JP2023081179A - Solid oxide ful cell system - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
(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
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
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
(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
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
(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
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
(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
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
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
(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
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
(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
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
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
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
(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
(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
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
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
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
(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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (10)
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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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