JP2024073255A - Fuel Cell Systems - Google Patents

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直樹 伊藤
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Abstract

【課題】専用の圧力計を用いることなく、良好な精度でアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定する。【解決手段】燃料電池システムは、原燃料ガス、改質水および酸化剤ガスのうちの少なくとも一つの流量を検出する流量検出部を備え、原燃料ガス供給部または酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得したポンプの駆動状態と流量検出部により検出された流量とに基づいて、ポンプの駆動状態と流量とアノード側またはカソード側に作用する圧力との関係を用いて、アノード側またはカソード側に作用する圧力を推定する。【選択図】図2[Problem] To estimate the pressure acting on the anode side or the cathode side with good accuracy without using a dedicated pressure gauge. [Solution] A fuel cell system includes a flow rate detection unit that detects the flow rate of at least one of the raw fuel gas, reforming water, and oxidant gas, and obtains the driving state of the pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side based on the obtained driving state of the pump and the flow rate detected by the flow rate detection unit, using the relationship between the driving state of the pump, the flow rate, and the pressure acting on the anode side or the cathode side. [Selected Figure] Figure 2

Description

本明細書は、燃料電池システムについて開示する。 This specification discloses a fuel cell system.

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに水素ガスを供給する水素ガス供給配管と、水素ガス供給配管に設けられた水素ガス圧調整弁と、水素ガス供給配管におけるアノード入口側に設けられたアノード圧力計と、コンプレッサにより燃料電池スタックのカソードに空気ガスを供給する空気供給配管と、空気供給配管に設けられた空気ガス圧力調整弁と、空気供給配管におけるカソード入口側に設けられたカソード圧力計と、要求出力に応じて水素ガス圧力と空気ガス圧力との圧力差が所定の圧力差範囲内に保たれるように水素ガス圧力調整弁および空気ガス圧力調整弁とを制御する制御装置と、を備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このシステムでは、アノード圧力計で測定されたアノード圧力により水素ガス圧調整弁の開度を制御することで、水素ガス供給配管を介して供給される水素ガスを、燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して燃料電池スタックのアノードへ供給する。また、カソード圧力計で測定されたカソード圧力により空気ガス圧力調整弁の開度、コンプレッサの回転数を制御することで、空気供給配管を介して供給される空気を、燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調整して燃料電池スタックのカソードへ供給する。 A conventional fuel cell system of this type includes a fuel cell stack, a hydrogen gas supply pipe for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell stack, a hydrogen gas pressure regulating valve provided in the hydrogen gas supply pipe, an anode pressure gauge provided on the anode inlet side of the hydrogen gas supply pipe, an air supply pipe for supplying air gas to the cathode of the fuel cell stack by a compressor, an air gas pressure regulating valve provided in the air supply pipe, a cathode pressure gauge provided on the cathode inlet side of the air supply pipe, and a control device for controlling the hydrogen gas pressure regulating valve and the air gas pressure regulating valve so that the pressure difference between the hydrogen gas pressure and the air gas pressure is kept within a predetermined pressure difference range according to the required output (see, for example, Patent Document 1). In this system, the opening of the hydrogen gas pressure regulating valve is controlled by the anode pressure measured by the anode pressure gauge, and the hydrogen gas supplied through the hydrogen gas supply pipe is adjusted to a predetermined pressure determined within the range in which the fuel cell system can operate, and supplied to the anode of the fuel cell stack. In addition, by controlling the opening of the air gas pressure regulating valve and the compressor speed based on the cathode pressure measured by the cathode pressure gauge, the air supplied through the air supply pipe is adjusted to a specified pressure within the range in which the fuel cell system can operate, and then supplied to the cathode of the fuel cell stack.

特開2006-278046号公報JP 2006-278046 A

上述した燃料電池システムでは、水素ガス供給配管のアノード入口側と空気供給配管のカソード入口側とにそれぞれ専用の圧力計が必要であり、システムが大型化すると共にコスト増を招いてしまう。 In the above-mentioned fuel cell system, a dedicated pressure gauge is required for each of the anode inlet side of the hydrogen gas supply pipe and the cathode inlet side of the air supply pipe, which increases the size of the system and leads to increased costs.

本開示の燃料電池システムは、専用の圧力計を用いることなく、良好な精度でアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定することを主目的とする。 The primary objective of the fuel cell system disclosed herein is to estimate the pressure acting on the anode or cathode side with high accuracy without using a dedicated pressure gauge.

本開示の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The fuel cell system disclosed herein employs the following measures to achieve the above-mentioned primary objective:

本開示の第1の燃料電池システムは、
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を含む発電モジュールと、
ポンプの駆動により前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給部と、
ポンプの駆動により前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給部と、
ポンプの駆動により前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記原燃料ガス、前記改質水および前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つの流量を検出する流量検出部と、
前記原燃料ガス供給部または前記酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得した前記ポンプの駆動状態と前記流量検出部により検出された流量とに基づいて、前記ポンプの駆動状態に基づく値と前記流量に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定し、推定した前記圧力に基づいて前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
A first fuel cell system of the present disclosure includes:
a power generation module including: a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode side and an oxidant gas supplied to a cathode side; a reforming section that uses water vapor to reform a raw fuel gas into the fuel gas; an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor; and a combustion section that combusts an off-gas discharged from the fuel cell;
a reforming water supply unit that supplies the reforming water to the evaporator by driving a pump;
a raw fuel gas supply unit that supplies the raw fuel gas to the reforming unit by driving a pump;
an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to a cathode side of the fuel cell by driving a pump;
a flow rate detection unit that detects a flow rate of at least one of the raw fuel gas, the reforming water, and the oxidizing gas;
a control unit that acquires a driving state of a pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired driving state of the pump and the flow rate detected by the flow rate detection unit, using a relationship between a value based on the driving state of the pump, a value based on the flow rate, and a value of pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell, and controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit based on the estimated pressure;
The gist of the invention is to provide the following:

この本開示の第1の燃料電池システムでは、原燃料ガス、改質水および酸化剤ガスのうちの少なくとも一つの流量を検出する流量検出部を備え、原燃料ガス供給部または酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得したポンプの駆動状態と流量検出部により検出された流量とに基づいて、ポンプの駆動状態と流量と圧力との関係を用いて、アノード側またはカソード側に作用する圧力を推定する。これにより、専用の圧力計を用いることなく、良好な精度でアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定することができる。なお、「関係」には、回帰関係が含まれる(以下、同じ)。 The first fuel cell system disclosed herein includes a flow rate detector that detects the flow rate of at least one of the raw fuel gas, reforming water, and oxidant gas, acquires the driving state of the pump in the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side using the relationship between the driving state of the pump, the flow rate, and the pressure based on the acquired driving state of the pump and the flow rate detected by the flow rate detector. This makes it possible to estimate the pressure acting on the anode side or the cathode side with good accuracy without using a dedicated pressure gauge. Note that "relationship" includes a regression relationship (the same applies below).

こうした本開示の第1の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池、前記改質部、前記蒸発部、前記燃焼部および前記燃焼部から排出される燃焼排ガス、前記酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち少なくとも一つの温度を検出する温度検出部を備え、前記制御部は、取得した前記ポンプの駆動状態と前記流量検出部により検出された流量と前記温度検出部により検出された温度とに基づいて、前記ポンプの駆動状態に基づく値と前記流量に基づく値と前記温度に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定してもよい。こうすれば、圧力推定の精度をより向上させることができる。 In the first fuel cell system of the present disclosure, a temperature detection unit is provided that detects the temperature of at least one of the fuel cell, the reforming unit, the evaporation unit, the combustion unit, the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit, and the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply unit, and the control unit may estimate the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired driving state of the pump, the flow rate detected by the flow rate detection unit, and the temperature detected by the temperature detection unit, using the relationship between a value based on the driving state of the pump, a value based on the flow rate, a value based on the temperature, and the value of the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell. In this way, the accuracy of the pressure estimation can be further improved.

本開示の第2の燃料電池システムは、
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を含む発電モジュールと、
ポンプの駆動により前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給部と、
ポンプの駆動により前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給部と、
ポンプの駆動により前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池、前記改質部、前記蒸発部、前記燃焼部、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスおよび前記酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち少なくとも一つの温度を検出する温度検出部と、
前記原燃料ガス供給部または前記酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得した前記ポンプの駆動状態と前記温度検出部により検出された温度とに基づいて、前記ポンプの駆動状態に基づく値と前記温度に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定し、推定した前記圧力に基づいて前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
A second fuel cell system of the present disclosure includes:
a power generation module including: a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode side and an oxidant gas supplied to a cathode side; a reforming section that uses water vapor to reform a raw fuel gas into the fuel gas; an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor; and a combustion section that combusts an off-gas discharged from the fuel cell;
a reforming water supply unit that supplies the reforming water to the evaporator by driving a pump;
a raw fuel gas supply unit that supplies the raw fuel gas to the reforming unit by driving a pump;
an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to a cathode side of the fuel cell by driving a pump;
a temperature detection unit that detects a temperature of at least one of the fuel cell, the reforming unit, the evaporating unit, the combustion unit, the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit, and the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply unit; and
a control unit that acquires a driving state of a pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired driving state of the pump and the temperature detected by the temperature detection unit, using a relationship between a value based on the driving state of the pump, a value based on the temperature, and a value of the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell, and controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit based on the estimated pressure;
The gist of the invention is to provide the following:

この本開示の第2の燃料電池システムでは、燃料電池、改質部、蒸発部、燃焼部、燃焼部から排出される燃焼排ガス、酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち少なくとも一つの温度を検出する温度検出部を備え、原燃料ガス供給部または酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得したポンプの駆動状態と温度検出部により検出された温度とに基づいて、ポンプの駆動状態と温度と圧力との関係を用いて、アノード側またはカソード側に作用する圧力を推定する。これにより、専用の圧力計を用いることなく、良好な精度でアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定することができる。 The second fuel cell system disclosed herein includes a temperature detection unit that detects the temperature of at least one of the fuel cell, the reforming unit, the evaporation unit, the combustion unit, the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit, and the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply unit, and obtains the operating state of the pump in the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side using the relationship between the operating state of the pump, temperature, and pressure based on the obtained operating state of the pump and the temperature detected by the temperature detection unit. This makes it possible to estimate the pressure acting on the anode side or the cathode side with good accuracy without using a dedicated pressure gauge.

本開示の第3の燃料電池システムは、
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を含む発電モジュールと、
ポンプの駆動により前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給部と、
ポンプの駆動により前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給部と、
ポンプの駆動により前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記原燃料ガス供給部または前記酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態としてデューティおよび回転数を取得し、取得した前記ポンプのデューティおよび回転数に基づいて、前記ポンプのデューティに基づく値と前記ポンプの回転数に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定し、推定した前記圧力に基づいて前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
A third fuel cell system of the present disclosure comprises:
a power generation module including: a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode side and an oxidant gas supplied to a cathode side; a reforming section that uses water vapor to reform a raw fuel gas into the fuel gas; an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor; and a combustion section that combusts an off-gas discharged from the fuel cell;
a reforming water supply unit that supplies the reforming water to the evaporator by driving a pump;
a raw fuel gas supply unit that supplies the raw fuel gas to the reforming unit by driving a pump;
an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to a cathode side of the fuel cell by driving a pump;
a control unit that acquires a duty and a rotation speed as a driving state of a pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates a pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired duty and rotation speed of the pump using a relationship between a value based on the pump duty, a value based on the pump rotation speed, and a value of a pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell, and controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit based on the estimated pressure;
The gist of the invention is to provide the following:

この本開示の第3の燃料電池システムでは、原燃料ガス供給部または酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態としてデューティおよび回転数を取得し、取得したポンプのデューティおよび回転数に基づいて、ポンプのデューティと回転数と圧力との関係を用いて、燃料電池のアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定する。これにより、専用の圧力計を用いることなく、良好な精度でアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定することができる。 In the third fuel cell system disclosed herein, the duty and rotation speed are acquired as the driving state of the pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and the pressure acting on the anode side or cathode side of the fuel cell is estimated based on the acquired pump duty and rotation speed, using the relationship between the pump duty, rotation speed, and pressure. This makes it possible to estimate the pressure acting on the anode side or cathode side with good accuracy without using a dedicated pressure gauge.

本開示の第1、第2または第3の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力が所定圧力を超える場合に、当該圧力が低下するように前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御してもよい。こうすれば、燃料電池の故障(例えば、セパレータの変形等)を抑制することができる。 In the first, second or third fuel cell system of the present disclosure, the control unit may control the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit and the oxidant gas supply unit so that the pressure acting on the anode side or the cathode side exceeds a predetermined pressure, thereby suppressing failure of the fuel cell (e.g., deformation of the separator, etc.).

また、本開示の第1、第2または第3の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力に基づいて前記アノード側に作用する圧力と前記カソード側に作用する圧力との差圧を推定し、推定した前記差圧が所定差圧を超える場合に、当該差圧が低下するように前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御してもよい。こうすれば、燃料電池の故障(例えば、セパレータの変形等)を抑制することができる。 In addition, in the first, second or third fuel cell system of the present disclosure, the control unit may estimate a pressure difference between the pressure acting on the anode side and the pressure acting on the cathode side based on the pressure acting on the anode side or the cathode side, and when the estimated pressure difference exceeds a predetermined pressure difference, control the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit and the oxidant gas supply unit so that the pressure difference is reduced. In this way, failure of the fuel cell (e.g., deformation of the separator, etc.) can be suppressed.

燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system. 目標流量補正処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an example of a target flow rate correction process routine. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwと気化部温度T1と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the vaporizer temperature T1, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwとスタック温度T4と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the stack temperature T4, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwと燃焼部温度T7と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the combustion section temperature T7, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwと燃焼排ガス温度T8と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the combustion exhaust gas temperature T8, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwと吸い込みエア温度T9と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the intake air temperature T9, and the fuel side pressure Pg. ポンプデューティと流量と圧力との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between pump duty, flow rate, and pressure. 燃料ポンプデューティDgと燃料流量Qgと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value of a fuel side pressure Pg estimated using a correlation equation of a fuel pump duty Dg, a fuel flow rate Qg, and a fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when a fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between a fuel pump duty Dg, a reforming water flow rate Qw, and a fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgとエア流量Qaと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value of a fuel side pressure Pg estimated using a correlation equation of a fuel pump duty Dg, an air flow rate Qa, and a fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwとエア流量Qaと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when a fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among a fuel pump duty Dg, a reforming water flow rate Qw, an air flow rate Qa, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwとエアポンプ回転数Naと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the air pump rotation speed Na, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwとエアポンプ回転数Na2と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the air pump rotation speed Na2 , and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質水流量QwとエアポンプデューティDaと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when a fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation among a fuel pump duty Dg, a reforming water flow rate Qw, an air pump duty Da, and a fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと気化部温度T1と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when a fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation of a fuel pump duty Dg, a vaporizer temperature T1, and a fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと改質部温度T2と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value of the fuel side pressure Pg when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, the reforming section temperature T2, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgとスタック温度T4と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, the stack temperature T4, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと燃焼部温度T7と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, the combustion section temperature T7, and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgと燃焼排ガス温度T8と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation of the fuel pump duty Dg, the combustion exhaust gas temperature T8, and the fuel side pressure Pg. 他の実施形態に係る目標流量補正処理ルーチンを示すフローチャートである。10 is a flowchart showing a target flow rate correction process routine according to another embodiment. 燃料ポンプデューティDgとエアポンプ回転数Naと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when a fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between a fuel pump duty Dg, an air pump rotation speed Na, and a fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgとエアポンプ回転数Na2と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value of the fuel side pressure Pg when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, the air pump rotation speed Na2 , and the fuel side pressure Pg. 燃料ポンプデューティDgとエアポンプデューティDaと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。11 is a graph comparing an estimated value and an actual value when a fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between a fuel pump duty Dg, an air pump duty Da, and a fuel side pressure Pg.

本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 The embodiment for implementing this disclosure will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態の燃料電池システム10の概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム10は、図示するように、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック21を含む発電モジュール20と、原燃料ガス供給管31を介して発電モジュール20にアノードガスの原料となる原燃料ガス(例えば天然ガスやLPガス)を供給する原燃料ガス供給装置30と、発電モジュール20に原燃料ガスからアノードガスへの改質(水蒸気改質)に必要な改質水を供給する改質水供給装置40と、発電モジュール20(燃料電池スタック21)にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置50と、発電モジュール20において発生した排熱を回収する排熱回収装置60と、システム全体をコントロールする制御装置100と、を備える。 Figure 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 10 of this embodiment. As shown in the figure, the fuel cell system 10 of this embodiment includes a power generation module 20 including a fuel cell stack 21 that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen in the anode gas and oxygen in the cathode gas, a raw fuel gas supply device 30 that supplies raw fuel gas (e.g., natural gas or LP gas) that is the raw material for the anode gas to the power generation module 20 via a raw fuel gas supply pipe 31, a reforming water supply device 40 that supplies reforming water required for reforming (steam reforming) the raw fuel gas to the power generation module 20, an air supply device 50 that supplies air as a cathode gas to the power generation module 20 (fuel cell stack 21), an exhaust heat recovery device 60 that recovers exhaust heat generated in the power generation module 20, and a control device 100 that controls the entire system.

発電モジュール20は、燃料電池スタック21や、気化器22、改質器23、燃焼器24、熱交換器26を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース29に収容されている。 The power generation module 20 includes a fuel cell stack 21, a vaporizer 22, a reformer 23, a combustor 24, and a heat exchanger 26, all of which are housed in a thermally insulating module case 29.

燃料電池スタック21は、平板状の単セルSとセパレータとが板厚方向に交互に積層されてなる平板型の固体酸化物形燃料電池スタックとして構成される。単セルSは、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有する。各単セルSのアノード電極には、アノードガスが流れるアノードガス通路が形成されている。また、各単セルSのカソード電極には、カソードガスが流れるカソードガス通路が形成されている。セパレータは、例えばステンレス鋼板がプレス成形されたものであり、板厚方向に隣接する単セルSを仕切ると共に、隣接する単セルS間で一方の単セルSのアノード電極側を流れるアノードガスと他方の単セルSのカソード電極側を流れるカソードガスとを遮断する。更に、燃料電池スタック21の近傍には、温度センサ114が設置されている。温度センサ114は、燃料電池スタック21の温度に相関する温度(スタック温度T4)を検出する。 The fuel cell stack 21 is configured as a flat-plate type solid oxide fuel cell stack in which flat-plate-shaped single cells S and separators are alternately stacked in the plate thickness direction. Each single cell S has an electrolyte such as zirconium oxide, and an anode electrode and a cathode electrode that sandwich the electrolyte. An anode gas passage through which an anode gas flows is formed in the anode electrode of each single cell S. A cathode gas passage through which a cathode gas flows is formed in the cathode electrode of each single cell S. The separator is, for example, a stainless steel plate that is press-formed, and separates adjacent single cells S in the plate thickness direction, and blocks the anode gas flowing through the anode electrode side of one single cell S and the cathode gas flowing through the cathode electrode side of the other single cell S between the adjacent single cells S. In addition, a temperature sensor 114 is installed near the fuel cell stack 21. The temperature sensor 114 detects a temperature (stack temperature T4) that correlates with the temperature of the fuel cell stack 21.

発電モジュール20の気化器22および改質器23は、モジュールケース29内の燃料電池スタック21の上方に配設される。また、燃料電池スタック21と気化器22および改質器23との間には、燃料電池スタック21の作動や、気化器22および改質器23での反応に必要な熱を発生させる燃焼器24が配設される。 The vaporizer 22 and reformer 23 of the power generation module 20 are disposed above the fuel cell stack 21 inside the module case 29. In addition, a combustor 24 is disposed between the fuel cell stack 21 and the vaporizer 22 and reformer 23 to generate heat required for the operation of the fuel cell stack 21 and the reactions in the vaporizer 22 and reformer 23.

気化器22は、燃焼器24からの熱により原燃料ガス供給装置30からの原燃料ガスと改質水供給装置40からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器22により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器22から改質器23に流入する。気化器22の出口付近には、温度センサ111が設置されている。温度センサ111は、気化器22の温度(気化部温度T1)を検出したり、直後の改質器23の温度(改質部温度T2)を推定したりするのに用いられる。なお、温度センサ111は、改質器23(例えば、改質触媒の出口側付近)に設置されてもよいし、気化器22および改質器23のそれぞれに設置されてもよい。 The vaporizer 22 heats the raw fuel gas from the raw fuel gas supply device 30 and the reforming water from the reforming water supply device 40 with heat from the combustor 24, preheats the raw fuel gas, and evaporates the reforming water to generate steam. The raw fuel gas preheated by the vaporizer 22 is mixed with steam, and the mixed gas flows from the vaporizer 22 into the reformer 23. A temperature sensor 111 is installed near the outlet of the vaporizer 22. The temperature sensor 111 is used to detect the temperature of the vaporizer 22 (vaporization section temperature T1) and to estimate the temperature of the reformer 23 immediately after (reforming section temperature T2). The temperature sensor 111 may be installed in the reformer 23 (for example, near the outlet side of the reforming catalyst), or may be installed in both the vaporizer 22 and the reformer 23.

改質器23は、その内部に充填された例えばRu系またはNi系の改質触媒を有し、燃焼器24からの熱の存在下で、改質触媒による気化器22からの混合ガスの反応(水蒸気改質反応)によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器23は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応(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を生成する。これにより、改質器23によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器23により生成されたアノードガスは、アノードガス配管71を通って各単セルSのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。 The reformer 23 has a Ru-based or Ni-based reforming catalyst filled therein, and generates hydrogen gas and carbon monoxide by a reaction (steam reforming reaction) of the mixed gas from the vaporizer 22 with the reforming catalyst in the presence of heat from the combustor 24. Furthermore, the reformer 23 generates hydrogen gas and carbon dioxide by a reaction (carbon monoxide shift reaction) between the carbon monoxide generated in the steam reforming reaction and steam. As a result, the reformer 23 generates anode gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, unreformed raw fuel gas, etc. The anode gas generated by the reformer 23 flows into the anode gas passage of each single cell S through the anode gas piping 71 and is supplied to the anode electrode.

また、カソードガスとしてのエアは、カソードガス配管72を介して各単セルSのカソードガス通路へ流入し、カソード電極に供給される。各単セルSのカソード電極では、酸化物イオン(O2-)が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。 Air serving as a cathode gas flows into the cathode gas passage of each unit cell S via a cathode gas pipe 72 and is supplied to the cathode electrode. Oxide ions (O 2− ) are generated in the cathode electrode of each unit cell S, and the oxide ions pass through the electrolyte and react with hydrogen and carbon monoxide at the anode electrode to obtain electric energy.

各単セルSにおいて電気化学反応(発電)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)は、アノードオフガス配管73を通って燃焼器24に供給され、各単セルSにおいて電気化学反応(発電)に使用されなかったカソードガス(以下、「カソードオフガス」という)は、カソードオフガス配管74を通って燃焼器24に供給される。アノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼器24において、酸素を含むカソードオフガスと混合されて、燃焼させられる。燃焼器24には、燃焼器24内に導入されたアノードオフガスおよびカソードオフガスの混合ガスに点火するための点火装置25が設置されている。また、燃焼器24には、当該燃焼器24の温度(燃焼部温度T7)を検出するための温度センサ117が設置されている。 The anode gas (hereinafter referred to as "anode off-gas") that was not used in the electrochemical reaction (power generation) in each unit cell S is supplied to the combustor 24 through the anode off-gas piping 73, and the cathode gas (hereinafter referred to as "cathode off-gas") that was not used in the electrochemical reaction (power generation) in each unit cell S is supplied to the combustor 24 through the cathode off-gas piping 74. The anode off-gas is a combustible gas containing fuel components such as hydrogen and carbon monoxide, and is mixed with the cathode off-gas containing oxygen in the combustor 24 and combusted. The combustor 24 is provided with an ignition device 25 for igniting the mixed gas of the anode off-gas and the cathode off-gas introduced into the combustor 24. The combustor 24 is also provided with a temperature sensor 117 for detecting the temperature of the combustor 24 (combustion section temperature T7).

燃焼器24において混合ガスの燃焼により生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管75を通って凝縮器62に供給される。燃焼排ガス配管75は、改質器23、気化器22、熱交換器26を順に通過するように形成され、それぞれ、水蒸気改質に必要な熱、水蒸気の生成に必要な熱、カソードガス(エア)の昇温に必要な熱を供給した後、凝縮器62に供給される。燃焼排ガス配管75の出口付近には、燃焼排ガスに含まれる未燃燃料を燃焼させるための燃焼触媒28(酸化触媒)が設けられている。また、燃焼排ガス配管75における気化器22と熱交換器26との間には、当該燃焼排ガス配管75を流れる燃焼排ガスの温度(燃焼排ガス温度T8)を検出するための温度センサ118が設置されている。 The combustion exhaust gas generated by the combustion of the mixed gas in the combustor 24 is supplied to the condenser 62 through the combustion exhaust gas pipe 75. The combustion exhaust gas pipe 75 is formed to pass through the reformer 23, the vaporizer 22, and the heat exchanger 26 in order, and after supplying the heat required for steam reforming, the heat required for generating steam, and the heat required for raising the temperature of the cathode gas (air), it is supplied to the condenser 62. A combustion catalyst 28 (oxidation catalyst) for burning unburned fuel contained in the combustion exhaust gas is provided near the outlet of the combustion exhaust gas pipe 75. In addition, a temperature sensor 118 for detecting the temperature of the combustion exhaust gas (combustion exhaust gas temperature T8) flowing through the combustion exhaust gas pipe 75 is provided between the vaporizer 22 and the heat exchanger 26 in the combustion exhaust gas pipe 75.

原燃料ガス供給装置30は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源1と気化器22とを接続する原燃料ガス供給管31と、当該原燃料ガス供給管31に設置された開閉弁(2連弁)32,33、燃料ポンプ36および脱硫器38と、を有する。原燃料ガスは、燃料ポンプ36を作動させることで、原燃料供給源1から脱硫器38を介して気化器22へと圧送(供給)される。また、原燃料ガス供給管31には、原燃料ガス供給管31を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量(燃料流量Qg)を検出する流量センサ39が設置されている。 The raw fuel gas supply device 30 has a raw fuel gas supply pipe 31 that connects a raw fuel supply source 1 that supplies raw fuel gas to a vaporizer 22, and on-off valves (two valves) 32, 33, a fuel pump 36, and a desulfurizer 38 installed in the raw fuel gas supply pipe 31. By operating the fuel pump 36, the raw fuel gas is pumped (supplied) from the raw fuel supply source 1 to the vaporizer 22 via the desulfurizer 38. In addition, a flow sensor 39 is installed in the raw fuel gas supply pipe 31 to detect the flow rate per unit time of the raw fuel gas flowing through the raw fuel gas supply pipe 31 (fuel flow rate Qg).

改質水供給装置40は、改質水を貯留する改質水タンク42と、改質水タンク42と気化器22とを接続する改質水供給管41と、改質水供給管41に設置された改質水ポンプ43と、を有する。改質水タンク42内の改質水は、改質水ポンプ43を作動させることで、当該改質水ポンプ43により気化器22へと圧送(供給)される。なお、改質水ポンプ43は、本実施形態では、定容積形のポンプ(例えば、プランジャポンプ)として構成され、単位ストロークあたりの吐出量が一定である。 The reforming water supply device 40 has a reforming water tank 42 that stores reforming water, a reforming water supply pipe 41 that connects the reforming water tank 42 and the vaporizer 22, and a reforming water pump 43 installed in the reforming water supply pipe 41. By operating the reforming water pump 43, the reforming water in the reforming water tank 42 is pumped (supplied) by the reforming water pump 43 to the vaporizer 22. In this embodiment, the reforming water pump 43 is configured as a fixed volume pump (e.g., a plunger pump) and has a constant discharge volume per unit stroke.

エア供給装置50は、モジュールケース29内に設置されたカソードガス配管72に接続されるエア供給管51と、エア供給管51の入口に設けられたエアフィルタ52と、エア供給管51に設置されたエアポンプ53と、を有する。エアポンプ53を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ52を介してエア供給管51に吸引され、カソードガス配管72を通って燃料電池スタック21(カソード電極)へと圧送(供給)される。カソードガス配管72を流れるエアは、熱交換器26において燃焼排ガス配管75を流れる高温の燃焼排ガスと熱交換されて昇温させられる。また、エア供給管51には、エア供給管51を流れるエアの単位時間当りの流量(エア流量Qa)を検出する流量センサ54が設置されている。また、エアポンプ53の駆動に伴ってエア供給管51に吸い込まれるエアの温度(吸い込みエア温度T9)を検出する温度センサが設置されてもよい。 The air supply device 50 has an air supply pipe 51 connected to a cathode gas pipe 72 installed in the module case 29, an air filter 52 provided at the inlet of the air supply pipe 51, and an air pump 53 installed in the air supply pipe 51. By operating the air pump 53, air as a cathode gas is sucked into the air supply pipe 51 through the air filter 52, and is pressure-fed (supplied) through the cathode gas pipe 72 to the fuel cell stack 21 (cathode electrode). The air flowing through the cathode gas pipe 72 is heated by heat exchange with the high-temperature combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas pipe 75 in the heat exchanger 26. In addition, a flow rate sensor 54 is installed in the air supply pipe 51 to detect the flow rate (air flow rate Qa) of the air flowing through the air supply pipe 51 per unit time. In addition, a temperature sensor may be installed to detect the temperature of the air (suction air temperature T9) sucked into the air supply pipe 51 as the air pump 53 is driven.

排熱回収装置60は、湯水を貯留する貯湯タンク61と、燃焼排ガス配管75から供給される燃焼排ガスと湯水とを熱交換して燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器62と、貯湯タンク61と凝縮器62とに接続された循環配管63と、循環配管63に組み込まれた循環ポンプ64と、を有する。貯湯タンク61内に貯留されている湯水は、循環ポンプ64を作動させることで、凝縮器62へと導入され、凝縮器62で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク61へと返送される。 The exhaust heat recovery device 60 has a hot water storage tank 61 that stores hot water, a condenser 62 that exchanges heat between the hot water and the combustion exhaust gas supplied from the combustion exhaust gas piping 75 to condense the water vapor contained in the combustion exhaust gas, a circulation pipe 63 connected to the hot water storage tank 61 and the condenser 62, and a circulation pump 64 incorporated in the circulation pipe 63. The hot water stored in the hot water storage tank 61 is introduced into the condenser 62 by operating the circulation pump 64, and is heated by heat exchange with the combustion exhaust gas in the condenser 62, and then returned to the hot water storage tank 61.

燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク61からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、凝縮水配管44を通って改質水タンク42内に導入される。なお、改質水タンク42には、凝縮水配管44を通過した凝縮水を精製する図示しない水精製器が設置されている。また、凝縮器62において水蒸気が除去された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出管76を通って大気中に排出される。 The condensed water obtained by condensing the water vapor in the combustion exhaust gas through heat exchange with the hot water from the hot water storage tank 61 is introduced into the reforming water tank 42 through the condensed water pipe 44. The reforming water tank 42 is equipped with a water purifier (not shown) that purifies the condensed water that has passed through the condensed water pipe 44. The combustion exhaust gas from which the water vapor has been removed in the condenser 62 is discharged into the atmosphere through the combustion exhaust gas exhaust pipe 76.

燃料電池スタック21の出力端子には、パワーコンディショナ80の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ80の出力端子は、リレーを介して電力系統2から負荷4への電力ライン3に接続されている。パワーコンディショナ80は、燃料電池スタック21から出力された直流電力を所定電圧(例えば、DC250V~300V)の直流電力に変換するDC/DCコンバータや、変換された直流電力を電力系統と連系可能な電圧(例えば、AC200V)の交流電力に変換するインバータを有する。これにより、燃料電池スタック21からの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷4に供給することが可能となる。パワーコンディショナ80には電源基板81が接続されている。電源基板81は、燃料電池スタック21からの直流電力や電力系統2からの交流電源を低圧の直流電力に変換して、燃料ポンプ36や改質水ポンプ43、エアポンプ53、循環ポンプ64等の補機類、流量センサ39,54や温度センサ111,114,117,118、燃料電池スタック21から出力される電流(出力電流I)を検出する電流センサ121、燃料電池スタック21から出力される電圧(出力電圧V)を検出する電圧センサ122等のセンサ類、制御装置100へ供給する。また、パワーコンディショナ80や電源基板81等が配置される補機室には、当該パワーコンディショナ80や電源基板81を冷却するための図示しない冷却ファンと換気ファンとが配置されている。冷却ファンは、パワーコンディショナ80や電源基板81の発熱部に空気を送り込む。発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファンにより大気中に排出される。 An input terminal of a power conditioner 80 is connected to the output terminal of the fuel cell stack 21, and the output terminal of the power conditioner 80 is connected to a power line 3 from the power system 2 to a load 4 via a relay. The power conditioner 80 has a DC/DC converter that converts the DC power output from the fuel cell stack 21 into DC power of a predetermined voltage (e.g., DC 250V to 300V), and an inverter that converts the converted DC power into AC power of a voltage (e.g., AC 200V) that can be connected to the power system. This makes it possible to convert the DC power from the fuel cell stack 21 into AC power and supply it to a load 4 such as a home appliance. A power supply board 81 is connected to the power conditioner 80. The power supply board 81 converts the DC power from the fuel cell stack 21 and the AC power from the power system 2 into low-voltage DC power, and supplies it to the fuel pump 36, the reforming water pump 43, the air pump 53, the circulation pump 64, and other auxiliary devices, the flow rate sensors 39, 54, the temperature sensors 111, 114, 117, 118, the current sensor 121 that detects the current (output current I) output from the fuel cell stack 21, the voltage sensor 122 that detects the voltage (output voltage V) output from the fuel cell stack 21, and the control device 100. In addition, a cooling fan and a ventilation fan (not shown) for cooling the power conditioner 80 and the power supply board 81 are arranged in the auxiliary device room where the power conditioner 80 and the power supply board 81 are arranged. The cooling fan sends air to the heat generating parts of the power conditioner 80 and the power supply board 81. The air that has cooled the heat generating parts and has been heated is discharged into the atmosphere by the ventilation fan.

制御装置100は、CPU101を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、CPU101の他に処理プログラムを記憶するROM102と、データを一時的に記憶するRAM103と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置100には、流量センサ39,54や温度センサ111,114,117,118、電流センサ121、電圧センサ122等からの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置100からは、開閉弁32,33のソレノイドや、燃料ポンプ36のポンプモータ、改質水ポンプ43のポンプモータ、エアポンプ53のポンプモータ、循環ポンプ64のポンプモータ、点火装置25、電磁弁82のソレノイド等への各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。また、制御装置100には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置100は、燃料電池システム10のユーザにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。 The control device 100 is configured as a microprocessor centered on the CPU 101, and includes, in addition to the CPU 101, a ROM 102 for storing processing programs, a RAM 103 for temporarily storing data, and an input/output port (not shown). Various detection signals from the flow rate sensors 39, 54, temperature sensors 111, 114, 117, 118, current sensor 121, voltage sensor 122, etc. are input to the control device 100 via the input port. In addition, the control device 100 outputs various control signals to the solenoids of the on-off valves 32, 33, the pump motor of the fuel pump 36, the pump motor of the reformed water pump 43, the pump motor of the air pump 53, the pump motor of the circulation pump 64, the ignition device 25, the solenoid of the solenoid valve 82, etc. via the output port. In addition, a remote control (not shown) is connected to the control device 100 via a wireless or wired communication line. The control device 100 executes various controls based on signals from the remote control operated by the user of the fuel cell system 10.

ここで、本実施形態の燃料電池システム10では、燃料電池スタック21は平板型の単セルが積層されたものであり、円筒型のセルに比して、単位面積あたりの出力密度が高くなるメリットを有する。一方で、平板型のセルは、円筒型のセルに比して、機械的な強度の面で不利となりやすく、燃料電池スタック21におけるアノード側の圧力や、カソード側の圧力、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧が大きくなり過ぎると、セル(電解質)を破損させてしまうおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システム10では、アノード側の圧力やカソード側の圧力、これらの差圧がそれぞれ許容範囲を超えないようにシステムを運転制御することにより、セルの破損を防止するものとした。以下、燃料電池システム10の発電中の動作について説明する。 Here, in the fuel cell system 10 of this embodiment, the fuel cell stack 21 is a stack of flat plate type single cells, which has the advantage of a higher output density per unit area compared to cylindrical cells. On the other hand, flat plate type cells tend to be at a disadvantage in terms of mechanical strength compared to cylindrical cells, and if the pressure on the anode side, the pressure on the cathode side, or the pressure difference between the anode side pressure and the cathode side pressure in the fuel cell stack 21 becomes too large, there is a risk of damaging the cells (electrolyte). Therefore, in the fuel cell system 10 of this embodiment, the system is operated and controlled so that the pressure on the anode side, the pressure on the cathode side, and the pressure difference between these do not exceed their respective allowable ranges, thereby preventing damage to the cells. The operation of the fuel cell system 10 during power generation is described below.

発電中は、制御装置100のCPU101は、システムに要求される要求出力に応じた電流(電流指令Ireq)が燃料電池スタック21から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエアの供給量を制御する。原燃料ガスの供給量の制御は、燃料利用率Ufが目標利用率Uftagに一致するように電流指令Ireqに応じた燃料流量を目標燃料流量Fgtagに設定し、流量センサ39により検出される燃料流量Fgが設定した目標燃料流量Fgtagに一致するようにフィードバック制御により燃料ポンプ34のポンプモータのデューティ(燃料ポンプデューティDg)を設定して当該ポンプモータを駆動制御することにより行なわれる。なお、燃料利用率Ufは、アノードに供給したアノードガスの量に対する発電に利用されたアノードガスの量の割合である。改質水の供給量の制御は、改質器23におけるスチームカーボン比SCが目標比SCtagに一致するように目標燃料流量Fgtagに基づいて目標改質水流量Fwtagを設定し、設定した目標改質水流量Fwtagの改質水が供給されるように改質水ポンプ43のポンプモータのデューティ(改質水ポンプデューティDw)を設定して当該ポンプモータを駆動制御することにより行なわれる。なお、スチームカーボン比SCは、原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比である。エアの供給量の制御は、温度センサ114により検出される温度(スタック温度)T4が目標温度T4tagに一致するようにフィードバック制御により目標エア流量Fatagを設定し、流量センサ54により検出されるエア流量Faが設定した目標エア流量Fatagに一致するようにフィードバック制御によりエアポンプ53のポンプモータのデューティ(エアポンプデューティDa)を設定して当該ポンプモータを駆動制御することにより行なわれる。 During power generation, the CPU 101 of the control device 100 controls the supply amount of raw fuel gas, reforming water, and air so that a current (current command Ireq) corresponding to the required output required for the system is output from the fuel cell stack 21. The supply amount of raw fuel gas is controlled by setting the fuel flow rate corresponding to the current command Ireq to the target fuel flow rate Fgtag so that the fuel utilization rate Uf matches the target utilization rate Uftag, and setting the duty (fuel pump duty Dg) of the pump motor of the fuel pump 34 by feedback control so that the fuel flow rate Fg detected by the flow sensor 39 matches the set target fuel flow rate Fgtag, and driving and controlling the pump motor. The fuel utilization rate Uf is the ratio of the amount of anode gas used for power generation to the amount of anode gas supplied to the anode. The amount of the reforming water supplied is controlled by setting a target reforming water flow rate Fwtag based on the target fuel flow rate Fgtag so that the steam carbon ratio SC in the reformer 23 coincides with the target ratio SCtag, setting the duty (reforming water pump duty Dw) of the pump motor of the reforming water pump 43 so that reforming water of the set target reforming water flow rate Fwtag is supplied, and driving and controlling the pump motor. The steam carbon ratio SC is the molar ratio of carbon contained in the hydrocarbons in the raw fuel gas to the steam added for steam reforming. The amount of air supplied is controlled by setting a target air flow rate Ftag by feedback control so that the temperature (stack temperature) T4 detected by the temperature sensor 114 coincides with the target temperature T4tag, and setting the duty (air pump duty Da) of the pump motor of the air pump 53 by feedback control so that the air flow rate Fa detected by the flow rate sensor 54 coincides with the set target air flow rate Ftag, and driving and controlling the pump motor.

次に、アノード側の圧力やカソード側の圧力、これらの差圧がそれぞれ許容範囲を超えないようにするために、目標燃料流量Fgtagや目標改質水流量Fwtag、目標エア流量Fatagを補正する処理について説明する。図2は、目標流量補正処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、発電中に所定時間毎(例えば、数msec毎や数十msec毎)に繰り返し実行される。 Next, we will explain the process of correcting the target fuel flow rate Fgtag, the target reforming water flow rate Fwtag, and the target air flow rate Fatag so that the anode pressure, the cathode pressure, and the differential pressure between them do not exceed their respective allowable ranges. Figure 2 is a flowchart showing an example of a target flow rate correction process routine. This routine is executed repeatedly at predetermined time intervals (e.g., every few msec or every tens of msec) during power generation.

目標流量補正処理ルーチンが実行されると、制御装置100のCPU101は、まず、燃料ポンプデューティDgやエアポンプデューティDa、流量センサ39,54等により検出される流量データQ、温度センサ111,114,117,118等により検出される温度データTなどの処理に必要なデータを入力する(ステップS100)。本実施形態では、流量データQには、燃料流量Qg、エア流量Qaおよび改質水流量Qwのうち一つ以上の流量が含まれる。なお、改質水流量Qwは、改質水ポンプ43が定容積形のポンプとして構成されているから、改質水ポンプ43の駆動状態(吐出回数)から取得することができる。勿論、改質水供給管41に流量センサを設けて、当該流量センサにより改質水流量Qwを取得するようにしてもよい。また、温度データTには、気化部温度T1、改質部温度T2、スタック温度T4、燃焼部温度T7および燃焼排ガス温度T8、吸い込みエア温度T9のうち一つ以上の温度が含まれる。 When the target flow rate correction processing routine is executed, the CPU 101 of the control device 100 first inputs data necessary for processing, such as the fuel pump duty Dg, the air pump duty Da, the flow rate data Q detected by the flow rate sensors 39, 54, etc., and the temperature data T detected by the temperature sensors 111, 114, 117, 118, etc. (step S100). In this embodiment, the flow rate data Q includes one or more of the fuel flow rate Qg, the air flow rate Qa, and the reforming water flow rate Qw. The reforming water flow rate Qw can be obtained from the driving state (discharge count) of the reforming water pump 43, since the reforming water pump 43 is configured as a fixed-volume pump. Of course, a flow rate sensor may be provided in the reforming water supply pipe 41, and the reforming water flow rate Qw may be obtained by the flow rate sensor. The temperature data T includes one or more of the vaporizer temperature T1, the reforming section temperature T2, the stack temperature T4, the combustion section temperature T7, the combustion exhaust gas temperature T8, and the intake air temperature T9.

続いて、CPU101は、ステップS100で入力した燃料ポンプデューティDgと流量データQと温度データTとに基づいて次式(1)の回帰式を用いて燃料電池スタック21におけるアノード側の入口付近の圧力である燃料側圧力Pgを推定する(ステップS110)。式(1)中の係数a,b,c並びに定数dは、燃料ポンプデューティDgと流量データQと温度データTとを説明変数とすると共に燃料側圧力Pgを目的変数とした重回帰分析により得られたものである。これにより、専用の圧力センサを用いることなく、燃料電池システム10が備えるセンサの検出データから燃料側圧力Pgを精度よく推定することができる。 Then, the CPU 101 estimates the fuel side pressure Pg, which is the pressure near the anode side inlet of the fuel cell stack 21, using the regression equation of the following equation (1) based on the fuel pump duty Dg, flow rate data Q, and temperature data T input in step S100 (step S110). The coefficients a, b, c and constant d in equation (1) are obtained by multiple regression analysis using the fuel pump duty Dg, flow rate data Q, and temperature data T as explanatory variables and the fuel side pressure Pg as the objective variable. This makes it possible to accurately estimate the fuel side pressure Pg from the detection data of the sensor equipped in the fuel cell system 10, without using a dedicated pressure sensor.

Pg=a・Dg+b・Q+c・T+d …(1) Pg=a・Dg+b・Q+c・T+d … (1)

次に、CPU101は、ステップS100で入力したエアポンプデューティDaと流量データQと温度データTとに基づいて次式(2)の回帰式を用いて燃料電池スタック21におけるカソード側の入口付近の圧力であるエア側圧力Paを推定する(ステップS120)。式(2)中の係数e,f,g並びに定数hは、エアポンプデューティDaと流量データQと温度データTとを説明変数とすると共にエア側圧力Paを目的変数とした重回帰分析により得られたものである。これにより、専用の圧力センサを用いることなく、燃料電池システム10が備えるセンサの検出データからエア側圧力Paを精度よく推定することができる。 Next, the CPU 101 estimates the air side pressure Pa, which is the pressure near the inlet on the cathode side of the fuel cell stack 21, using the regression equation of the following equation (2) based on the air pump duty Da, flow rate data Q, and temperature data T input in step S100 (step S120). The coefficients e, f, g and constant h in equation (2) are obtained by multiple regression analysis using the air pump duty Da, flow rate data Q, and temperature data T as explanatory variables and the air side pressure Pa as the objective variable. This makes it possible to accurately estimate the air side pressure Pa from the detection data of the sensor equipped in the fuel cell system 10, without using a dedicated pressure sensor.

Pa=e・Da+f・Q+g・T+h …(2) Pa = e Da + f Q + g T + h … (2)

CPU101は、燃料側圧力Pgとエア側圧力Paとを推定すると、燃料側圧力Pgからエア側圧力Paを減じて両者の差圧Pd(=Pg-Pa)を算出する(ステップS130)。そして、CPU101は、燃料側圧力Pgが正の閾値α以上であるか否か、差圧Pdが正の閾値γ以上であるか否かをそれぞれ判定する(ステップS140)。ここで、閾値α,γは、燃料電池スタック21を故障させないための燃料側圧力Pg,差圧Pdの許容範囲における上限近傍の正の値に定められている。CPU101は、燃料側圧力Pgが閾値α未満で且つ差圧Pdが閾値γ未満であると判定すると、ステップS160に進む。一方、CPU101は、燃料側圧力Pgが閾値α以上であると判定したり、差圧Pdが閾値γ以上であると判定したりすると、目標燃料流量Qgtagや目標改質水流量Qwtagを減量補正して(ステップS150)、ステップS160に進む。なお、減量補正は、目標燃料流量Qgtagおよび目標改質水流量Qwtagのうちの一方に対して行なわれてもよい。また、差圧Pdが閾値γ以上である場合、目標燃料流量Qgtagや目標改質水流量Qwtagの減量補正に代えて、或いはその減量補正に加えて、目標エア流量Qatagの増量補正が行なわれてもよい。 After estimating the fuel side pressure Pg and the air side pressure Pa, the CPU 101 subtracts the air side pressure Pa from the fuel side pressure Pg to calculate the differential pressure Pd (=Pg-Pa) between the two (step S130). The CPU 101 then determines whether the fuel side pressure Pg is equal to or greater than a positive threshold value α, and whether the differential pressure Pd is equal to or greater than a positive threshold value γ (step S140). Here, the threshold values α and γ are set to positive values near the upper limits of the allowable ranges of the fuel side pressure Pg and the differential pressure Pd to prevent the fuel cell stack 21 from failing. If the CPU 101 determines that the fuel side pressure Pg is less than the threshold value α and the differential pressure Pd is less than the threshold value γ, the process proceeds to step S160. On the other hand, when the CPU 101 determines that the fuel side pressure Pg is equal to or greater than the threshold value α, or that the differential pressure Pd is equal to or greater than the threshold value γ, it performs a downward correction on the target fuel flow rate Qgtag and the target reforming water flow rate Qwtag (step S150) and proceeds to step S160. Note that the downward correction may be performed on either the target fuel flow rate Qgtag or the target reforming water flow rate Qwtag. Also, when the differential pressure Pd is equal to or greater than the threshold value γ, instead of or in addition to the downward correction on the target fuel flow rate Qgtag and the target reforming water flow rate Qwtag, an upward correction on the target air flow rate Qtag may be performed.

次に、CPU101は、エア側圧力Paが正の閾値β以上であるか否か、差圧Pdが負の閾値-γ未満であるか否かをそれぞれ判定する(ステップS140)。ここで、閾値βは、エア側圧力Paの許容範囲における上限近傍の正の値に定められ、閾値-γは、差圧Pdの許容範囲における下限近傍の負の値に定められている。CPU101は、エア側圧力Paが閾値β未満で且つ差圧Pdが閾値-γ以上であると判定すると、そのまま本ルーチンを終了する。一方、CPU101は、エア側圧力Paが閾値β以上であると判定したり、差圧Pdが閾値-γ未満であると判定したりすると、目標エア流量Qatagを減量補正して(ステップS170)、本ルーチンを終了する。なお、差圧Pdが閾値-γ未満である場合、目標エア流量Qatagの減量補正に代えて、或いはその減量補正に加えて、目標燃料流量Qgtagや目標改質水流量Qwtagの増量補正が行なわれてもよい。 Next, the CPU 101 determines whether the air side pressure Pa is equal to or greater than a positive threshold value β, and whether the differential pressure Pd is less than a negative threshold value -γ (step S140). Here, the threshold value β is set to a positive value near the upper limit of the allowable range of the air side pressure Pa, and the threshold value -γ is set to a negative value near the lower limit of the allowable range of the differential pressure Pd. If the CPU 101 determines that the air side pressure Pa is less than the threshold value β and the differential pressure Pd is equal to or greater than the threshold value -γ, it ends this routine. On the other hand, if the CPU 101 determines that the air side pressure Pa is equal to or greater than the threshold value β or that the differential pressure Pd is less than the threshold value -γ, it corrects the target air flow rate Qtag by decreasing it (step S170) and ends this routine. In addition, when the differential pressure Pd is less than the threshold value -γ, instead of or in addition to the decreasing correction of the target air flow rate Qtag, an increasing correction of the target fuel flow rate Qgtag or the target reforming water flow rate Qwtag may be performed.

図3~7は、燃料ポンプデューティDgと流量データQ(改質水流量Qw)と温度データT(気化部温度T1,スタック温度T4,燃焼部温度T7,燃焼排ガス温度T8,吸い込みエア温度T9)と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。なお、各図には、燃料ポンプデューティDgのみに基づいて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値も表示した。説明変数として改質水流量Qwと気化部温度T1とを加えた場合、決定係数R2は、0.887(図3参照)となり、説明変数として改質水流量Qwとスタック温度T4とを加えた場合、決定係数R2は、0.915(図4参照)となり、説明変数として改質水流量Qwと燃焼部温度T7とを加えた場合、決定係数R2は、0.879(図5参照)となり、説明変数として改質水流量Qwと燃焼排ガス温度T8とを加えた場合、決定係数R2は、0.906(図6参照)となり、説明変数として改質水流量Qwと吸い込みエア温度T9とを加えた場合、決定係数R2は、0.868(図7参照)となった。いずれにおいても、説明変数として流量データQと温度データTとを加えた回帰式を用いて推定された推定値は、実際値と良好に一致していることが確認された。ここで、流量データQ(改質水流量Qw)が圧力(燃料側圧力Pg)と相関性を有するのは、一定の温度条件下(25℃)かつ一定の気圧条件下(101.3kPa)において、ポンプデューティと流量と圧力との間に図8に示す所定の関係が実験によって確認されたことに基づく。また、温度データTが圧力(燃料側圧力Pg)と相関性を有するのは、発電モジュール20内の温度が高くなるにつれて例えば気化器22において水蒸気の生成が促進される等して、体積膨張により圧力が増加すると考えられることに基づく。 3 to 7 are graphs comparing the estimated and actual values of the fuel-side pressure Pg estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, flow data Q (reforming water flow rate Qw), temperature data T (evaporator temperature T1, stack temperature T4, combustion section temperature T7, combustion exhaust gas temperature T8, intake air temperature T9), and the fuel-side pressure Pg. Note that each figure also shows the estimated value when the fuel-side pressure Pg is estimated based only on the fuel pump duty Dg. When the reforming water flow rate Qw and the vaporizer temperature T1 are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.887 (see FIG. 3), when the reforming water flow rate Qw and the stack temperature T4 are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.915 (see FIG. 4), when the reforming water flow rate Qw and the combustion section temperature T7 are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.879 (see FIG. 5), when the reforming water flow rate Qw and the combustion exhaust gas temperature T8 are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.906 (see FIG. 6), and when the reforming water flow rate Qw and the intake air temperature T9 are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.868 (see FIG. 7). In either case, it was confirmed that the estimated value estimated using the regression equation including the flow rate data Q and the temperature data T as explanatory variables was in good agreement with the actual value. Here, the reason why the flow rate data Q (reforming water flow rate Qw) has a correlation with the pressure (fuel side pressure Pg) is that a predetermined relationship shown in Fig. 8 has been confirmed by experiment between the pump duty, flow rate, and pressure under constant temperature conditions (25°C) and constant atmospheric pressure conditions (101.3 kPa). Also, the reason why the temperature data T has a correlation with the pressure (fuel side pressure Pg) is that as the temperature inside the power generation module 20 increases, the generation of steam is promoted in the vaporizer 22, for example, and the like, which is believed to result in an increase in pressure due to volume expansion.

以上説明した本実施形態の燃料電池システム10では、燃料ポンプ34の燃料ポンプデューティDgと流量データQと温度データTとを説明変数とすると共に燃料側圧力Pgを目的変数とした重回帰分析により得られる回帰式(回帰関係)を用いて、燃料ポンプデューティDgと流量データQと温度データTとに基づいて燃料側圧力Pgを推定する。また、エアポンプ53のエアポンプデューティDaと流量データQと温度データTとを説明変数とすると共にエア側圧力Paを目的変数とした重回帰分析により得られる回帰式(回帰関係)を用いて、エアポンプデューティDaと流量データQと温度データTとに基づいてエア側圧力Paを推定する。このように、ポンプの駆動状態に流量データQや温度データTを説明変数として加えた回帰関係を用いて圧力を推定することで、専用の圧力計を用いることなく、良好な精度でアノード側またはカソード側に作用する圧力を推定することができる。 In the fuel cell system 10 of the present embodiment described above, the fuel pump duty Dg, flow data Q, and temperature data T of the fuel pump 34 are used as explanatory variables, and the fuel side pressure Pg is used as a response variable to estimate the fuel side pressure Pg based on the fuel pump duty Dg, flow data Q, and temperature data T using a regression equation (regression relationship) obtained by multiple regression analysis with the fuel pump duty Da, flow data Q, and temperature data T of the air pump 53 as explanatory variables, and the air side pressure Pa as a response variable to estimate the air side pressure Pa based on the air pump duty Da, flow data Q, and temperature data T using a regression equation (regression relationship) obtained by multiple regression analysis with the air pump duty Da, flow data Q, and temperature data T of the air pump 53 as explanatory variables, and the air side pressure Pa as a response variable. In this way, by estimating the pressure using a regression relationship in which the flow data Q and temperature data T are added as explanatory variables to the driving state of the pump, the pressure acting on the anode side or cathode side can be estimated with good accuracy without using a dedicated pressure gauge.

上述した実施形態では、燃料側圧力Pgを推定するための回帰式には、説明変数として流量データQおよび温度データTの双方が含まれるものとしたが、推定の精度は若干落ちるものの、流量データQおよび温度データTのうち一方のみが含まれてもよい。同様に、エア側圧力Paを推定するための回帰式には、変数として流量データQおよび温度データTの双方が含まれるものとしたが、推定の精度は若干落ちるものの、流量データQおよび温度データTのうち一方のみが含まれてもよい。 In the above embodiment, the regression equation for estimating the fuel side pressure Pg includes both the flow rate data Q and the temperature data T as explanatory variables, but it may also include only one of the flow rate data Q and the temperature data T, although the accuracy of the estimation will be slightly reduced. Similarly, the regression equation for estimating the air side pressure Pa includes both the flow rate data Q and the temperature data T as variables, but it may also include only one of the flow rate data Q and the temperature data T, although the accuracy of the estimation will be slightly reduced.

図9~図11は、燃料ポンプデューティDgと流量データQ(燃料流量Qg,改質水流量Qw,エア流量Qa)と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。なお、各図には、燃料ポンプデューティDgのみに基づいて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値も表示した。説明変数として燃料流量Qgを加えた場合、決定係数R2は、0.712(図9参照)となり、説明変数として改質水流量Qwを加えた場合、決定係数R2は、0.867(図10参照)となり、説明変数としてエア流量Qaを加えた場合、決定係数R2は、0.465(図11参照)となった。いずれにおいても、流量データQを説明変数として加えた回帰式を用いて推定された推定値は、実際値と良好に一致していることが確認された。 9 to 11 are graphs comparing the estimated value and the actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, the flow rate data Q (fuel flow rate Qg, reforming water flow rate Qw, air flow rate Qa), and the fuel side pressure Pg. In addition, each figure also shows the estimated value when the fuel side pressure Pg is estimated based only on the fuel pump duty Dg. When the fuel flow rate Qg is added as an explanatory variable, the coefficient of determination R 2 is 0.712 (see FIG. 9). When the reforming water flow rate Qw is added as an explanatory variable, the coefficient of determination R 2 is 0.867 (see FIG. 10). When the air flow rate Qa is added as an explanatory variable, the coefficient of determination R 2 is 0.465 (see FIG. 11). In either case, it was confirmed that the estimated value estimated using the regression equation to which the flow rate data Q is added as an explanatory variable is in good agreement with the actual value.

図12は、燃料ポンプデューティDgと改質水流量Qwとエア流量Qaと燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。なお、各図には、燃料ポンプデューティDgのみに基づいて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値も表示した。説明変数として改質水流量Qwとエア流量Qaとを加えた場合、決定係数R2は、0.885(図12参照)となった。説明変数として改質水流量Qwとエア流量Qaとを加えた回帰式を用いて推定された推定値は、実際値と良好に一致していることが確認された。図13,図14,図15は、エア流量Qaに代えて、それぞれエアポンプ回転数Na,エアポンプ回転数Na2,エアポンプデューティDaを説明変数に加えた相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。説明変数として改質水流量Qwとエアポンプ回転数Naとを加えた場合、決定係数R2は、0.930(図13参照)となり、説明変数として改質水流量Qwとエアポンプ回転数Na2とを加えた場合、決定係数R2は、0.945(図14参照)となり、説明変数として改質水流量QwとエアポンプデューティDaとを加えた場合、決定係数R2は、0.937(図15参照)となった。いずれにおいても、回帰式を用いて推定された推定値は、実際値と良好に一致していることが確認された。 FIG. 12 is a graph comparing the estimated value and the actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, the reforming water flow rate Qw, the air flow rate Qa, and the fuel side pressure Pg. In addition, each figure also shows the estimated value when the fuel side pressure Pg is estimated based only on the fuel pump duty Dg. When the reforming water flow rate Qw and the air flow rate Qa are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.885 (see FIG. 12). It was confirmed that the estimated value estimated using the regression equation adding the reforming water flow rate Qw and the air flow rate Qa as explanatory variables is in good agreement with the actual value. FIGS. 13, 14, and 15 are graphs comparing the estimated value and the actual value when the fuel side pressure Pg is estimated using a correlation equation adding the air pump rotation speed Na, the air pump rotation speed Na2 , and the air pump duty Da as explanatory variables instead of the air flow rate Qa. When the reforming water flow rate Qw and the air pump rotation speed Na are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.930 (see FIG. 13), when the reforming water flow rate Qw and the air pump rotation speed Na2 are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.945 (see FIG. 14), and when the reforming water flow rate Qw and the air pump duty Da are added as explanatory variables, the coefficient of determination R2 is 0.937 (see FIG. 15). In all cases, it was confirmed that the estimated values estimated using the regression equation were in good agreement with the actual values.

図16~図20は、燃料ポンプデューティDgと温度データT(気化部温度T1,改質部温度T2,スタック温度T4,燃焼部温度T7,燃焼排ガス温度T8)と燃料側圧力Pgとの相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。なお、各図には、燃料ポンプデューティDgのみに基づいて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値も表示した。説明変数として気化部温度T1を加えた場合、決定係数R2は、0.836(図16参照)となり、説明変数として改質部温度T2を加えた場合、決定係数R2は、0.826(図17参照)となり、説明変数としてスタック温度T4を加えた場合、決定係数R2は、0.829(図18参照)となり、説明変数として燃焼部温度T7を加えた場合、決定係数R2は、0.827(図19参照)となり、説明変数として燃焼排ガス温度T8を加えた場合、決定係数R2は、0.890(図20参照)となった。いずれにおいても、回帰式を用いて推定された推定値は、実際値と良好に一致していることが確認された。 16 to 20 are graphs comparing the estimated and actual values of the fuel side pressure Pg estimated using a correlation equation between the fuel pump duty Dg, temperature data T (evaporator temperature T1, reformer temperature T2, stack temperature T4, combustor temperature T7, and exhaust gas temperature T8), and the fuel side pressure Pg. Each figure also shows the estimated value of the fuel side pressure Pg estimated based only on the fuel pump duty Dg. When the vaporizer temperature T1 was added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 was 0.836 (see FIG. 16), when the reformer temperature T2 was added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 was 0.826 (see FIG. 17), when the stack temperature T4 was added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 was 0.829 (see FIG. 18), when the combustor temperature T7 was added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 was 0.827 (see FIG. 19), and when the combustion exhaust gas temperature T8 was added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 was 0.890 (see FIG. 20). In all cases, it was confirmed that the estimated values estimated using the regression equation were in good agreement with the actual values.

なお、上述した各実施形態では、説明変数として燃料ポンプデューティDgに流量データQや温度データTの各種データを組合せた回帰式を用いて推定された燃料側圧力Pg(推定値)と実際値とを比較した。これらの比較結果や、燃料電池システム10のアノード側とカソード側とがアノードオフガス配管73,燃焼器24,カソードオフガス配管74を介して連通していること等を考慮すると、説明変数として流量データQや温度データTの他の組合せの回帰式(例えば、燃料ポンプデューティDgと燃料流量Qgと気化部温度T1とを説明変数とすると共に燃料側圧力Pgを目的変数とした回帰式や、燃料ポンプデューティDgとエア流量Qaとスタック温度T4とを説明変数とすると共に燃料側圧力Pgを目的変数とした回帰式等)を用いて推定される燃料側圧力Pgについても、同様に、実際値と良好に一致するものと考えられる。また、説明変数としてエアポンプデューティDaに流量データQや温度データTの各種データを組合せた回帰式を用いて推定されるエア側圧力Paについても、同様に、実際値と良好に一致するものと考えられる。 In the above-described embodiments, the fuel side pressure Pg (estimated value) estimated using a regression equation combining various data such as the fuel pump duty Dg with flow rate data Q and temperature data T as explanatory variables was compared with the actual value. Considering these comparison results and the fact that the anode side and cathode side of the fuel cell system 10 are connected via the anode off-gas piping 73, the combustor 24, and the cathode off-gas piping 74, it is considered that the fuel side pressure Pg estimated using a regression equation of other combinations of flow rate data Q and temperature data T as explanatory variables (for example, a regression equation using the fuel pump duty Dg, fuel flow rate Qg, and vaporizer temperature T1 as explanatory variables and the fuel side pressure Pg as the objective variable, or a regression equation using the fuel pump duty Dg, air flow rate Qa, and stack temperature T4 as explanatory variables and the fuel side pressure Pg as the objective variable) also matches well with the actual value. Similarly, the air side pressure Pa, which is estimated using a regression equation that combines the air pump duty Da with various data such as flow rate data Q and temperature data T as explanatory variables, is also thought to be in good agreement with the actual value.

上述した実施形態では、説明変数として燃料ポンプデューティDgに流量データQや温度データTを加えた回帰式を用いて燃料側圧力Pgを推定し、説明変数としてエアポンプデューティDgに流量データQや温度データTを加えた回帰式を用いてエア側圧力Paを推定した。しかし、燃料ポンプデューティDgに燃料ポンプ34の回転数(燃料ポンプ回転数Ng)やエアポンプ53の回転数(エアポンプ回転数Na)を加えた回帰式を用いて燃料側圧力Pgを推定してもよいし、エアポンプデューティDaに燃料ポンプ回転数Ngやエアポンプ回転数Naを加えた回帰式を用いてエア側圧力Paを推定してもよい。他の実施形態に係る目標流量補正処理ルーチンを図21に示す。なお、図21の目標流量補正処理ルーチンの各ステップのうち図2のルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付し、その説明は重複するから省略する。 In the above embodiment, the fuel side pressure Pg is estimated using a regression equation in which the fuel pump duty Dg is added with the flow rate data Q and the temperature data T as explanatory variables, and the air side pressure Pa is estimated using a regression equation in which the air pump duty Dg is added with the flow rate data Q and the temperature data T as explanatory variables. However, the fuel side pressure Pg may be estimated using a regression equation in which the fuel pump duty Dg is added with the rotation speed of the fuel pump 34 (fuel pump rotation speed Ng) or the rotation speed of the air pump 53 (air pump rotation speed Na), or the air side pressure Pa may be estimated using a regression equation in which the air pump duty Da is added with the fuel pump rotation speed Ng or the air pump rotation speed Na. A target flow rate correction processing routine according to another embodiment is shown in FIG. 21. Note that the same step numbers are used for the steps of the target flow rate correction processing routine in FIG. 21 that are the same as those in the routine in FIG. 2, and their descriptions will be omitted to avoid duplication.

図21の目標流量補正処理ルーチンでは、CPU101は、燃料ポンプデューティDgやエアポンプデューティDa、燃料ポンプ回転数Ng、エアポンプ回転数Naなどの処理に必要なデータを入力する(ステップS100B)。続いて、CPU101は、次式(3)の回帰式を用いて燃料ポンプデューティDgと燃料ポンプ回転数Ngとに基づいて燃料側圧力Pgを推定する(ステップS110B)。式(3)中の係数a’,b’並びに定数c’は、燃料ポンプデューティDgとエアポンプ回転数Naとを説明変数とすると共に燃料側圧力Pgを目的変数とした重回帰分析により得られたものである。これにより、専用の圧力センサを用いることなく、燃料電池システム10が備えるセンサの検出データから燃料側圧力Pgを精度よく推定することができる。なお、説明変数として、エアポンプ回転数aに代えてエアポンプデューティDaが用いられてもよい。 21, the CPU 101 inputs data necessary for processing, such as the fuel pump duty Dg, the air pump duty Da, the fuel pump rotation speed Ng, and the air pump rotation speed Na (step S100B). Next, the CPU 101 estimates the fuel side pressure Pg based on the fuel pump duty Dg and the fuel pump rotation speed Ng using the regression equation of the following equation (3) (step S110B). The coefficients a', b' and constant c' in equation (3) are obtained by multiple regression analysis using the fuel pump duty Dg and the air pump rotation speed Na as explanatory variables and the fuel side pressure Pg as the objective variable. This makes it possible to accurately estimate the fuel side pressure Pg from the detection data of the sensor provided in the fuel cell system 10 without using a dedicated pressure sensor. Note that the air pump duty Da may be used as the explanatory variable instead of the air pump rotation speed a.

Pg=a'・Dg+b'・Ng+c' …(3) Pg=a'・Dg+b'・Ng+c' …(3)

次に、CPU101は、次式(4)の回帰式を用いてエアポンプデューティDaとエアポンプ回転数Naとに基づいてエア側圧力Paを推定して(ステップS120B)、ステップS130~S170の処理を実行する。式(4)中の係数e’,f’並びに定数g’は、エアポンプデューティDaと燃料ポンプ回転数Ngとを説明変数とすると共にエア側圧力Paを目的変数とした重回帰分析により得られたものである。これにより、専用の圧力センサを用いることなく、燃料電池システム10が備えるセンサの検出データからエア側圧力Paを精度よく推定することができる。なお、説明変数として、燃料ポンプ回転数Ngに代えて燃料ポンプデューティDgが用いられてもよい。 Next, the CPU 101 estimates the air side pressure Pa based on the air pump duty Da and the air pump rotation speed Na using the regression equation of the following equation (4) (step S120B), and executes the processing of steps S130 to S170. The coefficients e', f' and constant g' in equation (4) are obtained by multiple regression analysis using the air pump duty Da and the fuel pump rotation speed Ng as explanatory variables and the air side pressure Pa as the objective variable. This makes it possible to accurately estimate the air side pressure Pa from the detection data of the sensor equipped in the fuel cell system 10, without using a dedicated pressure sensor. Note that the fuel pump duty Dg may be used as the explanatory variable instead of the fuel pump rotation speed Ng.

Pa=e'・Da+f'・Na+g' …(4) Pa = e' Da + f' Na + g' ... (4)

図22,図23,図24は、燃料ポンプデューティDgにそれぞれ、エアポンプ回転数Na,エアポンプ回転数Na2,エアポンプデューティDaを加えた相関式を用いて燃料側圧力Pgを推定した場合の推定値と実際値とを比較したグラフである。説明変数としてエアポンプ回転数Naを加えた場合、決定係数R2は、0.770(図22参照)となり、説明変数としてエアポンプ回転数Na2を加えた場合、決定係数R2は、0.831(図23参照)となり、説明変数としてエアポンプデューティDaを加えた場合、決定係数R2は、0.777(図24参照)となった。いずれにおいても、回帰式を用いて推定された推定値は、実際値と良好に一致していることが確認された。 22, 23, and 24 are graphs comparing the estimated value and the actual value when estimating the fuel side pressure Pg using a correlation equation in which the air pump rotation speed Na, the air pump rotation speed Na2 , and the air pump duty Da are added to the fuel pump duty Dg, respectively. When the air pump rotation speed Na is added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 is 0.770 (see FIG. 22). When the air pump rotation speed Na2 is added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 is 0.831 (see FIG. 23). When the air pump duty Da is added as an explanatory variable, the coefficient of determination R2 is 0.777 (see FIG. 24). In all cases, it was confirmed that the estimated value estimated using the regression equation was in good agreement with the actual value.

上述した実施形態や他の実施形態では、CPU101は、それぞれの回帰式を用いて燃料側圧力Pgとエア側圧力Paとを推定した。しかし、燃料側圧力Pgおよびエア側圧力Paのうちの一方のみの圧力を推定し、他方の圧力は圧力センサを用いて直接検出するようにしてもよい。 In the above-described embodiment and other embodiments, the CPU 101 estimates the fuel side pressure Pg and the air side pressure Pa using the respective regression equations. However, it is also possible to estimate only one of the fuel side pressure Pg and the air side pressure Pa, and detect the other pressure directly using a pressure sensor.

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック21が本開示の「燃料電池」に相当し、改質器23が「改質部」に相当し、気化器22が「蒸発部」に相当し、燃焼器24が「燃焼部」に相当し、発電モジュール20が「発電モジュール」に相当し、原燃料ガス供給装置30が「原燃料ガス供給部」に相当し、改質水供給装置40が「改質水供給部」に相当し、エア供給装置50が「酸化剤ガス供給部」に相当し、流量センサ39,54が「流量検出部」に相当し、目標流量補正処理ルーチンを実行する制御装置100のCPU101が「制御部」に相当する。また、温度センサ111,114,117,118が「温度センサ」に相当する。 The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the section on means for solving the problem will be described. In the embodiment, the fuel cell stack 21 corresponds to the "fuel cell" of the present disclosure, the reformer 23 corresponds to the "reforming section", the vaporizer 22 corresponds to the "evaporation section", the combustor 24 corresponds to the "combustion section", the power generation module 20 corresponds to the "power generation module", the raw fuel gas supply device 30 corresponds to the "raw fuel gas supply section", the reforming water supply device 40 corresponds to the "reforming water supply section", the air supply device 50 corresponds to the "oxidizer gas supply section", the flow rate sensors 39 and 54 correspond to the "flow rate detection section", and the CPU 101 of the control device 100 that executes the target flow rate correction processing routine corresponds to the "control section". Also, the temperature sensors 111, 114, 117, and 118 correspond to the "temperature sensors".

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。 The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the Means for Solving the Problem column does not limit the elements of the invention described in the Means for Solving the Problem column, since the embodiment is an example for specifically explaining the form for implementing the invention described in the Means for Solving the Problem column. In other words, the interpretation of the invention described in the Means for Solving the Problem column should be based on the description in that column, and the embodiment is merely a specific example of the invention described in the Means for Solving the Problem column.

以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 Although the above describes the form for implementing this disclosure using embodiments, this disclosure is in no way limited to these embodiments, and it goes without saying that this disclosure can be implemented in various forms without departing from the spirit of this disclosure.

本開示は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。 This disclosure can be used in the fuel cell system manufacturing industry, etc.

1 原燃料供給源、2 電力系統、3 電力ライン、4 負荷、10 燃料電池システム、20 発電モジュール、21 燃料電池スタック、22 気化器、23 改質器、24 燃焼器、25 点火装置、26 熱交換器、28 燃焼触媒、29 モジュールケース、30 原燃料ガス供給装置、31 原燃料ガス供給管、32,33 開閉弁、34 燃料ポンプ、35 脱硫器、39 流量センサ、40 改質水供給装置、41 改質水供給管、42 改質水タンク、43 改質水ポンプ、44 凝縮水配管、50 エア供給装置、51 エア供給管、52 エアフィルタ、53 エアポンプ、54 流量センサ、60 排熱回収装置、61 貯湯タンク、62 凝縮器、63 循環配管、64 循環ポンプ、71 アノードガス配管、72 カソードガス配管、73 アノードオフガス配管、74 カソードオフガス配管、75 燃焼排ガス配管、80 パワーコンディショナ、81 電源基板、100 制御装置、101 CPU、102 ROM、103 RAM、111,114,117,118 温度センサ、121 電流センサ、122 電圧センサ。 1 raw fuel supply source, 2 power system, 3 power line, 4 load, 10 fuel cell system, 20 power generation module, 21 fuel cell stack, 22 vaporizer, 23 reformer, 24 combustor, 25 ignition device, 26 heat exchanger, 28 combustion catalyst, 29 module case, 30 raw fuel gas supply device, 31 raw fuel gas supply pipe, 32, 33 on-off valve, 34 fuel pump, 35 desulfurizer, 39 flow sensor, 40 reforming water supply device, 41 reforming water supply pipe, 42 reforming water tank, 43 reforming water pump, 44 condensed water pipe, 50 air supply device, 51 air supply pipe, 52 air filter, 53 air pump, 54 flow sensor, 60 exhaust heat recovery device, 61 hot water tank, 62 condenser, 63 circulation pipe, 64 circulation pump, 71 anode gas pipe, 72 Cathode gas piping, 73 Anode off gas piping, 74 Cathode off gas piping, 75 Combustion exhaust gas piping, 80 Power conditioner, 81 Power supply board, 100 Control device, 101 CPU, 102 ROM, 103 RAM, 111, 114, 117, 118 Temperature sensor, 121 Current sensor, 122 Voltage sensor.

Claims (6)

アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を含む発電モジュールと、
ポンプの駆動により前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給部と、
ポンプの駆動により前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給部と、
ポンプの駆動により前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記原燃料ガス、前記改質水および前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つの流量を検出する流量検出部と、
前記原燃料ガス供給部または前記酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得した前記ポンプの駆動状態と前記流量検出部により検出された流量とに基づいて、前記ポンプの駆動状態に基づく値と前記流量に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定し、推定した前記圧力に基づいて前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
a power generation module including: a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode side and an oxidant gas supplied to a cathode side; a reforming section that uses water vapor to reform a raw fuel gas into the fuel gas; an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor; and a combustion section that combusts an off-gas discharged from the fuel cell;
a reforming water supply unit that supplies the reforming water to the evaporator by driving a pump;
a raw fuel gas supply unit that supplies the raw fuel gas to the reforming unit by driving a pump;
an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to a cathode side of the fuel cell by driving a pump;
a flow rate detection unit that detects a flow rate of at least one of the raw fuel gas, the reforming water, and the oxidizing gas;
a control unit that acquires a driving state of a pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired driving state of the pump and the flow rate detected by the flow rate detection unit, using a relationship between a value based on the driving state of the pump, a value based on the flow rate, and a value of pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell, and controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit based on the estimated pressure;
A fuel cell system comprising:
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池、前記改質部、前記蒸発部、前記燃焼部、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスおよび前記酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち少なくとも一つの温度を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、取得した前記ポンプの駆動状態と前記流量検出部により検出された流量と前記温度検出部により検出された温度とに基づいて、前記ポンプの駆動状態に基づく値と前記流量に基づく値と前記温度に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定する、
燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1,
a temperature detection unit that detects a temperature of at least one of the fuel cell, the reforming unit, the evaporating unit, the combustion unit, the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit, and the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply unit,
the control unit estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired driving state of the pump, the flow rate detected by the flow rate detection unit, and the temperature detected by the temperature detection unit, using a relationship between a value based on the driving state of the pump, a value based on the flow rate, a value based on the temperature, and a value of the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell.
Fuel cell system.
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を含む発電モジュールと、
ポンプの駆動により前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給部と、
ポンプの駆動により前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給部と、
ポンプの駆動により前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池、前記改質部、前記蒸発部、前記燃焼部、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスおよび前記酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち少なくとも一つの温度を検出する温度検出部と、
前記原燃料ガス供給部または前記酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態を取得し、取得した前記ポンプの駆動状態と前記温度検出部により検出された温度とに基づいて、前記ポンプの駆動状態に基づく値と前記温度に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定し、推定した前記圧力に基づいて前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
a power generation module including: a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode side and an oxidant gas supplied to a cathode side; a reforming section that uses water vapor to reform a raw fuel gas into the fuel gas; an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor; and a combustion section that combusts an off-gas discharged from the fuel cell;
a reforming water supply unit that supplies the reforming water to the evaporator by driving a pump;
a raw fuel gas supply unit that supplies the raw fuel gas to the reforming unit by driving a pump;
an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to a cathode side of the fuel cell by driving a pump;
a temperature detection unit that detects a temperature of at least one of the fuel cell, the reforming unit, the evaporating unit, the combustion unit, the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit, and the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply unit; and
a control unit that acquires a driving state of a pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired driving state of the pump and the temperature detected by the temperature detection unit, using a relationship between a value based on the driving state of the pump, a value based on the temperature, and a value of the pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell, and controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit based on the estimated pressure;
A fuel cell system comprising:
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を含む発電モジュールと、
ポンプの駆動により前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給部と、
ポンプの駆動により前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給部と、
ポンプの駆動により前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記原燃料ガス供給部または前記酸化剤ガス供給部のポンプの駆動状態としてデューティおよび回転数を取得し、取得した前記ポンプのデューティおよび回転数に基づいて、前記ポンプのデューティに基づく値と前記ポンプの回転数に基づく値と前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力の値との関係を用いて、前記燃料電池の前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力を推定し、推定した前記圧力に基づいて前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
a power generation module including: a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode side and an oxidant gas supplied to a cathode side; a reforming section that uses water vapor to reform a raw fuel gas into the fuel gas; an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor; and a combustion section that combusts an off-gas discharged from the fuel cell;
a reforming water supply unit that supplies the reforming water to the evaporator by driving a pump;
a raw fuel gas supply unit that supplies the raw fuel gas to the reforming unit by driving a pump;
an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas to a cathode side of the fuel cell by driving a pump;
a control unit that acquires a duty and a rotation speed as a driving state of a pump of the raw fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit, and estimates a pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell based on the acquired duty and rotation speed of the pump using a relationship between a value based on the pump duty, a value based on the pump rotation speed, and a value of a pressure acting on the anode side or the cathode side of the fuel cell, and controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit based on the estimated pressure;
A fuel cell system comprising:
請求項1ないし4いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力が所定圧力を超える場合に、当該圧力が低下するように前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する、
燃料電池システム。
5. The fuel cell system according to claim 1,
the control unit controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit so that the pressure acting on the anode side or the cathode side exceeds a predetermined pressure, the pressure being reduced.
Fuel cell system.
請求項1ないし4いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記アノード側または前記カソード側に作用する圧力に基づいて前記アノード側に作用する圧力と前記カソード側に作用する圧力との差圧を推定し、推定した前記差圧が所定差圧を超える場合に、当該差圧が低下するように前記原燃料ガス供給部と前記改質水供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御する、
燃料電池システム。
5. The fuel cell system according to claim 1,
the control unit estimates a differential pressure between the pressure acting on the anode side and the pressure acting on the cathode side based on the pressure acting on the anode side or the cathode side, and when the estimated differential pressure exceeds a predetermined differential pressure, controls the raw fuel gas supply unit, the reforming water supply unit, and the oxidant gas supply unit so as to reduce the differential pressure.
Fuel cell system.
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