JP2024066034A - Fuel Cell Control System - Google Patents
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Abstract
【課題】価格の低下を図りつつ、燃料ガスの組成に応じて燃料電池による発電電力を制御できる燃料電池制御システムを提供する。
【解決手段】燃料電池制御システム10は、同じ組成の燃料ガスが供給され互いに通信可能な複数の燃料電池システム11を備え、複数の燃料電池システム11は、燃料ガスの組成を推定する燃料ガス組成推定部87を備える1基の親機101と、燃料ガス組成推定部87を備えない少なくとも1基の子機102とを備え、親機101は、燃料ガス組成推定部87により推定された燃料ガスの組成に基づいて燃料電池21による発電電力を制御するとともに、燃料ガス組成推定部87により推定した燃料ガスの組成を子機102に送信し、子機102は、親機101から受信した燃料ガスの組成に基づいて燃料電池21の発電電力を制御する。
【選択図】図1
A fuel cell control system is provided that can control the power generated by a fuel cell in accordance with the composition of fuel gas while reducing costs.
[Solution] A fuel cell control system 10 includes a plurality of fuel cell systems 11 which are supplied with fuel gas of the same composition and can communicate with each other, and each of the plurality of fuel cell systems 11 includes one parent unit 101 equipped with a fuel gas composition estimation unit 87 that estimates the composition of the fuel gas, and at least one child unit 102 which does not include the fuel gas composition estimation unit 87, and the parent unit 101 controls the power generated by the fuel cell 21 based on the fuel gas composition estimated by the fuel gas composition estimation unit 87 and transmits the fuel gas composition estimated by the fuel gas composition estimation unit 87 to the child unit 102, and the child unit 102 controls the power generated by the fuel cell 21 based on the fuel gas composition received from the parent unit 101.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池制御システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell control system.
従来、都市ガスを燃料ガス(原燃料ガスと称されることもある)として使用する燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、改質器において燃料ガスである都市ガスと水とから改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池に供給することによって発電するように構成される。燃料電池により発電される電力(発電電力)は、燃料ガスの組成および供給量(単位時間当たりの流量)により異なるため、燃料電池により所望の発電電力を得るためには、燃料ガスの組成に応じて供給量を制御する必要がある。 Conventionally, fuel cell systems that use city gas as fuel gas (sometimes called raw fuel gas) are known. Such fuel cell systems are configured to generate power by generating reformed gas in a reformer from city gas, which is the fuel gas, and water, and supplying the generated reformed gas to a fuel cell. Since the power generated by a fuel cell (generated power) varies depending on the composition and supply amount (flow rate per unit time) of the fuel gas, in order to obtain the desired generated power from the fuel cell, it is necessary to control the supply amount according to the composition of the fuel gas.
商用ガスである都市ガスは、一般的にはその組成が一定になるように管理されており、成分の変動は殆どない。しかしながら、都市ガスの成分には地域差(供給元による差)があることがある。また、近年、燃料ガスの熱量規制が緩和される傾向にあることから、燃料ガスの組成の管理も緩和される傾向にある。さらに、カーボンニュートラルの観点から燃料ガスに水素ガスを混合することにより炭化水素ガスの混合量を低減させる提案もなされている。このように、燃料電池システムに使用される燃料ガスの組成は多様化が進むものと考えられる。 City gas, which is a commercial gas, is generally managed so that its composition is constant, and there is little variation in its components. However, there can be regional differences (differences due to the supplier) in the composition of city gas. Also, in recent years, there has been a trend toward relaxing regulations on the calorific value of fuel gas, and as a result, there is also a trend toward relaxing controls on the composition of fuel gas. Furthermore, from the perspective of carbon neutrality, there have been proposals to reduce the amount of hydrocarbon gas mixed into the fuel gas by mixing it with hydrogen gas. In this way, it is expected that the composition of fuel gas used in fuel cell systems will become increasingly diverse.
そして、燃料ガスの組成の多様化が進んだ場合、燃料電池システムにより所望の発電電力を得るためには、供給される燃料ガスの組成に応じて燃料電池を制御することが求められる。この場合、燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスの組成を推定(検出)できるように構成される必要がある。燃料ガスの組成を推定できる燃料電池コージェネレーションシステムとして、例えば、特許文献1には、熱式流量計と組成非依存流量計を備え、これらの出力の違いを利用して燃料ガスの組成を推定する燃料電池コージェネレーションシステムが開示されている。 As fuel gas compositions become more diverse, in order to obtain the desired power generation from a fuel cell system, it is necessary to control the fuel cell according to the composition of the fuel gas supplied. In this case, the fuel cell cogeneration system needs to be configured so that it can estimate (detect) the composition of the fuel gas. For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell cogeneration system that is equipped with a thermal flow meter and a composition-independent flow meter and estimates the composition of the fuel gas by utilizing the difference between the outputs of these meters.
(発明が解決しようとする課題)
しかしながら、燃料ガスの組成を推定するためには、特許文献1に記載の燃料電池コージェネレーションシステムのように、熱式流量計や組成非依存流量計などといった、センサや装置が必要になる。このため、このような構成によれば、燃料電池コージェネレーションシステムの部品点数の増加および製造工数の増加により、価格が上昇する。
(Problem to be solved by the invention)
However, in order to estimate the composition of the fuel gas, sensors and devices such as a thermal flow meter and a composition-independent flow meter are required, as in the fuel cell cogeneration system described in Patent Document 1. Therefore, such a configuration increases the number of parts of the fuel cell cogeneration system and the number of manufacturing steps, resulting in an increase in price.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものである。本発明の目的の一つは、燃料ガスの組成を推定するための機構の追加による材料コスト及び製造コストの上昇を抑制しつつ、燃料ガスの組成に応じて燃料電池を制御できる燃料電池制御システムを提供することである。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances. One of the objects of the present invention is to provide a fuel cell control system that can control a fuel cell according to the composition of the fuel gas while suppressing the increase in material costs and manufacturing costs that would be caused by adding a mechanism for estimating the composition of the fuel gas.
(課題を解決するための手段)
上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池制御システムは、
同じ組成の燃料ガスが供給されるとともに相互に通信可能な複数の燃料電池システムを備え、
複数の前記燃料電池システムは、供給される前記燃料ガスの組成を推定するように構成される燃料ガス組成推定部を備える1基の親機と、前記燃料ガス組成推定部を備えない1基以上の子機とを含み、
前記親機は、供給された前記燃料ガスにより発電する燃料電池を備え、前記燃料ガス組成推定部により推定された前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料電池の発電電力を制御するとともに、前記燃料ガス組成推定部により推定された前記燃料ガスの組成を前記子機に送信するように構成され、
前記子機は、供給された前記燃料ガスにより発電する燃料電池を備え、前記親機から受信した前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料電池の発電電力を制御するように構成される。
(Means for solving the problem)
In order to achieve the above object, a fuel cell control system according to the present invention comprises:
A fuel cell system is provided with a plurality of fuel cell systems that are supplied with fuel gas having the same composition and can communicate with each other;
the plurality of fuel cell systems each include one parent unit having a fuel gas composition estimation unit configured to estimate a composition of the fuel gas to be supplied, and one or more child units not having the fuel gas composition estimation unit;
the parent unit includes a fuel cell that generates power from the supplied fuel gas, and is configured to control the power generated by the fuel cell based on the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit, and to transmit the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit to the child unit;
The slave unit includes a fuel cell that generates power using the supplied fuel gas, and is configured to control the power generated by the fuel cell based on the composition of the fuel gas received from the master unit.
本発明によれば、子機は、親機から受信した燃料ガスの組成に基づいて燃料電池が発電する電力(以下、「発電電力」と記すことがある)を制御できる。したがって、子機は、燃料ガス組成推定部を備えなくとも、燃料ガスの組成に応じて燃料電池の発電電力を適切に制御できる。そして、子機は燃料ガス組成推定部を備えないから、子機の部品点数の削減および製造工数の削減を図ることができる。このため、子機の低価格化を図ることができる。そして、子機の低価格化を図ることにより、燃料電池制御システムに含まれる複数の燃料電池システムの低価格化を図ることができる。 According to the present invention, the slave unit can control the power generated by the fuel cell (hereinafter, sometimes referred to as "generated power") based on the composition of the fuel gas received from the master unit. Therefore, the slave unit can appropriately control the generated power of the fuel cell according to the composition of the fuel gas even without having a fuel gas composition estimation unit. And because the slave unit does not have a fuel gas composition estimation unit, it is possible to reduce the number of parts and manufacturing man-hours of the slave unit. This makes it possible to reduce the cost of the slave unit. And by reducing the cost of the slave unit, it is possible to reduce the cost of multiple fuel cell systems included in the fuel cell control system.
前記親機および前記子機は、前記燃料電池に前記燃料ガスを送給する燃料ガスブロアと、前記燃料ガスの組成ごとに前記燃料電池による発電電力と前記燃料ガスブロアの出力との関係が規定された発電マップとを備え、
前記親機は、前記燃料ガス組成推定部により推定された前記燃料ガスの組成に対応する前記発電マップを用いて前記燃料ガスブロアの出力を制御し、
前記子機は、前記親機から受信した前記燃料ガスの組成に対応する前記発電マップを用いて前記燃料ガスブロアの出力を制御する、
という構成が適用できる。
the parent unit and the child unit each include a fuel gas blower that supplies the fuel gas to the fuel cell, and a power generation map that defines a relationship between the power generated by the fuel cell and an output of the fuel gas blower for each composition of the fuel gas,
the parent unit controls an output of the fuel gas blower using the power generation map corresponding to the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit;
the slave unit controls the output of the fuel gas blower using the power generation map corresponding to the composition of the fuel gas received from the master unit.
The following configuration can be applied.
このような構成によれば、燃料ガスの組成ごとに発電電力と燃料ガスブロアの出力との関係を規定した発電マップを用いて、燃料ガスの組成に応じて燃料ガスブロアの出力を制御することにより、燃料電池の発電電力を制御できる。そして、各燃料電池システムがそれぞれ発電マップを備えることにより、各燃料電池システムが備える燃料電池の性能および燃料電池の組成に応じて、燃料電池の発電電力を適切に制御できる。 With this configuration, the power generation of the fuel cell can be controlled by controlling the output of the fuel gas blower according to the composition of the fuel gas using a power generation map that specifies the relationship between the power generation and the output of the fuel gas blower for each fuel gas composition. Furthermore, by providing each fuel cell system with its own power generation map, the power generation of the fuel cell can be appropriately controlled according to the performance and composition of the fuel cell provided in each fuel cell system.
前記親機は、前記燃料ガス組成推定部により推定される前記燃料ガスの組成が変化した場合、変化した前記燃料ガスの組成に応じて前記発電マップを変更するとともに変化した前記燃料ガスの組成を前記子機に送信し、
前記子機は、前記親機から前記燃料ガスの組成を受信した場合、受信した前記燃料ガスの組成に基づいて前記発電マップを変更する、
という構成が適用できる。
when the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit changes, the parent unit changes the power generation map in accordance with the changed composition of the fuel gas and transmits the changed composition of the fuel gas to the child unit;
when the slave unit receives the composition of the fuel gas from the master unit, the slave unit changes the power generation map based on the received composition of the fuel gas.
The following configuration can be applied.
このような構成によれば、燃料ガスの組成が変化した場合、親機および子機は、変化した燃料ガスの組成に応じて燃料ガスブロアの出力(すなわち燃料電池の発電電力)を制御できる。 With this configuration, if the composition of the fuel gas changes, the parent and child units can control the output of the fuel gas blower (i.e., the power generated by the fuel cell) according to the changed composition of the fuel gas.
前記親機は、前記燃料ガス組成推定部により推定される前記燃料ガスの組成が変化した場合、組成が変化する前の前記燃料ガスにより所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力と組成が変化した後の前記燃料ガスにより前記所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力との差分である親機差分を演算し、演算した前記親機差分を前記子機に送信し、
前記子機は、前記親機から前記親機差分を受信する前の組成の前記燃料ガスにより所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力と前記親機から前記親機差分を受信した後の組成の前記燃料ガスにより前記所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力との差分である子機差分を演算し、前記子機差分の前記親機差分に対する割合が所定の閾値以上である場合、前記子機に異常が発生している可能性があると判定する、
という構成が適用できる。
when the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit changes, the parent unit calculates a parent unit difference which is a difference between an output of the fuel gas blower for obtaining a predetermined generated power from the fuel gas before the composition changes and an output of the fuel gas blower for obtaining the predetermined generated power from the fuel gas after the composition changes, and transmits the calculated parent unit difference to the child unit;
The slave unit calculates a slave unit difference, which is the difference between the output of the fuel gas blower for obtaining a specified generated power from the fuel gas of a composition before receiving the parent unit difference from the parent unit and the output of the fuel gas blower for obtaining the specified generated power from the fuel gas of a composition after receiving the parent unit difference from the parent unit, and determines that there is a possibility that an abnormality has occurred in the slave unit if a ratio of the slave unit difference to the parent unit difference is equal to or greater than a specified threshold value.
The following configuration can be applied.
このような構成によれば、子機は、燃料電池に異常が発生しているか否かを判定できる。この場合、異常を検出するための装置やセンサなどが不要である。 With this configuration, the slave unit can determine whether or not an abnormality has occurred in the fuel cell. In this case, there is no need for a device or sensor to detect the abnormality.
前記親機は、前記燃料電池の発電電力が所定の閾値以上であり、かつ、前記燃料電池の発電電力を変化させない特定運転モードを備え、前記特定運転モードである場合に前記親機差分を演算し、演算した前記親機差分を前記子機に送信する、
という構成が適用できる。
the parent unit has a specific operation mode in which the power generated by the fuel cell is equal to or greater than a predetermined threshold and the power generated by the fuel cell is not changed, and when in the specific operation mode, calculates the parent unit difference and transmits the calculated parent unit difference to the child unit;
The following configuration can be applied.
このような構成によれば、親機は、親機の燃料電池の発電電力が大きく、かつ安定している状態で親機差分を演算できるから、親機差分の演算の精度を高めることができる。したがって、子機の異常の検出の精度を高めることができる。 With this configuration, the parent unit can calculate the parent unit difference when the power generated by the parent unit's fuel cell is large and stable, which improves the accuracy of the calculation of the parent unit difference. This improves the accuracy of detecting abnormalities in the child unit.
前記子機は、前記燃料電池の発電電力が所定の閾値以上であり、かつ、前記燃料電池の発電電力を変化させない特定運転モードを備え、前記特定運転モードである場合に前記子機差分を演算する、
という構成が適用できる。
the slave unit has a specific operation mode in which the power generated by the fuel cell is equal to or greater than a predetermined threshold and the power generated by the fuel cell is not changed, and calculates the slave unit difference when the slave unit is in the specific operation mode;
The following configuration can be applied.
このような構成によれば、子機の燃料電池の発電電力が大きく、かつ安定している状態で子機差分を演算できるから、子機差分の演算の精度を高めることができる。したがって、子機の異常の検出の精度を高めることができる。 With this configuration, the child unit difference can be calculated when the power generated by the child unit's fuel cell is large and stable, improving the accuracy of the calculation of the child unit difference. This improves the accuracy of detecting abnormalities in the child unit.
(燃料電池制御システムの全体構成)
図1は、燃料電池制御システム10の全体構成を示す図である。図1に示すように、燃料電池制御システム10は、複数の燃料電池システムとしての燃料電池コージェネレーションシステム11を備える。複数の燃料電池コージェネレーションシステム11には、1基の親機101と、それ以外の子機102とが含まれる。1つの燃料電池制御システム10に含まれる複数の燃料電池コージェネレーションシステム11は、ネットワーク12を介してデータを送受信可能に構成される。特に、親機101は子機102に対して後述する所定のデータを送信可能に構成され、子機102は親機101が送信する所定のデータを受信可能に構成される。ネットワーク12は、複数の燃料電池コージェネレーションシステム11どうしの間でデータの送受信が可能な通信網である。ネットワーク12には、例えばWANやLANなどが適用できる。ただし、ネットワーク12の具体的な形態は特に限定されるものではない。また、ネットワーク12は、有線であってもよく無線であってもよい。また、ネットワーク12は、インターネットを利用してもよい。
(Overall configuration of fuel cell control system)
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a fuel
各燃料電池コージェネレーションシステム11は、商用の燃料ガス供給源13から燃料ガスの供給を受けるように構成される。商用の燃料ガス供給源13から供給される燃料ガスとしては、例えば都市ガスが挙げられる。なお、1つの燃料電池制御システム10に含まれるすべての燃料電池コージェネレーションシステム11は、同じ組成の燃料ガスが供給されるように構成される。例えば、本実施形態に係る燃料電池制御システム10に含まれる燃料電池コージェネレーションシステム11としては、次のような構成が挙げられる。
・1棟の集合住宅(1つの燃料ガス供給源13から燃料ガスの供給を受ける集合住宅)の各区画(各戸)に設置される複数の燃料電池コージェネレーションシステム11
・1つの同じ燃料ガス供給源13から燃料ガスの分配を受ける地域に設置される複数の燃料電池コージェネレーションシステム11
Each fuel
A plurality of fuel
A plurality of fuel
なお、1つの燃料電池制御システム10に含まれる燃料電池コージェネレーションシステム11の数は特に限定されるものではない。また、子機102は1基であってもよく2基以上であってもよい。さらに1つの燃料電池制御システム10の地理的または物理的な範囲も特に限定されない。要は、1つの燃料電池制御システム10に含まれる複数の燃料電池コージェネレーションシステム11は、ネットワーク12を介して互いにデータの送受信が可能であり、かつ、同じ組成の燃料ガスが供給されるように構成されていればよい。
The number of fuel
(燃料電池コージェネレーションシステムの構成)
次に、燃料電池制御システム10に含まれる燃料電池コージェネレーションシステム11の構成について説明する。図2は、燃料電池制御システム10に含まれる複数の燃料電池コージェネレーションシステム11のうちの親機101の構成を示す図であり、図3は子機102の構成を示す図である。
(Configuration of fuel cell cogeneration system)
Next, a description will be given of the configuration of the fuel
図2および図3に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム11は、発電モジュール20と、燃料ガス供給系30と、還流系40と、改質水供給系50と、エア供給系60と、排熱回収系70(給湯系と称されることもある)と、パワーコンディショナ83と、電源装置84と、制御装置85と、貯湯タンク86とを含む。さらに、親機101は、燃料ガス組成推定部87を備える。一方、子機102は、燃料ガス組成推定部87を備えない。
As shown in Figures 2 and 3, the fuel
発電モジュール20は、燃料電池21、気化器22、改質器23、および点火プラグ24を含む。燃料電池21、気化器22、改質器23、および点火プラグ24は、断熱材料により形成されているモジュールケース25の内部に配置される。
The
発電モジュール20の燃料電池21は、本実施形態では固体酸化物燃料電池であるが、それ以外の燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池であってもよい。燃料電池21は、積層する複数のセルにより構成されているセルスタックを有する。セルスタックを構成する各セルは、アノード電極、カソード電極、及びアノード電極とカソード電極とに挟まれている酸化ジルコニウムなどの固体電解質とを有する。各セルのアノード電極側には、アノードガスを流通させるためのアノードガス経路が、各セルの積層方向と直交する方向に延伸するように設けられる。各セルのカソード電極側には、カソードガスであるエアを流通させるエア経路が、各セルの積層方向と直交する方向に延伸するように設けられる。各セルのアノードガス経路にアノードガスが供給され、各セルのエア経路にカソードガスであるエアが供給されると、アノードガスとカソードガス中の酸素が反応する。この反応により燃料電池21が発電して直流電力を出力する。
The
燃料電池21のセルスタックはマニホールド26上に配置される。マニホールド26は、図略のアノードガス経路およびエア経路を有する。マニホールド26のアノードガス経路は、アノードガス供給経路28および各セルのアノードガス経路に接続される。そして、マニホールド26のアノードガス経路は、改質器23からアノードガス供給経路28を通じて供給されたアノードガスを各セルのアノードガス経路に供給できるように構成される。マニホールド26のエア経路は、セルスタックの各セルのエア経路およびエア供給系60のエア供給経路61に接続される。そして、マニホールド26のエア経路は、エア供給経路61を通じて供給されたエアを各セルのエア経路に供給できるように構成される。
The cell stack of the
気化器22および改質器23は、燃料電池21のセルスタックの上方に、セルスタックから離間して配設される。セルスタックと気化器22および改質器23との間には燃焼部27が設けられる。燃焼部27は、セルスタックにおいて発電(電気化学反応)に使用されなかったアノードガス(以下、「アノードオフガス」という)を燃焼させるための領域である。燃焼部27には、アノードオフガスに点火するための点火プラグ24が配置される。
The
気化器22の入口は、燃料ガス供給系30の燃料ガス供給経路31および改質水供給系50の改質水供給経路53に接続される。気化器22の出口は、改質器23の入口に接続される。気化器22は、燃焼部27におけるアノードオフガスの燃焼により発生した熱によって、その内部に供給された燃料ガスを予熱するとともに、改質水供給経路53を通じてその内部に供給された改質水を加熱して水蒸気を生成するように構成される。
The inlet of the
改質器23は、燃料ガスと水蒸気とから水素を含むアノードガスを生成するように構成される。なお、本実施形態において、アノードガスとは、改質器23にて生成されるガスを言う。改質器23は、例えばRu系またはNi系の改質触媒を有する。改質器23の内部に気化器22から燃料ガスおよび水蒸気が供給されると、燃料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応によって水素ガスと一酸化炭素とが生成される。さらに、生成された一酸化炭素と水蒸気との一酸化炭素シフト反応によって、水素ガスと二酸化炭素とが生成される。このため、改質器23において生成されるアノードガスには、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、が含まれる。なお、改質器23から排出されるガスには、アノードガスに加え、改質反応に寄与しなかった水蒸気及び燃料ガスが含まれる。改質器23の出口は、生成された水素を含むアノードガスを燃料電池21に供給するためのアノードガス供給経路28に接続されている。従って、改質器23にて生成された水素を含むアノードガスは、アノードガス供給経路28を通じて燃料電池21のアノード電極側のアノードガス経路に供給され得る。
The
燃料ガス供給系30は、燃料電池コージェネレーションシステム11の外部の燃料ガス供給源13(本実施形態では商用のガス供給源。より具体的には都市ガスの配管)から供給される燃料ガス(原燃料ガスと称されることもある)を発電モジュール20の気化器22に供給するように構成される。燃料ガス供給系30は、燃料ガス供給経路31を有する。燃料ガス供給経路31の一端は発電モジュール20の気化器22に接続され、他端は外部の燃料ガス供給源13に接続可能に構成される。燃料ガス供給経路31には、燃料ガス供給源13に接続可能に構成される端部の側から順に、入口電磁弁32と、調整弁33と、燃料ガスブロア34と、脱硫器35とが設けられる。
The fuel
入口電磁弁32は、燃料ガス供給経路31を開閉自在な弁(2連弁)である。入口電磁弁32は、後述する制御装置85により開閉制御される。調整弁33は、燃料ガス供給経路31の内部圧力を調整するための弁であり、燃料ガス供給源13から燃料ガス供給経路31に流入した燃料ガスの圧力を調整してその下流側(脱硫器35および燃料ガスブロア34が配置されている側)に流出させるように構成される。具体的には、調整弁33は、その下流側の圧力が所定の負圧以下になると開放され、前記所定の負圧より高い圧力になると閉鎖されるように構成される。
The
燃料ガスブロア34は、後述する制御装置85により制御される。そして、燃料ガスブロア34は、動作することによって燃料ガス(原燃料ガス)を気化器22に供給(圧送)するように構成される。なお、燃料ガスブロア34は、出力を変更可能に構成され、出力を変更することにより気化器22に供給する燃料ガスの量(単位時間当たりの供給量)を変更可能である。
The
脱硫器35は、燃料ガスから硫黄化合物(すなわち、燃料ガスに含まれる硫黄成分)を除去するように構成される。例えば、脱硫器35には水素化脱硫方式の脱硫器が適用される。この場合、脱硫器35の内部には、触媒および超高次脱硫剤が収容される。脱硫器35の内部において(すなわち、触媒の存在下において)燃料ガスに含まれる硫黄化合物と水素とが反応することにより硫化水素が生成される。超高次脱硫剤は、生成された硫化水素を取り込む。これにより、燃料ガスから硫黄成分が除去される。触媒には、ニッケル-モリブデン系、コバルト-モリブデン系などの触媒が用いられる。超高次脱硫剤には、例えば銅-亜鉛系脱硫剤、銅-亜鉛-アルミニウム系脱硫剤などが用いられる。
The
さらに、燃料ガス供給経路31の脱硫器35とモジュールケース25との間には、流量センサ36、圧力センサ37、および温度センサ38が配置される。流量センサ36は、燃料ガス供給経路31を流れる燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出できるように構成される。なお、流量センサ36は、検出対象の流体の組成に依存性を有する流量計(質量流量計)であり、例えば熱式質量流量計が用いられる。熱式質量流量計は、流体が当該熱式流量計(発熱体)から奪う熱の熱量が当該流体の質量流量と比例することを利用したものであり、検出値が燃料ガスの質量流量と比例するため、検出値に基づいて燃料ガスの質量流量を計測できる。圧力センサ37は、燃料ガスの圧力(燃料ガス供給経路31の内部圧力)を検出できるように構成される。温度センサ38は、燃料ガスの温度(燃料ガス供給経路31の内部温度)を検出できるように構成される。なお、圧力センサ37および温度センサ38の構成は特に限定されず、公知の構成が適用できる。流量センサ36による燃料ガスの流量の検出結果、圧力センサ37による燃料ガスの圧力の検出結果、および温度センサ38による燃料ガスの温度の検出結果は、継続的に制御装置85に送信される。
Furthermore, a
還流系40は、改質器23において生成されたアノードガスの一部を脱硫器35に導入するように構成されている。具体的には、還流系40は、還流経路41を備える。還流経路41は、改質器23で生成された水素を含むアノードガスを脱硫器35に導入するための経路である。還流経路41の一端は改質器23の出口側に接続される。還流経路41の他端は、燃料ガス供給経路31における燃料ガスブロア34と調整弁33との間の部位に接続される。
The
エア供給系60は、カソードガスであるエアを燃料電池21に供給できるように(正確には、エアをマニホールド26のエア経路に供給できるように)構成される。エア供給系60は、エア供給経路61と、エアフィルタ62と、エアブロア63と、エア流量計64とを有する。エア供給経路61の一端はマニホールド26のエア経路に接続される。エア供給経路61の他端は外気と連通する。エアフィルタ62は、エア供給経路61の前記他端に設けられる。エアブロア63およびエア流量計64は、エア供給経路61上に配置される。エアブロア63は、制御装置85の制御により動作するように構成される。そして、エアブロア63は、動作することによって、エアフィルタ62を介してエア(外気)をエア供給経路61に吸入し、吸入したエアをマニホールド26のエア経路に供給(圧送)するように構成される。エア流量計64は、エア供給経路61を流れるエアの単位時間当たりの流量を計測し、計測結果を制御装置85に送信するように構成される。
The
改質水供給系50は、改質水を気化器22に供給するように構成される。改質水供給系50は、改質水タンク51と、凝縮水経路52と、改質水供給経路53と、改質水ポンプ54とを備える。凝縮水経路52は、その一端にて熱交換器73の排ガス経路に接続され、その他端にて改質水タンク51に接続される。これにより、熱交換器73において発生した凝縮水は、凝縮水経路52を通じて改質水タンク51に流入する。改質水タンク51は、凝縮水経路52を通じて流入した凝縮水を改質水として貯留できるように構成される。なお、改質水タンク51の内部には、貯留される改質水を精製するための図略の水精製器が配置される。改質水供給経路53は、その一端にて改質水タンク51に接続され、その他端にて気化器22に接続される。改質水供給経路53上には、改質水ポンプ54が配置される。改質水ポンプ54は、動作することによって改質水タンク51の内部に貯留される改質水を、改質水供給経路53を通じて気化器22に供給(圧送)する。
The reforming
排熱回収系70は、循環経路71と、循環ポンプ72と、熱交換器73とを有する。循環経路71は、貯湯タンク86と熱交換器73とに接続されており、貯湯タンク86と熱交換器73とを湯水が循環可能に構成される。循環ポンプ72は、制御装置85の制御によって動作することにより、貯湯タンク86内の湯水を熱交換器73に供給するとともに、熱交換器73において燃焼排ガスとの間で熱交換された湯水(すなわち、加熱された湯水)を貯湯タンク86に戻すように構成される。熱交換器73は、モジュールケース25から排出される燃焼排ガスの経路(排ガス経路)を有しており、循環経路71を流通する湯水とモジュールケース25から排出される燃焼排ガスとの間で熱交換させるように構成される。貯湯タンク86は、湯水を貯湯できるように構成される。貯湯タンク86には、循環経路71に加え、外部から水の供給を受けるための給水経路と、外部に湯水を供給するための給湯経路が接続される。また、モジュールケース25から熱交換器73に至る燃焼排ガスの経路上には燃焼触媒74(浄化触媒とも称する)が配置される。そして、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の可燃性成分は、燃焼触媒74において触媒燃焼させられることにより除去される。さらに、熱交換器73の排ガス経路は、排気経路81を介して煙突82に接続される。
The exhaust
パワーコンディショナ83は、燃料電池21から出力された直流電力を、所定の電圧の交流電圧に変換して出力するように構成される。パワーコンディショナ83は、制御装置85により制御される。パワーコンディショナ83は、図略のDC/DCコンバータとインバータとを有する。DC/DCコンバータは、燃料電池21に電気的に接続されており、燃料電池21から出力される直流電力を所定の電圧に昇圧する。インバータは、DC/DCコンバータから出力された直流電力を交流電力に変換する。パワーコンディショナ83の出力端子は系統電源91(商用の配電線網から供給される電源)に接続された電力配線に接続可能に構成されている。そして、燃料電池コージェネレーションシステム11は、パワーコンディショナ83が系統電源91に接続されている状態で、燃料電池21において発電された直流電力を交流電力に変換して家電機器等の電力負荷92に供給できる。
The
電源装置84は、系統電源91およびパワーコンディショナ83から供給される交流電力を直流電力に変換し、制御装置85、入口電磁弁32、燃料ガスブロア34、エアブロア63など、燃料電池コージェネレーションシステム11の各部(各補機)に供給する。電源装置84は、系統電源91から供給される交流電力を直流電力に変換するAC/DCコンバータを有する。
The
制御装置85は、CPU、ROM、RAM、ROM以外の記憶媒体、およびI/Fを有するコンピュータを有する。制御装置85は、I/Fを介して、入口電磁弁32、流量センサ36、圧力センサ37、温度センサ38、燃料ガスブロア34、エア流量計64、エアブロア63、点火プラグ24、改質水ポンプ54、循環ポンプ72、およびパワーコンディショナ83に接続されている。そして、制御装置85は、流量センサ36による燃料ガスの流量の検出結果、圧力センサ37による燃料ガスの圧力の検出結果、温度センサ38による燃料ガスの温度の検出結果、およびエア流量計64によるエアの流量の検出結果を取得するとともに、入口電磁弁32、燃料ガスブロア34、エアブロア63、点火プラグ24、改質水ポンプ54、循環ポンプ72、およびパワーコンディショナ83を制御する。また、制御装置85は、I/Fを介してネットワーク12に接続されている。そして、制御装置85は、ネットワーク12を介して他の燃料電池コージェネレーションシステム11の制御装置85との間で所定のデータを送受信可能である。
The
なお、制御装置85のコンピュータのROMには、燃料電池コージェネレーションシステム11の各部を制御するためのコンピュータプログラムおよび所定のデータがあらかじめ格納されている。制御装置85のコンピュータのCPUは、このコンピュータプログラムをROMから読み出し、RAMに展開して(RAMをワークエリアとして用いて)実行する。この際、CPUは、ROMおよび記憶媒体に格納されている所定のデータを適宜読み出して参照する。これにより、燃料電池コージェネレーションシステム11が制御され、後述する動作が実現する。
The ROM of the computer of the
ここで、燃料ガスの組成の推定について説明する。本実施形態では、制御装置85、流量センサ36、圧力センサ37、および温度センサ38が、燃料ガスの組成を推定する燃料ガス組成推定部87として機能する。また、本実施形態では、燃料ガス組成推定部87は、燃料ガスの組成として、燃料ガスの価数Vおよび炭素数Cを推定する。
Now, we will explain how to estimate the composition of the fuel gas. In this embodiment, the
制御装置85は、流量センサ36により検出される燃料ガスの流量を継続的に取得し、取得した燃料ガスの流量の移動平均である流量移動平均Vfを算出する。また、制御装置85は、圧力センサ37により検出される燃料ガスの圧力を継続的に取得し、取得した燃料ガスの圧力に基づく移動平均である圧力移動平均Pを算出する。なお、制御装置85は、温度センサ38により検出される燃料ガスの温度を継続的に取得し、圧力センサ37により検出される圧力を温度センサ38により検出される温度により0℃換算(0℃補正)し、0℃換算圧力の平方根を算出し、平方根の移動平均を算出することにより、圧力移動平均Pを算出する。そして、制御装置85は、流量移動平均Vfおよび圧力移動平均P、温度センサ38平均値Tに基づいて下記の式(1)により燃料ガスの実質量流量Fを算出する。
F=Vf×[a×(P/1013.25)+b×(T/273.15)+c] 式(1)
The
F = Vf x [a x (P / 1013.25) + b x (T / 273.15) + c] Formula (1)
式(1)中、「a」,「b」は係数であり、「c」は定数である。制御装置85は、算出した実質量流量F、流量移動平均Vf、および圧力移動平均Pに基づいて、下記の式(2)~式(4)により、燃料ガスの組成に対応した水素の価数nを算出するとともに、実質量流量Fと流量移動平均Vfおよび圧力移動平均Pとに基づいて燃料ガスの組成に対応した炭素数mを算出する。式(2)(3)(4)中、「d」,「e」,「f」,「g」,「h」,「i」は係数である。
CmHn+d×H2O → e×CH4+f×H2+g×CO+h×CO2+i×H2O 式(2)
m=e+g+h 式(3)
n=4×e+2×f-2×(d-i) 式(4)
In formula (1), "a" and "b" are coefficients, and "c" is a constant. The
CmHn + d × H2O → e × CH4 + f × H2 + g × CO + h × CO2 + i × H2O Formula (2)
m = e + g + h Equation (3)
n = 4 × e + 2 × f - 2 × (d - i) Equation (4)
流量センサ36は検出対象の流体の組成に対して依存性を有するため、算出される実質量流量Fには、燃料ガスの質量流量に対応する成分と燃料ガスの組成(価数,炭素数)に対応する成分とが含まれ、当該実質量流量Fは、両成分の積によりあらわされる。したがって、燃料ガスの質量流量に対応する流量移動平均Vfおよび圧力移動平均Pをそれぞれ実質量流量Fで除算することにより、得られる除算値Vf/F,P/Fから燃料ガスの質量流量による影響を除去することができ、除算値Vf/F,P/Fに基づいて燃料ガスの組成(水素の価数,炭素数)を推定できる。
Since the
なお、燃料ガスの組成を推定する燃料ガス組成推定部87の構成および燃料ガスの組成を推定する方法は、前記構成および方法に限定されない。例えば、燃料ガスの組成を推定するための構成および方法として、国際公開第2013/11777号公報、特開2013-20705号公報、および特開2006-140103号公報などに記載の構成および方法が適用できる。要は、燃料ガス組成推定部87は、燃料ガスの組成(本実施形態では、価数Vおよび炭素数C)を推定できればよい。
The configuration of the fuel gas
(各燃料電池コージェネレーションシステムの動作の概要)
次に、燃料電池コージェネレーションシステム11の動作の概要について説明する。制御装置85が燃料ガスブロア34を制御して燃料ガスブロア34を動作させると、燃料ガス供給経路31における調整弁33と燃料ガスブロア34との間の部分が負圧になる。これにより調整弁33が開放され、燃料ガスが外部の燃料ガス供給源13から燃料ガス供給経路31を通じて脱硫器35に供給される。さらに、燃料ガスブロア34の動作により、水素を含むアノードガスが、還流経路41および燃料ガス供給経路31を通じて脱硫器35に供給される。
(Outline of operation of each fuel cell cogeneration system)
Next, an overview of the operation of the fuel
脱硫器35において脱硫された燃料ガスは気化器22に流入する。また、改質水タンク51に貯留される改質水が改質水ポンプ54の動作によって気化器22に供給される。気化器22において予熱された燃料ガスおよび生成された水蒸気は、互いに混ざり合った混合ガスとなって改質器23に流入する。そして、改質器23において燃料ガスと水蒸気の混合ガスとの反応により水素を含むアノードガスが生成される。
The fuel gas desulfurized in the
改質器23において生成されたアノードガスは、アノードガス供給経路28、マニホールド26のアノードガス経路、および燃料電池21の各セルのアノード電極側に設けられるアノードガス経路に供給される。一方、エア供給系60のエアブロア63の動作によって、エア供給経路61およびマニホールド26のエア経路を介して燃料電池21の各セルのカソード電極側に設けられるエア経路にエア(カソードガス)が供給される。そして、各セルのカソード電極では、酸化物イオン(O2
-)が生成され、生成された酸化物イオンが固体電解質を透過してアノード電極でアノードガス中の水素及び一酸化炭素と反応することにより直流電力が得られる。得られた直流電力は、パワーコンディショナ83に出力される。
The anode gas generated in the
燃料電池21のセルスタックにおいて発電(電気化学反応)に使用されなかったアノードガス(以下、「アノードオフガス」という)およびエア(以下、「カソードオフガス」という)は、各セルのアノードガス経路とエア経路のそれぞれを通じて燃料電池21の外部に流出する。各セルのアノードガス経路を通じて燃料電池21の外部に流入したアノードオフガスと、各セルのエア経路を通じて燃料電池21の外部に流出したカソードガスとは、燃焼部27において混ざり合う。そして、アノードオフガスは、燃焼部27において燃焼する。アノードオフガスの燃焼により、燃料電池21の動作、気化器22における燃料ガスの予熱および水蒸気の生成、および改質器23における水蒸気改質反応、のそれぞれに必要な熱が発生する。
The anode gas (hereinafter referred to as "anode off-gas") and air (hereinafter referred to as "cathode off-gas") that are not used for power generation (electrochemical reaction) in the cell stack of the
アノードオフガスの燃焼に伴い、燃焼部27において水蒸気を含む燃焼排ガスが発生する。発生した燃焼排ガス中の水分は、熱交換器73で除去される。水分が除去された燃料排ガスは、排気経路81および煙突82を介して大気中に排出される。
As the anode off-gas is burned, combustion exhaust gas containing water vapor is generated in the
改質器23において生成されたアノードガスの一部は、還流経路41を通じて燃料ガス供給経路31に流入し、燃料ガスとともに脱硫器35に導入される。具体的には次のとおりである。還流経路41は燃料ガス供給経路31の燃料ガスブロア34と調整弁33との間の部位に接続される。このため、燃料ガスブロア34の動作によって燃料ガス供給経路31の前記部位が負圧になると、改質器23において生成されたアノードガスの一部が還流経路41に吸引されて燃料ガス供給経路31に流入する。燃料ガス供給経路31に流入したアノードガスは、燃料ガスと混ざり合った状態で脱硫器35に供給される。そして、脱硫器35において、燃料ガスに含まれる硫黄化合物がアノードガスに含まれる水素と反応して硫化水素が生成され、生成された硫化水素が超高次脱硫剤によって除去される。このため、気化器22および改質器23には、脱硫器35において脱硫された燃料ガスが供給される。
A portion of the anode gas generated in the
各燃料電池コージェネレーションシステム11は、運転モードとして、定格モードと負荷追従モードとを備える。定格モードは、あらかじめ規定された一定の電力(定格電力)を継続して発電する運転モードである。例えば、各燃料電池コージェネレーションシステム11は、定格モードで運転中は、電力負荷92による電力の消費量に係らず、0.7kWの電力を継続して発電する。この場合、電力負荷92による消費電力が定格電力よりも大きい場合には、制御装置85は、不足電力を系統電源91から受電して補う。
Each fuel
負荷追従モードは、発電モジュール20の発電電力が電力負荷92による消費電力に追従するように制御する運転モードである。具体的には、電力負荷92の消費電力が発電モジュール20により最大発電電力を超えない範囲においては、制御装置85は、発電モジュール20による発電電力が電力負荷92による消費電力に追従するように、発電モジュール20の発電電力を制御する。一方、電力負荷92の消費電力が発電モジュール20による最大発電電力を超える場合には、制御装置85は、発電モジュール20による発電電力が最大になるように発電モジュール20の発電電力を制御するとともに、不足電力を系統電源91から受電して補う。
The load following mode is an operating mode in which the power generated by the
負荷追従モードには、通常モードと高効率モードとが含まれる。通常モードは、電力負荷92の消費電力が発電モジュール20による最大の発電電力を超えない範囲での運転モードである。通常モードにおいて、制御装置85は、発電モジュール20による発電電力が電力負荷92による消費電力に追従するように、発電モジュール20の発電電力を制御する。このため、通常モードでは、発電モジュール20による発電電力は経時的に変化しやすい。高効率モードは、所定の閾値以上でかつ一定の発電電力を継続的に発電する運転モードであり、例えば、電力負荷92の消費電力が発電モジュール20による最大の発電電力(定格電力)を超える場合での運転モードである。高効率モードでは、通常モードに比較して、発電電力が大きく、かつ発電電力の時間的な変化が小さい(または変化がない)。換言すると、高効率モードは、発電電力が所定の閾値以上であり、かつ発電電力がほぼ一定である運転モードである。
The load following mode includes a normal mode and a high efficiency mode. The normal mode is an operation mode in which the power consumption of the
発電モジュール20の発電電力は、燃料ガスの組成および発電モジュール20への燃料ガスの単位時間当たりの供給量(流量)に応じて決まる。親機101の制御装置85は、要求される発電電力が得られるように、燃料ガス組成推定部87により燃料ガスの組成を推定し、推定した燃料ガスの組成に応じて発電モジュール20に送給する燃料ガスの流量(単位時間当たりの送給量)を制御する。
The power generated by the
なお、商用ガスである都市ガスは、一般的にはその組成が一定になるように管理されており、成分の変動は殆どない。しかしながら、都市ガスの成分には地域差(供給元による差)があることがある。また、近年、燃料ガスの熱量規制が緩和される傾向にあることから、燃料ガスの組成の管理も緩和される傾向にある。さらに、カーボンニュートラルの観点から燃料ガスに水素ガスを混合することにより炭化水素ガスの混合量を低減させる提案もなされている。このように、燃料電池コージェネレーションシステム11に使用される燃料ガスの組成は多様化が進むものと考えられる。このため、燃料ガスの組成を継続的に推定し(換言すると、燃料ガスの組成を継続的に監視し)、燃料ガスの組成が変化した場合には、変化後の燃料ガスの組成に応じて発電モジュール20による発電電力を制御する。
The composition of city gas, which is a commercial gas, is generally managed to be constant, and there is little variation in the composition. However, there may be regional differences (differences depending on the supplier) in the composition of city gas. In addition, in recent years, there has been a trend toward easing regulations on the calorific value of fuel gas, and therefore, management of the composition of fuel gas is also likely to be relaxed. Furthermore, from the perspective of carbon neutrality, there has been a proposal to reduce the amount of hydrocarbon gas mixed by mixing hydrogen gas into the fuel gas. Thus, it is expected that the composition of the fuel gas used in the fuel
具体的には、制御装置85のコンピュータの記憶媒体には、燃料ガスの組成ごとに(換言すると、燃料ガスの組成に応じて)所定の発電電力を得るための燃料ブロアの出力が規定された発電マップが、あらかじめ格納されている。なお、この発電マップは、燃料ガスの組成に応じて「発電電力と燃料ブロアの出力との関係が規定されているマップである」ということもできる。本実施形態では、発電マップには、燃料ブロアを制御するためのパラメータとして、燃料ガスブロア34の出力比(最大出力に対する出力の比)が規定されている。以下、この比をデューティ比と記すことがある。さらに、制御装置85のコンピュータの記憶媒体には、所定の燃料ガスの組成が記憶されている。そして、燃料電池コージェネレーションシステム11は、親機101および子機102ともに、使用に供された直後(例えば、設置されて初めて運転を開始した直後)には、あらかじめ格納されている燃料ガスの組成および発電マップを用いて発電モジュール20による発電電力を制御する。このように、本実施形態では、制御装置85は、燃料ガスブロア34の出力を制御することにより、発電モジュール20の発電電力を制御する。
Specifically, the storage medium of the computer of the
親機101の制御装置85は、運転を開始すると、それ以降、燃料ガスの組成を継続的に推定し(換言すると、燃料ガスの組成を常時監視し)、燃料ガスの組成が変化した場合には、燃料ガスブロア34の制御に用いる発電マップを、変化後の燃料ガスの組成に応じた発電マップに変更する。さらに、親機101の制御装置85は、燃料ガス組成推定部87により燃料ガスの組成が変化したことが検出された場合、変化後の燃料ガスの組成を、ネットワーク12を介して各子機102に送信する。
When the
一方、子機102は燃料ガス組成推定部87を備えないため、燃料ガスの組成を推定できない。このため、子機102の制御装置85は、親機101から受信した燃料ガスの組成に基づいて燃料ガスブロア34の出力を制御する。具体的には、子機102の制御装置85は、親機101から燃料ガスの組成を受信した場合(すなわち、燃料ガスの組成が変化した場合)、受信した燃料ガスの組成に応じた発電マップに変更する。そして、子機102の制御装置85は、選択した発電マップを使用して燃料ガスブロア34の出力を制御することにより、発電モジュール20による発電電力を制御する。このような構成によれば、燃料ガス組成推定部87を備えない子機102も、燃料ガスの組成に応じて燃料ガスブロア34の出力を制御できる。
On the other hand, the
なお、発電モジュール20の性能(特性)には個体差が存在することがある。また、発電モジュール20の性能は、経年劣化などによって経時的に変化していくことがある。このため、親機101および子機102ともに、各燃料電池コージェネレーションシステム11の制御装置85は、発電モジュール20による実際の発電電力と燃料ガスブロア34の実際の出力とを継続的に監視する。そして、各燃料電池コージェネレーションシステム11の制御装置85は、実際の発電電力と実際の燃料ガスブロア34の出力との関係が、発電マップに規定されている発電電力とデューティ比との関係から乖離した場合、発電マップの内容を修正していく。このため、各燃料電池コージェネレーションシステム11の発電マップの内容は、使用の継続により変化していく。したがって、1つの燃料電池制御システム10に含まれる各燃料電池コージェネレーションシステム11の制御装置85のコンピュータが備える発電マップの内容(デューティ比の具体的な値)は、燃料電池コージェネレーションシステム11ごとに相違することがある。
Note that there may be individual differences in the performance (characteristics) of the
親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成の変化を検出した場合、燃料ガスの組成の変化前において所定の発電電力を得るためのデューティ比と、燃料ガスの組成の変化後において同じ所定の発電電力を得るためのデューティ比との差分Δτpを演算する。以下、この差分を親機差分Δτpと記すことがある。
When the
そして、親機101の制御装置85は、演算した親機差分Δτpを、変化した燃料ガスの組成とともに、ネットワーク12を介して各子機102に送信する。各子機102の制御装置85は、変化した燃料ガスの組成と親機差分Δτpを親機101から受信すると、受信前において所定の発電電力を得るための自機のデューティ比と、受信した燃料ガスの組成に応じて所定の発電電力を得るための自機のデューティ比との差分Δτcを演算する。この差分を、以下子機差分Δτcと記すことがある。さらに、子機102の制御装置85は、受信した親機差分Δτpと、演算した子機差分Δτcとの乖離の程度を演算する。例えば、子機102の制御装置85は、以下の乖離率E
乖離率E=(子機差分Δτc)/(親機差分Δτp)×100 (%)
を演算する。
Then, the
Deviation rate E = (child unit difference Δτc) / (parent unit difference Δτp) × 100 (%)
Calculate the following.
前記のとおり、親機101と子機102には同じ組成の燃料ガスが供給されるから、燃料ガスの組成が変化した場合、親機差分Δτpと子機差分Δτcの値は近い値になるものと考えられる。このため、子機102が正常であれば、乖離率Eは100%に近い値になると考えられる。一方、子機102に異常が発生している場合、この乖離率Eは100%から離れた値になると考えられる。そこで、子機102の制御装置85は、この乖離率Eがあらかじめ規定されている所定の範囲内にない場合、子機102に異常が発生している可能性があると判定する。
As described above, the
本実施形態では、子機102の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化するごとに(すなわち、親機101から燃料ガスの組成および親機差分Δτpを受信するごとに)、前記の乖離率Eを演算する。そして、子機102の制御装置85は、演算した乖離率Eが、あらかじめ規定されている所定の回数以上連続して所定の範囲内にない場合、子機102に異常が発生していると判定する。そして、子機102の制御装置85は、異常が発生していると判定した場合、所定の制御を実行する。本実施形態では、子機102の制御装置85は、発電モジュール20による発電を停止する。このような構成によれば、異常を検出するための装置を別途追加することなく、子機102の異常を検出できる。
In this embodiment, the
なお、発電電力とデューティ比との関係は、発電電力が大きく、かつ発電電力の時間的な変動が少ないほど安定する。そこで、本実施形態では、親機101の制御装置85は、運転モードが負荷追従モードの高効率モードである場合に、親機差分Δτpを演算する。同様に、子機102の制御装置85は、運転モードが負荷追従モードの高効率モードである場合に、子機差分Δτcを演算する。そして、子機102の制御装置85は、親機差分Δτpと子機差分Δτcとを用いて、子機102に異常が発生した否かを判定する。このような構成によれば、異常の判定の精度を高めることができる。
The relationship between the generated power and the duty ratio is more stable as the generated power is larger and the temporal fluctuation of the generated power is smaller. Therefore, in this embodiment, the
本実施形態によれば、子機102は親機101から受信した燃料ガスの組成に基づいて発電電力を制御する(燃料ガスブロア34の出力を制御する)ため、子機102は燃料ガス組成推定部87を備えなくてもよい。このため、子機102の部品点数および製造工数を削減することができるから、子機102の低価格化を図ることができる。また、各燃料電池制御システム10に1基の親機101が含まれれば良いため、親機101の製造数を子機102の製造数に比較して少なくできる。したがって、燃料電池制御システム10に含まれる複数の燃料電池コージェネレーションシステム11の全体の価格の低廉化を図ることができる(換言すると、1つの燃料電池制御システム10に含まれる複数の燃料電池コージェネレーションシステム11の1基当たりの価格の低廉化を図ることができる)。
According to this embodiment, the
また、本実施形態によれば、子機102の制御装置85は、親機差分Δτpと子機差分Δτcとの比に応じて子機102に異常が発生しているか否かを判定する。このような構成によれば、各子機102が異常を検出するための装置やセンサなどを備えなくても、異常の発生を検出できる。したがって、低価格化を図りつつ(または価格上昇を防止または抑制しつつ)、信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステム11を提供できる。
Furthermore, according to this embodiment, the
(親機の動作)
次に、親機101の制御装置85の具体的な動作について説明する。図4は、親機101の制御装置85が実行する一連の処理を示すフローチャートである。この一連の処理を実行するためのコンピュータプログラムおよび発電マップは、親機101の制御装置85のコンピュータの記憶媒体にあらかじめ格納されている。親機101の制御装置85は、図4に示す一連の処理を、所定の短周期で繰り返し実行する。
(Parent unit operation)
Next, a specific operation of the
ステップS101において、親機101の制御装置85は、流量センサ36による燃料ガスの流量の検出結果、圧力センサ37による燃料ガスの圧力の検出結果、および温度センサ38による燃料ガスの温度の検出結果を取得し、取得した検出結果を用いて燃料ガスの組成を推定する(燃料ガス組成推定部87は現在の燃料ガスの組成を推定する)。そして、親機101の制御装置85は、処理をステップS102に進める。
In step S101, the
ステップS102において、親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化したか否かを判定する。具体的には、記憶媒体に記憶されている燃料ガスの組成(後述)と、ステップS101において取得した燃料ガスとの組成を比較する。そして、親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化したと判定した場合(記憶媒体に格納されている燃料ガスの組成と、ステップS101において取得した燃料ガスとの組成とが相違すると判定した場合)、処理をステップS103に進める。一方、親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化していないと判定した場合(記憶媒体に格納されている燃料ガスの組成と、ステップS101において取得した燃料ガスとの組成とが同じであると判定した場合)、処理をステップS109に進める。
In step S102, the
ステップS103において、親機101の制御装置85は、「組成の変化後における燃焼ガスの組成および親機差分Δτpを子機102に送信済みであるか未送信であるかを示す変数」である第一フラグ値を、「組成の変化後における燃焼ガスの組成および親機差分Δτpを未送信」であることを示す値(本実施形態では「false」)に設定する。そして、親機101の制御装置85は、処理をステップS104に進める。
In step S103, the
ステップS104において、親機101の制御装置85は、燃料ガスブロア34の出力の制御に用いる発電マップを、それまで使用していた発電マップから、直前のステップS101において取得した燃料ガスの組成に対応する発電マップに変更する。また、親機101の制御装置85は、直前のステップS101において取得した燃料ガスの組成(すなわち、変化後の燃料ガスの組成)を、「現在供給されている燃料ガスの組成」として記憶媒体に記憶する。そして、親機101の制御装置85は、処理をステップS105に進める。なお、記憶媒体に記憶されたこの「現在供給されている燃料ガスの組成」は、前述のステップS102において燃料ガスの組成が変化したか否かの判定に用いられる。また、親機101の制御装置85は、再度ステップS102において燃料ガスの組成が変化したと判定されるまでは、変更した発電マップを用いて燃料ガスブロア34の出力を制御する。
In step S104, the
ステップS105において、親機101の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであるか否かを判定する。親機101の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであると判定した場合、処理をステップS106に進める。一方、親機101の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードではないと判定した場合、この一連の処理をいったん終了する。
In step S105, the
ステップS106において、親機101の制御装置85は、現在のデューティ比を取得する。この現在のデューティ比は、「変更後の発電マップを用い負荷追従モードの高効率モードで所定の電力を発電するように運転している場合のデューティ比」であるということもできる。そして、親機101の制御装置85は、「変更前の発電マップを用い負荷追従モードの高効率モードで所定の電力を発電するように運転している場合のデューティ比」とこの現在のデューティ比との差分である親機差分Δτpを演算する。また、親機101の制御装置85は、取得した現在のデューティ比を記憶媒体に記憶する。そして、親機101の制御装置85は、処理をステップS107に進める。
In step S106, the
ステップS107において、親機101の制御装置85は、ステップS101において取得した燃料ガスの組成およびステップS107において演算した親機差分Δτpを、ネットワーク12を介して子機102の制御装置85に送信する。そして、親機101の制御装置85は、処理をステップS108に進める。
In step S107, the
ステップS108において、親機101の制御装置85は、第一フラグ値を、「組成の変化後における燃焼ガスの組成および親機差分Δτpを送信済み」であることを示す値(本実施形態では「True」)に変更する。そして、親機101の制御装置85は、この一連の処理をいったん終了する。
In step S108, the
親機101の制御装置85は、ステップS102において燃料ガスの組成が変化していないと判定した場合、処理をステップS109に進める。ステップS109において、親機101の制御装置85は、第一フラグ値が「組成の変化後における燃焼ガスの組成および親機差分Δτpを送信済み」であることを示す値であるか否かを判定する。そして、親機101の制御装置85は、第一フラグ値が「組成の変化後における燃焼ガスの組成および親機差分Δτpを未送信」であることを示す値である場合、処理をステップS105に進める。一方、親機101の制御装置85は、第一フラグ値が「組成の変化後における燃焼ガスの組成および親機差分Δτpを送信済み」であることを示す値である場合、この一連の処理をいったん終了する。
When the
このように、親機101の制御装置85は、供給される燃料ガスの組成を継続的に取得し(ステップS101)、燃料ガスの組成が変化したと判定した場合には(ステップS102において「Y」)、燃料ブロアの出力の制御に用いる発電マップを、組成の変化後の燃料ガスに対応する発電マップに変更する(ステップS104)。さらにこの場合、親機101の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであるか否かを判定する(ステップS105)。そして、親機101の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードである場合、親機差分Δτpを演算する(ステップS106)。そして、親機101の制御装置85は、変化後の燃料ガスの組成と親機差分Δτpとを、ネットワーク12を介して子機102の制御装置85に送信する(ステップS107)。
In this way, the
なお、親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化したと判定した後(ステップS102において「Y」)、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードではないと判定した場合(ステップS105において「N」)には、親機差分Δτpを演算しない。この場合、親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化した後(ステップS102において「Y」)、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであると判定するまでは(ステップS105において「Y」)、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであるか否かの判定を継続する(ステップS102において「N」、かつ、その後のステップS102において「N」かつ、ステップS109において「N」)。
Note that, after determining that the composition of the fuel gas has changed ("Y" in step S102), if the
また、親機101の制御装置85は、燃料ガスの組成が変化していないと判定した場合(ステップS102において「N」、かつ、ステップS109において「Y」)、燃料ガスブロア34の制御に用いる発電マップを変更せず、かつ、親機差分Δτpを演算しない(発電マップおよび親機差分Δτpを送信しない)。
In addition, if the
(子機の動作)
次に、子機102の制御装置85の具体的な動作について説明する。図5Aおよび図5Bは、子機102の制御装置85が実行する一連の処理を示すフローチャートである。この一連の処理を実行するためのコンピュータプログラムおよび発電マップは、子機102の制御装置85のコンピュータの記憶媒体にあらかじめ格納されている。子機102の制御装置85は、図5Aおよび図5Bに示す一連の処理を、所定の短周期で繰り返し実行する。
(Operation of child unit)
Next, a specific operation of the
ステップS201において、子機102の制御装置85は、親機101から燃料ガスの組成および親機差分Δτpを受信したか否かを判定する。子機102の制御装置85は、これらを受信したと判定した場合、処理をステップS202に進める。子機102の制御装置85は、これらを受信していないと判定した場合、処理をステップS213に進める。
In step S201, the
ステップS202において、子機102の制御装置85は、「乖離率Eに基づいて子機102の異常の発生を判定したか否かを示す変数」である第二フラグ値を「異常の発生を判定していない」ことを示す値(本実施形態では「False」)に設定する。なお、この判定済みフラグ値の初期値は「True」である。そして、子機102の制御装置85は、処理をステップS203に進める。
In step S202, the
ステップS203において、子機102の制御装置85は、燃料ガスブロア34の出力の制御に用いる発電マップを、現在使用している発電マップから、ステップS201において受信した発電マップに変更する。また、子機102の制御装置85は、ステップS201において受信した燃料ガスの組成を「現在の(変化した後の)燃料ガスの組成」として記憶媒体に記憶する。そして、子機102の制御装置85は、処理をステップS204に進める。なお、子機102の制御装置85は、これ以降、再度ステップS201において親機101から燃料ガスの組成を受信するまでは、受信した組成の燃料ガスに対応する発電マップを用いた燃料ガスブロア34の制御を継続する。
In step S203, the
ステップS204において、子機102の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであるか否かを判定する。子機102の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードではないと判定した場合、この一連の処理をいったん終了する。子機102の制御装置85は、現在の運転モードが負荷追従モードの高効率モードであると判定した場合、処理をステップS205に進める。
In step S204, the
ステップS205において、子機102の制御装置85は、現在のデューティ比を取得する。この現在のデューティ比は、「変更後の発電マップを用い負荷追従モードの高効率モードで所定の電力を発電するように運転している場合のデューティ比」であるということもできる。そして、子機102の制御装置85は、「変更前の発電マップを用い負荷追従モードの高効率モードで所定の電力を発電するように運転している場合のデューティ比」とこの現在のデューティ比との差分である子機差分Δτcを演算する。この子機差分Δτcは、「燃料ガスの組成の変化前と変化後とで同じ発電電力を得るためのデューティ比の差である」ということがきる。また、子機102の制御装置85は、取得した現在のデューティ比を記憶媒体に記憶する。そして、子機102の制御装置85は、処理をステップS206に進める。
In step S205, the
ステップS206において、子機102の制御装置85は、ステップS201おいて受信した親機差分Δτpに対するステップS205で演算した子機差分Δτcの比である乖離率E(=((子機差分Δτc)/(親機差分Δτp))×100)が、あらかじめ規定されている所定の範囲内であるか否かを判定する。そして、そして、子機102の制御装置85は、乖離率Eが所定の範囲内にないと判定した場合、処理をステップS207に進め、乖離率Eが所定の範囲内であると判定した場合、処理をステップS210に進める。
In step S206, the
ステップS207において、子機102の制御装置85は、「乖離率Eが所定の範囲内にないと判定された回数」を示す変数であるカウンタ変数を更新する(カウンタ変数に「1」を加算する)。そして、子機102の制御装置85は、処理をステップS208に進める。
In step S207, the
ステップS208において、子機102の制御装置85は、カウンタ変数の値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。換言すると、子機102の制御装置85は、「乖離率Eが所定の範囲内にないと判定された回数」があらかじめ規定されている所定の回数に達したか否かを判定する。そして、子機102の制御装置85は、カウンタ変数が所定の閾値未満である場合にはこの一連の処理をいったん終了し、カウンタ変数の値が所定の閾値以上である(所定の閾値に到達した)場合には処理をステップS209に進める。
In step S208, the
ステップS209において、子機102の制御装置85は、発電モジュール20による発電を停止する。また、子機102の制御装置85は、子機102が発電停止したことを、子機102のユーザに報知するための報知処理を実行する。そして、子機102の制御装置85は、処理をステップS210に進める。
In step S209, the
子機102の制御装置85は、ステップS206において乖離率Eが所定の範囲内であると判定した場合、処理をステップS210に進める。ステップS210において、子機102の制御装置85は、カウンタ変数をクリアする(値を「0」にする)。そして、子機102の制御装置85は、処理をステップS211に進める。
If the
ステップS211において、子機102の制御装置85は、第二フラグ値を初期化する(値を「True」に変更する)。そして、子機102の制御装置85は、この一連の処理をいったん終了する。
In step S211, the
このように、子機102の制御装置85は、親機101から燃料ガスの組成および差分を受信した場合、燃料ガスブロア34の出力の制御に使用する発電マップを、受信した組成の燃料ガスに対応する発電マップに変更する。
In this way, when the
さらに、子機102の制御装置85は、親機101から燃料ガスの組成および親機差分Δτpを受信した後、負荷追従モードの高効率モードになったタイミングで、親機差分Δτpと子機差分Δτcから演算される乖離率Eを用いて子機102に異常が発生したか否かを判定する。具体的には、子機102の制御装置85は、親機101から燃料ガスの組成および親機差分Δτpを受信した場合(ステップS201において「Y」)、運転モードが負荷追従モードの高効率モードであれば(ステップS204において「Y」)、受信した親機差分Δτpと演算した子機差分Δτcとから乖離率Eを演算する。この乖離率Eが所定の範囲内にない場合、子機102に異常が発生している可能性があるとみなせる。そして、子機102の制御装置85は、この乖離率Eが所定の範囲内にあるか否かを判定し(ステップS206)、連続して乖離率Eが所定の範囲内にないと判定された回数が所定の回数に達した場合(ステップS208において「Y」)、子機102に異常が発生したと判定する。
Furthermore, after receiving the fuel gas composition and parent unit difference Δτp from the
なお、子機102の制御装置85は、親機101から燃料ガスの組成および親機差分Δτpを受信した場合であっても(ステップS201において「Y」)、運転モードが負荷追従モードの高効率モードでなければ(ステップS204において「N」)、子機102に異常が発生しているか否かを判定しない。また、子機102の制御装置85は、過去に親機101から燃料ガスの組成および親機差分Δτpを受信したが(ステップS201において「Y」)、その後、乖離率Eが所定の範囲内であるか否かの判定を行っていない場合(ステップS201において「N」、かつ、ステップS213において「N」)、運転モードが負荷追従モードの高効率モードであるか否かを判定し(ステップS204)、負荷追従モードの高効率モードであると判定した場合(ステップS204において「Y」)、乖離率Eが所定の範囲内にあるかを判定する(ステップS206)。そして、子機102の制御装置85は、乖離率Eが所定の範囲内にない場合(ステップS206において「N」)、子機102に異常が発生しているか否かを判定する(ステップS208)。
In addition, even if the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、燃料ガス組成推定部87の構成および燃料ガスの組成を推定する方法は、前記実施形態に限定されない。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be modified in various ways without departing from the spirit of the invention, and these modifications are also included in the technical scope of the present invention. For example, the configuration of the fuel gas
10…燃料電池制御システム、11…燃料電池コージェネレーションシステム、12…ネットワーク、13…燃料ガス供給源、20…発電モジュール、21…燃料電池、34…燃料ガスブロア、85…制御装置、87…燃料ガス組成推定部、101…燃料電池コージェネレーションシステムの親機、102…燃料電池コージェネレーションシステムの子機 10...Fuel cell control system, 11...Fuel cell cogeneration system, 12...Network, 13...Fuel gas supply source, 20...Power generation module, 21...Fuel cell, 34...Fuel gas blower, 85...Control device, 87...Fuel gas composition estimation unit, 101...Parent unit of fuel cell cogeneration system, 102...Child unit of fuel cell cogeneration system
Claims (6)
複数の前記燃料電池システムは、供給される前記燃料ガスの組成を推定するように構成される燃料ガス組成推定部を備える1基の親機と、前記燃料ガス組成推定部を備えない1基以上の子機とを含み、
前記親機は、供給された前記燃料ガスにより発電する燃料電池を備え、前記燃料ガス組成推定部により推定された前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料電池の発電電力を制御するとともに、前記燃料ガス組成推定部により推定された前記燃料ガスの組成を前記子機に送信するように構成され、
前記子機は、供給された前記燃料ガスにより発電する燃料電池を備え、前記親機から受信した前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料電池の発電電力を制御するように構成される、
燃料電池制御システム。 A fuel cell system is provided with a plurality of fuel cell systems that are supplied with fuel gas having the same composition and can communicate with each other;
the plurality of fuel cell systems each include one parent unit having a fuel gas composition estimation unit configured to estimate a composition of the fuel gas to be supplied, and one or more child units not having the fuel gas composition estimation unit;
the parent unit includes a fuel cell that generates power from the supplied fuel gas, and is configured to control the power generated by the fuel cell based on the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit, and to transmit the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit to the child unit;
the slave unit includes a fuel cell that generates power using the supplied fuel gas, and is configured to control the power generated by the fuel cell based on the composition of the fuel gas received from the master unit.
Fuel cell control system.
前記親機および前記子機は、前記燃料電池に前記燃料ガスを送給する燃料ガスブロアと、前記燃料ガスの組成ごとに前記燃料電池による発電電力と前記燃料ガスブロアの出力との関係が規定された発電マップとを備え、
前記親機は、前記燃料ガス組成推定部により推定された前記燃料ガスの組成に対応する前記発電マップを用いて前記燃料ガスブロアの出力を制御し、
前記子機は、前記親機から受信した前記燃料ガスの組成に対応する前記発電マップを用いて前記燃料ガスブロアの出力を制御する、
燃料電池制御システム。 2. The fuel cell control system according to claim 1,
the parent unit and the child unit each include a fuel gas blower that supplies the fuel gas to the fuel cell, and a power generation map that defines a relationship between the power generated by the fuel cell and an output of the fuel gas blower for each composition of the fuel gas,
the parent unit controls an output of the fuel gas blower using the power generation map corresponding to the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit;
the slave unit controls the output of the fuel gas blower using the power generation map corresponding to the composition of the fuel gas received from the master unit.
Fuel cell control system.
前記親機は、前記燃料ガス組成推定部により推定される前記燃料ガスの組成が変化した場合、変化した前記燃料ガスの組成に応じて前記発電マップを変更するとともに変化した前記燃料ガスの組成を前記子機に送信し、
前記子機は、前記親機から前記燃料ガスの組成を受信した場合、受信した前記燃料ガスの組成に基づいて前記発電マップを変更する、
燃料電池制御システム。 3. The fuel cell control system according to claim 2,
when the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit changes, the parent unit changes the power generation map in accordance with the changed composition of the fuel gas and transmits the changed composition of the fuel gas to the child unit;
when the slave unit receives the composition of the fuel gas from the master unit, the slave unit changes the power generation map based on the received composition of the fuel gas.
Fuel cell control system.
前記親機は、前記燃料ガス組成推定部により推定される前記燃料ガスの組成が変化した場合、組成が変化する前の前記燃料ガスにより所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力と組成が変化した後の前記燃料ガスにより前記所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力との差分である親機差分を演算し、演算した前記親機差分を前記子機に送信し、
前記子機は、前記親機から前記燃料ガスの組成を受信する前の組成の前記燃料ガスにより所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力と前記親機から受信した組成の前記燃料ガスにより前記所定の発電電力を得るための前記燃料ガスブロアの出力との差分である子機差分を演算し、前記子機差分の前記親機差分に対する割合が所定の閾値以上である場合、前記子機に異常が発生している可能性があると判定する、
燃料電池制御システム。 4. The fuel cell control system according to claim 3,
when the composition of the fuel gas estimated by the fuel gas composition estimation unit changes, the parent unit calculates a parent unit difference which is a difference between an output of the fuel gas blower for obtaining a predetermined generated power from the fuel gas before the composition changes and an output of the fuel gas blower for obtaining the predetermined generated power from the fuel gas after the composition changes, and transmits the calculated parent unit difference to the child unit;
The slave unit calculates a slave unit difference, which is the difference between the output of the fuel gas blower for obtaining a specified generated power from the fuel gas having a composition before receiving the fuel gas composition from the master unit, and the output of the fuel gas blower for obtaining the specified generated power from the fuel gas having a composition received from the master unit, and determines that there is a possibility that an abnormality has occurred in the slave unit if the ratio of the slave unit difference to the master unit difference is equal to or greater than a specified threshold value.
Fuel cell control system.
前記親機は、前記燃料電池の発電電力が所定の閾値以上であり、かつ、前記燃料電池の発電電力を変化させない特定運転モードを備え、前記特定運転モードである場合に前記親機差分を演算し、演算した前記親機差分を前記子機に送信する、
燃料電池制御システム。 5. The fuel cell control system according to claim 4,
the parent unit has a specific operation mode in which the power generated by the fuel cell is equal to or greater than a predetermined threshold and the power generated by the fuel cell is not changed, and when in the specific operation mode, calculates the parent unit difference and transmits the calculated parent unit difference to the child unit;
Fuel cell control system.
前記子機は、前記燃料電池の発電電力が所定の閾値以上であり、かつ、前記燃料電池の発電電力を変化させない特定運転モードを備え、前記特定運転モードである場合に前記子機差分を演算する、
燃料電池制御システム。 6. A fuel cell control system according to claim 4, further comprising:
the slave unit has a specific operation mode in which the power generated by the fuel cell is equal to or greater than a predetermined threshold and the power generated by the fuel cell is not changed, and calculates the slave unit difference when the slave unit is in the specific operation mode;
Fuel cell control system.
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