スタックのスタック温度(CB)を検出するスタック温度検出部(130)と、前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給する第1酸化剤供給ポンプ(34)と、前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給する、前記第1酸化剤供給ポンプとは異なる第2酸化剤供給ポンプ(36)と、前記第1酸化剤供給ポンプにより供給される前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給される前に前記燃焼排ガスを用いて昇温させる熱交換器(78)と、前記スタック温度が所定温度(C1)を越えると、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスの総量(XT)に対する、前記第1酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスの酸化剤供給量の比率(RM)を前記スタック温度に応じて決定する比率決定部(216)と、前記比率および前記総量に基づいて、前記第1酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤供給量の第1目標値と、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤供給量の第2目標値とを決定する目標値決定部(218)と、前記第1目標値に基づいて前記第1酸化剤供給ポンプを制御するとともに、前記第2目標値に基づいて前記第2酸化剤供給ポンプを制御して、前記酸化剤ガスを前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから前記燃料電池スタックへ供給させるポンプ制御部(220)と、を備える。これにより、第1酸化剤供給ポンプおよび第2酸化剤供給ポンプの駆動電力を増加させることなく、スタック温度を引き下げる効果を得ることができる。 (1) A solid oxide fuel cell system (10) comprises a fuel cell stack (90) that generates electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant gas, and a fuel exhaust gas and an oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack. A combustor (74) that burns and outputs combustion exhaust gas, a stack temperature detector (130) that detects a stack temperature (CB) of the fuel cell stack, and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack. a first oxidant supply pump (34); a second oxidant supply pump (36) different from the first oxidant supply pump for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack; a heat exchanger (78) for raising the temperature of the oxidant gas supplied by the oxidant supply pump using the combustion exhaust gas before being supplied to the fuel cell stack; When it exceeds the stack temperature, the ratio (RM) of the oxidant supply amount of the oxidant gas from the first oxidant supply pump to the total amount of the oxidant gas (XT) supplied to the fuel cell stack is adjusted to the stack temperature. a first target value of the oxidant supply amount from the first oxidant supply pump and a first target value of the oxidant supply amount from the first oxidant supply pump based on the ratio and the total amount; a target value determination unit (218) for determining a second target value of the oxidant supply amount of the second target value; a pump control unit (220) for controlling the second oxidant supply pump based on the above to supply the oxidant gas from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump to the fuel cell stack; Prepare. As a result, the effect of lowering the stack temperature can be obtained without increasing the drive power of the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump.

(2)前記固体酸化物燃料電池システムは、前記燃料と前記酸化剤ガスとの酸化反応により、前記燃料を改質する第1改質器(70)と、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを、前記第1改質器に供給させるか否かを切り換える第1弁(44)と、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックに供給させるか否かを切り換える第2弁(46)と、前記第1弁および前記第2弁を制御する弁制御部(222)と、をさらに備え、前記弁制御部は、前記スタック温度が前記所定温度に達する前であって、前記第1改質器により前記燃料が改質される期間においては、前記第1弁および前記第2弁を制御して、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを前記第1改質器に供給させ、前記スタック温度が前記所定温度を越えると、前記第1弁および前記第2弁を制御して、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックに供給させてもよい。これにより、燃料電池スタックによる発電の開始前に燃料の改質のために用いられる第2酸化剤供給ポンプを、発電の開始後にスタック温度を引き下げるために用いることができる。スタック温度を引き下げるために用いる酸化剤ポンプを新たに設ける必要が無い。 (2) The solid oxide fuel cell system includes a first reformer (70) that reforms the fuel through an oxidation reaction between the fuel and the oxidant gas, and A first valve (44) for switching whether or not to supply the oxidant gas to the first reformer, and to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump to the fuel cell stack. and a valve control section (222) for controlling the first valve and the second valve, wherein the valve control section controls the stack temperature to reach the predetermined temperature and before the fuel is reformed by the first reformer, the first valve and the second valve are controlled so that the oxidation from the second oxidant supply pump is When the oxidant gas is supplied to the first reformer and the stack temperature exceeds the predetermined temperature, the first valve and the second valve are controlled to supply the oxidant from the second oxidant supply pump. Gas may be supplied to the fuel cell stack. As a result, the second oxidant supply pump, which is used for reforming the fuel before power generation by the fuel cell stack starts, can be used to lower the stack temperature after power generation starts. No additional oxidant pump is required to reduce the stack temperature.

(3)前記スタック温度が前記所定温度より高くなるにつれて、前記比率が減少してもよい。これにより、スタック温度CBを引き下げる効果が高まる。 (3) The ratio may decrease as the stack temperature rises above the predetermined temperature. This enhances the effect of lowering the stack temperature CB.

(4)前記固体酸化物燃料電池システムは、前記スタック温度と、前記比率との対応関係が定められたマップ(300)、をさらに備え、前記比率決定部は、前記マップに定められた前記対応関係に基づいて、前記比率を決定してもよい。これにより、簡便に比率を決定することができる。 (4) The solid oxide fuel cell system further includes a map (300) defining a correspondence relationship between the stack temperature and the ratio, and the ratio determination unit determines the correspondence defined in the map (300). The ratio may be determined based on the relationship. This makes it possible to easily determine the ratio.

(5)前記目標値決定部は、前記第1酸化剤供給ポンプからの、前記比率と前記総量とから定められる前記酸化剤供給量の理論値が、前記第1目標値の現在値より小さい場合は、前記現在値から第1所定値を減算して得られる値に前記第1目標値を更新し、前記理論値が、前記現在値より大きい場合は、前記現在値に第2所定値を加算して得られる値に前記第1目標値を更新してもよい。これにより、第1酸化剤供給ポンプからの酸化剤ガスの供給を段階的に増減するため、燃料電池スタックを保護することができる。 (5) When the theoretical value of the oxidant supply amount determined from the ratio and the total amount from the first oxidant supply pump is smaller than the current value of the first target value, the target value determination unit updates the first target value to a value obtained by subtracting a first predetermined value from the current value, and if the theoretical value is greater than the current value, adds a second predetermined value to the current value The first target value may be updated to a value obtained by As a result, the supply of the oxidant gas from the first oxidant supply pump is increased or decreased stepwise, so the fuel cell stack can be protected.

(6)前記目標値決定部は、前記理論値が前記現在値より小さい場合であって、且つ前記現在値から前記第1所定値を減算して得られる前記値が、予め定められた下限値より小さい場合は、前記下限値に前記第1目標値を更新し、前記理論値が前記現在値より大きい場合であって、且つ前記現在値に前記第2所定値を加算して得られる前記値が、予め定められた上限値より大きい場合は、前記上限値に前記第1目標値を更新してもよい。これにより、第1酸化剤供給ポンプの仕様を考慮して酸化剤ガスの供給量を決定することができる。 (6) When the theoretical value is smaller than the current value, the target value determination unit determines that the value obtained by subtracting the first predetermined value from the current value is a predetermined lower limit value. if smaller, update the first target value to the lower limit; if the theoretical value is greater than the current value, and the value obtained by adding the second predetermined value to the current value is greater than a predetermined upper limit, the first target value may be updated to the upper limit. This makes it possible to determine the supply amount of the oxidant gas in consideration of the specifications of the first oxidant supply pump.

(7)前記目標値決定部は、前記第1目標値を更新する場合、前記総量から前記第1目標値を減算して得られる値に前記第2目標値を更新してもよい。これにより、第2酸化剤供給ポンプによる酸化剤ガスの供給量を簡便に算出することができる。 (7) When updating the first target value, the target value determination unit may update the second target value to a value obtained by subtracting the first target value from the total amount. This makes it possible to easily calculate the amount of oxidant gas supplied by the second oxidant supply pump.

(8)前記固体酸化物燃料電池システムは、水蒸気で前記燃料を改質する第2改質器(72)と、前記燃料を、前記第1改質器および前記第2改質器を介して前記燃料電池スタックへ供給する燃料ポンプ(30、32)と、前記電気化学反応により前記燃料電池スタックから排気される排ガスの不純物を除去する排気触媒(80)と、前記排気触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出部(140)と、前記第1改質器および前記第2改質器の改質器温度(CR)を検出する改質器温度検出部(150)と、前記固体酸化物燃料電池システムが起動する第1段階、前記固体酸化物燃料電池システムが通常の発電処理を行う第2段階、および前記固体酸化物燃料電池システムが停止に向かう第3段階のうちのいずれの段階にあるかを示す、システム状態を判定する状態判定部(200)と、前記システム状態および前記スタック温度に基づいて、前記燃料電池スタックから出力される電流(IC)の電流値を決定する電流値決定部(202)と、前記システム状態と、前記スタック温度または前記改質器温度と、前記電流値とに基づいて、前記燃料ポンプにより前記燃料電池スタックへ供給される前記燃料の燃料供給量を決定する燃料供給量決定部(204)と、前記スタック温度と、前記システム状態と、前記電流値と、前記燃料供給量と、前記触媒温度と、前記改質器温度とに基づいて、前記総量を決定する総量決定部(206)と、をさらに備えてもよい。これにより、供給される酸化剤ガスの総量を、システム状態に応じて適切に決定することができる。 (8) The solid oxide fuel cell system includes a second reformer (72) that reforms the fuel with water vapor, and the fuel through the first reformer and the second reformer. A fuel pump (30, 32) that supplies fuel to the fuel cell stack, an exhaust catalyst (80) that removes impurities from exhaust gas discharged from the fuel cell stack by the electrochemical reaction, and a catalyst temperature of the exhaust catalyst is detected. a catalyst temperature detection unit (140), a reformer temperature detection unit (150) for detecting the reformer temperature (CR) of the first reformer and the second reformer, and the solid oxide fuel At any one of a first stage in which the battery system starts up, a second stage in which the solid oxide fuel cell system performs normal power generation processing, and a third stage in which the solid oxide fuel cell system goes to shutdown. a state determination unit (200) that determines the system state, and a current value determination unit that determines the current value of the current (IC) output from the fuel cell stack based on the system state and the stack temperature. (202) determining a fuel supply amount of the fuel to be supplied to the fuel cell stack by the fuel pump based on the system state, the stack temperature or the reformer temperature, and the current value; A fuel supply amount determination unit (204) determines the total amount based on the stack temperature, the system state, the current value, the fuel supply amount, the catalyst temperature, and the reformer temperature. and a total amount determination unit (206) for determining the total amount. As a result, the total amount of oxidant gas to be supplied can be appropriately determined according to the system state.

(9)前記固体酸化物燃料電池システムは、前記燃料電池スタックによる発電のために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す発電用供給量を、前記システム状態および前記電流値に基づいて算出する第1算出部(208)と、前記燃料電池スタックから排気される前記燃料排ガスの燃焼のために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す燃焼用供給量を、前記システム状態および前記燃料供給量に基づいて算出する第2算出部(210)と、前記燃料電池スタックから排気される前記燃料排ガスの希釈のために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す希釈用供給量を、前記システム状態および前記燃料供給量に基づいて算出する第3算出部(212)と、前記触媒温度、前記スタック温度および前記改質器温度を調節するために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す温度調節用供給量を、前記システム状態、前記触媒温度、前記スタック温度および前記改質器温度に基づいて算出する第4算出部(214)と、をさらに備え、前記総量決定部は、前記システム状態、前記発電用供給量、前記燃焼用供給量、前記希釈用供給量および前記温度調節用供給量に基づき、前記総量を決定してもよい。これにより、供給される酸化剤ガスの総量を、酸化剤ガスの供給用途に応じて適切に決定することができる。 (9) The solid oxide fuel cell system is configured to generate power indicating the supply amount of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump for power generation by the fuel cell stack. a first calculator (208) for calculating the amount of fuel supplied based on the system state and the current value; the first oxidant supply pump and the a second calculation unit (210) for calculating a supply amount for combustion indicating the supply amount of the oxidant gas supplied from the second oxidant supply pump based on the system state and the fuel supply amount; The dilution supply amount indicating the supply amount of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump for diluting the fuel exhaust gas discharged from the cell stack is calculated by the system. a third calculator (212) for calculating based on the state and the fuel supply amount; A fourth calculation unit ( 214), wherein the total amount determination unit determines the total amount based on the system state, the supply amount for power generation, the supply amount for combustion, the supply amount for dilution, and the supply amount for temperature control. may As a result, the total amount of oxidant gas to be supplied can be appropriately determined according to the purpose of supply of the oxidant gas.

(10)前記固体酸化物燃料電池システムが前記第1段階にある場合、前記総量決定部は、前記発電用供給量、前記燃焼用供給量および前記温度調節用供給量に基づいて前記総量を決定し、前記固体酸化物燃料電池システムが前記第2段階にある場合、前記総量決定部は、前記発電用供給量および前記温度調節用供給量に基づいて前記総量を決定し、前記固体酸化物燃料電池システムが前記第3段階にある場合、前記総量決定部は、前記発電用供給量、前記希釈用供給量および前記温度調節用供給量に基づいて前記総量を決定してもよい。これにより、供給される酸化剤ガスの総量を、システム状態および酸化剤ガスの供給用途に応じて適切に決定することができる。 (10) When the solid oxide fuel cell system is in the first stage, the total amount determining unit determines the total amount based on the supply amount for power generation, the supply amount for combustion, and the supply amount for temperature control. and when the solid oxide fuel cell system is in the second stage, the total amount determining unit determines the total amount based on the power generation supply amount and the temperature control supply amount, and determines the solid oxide fuel When the battery system is in the third stage, the total amount determining unit may determine the total amount based on the power generation supply amount, the dilution supply amount, and the temperature control supply amount. As a result, the total amount of oxidant gas to be supplied can be appropriately determined according to the system state and the application of oxidant gas supply.

10…固体酸化物燃料電池システム 20…パワーユニット
30…原燃料供給ポンプ 32…水供給ポンプ
34…第1酸化剤供給ポンプ 36…第2酸化剤供給ポンプ
40…第1流路 42…第2流路
44…第1弁 46…第2弁
50…パワーコンディショナーシステム 60…制御装置
70…部分酸化改質器 72…水蒸気改質器
74…燃焼器 76…第1熱交換器
78…第2熱交換器 80…排気触媒
90…燃料電池スタック 100…点火装置
110…燃料電池 112…アノード電極
114…カソード電極 116…電解質膜
120…燃料ガス入口 122…酸化剤ガス入口
124…燃料ガス出口 126…酸化剤ガス出口
130…スタック温度検出部 140…触媒温度検出部
150…改質器温度検出部 200…状態判定部
202…電流値決定部 204…燃料供給量決定部
206…総量決定部 208…第1算出部
210…第2算出部 212…第3算出部
214…第4算出部 216…比率決定部
218…目標値決定部 220…ポンプ制御部
222…弁制御部 250…記憶部
300…マップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Solid oxide fuel cell system 20... Power unit 30... Raw fuel supply pump 32... Water supply pump 34... First oxidant supply pump 36... Second oxidant supply pump 40... First flow path 42... Second flow path 44... First valve 46... Second valve 50... Power conditioner system 60... Control device 70... Partial oxidation reformer 72... Steam reformer 74... Combustor 76... First heat exchanger 78... Second heat exchanger 80 Exhaust catalyst 90 Fuel cell stack 100 Ignition device 110 Fuel cell 112 Anode electrode 114 Cathode electrode 116 Electrolyte membrane 120 Fuel gas inlet 122 Oxidant gas inlet 124 Fuel gas outlet 126 Oxidant gas Exit 130 Stack temperature detection unit 140 Catalyst temperature detection unit 150 Reformer temperature detection unit 200 State determination unit 202 Current value determination unit 204 Fuel supply amount determination unit 206 Total amount determination unit 208 First calculation unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 210... 2nd calculation part 212... 3rd calculation part 214... 4th calculation part 216... Ratio determination part 218... Target value determination part 220... Pump control part 222... Valve control part 250... Storage part 300... Map

Claims (10)

燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排気される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを出力する燃焼器と、
前記燃料電池スタックのスタック温度を検出するスタック温度検出部と、
前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給する第1酸化剤供給ポンプと、
前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給する、前記第1酸化剤供給ポンプとは異なる第2酸化剤供給ポンプと、
前記第1酸化剤供給ポンプにより供給される前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックへ供給される前に前記燃焼排ガスを用いて昇温させる熱交換器と、
前記スタック温度が所定温度を越えると、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスの総量に対する、前記第1酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスの酸化剤供給量の比率を前記スタック温度に応じて決定する比率決定部と、
前記比率および前記総量に基づいて、前記第1酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤供給量の第1目標値と、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤供給量の第2目標値とを決定する目標値決定部と、
前記第1目標値に基づいて前記第1酸化剤供給ポンプを制御するとともに、前記第2目標値に基づいて前記第2酸化剤供給ポンプを制御して、前記酸化剤ガスを前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから前記燃料電池スタックへ供給させるポンプ制御部と、
を備える、固体酸化物燃料電池システム。
a fuel cell stack that generates electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant gas;
a combustor that burns fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack and outputs combustion exhaust gas;
a stack temperature detection unit that detects the stack temperature of the fuel cell stack;
a first oxidant supply pump that supplies the oxidant gas to the fuel cell stack;
a second oxidant supply pump different from the first oxidant supply pump, which supplies the oxidant gas to the fuel cell stack;
a heat exchanger that raises the temperature of the oxidant gas supplied by the first oxidant supply pump using the flue gas before being supplied to the fuel cell stack;
When the stack temperature exceeds a predetermined temperature, the ratio of the oxidant supply amount of the oxidant gas from the first oxidant supply pump to the total amount of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack is set to the stack temperature. a ratio determination unit that determines according to
a first target value of the oxidant supply amount from the first oxidant supply pump and a second target value of the oxidant supply amount from the second oxidant supply pump, based on the ratio and the total amount; A target value determination unit that determines
The first oxidant supply pump is controlled based on the first target value, and the second oxidant supply pump is controlled based on the second target value to convert the oxidant gas into the first oxidant. a pump control unit for causing supply from the supply pump and the second oxidant supply pump to the fuel cell stack;
A solid oxide fuel cell system comprising:
請求項1に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記燃料と前記酸化剤ガスとの酸化反応により、前記燃料を改質する第1改質器と、
前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを、前記第1改質器に供給させるか否かを切り換える第1弁と、
前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックに供給させるか否かを切り換える第2弁と、
前記第1弁および前記第2弁を制御する弁制御部と、
をさらに備え、
前記弁制御部は、
前記スタック温度が前記所定温度に達する前であって、前記第1改質器により前記燃料が改質される期間においては、前記第1弁および前記第2弁を制御して、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを前記第1改質器に供給させ、
前記スタック温度が前記所定温度を越えると、前記第1弁および前記第2弁を制御して、前記第2酸化剤供給ポンプからの前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックに供給させる、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 1,
a first reformer that reforms the fuel by an oxidation reaction between the fuel and the oxidant gas;
a first valve for switching whether to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump to the first reformer;
a second valve for switching whether to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump to the fuel cell stack;
a valve control unit that controls the first valve and the second valve;
further comprising
The valve control unit is
Before the stack temperature reaches the predetermined temperature and during the period in which the fuel is reformed by the first reformer, the first valve and the second valve are controlled to perform the second oxidation process. supplying the oxidizing agent gas from the agent supply pump to the first reformer;
When the stack temperature exceeds the predetermined temperature, the solid oxidizer controls the first valve and the second valve to supply the oxidant gas from the second oxidant supply pump to the fuel cell stack. material fuel cell system.
請求項2に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記スタック温度が前記所定温度より高くなるにつれて、前記比率が減少する、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 2,
A solid oxide fuel cell system, wherein the ratio decreases as the stack temperature increases above the predetermined temperature.
請求項1~3のいずれか1項に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記スタック温度と、前記比率との対応関係が定められたマップ、
をさらに備え、
前記比率決定部は、前記マップに定められた前記対応関係に基づいて、前記比率を決定する、固体酸化物燃料電池システム。
The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
a map that defines a correspondence relationship between the stack temperature and the ratio;
further comprising
The solid oxide fuel cell system, wherein the ratio determination unit determines the ratio based on the correspondence defined in the map.
請求項1~4のいずれか1項に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記目標値決定部は、
前記第1酸化剤供給ポンプからの、前記比率と前記総量とから定められる前記酸化剤供給量の理論値が、前記第1目標値の現在値より小さい場合は、前記現在値から第1所定値を減算して得られる値に前記第1目標値を更新し、
前記理論値が、前記現在値より大きい場合は、前記現在値に第2所定値を加算して得られる値に前記第1目標値を更新する、
固体酸化物燃料電池システム。
The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The target value determination unit is
When the theoretical value of the oxidant supply amount determined from the ratio and the total amount from the first oxidant supply pump is smaller than the current value of the first target value, the current value is reduced to the first predetermined value updating the first target value to a value obtained by subtracting
if the theoretical value is greater than the current value, updating the first target value to a value obtained by adding a second predetermined value to the current value;
Solid oxide fuel cell system.
請求項5に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記目標値決定部は、
前記理論値が前記現在値より小さい場合であって、且つ前記現在値から前記第1所定値を減算して得られる前記値が、予め定められた下限値より小さい場合は、前記下限値に前記第1目標値を更新し、
前記理論値が前記現在値より大きい場合であって、且つ前記現在値に前記第2所定値を加算して得られる前記値が、予め定められた上限値より大きい場合は、前記上限値に前記第1目標値を更新する、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 5,
The target value determination unit is
When the theoretical value is smaller than the current value and the value obtained by subtracting the first predetermined value from the current value is smaller than a predetermined lower limit, the lower limit Update the first target value,
When the theoretical value is greater than the current value and the value obtained by adding the second predetermined value to the current value is greater than a predetermined upper limit value, the upper limit value A solid oxide fuel cell system that updates a first target value.
請求項5または6に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記目標値決定部は、前記第1目標値を更新する場合、前記総量から前記第1目標値を減算して得られる値に前記第2目標値を更新する、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 5 or 6,
The solid oxide fuel cell system, wherein, when updating the first target value, the target value determination unit updates the second target value to a value obtained by subtracting the first target value from the total amount.
請求項2に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
水蒸気で前記燃料を改質する第2改質器と、
前記燃料を、前記第1改質器および前記第2改質器を介して前記燃料電池スタックへ供給する燃料ポンプと、
前記電気化学反応により前記燃料電池スタックから排気される排ガスの不純物を除去する排気触媒と、
前記排気触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出部と、
前記第1改質器および前記第2改質器の改質器温度を検出する改質器温度検出部と、
前記固体酸化物燃料電池システムが起動する第1段階、前記固体酸化物燃料電池システムが通常の発電処理を行う第2段階、および前記固体酸化物燃料電池システムが停止に向かう第3段階のうちのいずれの段階にあるかを示す、システム状態を判定する状態判定部と、
前記システム状態および前記スタック温度に基づいて、前記燃料電池スタックから出力される電流の電流値を決定する電流値決定部と、
前記システム状態と、前記スタック温度または前記改質器温度と、前記電流値とに基づいて、前記燃料ポンプにより前記燃料電池スタックへ供給される前記燃料の燃料供給量を決定する燃料供給量決定部と、
前記スタック温度と、前記システム状態と、前記電流値と、前記燃料供給量と、前記触媒温度と、前記改質器温度とに基づいて、前記総量を決定する総量決定部と、
をさらに備える、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 2,
a second reformer that reforms the fuel with steam;
a fuel pump that supplies the fuel to the fuel cell stack through the first reformer and the second reformer;
an exhaust catalyst that removes impurities from the exhaust gas discharged from the fuel cell stack by the electrochemical reaction;
a catalyst temperature detection unit that detects the catalyst temperature of the exhaust catalyst;
a reformer temperature detection unit that detects reformer temperatures of the first reformer and the second reformer;
A first stage in which the solid oxide fuel cell system starts up, a second stage in which the solid oxide fuel cell system performs normal power generation processing, and a third stage in which the solid oxide fuel cell system goes to shutdown. a state determination unit that determines the state of the system indicating which stage it is in;
a current value determination unit that determines a current value of the current output from the fuel cell stack based on the system state and the stack temperature;
A fuel supply amount determination unit that determines a fuel supply amount of the fuel supplied to the fuel cell stack by the fuel pump based on the system state, the stack temperature or the reformer temperature, and the current value. and,
a total amount determining unit that determines the total amount based on the stack temperature, the system state, the current value, the fuel supply amount, the catalyst temperature, and the reformer temperature;
A solid oxide fuel cell system, further comprising:
請求項8に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックによる発電のために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す発電用供給量を、前記システム状態および前記電流値に基づいて算出する第1算出部と、
前記燃料電池スタックから排気される前記燃料排ガスの燃焼のために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す燃焼用供給量を、前記システム状態および前記燃料供給量に基づいて算出する第2算出部と、
前記燃料電池スタックから排気される前記燃料排ガスの希釈のために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す希釈用供給量を、前記システム状態および前記燃料供給量に基づいて算出する第3算出部と、
前記触媒温度、前記スタック温度および前記改質器温度を調節するために前記第1酸化剤供給ポンプおよび前記第2酸化剤供給ポンプから供給される前記酸化剤ガスの供給量を示す温度調節用供給量を、前記システム状態、前記触媒温度、前記スタック温度および前記改質器温度に基づいて算出する第4算出部と、
をさらに備え、
前記総量決定部は、前記システム状態、前記発電用供給量、前記燃焼用供給量、前記希釈用供給量および前記温度調節用供給量に基づき、前記総量を決定する、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 8,
The supply amount for power generation indicating the supply amount of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump for power generation by the fuel cell stack is determined by the system state and the current value. a first calculation unit that calculates based on
A combustion supply amount indicating a supply amount of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump for combustion of the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell stack, a second calculator that calculates based on the system state and the fuel supply amount;
a supply amount for dilution indicating a supply amount of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump for diluting the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell stack, a third calculator that calculates based on the system state and the fuel supply amount;
a temperature control supply indicating a supply amount of the oxidant gas supplied from the first oxidant supply pump and the second oxidant supply pump for regulating the catalyst temperature, the stack temperature and the reformer temperature; a fourth calculation unit that calculates an amount based on the system state, the catalyst temperature, the stack temperature, and the reformer temperature;
further comprising
The solid oxide fuel cell system, wherein the total amount determining unit determines the total amount based on the system state, the supply amount for power generation, the supply amount for combustion, the supply amount for dilution, and the supply amount for temperature control.
請求項9に記載の固体酸化物燃料電池システムであって、
前記固体酸化物燃料電池システムが前記第1段階にある場合、前記総量決定部は、前記発電用供給量、前記燃焼用供給量および前記温度調節用供給量に基づいて前記総量を決定し、
前記固体酸化物燃料電池システムが前記第2段階にある場合、前記総量決定部は、前記発電用供給量および前記温度調節用供給量に基づいて前記総量を決定し、
前記固体酸化物燃料電池システムが前記第3段階にある場合、前記総量決定部は、前記発電用供給量、前記希釈用供給量および前記温度調節用供給量に基づいて前記総量を決定する、固体酸化物燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system according to claim 9,
When the solid oxide fuel cell system is in the first stage, the total amount determining unit determines the total amount based on the supply amount for power generation, the supply amount for combustion, and the supply amount for temperature control,
When the solid oxide fuel cell system is in the second stage, the total amount determining unit determines the total amount based on the power generation supply amount and the temperature control supply amount,
When the solid oxide fuel cell system is in the third stage, the total amount determining unit determines the total amount based on the power generation supply amount, the dilution supply amount, and the temperature control supply amount. Oxide fuel cell system.
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