JP5646223B2 - Fuel cell power generation system and operation method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system and an operation method thereof.

燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すシステムである。この燃料電池発電システムは、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を持っている。最近では、小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が加速し、家庭用燃料電池発電システムの販売が開始された。この家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、電力と発電に伴う排熱を供給する熱電併給、いわゆるコージェネレーション装置として使用される。   The fuel cell power generation system is a system that takes out electricity directly by electrochemically reacting hydrogen as fuel and oxygen as oxidant. This fuel cell power generation system has an excellent environmental characteristic in that it can extract electrical energy with high efficiency and at the same time does not emit quiet and harmful exhaust gas. Recently, the development of small PEFC (Polymer Polymer Fuel Cell) has accelerated, and sales of household fuel cell power generation systems have started. This relatively small fuel cell power generation system for home use or small-scale business is used as a combined heat and power supply so-called cogeneration device that supplies electric power and exhaust heat accompanying power generation.

現在は、燃料供給基盤の制約によって、都市ガスやＬＰガス、灯油などの炭化水素系燃料により発電する燃料電池発電システムを中心に開発、商品化が進められている。将来的には水素供給基盤の整備が計画されており、水素循環型の社会が到来すると考えられ、燃料電池発電システムは水素循環型社会の重要な構成要素となることが期待されている。すなわち純水素を燃料とする純水素型燃料電池発電システムが家庭のあるいは小規模事業者のエネルギーを供給するようになる。   Currently, fuel cell power generation systems that generate electricity using hydrocarbon fuels such as city gas, LP gas, and kerosene are being developed and commercialized due to restrictions on the fuel supply base. In the future, a hydrogen supply infrastructure is planned, and a hydrogen-circulating society is expected to arrive. Fuel cell power generation systems are expected to become an important component of a hydrogen-circulating society. That is, a pure hydrogen fuel cell power generation system using pure hydrogen as fuel supplies household or small-scale business operators.

純水素型燃料電池発電システムにおいては、発電部である燃料電池本体における燃料利用率を可能な限り高めることが、システム全体の発電効率向上に寄与する。ここで、燃料利用率は、次式で求めることができる。   In a pure hydrogen fuel cell power generation system, increasing the fuel utilization rate in the fuel cell main body, which is a power generation unit, as much as possible contributes to improving the power generation efficiency of the entire system. Here, the fuel utilization rate can be obtained by the following equation.

燃料利用率［％］
＝燃料電池本体で発電に使用する水素発熱量［ｋｃａｌ／Ｎｍ３（ＬＨＶ）］
／燃料電池本体に供給する水素発熱量［ｋｃａｌ／Ｎｍ３（ＬＨＶ）］
×１００
＝電流値［Ａ］×２２．４×６０×セル枚数
／（Ｆ×２×燃料流量［ＮＬ／ｍｉｎ］）×１００
ここで、水素発熱量は低位発熱量（ＬＨＶ：Lower Heating Value）であり、Ｆ＝９６４８５（ファラデー定数）である。 Fuel utilization rate [%]
= Hydrogen calorific value [kcal / Nm 3 (LHV)] used for power generation in the fuel cell body
/ Heat generation amount of hydrogen supplied to the fuel cell body [kcal / Nm 3 (LHV)]
× 100
= Current value [A] × 22.4 × 60 × number of cells / (F × 2 × fuel flow rate [NL / min]) × 100
Here, the hydrogen heating value is a lower heating value (LHV), and F = 96485 (Faraday constant).

特開２００８−２６２７８６号公報JP 2008-262786 A

純水素型燃料電池発電システムにおいては、発電部である燃料電池本体における燃料利用率を可能な限り高めることが、システム全体の発電効率向上に寄与する。燃料電池発電システムにおける燃料利用率は、燃料電池本体に供給する水素流量を計測する流量計指示値、燃料電池本体の電流値を計測する電流センサー指示値および燃料電池本体を構成するセル枚数から計算することができる。しかし、流量計や電流センサーの測定誤差によっては、計算によって求まる燃料利用率が実際の燃料電池本体における燃料利用率よりも低くなる可能性がある。計算によって求めた燃料利用率が実際の燃料利用率よりも低い場合、さらに燃料利用率を高めてしまうと、燃料電池本体に必要な燃料が不足している状態で運転が継続される可能性がある。燃料電池本体に必要な燃料が不足している状態で運転が継続されると、燃料電池本体が劣化する。   In a pure hydrogen fuel cell power generation system, increasing the fuel utilization rate in the fuel cell main body, which is a power generation unit, as much as possible contributes to improving the power generation efficiency of the entire system. The fuel utilization rate in the fuel cell power generation system is calculated from the flow meter instruction value for measuring the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell body, the current sensor instruction value for measuring the current value of the fuel cell body, and the number of cells constituting the fuel cell body. can do. However, depending on the measurement error of the flow meter and the current sensor, the fuel utilization rate obtained by calculation may be lower than the actual fuel utilization rate in the fuel cell body. If the calculated fuel usage rate is lower than the actual fuel usage rate, further increase in the fuel usage rate may continue the operation in a state where the fuel required for the fuel cell body is insufficient. is there. If the operation is continued in a state where the fuel required for the fuel cell main body is insufficient, the fuel cell main body deteriorates.

そこで、本発明は、燃料電池本体への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to reduce the possibility of insufficient supply of hydrogen to the fuel cell body.

上述の課題を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する燃焼温度センサーと、前記燃料電池本体の内部に冷却通路が形成され、この冷却通路から排出された冷却水の出口温度を測定する冷却水出口温度センサーと、前記燃焼温度センサーが測定する温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御器と、を有し、前記制御器は、前記燃焼温度センサーで測定した温度が、前記冷却水出口温度センサーが測定した温度の関数の設定温度以下のときに燃料供給量を増加させることを特徴とする。 In order to achieve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell power generation system that uses hydrogen supplied to a fuel electrode and oxygen supplied to an oxidant electrode to generate power, and the fuel electrode. A fuel adjusting means for adjusting the amount of hydrogen to be generated; an oxygen supplying means for supplying oxygen to the oxidant electrode; a combustor for burning the gas discharged from the fuel electrode; and a temperature of the combustion gas in the combustor. A combustion temperature sensor to be measured, a cooling passage is formed inside the fuel cell body, a cooling water outlet temperature sensor for measuring an outlet temperature of the cooling water discharged from the cooling passage, and a temperature measured by the combustion temperature sensor have a, a controller for controlling the fuel acceleration unit based on the controller, the temperature measured by the combustion temperature sensor, the function of the temperature of the cooling water outlet temperature sensor is measured Wherein the increasing the fuel supply amount when: a constant temperature.

また、本発明は、燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する燃焼温度センサーと、前記燃料電池本体の内部に冷却通路が形成され、この冷却通路から排出された冷却水の出口温度を測定する冷却水出口温度センサーと、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程で測定した温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御工程と、を有し、前記制御工程は、前記燃焼温度センサーで測定した温度が、前記冷却水出口温度センサーが測定した温度の関数の設定温度以下のときに燃料供給量を増加させることを特徴とする。 The present invention also provides a fuel cell body that generates power using hydrogen supplied to the fuel electrode and oxygen supplied to the oxidant electrode, fuel adjusting means for adjusting the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode, An oxygen supply means for supplying oxygen to the oxidizer electrode, a combustor for burning the gas discharged from the fuel electrode, a combustion temperature sensor for measuring the temperature of the combustion gas in the combustor, and a fuel cell body A cooling water outlet temperature sensor that includes a cooling passage formed therein and that measures an outlet temperature of the cooling water discharged from the cooling passage , wherein the combustion gas in the combustor possess a temperature measuring step of measuring a temperature, and a control step of controlling the fuel acceleration unit based on the temperature measured by the temperature measuring step, the control process is measured by the combustion temperature sensor temperature , Characterized in that to increase the fuel supply amount when the following set temperature function of the temperature of the cooling water outlet temperature sensor is measured.

本発明によれば、燃料電池本体への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the possibility of shortage of the amount of hydrogen to the fuel cell body is caused.

本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。1 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention. 燃料電池発電システムにおいて燃料極に供給される燃料ガスの流量を測定する燃料流量計の指示値に対する誤差と燃料利用率の計算値の誤差との関係の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the relationship between the difference | error with respect to the instruction | indication value of the fuel flow meter which measures the flow volume of the fuel gas supplied to a fuel electrode in a fuel cell power generation system, and the calculated value of a fuel utilization factor. 本実施の形態における燃料利用率と理論断熱燃焼温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fuel usage rate in this Embodiment, and theoretical adiabatic combustion temperature. 本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。It is a block diagram in 2nd Embodiment of the fuel cell power generation system which concerns on this invention.

本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   An embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention.

本実施の形態の燃料電池発電システムは、水素供給源４４から水素を供給されて発電および給湯するいわゆる純水素型燃料電池発電システムである。水素は、純粋な水素ガスあるいは水素を豊富に含むガスとして水素供給源４４から供給される。水素供給源４４は、パイプライン、貯蔵設備、あるいは、複数の燃料電池発電システムに水素を供給するために設置された中央設置燃料処理装置などである。   The fuel cell power generation system according to the present embodiment is a so-called pure hydrogen fuel cell power generation system that supplies hydrogen from a hydrogen supply source 44 to generate power and hot water. Hydrogen is supplied from the hydrogen supply source 44 as pure hydrogen gas or a gas rich in hydrogen. The hydrogen supply source 44 is a pipeline, storage facility, or a centrally installed fuel processing apparatus installed to supply hydrogen to a plurality of fuel cell power generation systems.

燃料電池発電システムは、燃料電池本体２と、燃料極排気流量調整弁１２と、空気ブロワ４と、燃焼器５と、燃焼温度センサー１３と、制御器５１とを有している。燃料電池本体２は、電解質膜を挟んで設けられた燃料極４１と空気極４２とを有している。燃料電池本体２の内部には、冷却流路４３が形成されている。   The fuel cell power generation system includes a fuel cell main body 2, a fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12, an air blower 4, a combustor 5, a combustion temperature sensor 13, and a controller 51. The fuel cell main body 2 has a fuel electrode 41 and an air electrode 42 provided with an electrolyte membrane interposed therebetween. A cooling flow path 43 is formed inside the fuel cell main body 2.

燃料電池本体２の燃料極４１は、水素供給源４４に接続されている。燃料極４１の排気は、燃料極排気流量調整弁１２を介して燃焼器５に送られる。燃料極排気流量調整弁１２を調節することによって排気流量は変化し、これにともなって水素供給源４４から燃料極４１に送られる燃料流量、すなわち、単位時間当たりの水素の供給量は変化する。つまり、燃料極排気流量調整弁１２は、燃料極４１に供給される水素量を加減する手段である。   The fuel electrode 41 of the fuel cell main body 2 is connected to a hydrogen supply source 44. Exhaust gas from the fuel electrode 41 is sent to the combustor 5 through the fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12. By adjusting the fuel electrode exhaust flow rate adjusting valve 12, the exhaust flow rate changes, and accordingly, the fuel flow rate sent from the hydrogen supply source 44 to the fuel electrode 41, that is, the supply amount of hydrogen per unit time changes. That is, the fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12 is a means for adjusting the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 41.

燃料電池本体２の空気極４２は、空気ブロワ４の排気側に接続されている。空気ブロワ４の吸気側は、空気フィルター３に接続されている。空気極４２の排気は、燃料極排気流量調整弁１２の下流側で燃料極４１の排気と予混合されて燃焼器５に送られる。   The air electrode 42 of the fuel cell main body 2 is connected to the exhaust side of the air blower 4. The intake side of the air blower 4 is connected to the air filter 3. The exhaust of the air electrode 42 is premixed with the exhaust of the fuel electrode 41 on the downstream side of the fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12 and sent to the combustor 5.

燃焼器５の排気は、燃焼排ガス熱交換器７の高温側を通過した後、凝縮器８に送られる。凝縮器８に蓄えられた凝縮水は、冷却水ポンプによって燃料電池本体２の冷却流路４３に送られる。冷却流路４３から流れ出た冷却水は、冷却水熱交換器６の高温側を通過して凝縮器８に戻る。   The exhaust gas from the combustor 5 passes through the high temperature side of the combustion exhaust gas heat exchanger 7 and is then sent to the condenser 8. The condensed water stored in the condenser 8 is sent to the cooling flow path 43 of the fuel cell main body 2 by a cooling water pump. The cooling water flowing out from the cooling flow path 43 passes through the high temperature side of the cooling water heat exchanger 6 and returns to the condenser 8.

また、燃料電池発電システムは、パッケージ１の外部に貯湯槽３０を有している。貯湯槽３０から水が排熱回収水ポンプ９で送出される。排熱回収水ポンプ９で送出された水は、凝縮器８の低温側、冷却水熱交換器６の低温側、燃焼排ガス熱交換器７の低温側を順次通過して貯湯槽３０に戻る。   The fuel cell power generation system has a hot water storage tank 30 outside the package 1. Water is sent out from the hot water tank 30 by the exhaust heat recovery water pump 9. The water sent out by the exhaust heat recovery water pump 9 sequentially passes through the low temperature side of the condenser 8, the low temperature side of the cooling water heat exchanger 6, and the low temperature side of the combustion exhaust gas heat exchanger 7 and returns to the hot water storage tank 30.

燃焼器５には、燃焼温度センサー１３が取り付けられている。燃焼温度センサー１３が測定した温度を示す信号は、制御器５１に送られる。また、冷却流路４３の出口近傍には、冷却流路４３から排出された冷却水の温度を測定する冷却水出口温度センサー５３が取り付けられている。冷却水出口温度センサー５３が測定した温度を示す信号は、制御器５１に送られる。制御器５１は、燃焼温度センサー１３が測定した温度に基づいて燃料極排気流量調整弁１２の開度を制御する。   A combustion temperature sensor 13 is attached to the combustor 5. A signal indicating the temperature measured by the combustion temperature sensor 13 is sent to the controller 51. A cooling water outlet temperature sensor 53 that measures the temperature of the cooling water discharged from the cooling flow path 43 is attached in the vicinity of the outlet of the cooling flow path 43. A signal indicating the temperature measured by the coolant outlet temperature sensor 53 is sent to the controller 51. The controller 51 controls the opening degree of the anode exhaust flow rate adjustment valve 12 based on the temperature measured by the combustion temperature sensor 13.

このような燃料電池発電システムにおいて、水素供給源４４から供給された燃料は、燃料電池本体２の燃料極４１へ供給される。また、燃料電池本体２の空気極４２へは、空気フィルター３にて不純物や粉塵を取り除いた空気が空気ブロワ４によって供給される。燃料極４１に供給された水素および空気極４２に供給された酸素によって電池反応が生じ、燃料電池本体２は起電力を発生する。   In such a fuel cell power generation system, the fuel supplied from the hydrogen supply source 44 is supplied to the fuel electrode 41 of the fuel cell main body 2. Further, air from which impurities and dust have been removed by the air filter 3 is supplied to the air electrode 42 of the fuel cell main body 2 by the air blower 4. A cell reaction occurs due to the hydrogen supplied to the fuel electrode 41 and the oxygen supplied to the air electrode 42, and the fuel cell body 2 generates an electromotive force.

燃料極４１に供給された燃料は、燃料電池本体２における発電反応に一部消費される。燃料極４１の排ガスは、燃料極排気流量調整弁１２により設定された流量で排出される。空気流量は空気ブロワ４の可変速制御あるいは流量調整弁などにより調整可能であり、その流量は燃料電池本体２の発電量の関数として決定される。   A part of the fuel supplied to the fuel electrode 41 is consumed in the power generation reaction in the fuel cell main body 2. The exhaust gas from the fuel electrode 41 is discharged at a flow rate set by the fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12. The air flow rate can be adjusted by variable speed control of the air blower 4 or a flow rate adjusting valve, and the flow rate is determined as a function of the power generation amount of the fuel cell main body 2.

燃料極４１の排気は、燃焼器５の内部で燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この高温の燃焼ガスは、燃焼排ガス熱交換器７および凝縮器８を経て低温の排気としてパッケージ１外へ排出される。排熱回収水は、排熱回収水ポンプ９によってパッケージ１と貯湯槽３０とを結ぶ排熱回収水循環ラインを循環する。この循環の際に、排熱回収水は、冷却水ポンプ１０によって燃料電池本体２に供給されて燃料電池本体２で加温された冷却水および燃焼器５からの燃焼排ガスから、冷却水熱交換器６および燃焼排ガス熱交換器７で熱回収する。回収した熱は、温められた水として貯湯槽３０に蓄えられる。   Exhaust gas from the fuel electrode 41 is combusted inside the combustor 5 and becomes high-temperature combustion gas. This high-temperature combustion gas is discharged out of the package 1 as low-temperature exhaust gas through the combustion exhaust gas heat exchanger 7 and the condenser 8. The exhaust heat recovery water is circulated through an exhaust heat recovery water circulation line connecting the package 1 and the hot water tank 30 by the exhaust heat recovery water pump 9. During this circulation, the exhaust heat recovery water is supplied to the fuel cell main body 2 by the cooling water pump 10 and heated from the fuel cell main body 2 and the combustion exhaust gas from the combustor 5 to exchange cooling water heat. The heat is recovered by the vessel 6 and the combustion exhaust gas heat exchanger 7. The recovered heat is stored in the hot water tank 30 as warmed water.

発電時の燃料電池本体２の電流値は、電流センサー１４により計測される。電流センサー１４により計測される電流値と燃料電池本体２を構成するセル枚数から、燃料電池本体２の発電によって消費される水素量および酸素量が計算によって求められる。そこで、空気極４２に供給される空気量は、たとえば燃料電池本体２の電流値に基づいて制御される。また、供給された空気量と、電流値から求められた酸素消費量とから算出される空気極４２の下流の酸素濃度をたとえば空気極４２の下流側に設けられた酸素センサー５２によって測定された酸素濃度とを比較して、供給する空気流量を空気利用率が一定になるように制御してもよい。   The current value of the fuel cell body 2 during power generation is measured by the current sensor 14. From the current value measured by the current sensor 14 and the number of cells constituting the fuel cell body 2, the amount of hydrogen and the amount of oxygen consumed by the power generation of the fuel cell body 2 are obtained by calculation. Therefore, the amount of air supplied to the air electrode 42 is controlled based on the current value of the fuel cell main body 2, for example. Further, the oxygen concentration downstream of the air electrode 42 calculated from the supplied air amount and the oxygen consumption amount obtained from the current value is measured by, for example, an oxygen sensor 52 provided on the downstream side of the air electrode 42. The air flow rate to be supplied may be controlled to be constant by comparing the oxygen concentration.

電流センサー１４により計測される電流値と燃料電池本体２を構成するセル枚数から燃料電池本体２の発電によって消費される水素量が計算により求まる。したがって、燃料極４１に供給される水素量が分かれば、どれだけの水素が燃料電池本体２で消費されたかが分かる。つまり、燃料極４１に供給される燃料ガスの流量をたとえば流量計で測定すれば、電流センサー１４により計測される電流値および燃料電池本体２を構成するセル枚数とから計算によって求められる消費水素量から、燃料電池本体２に供給される燃料の内、どれだけの水素が燃料電池本体２で消費されたか、すなわち燃料利用率を求めることができる。   From the current value measured by the current sensor 14 and the number of cells constituting the fuel cell main body 2, the amount of hydrogen consumed by the power generation of the fuel cell main body 2 is obtained by calculation. Therefore, if the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 41 is known, it can be understood how much hydrogen is consumed in the fuel cell body 2. That is, if the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode 41 is measured with, for example, a flow meter, the amount of hydrogen consumed that is calculated by calculation from the current value measured by the current sensor 14 and the number of cells constituting the fuel cell body 2. Thus, it is possible to determine how much hydrogen is consumed in the fuel cell main body 2 among the fuel supplied to the fuel cell main body 2, that is, the fuel utilization rate.

流量計の測定精度はそれほど高いものではない。その結果、燃料流量計の指示値に基づいて燃料利用率を求めた場合、その精度はそれほど高いものではない。   The measurement accuracy of the flow meter is not so high. As a result, when the fuel utilization rate is obtained based on the indicated value of the fuel flow meter, the accuracy is not so high.

図２は、燃料電池発電システムにおいて燃料極に供給される燃料ガスの流量を測定する燃料流量計の指示値に対する誤差と燃料利用率の計算値の誤差との関係の例を示すグラフである。   FIG. 2 is a graph showing an example of a relationship between an error with respect to an indication value of a fuel flow meter for measuring a flow rate of fuel gas supplied to a fuel electrode in a fuel cell power generation system and an error in a calculated value of the fuel utilization rate.

たとえば、流量計の流量精度が、流量計のフルスケール（ＦＳ）に対して１％である（１％ＦＳ）場合、計算によって求まる燃料利用率は、実際の燃料電池本体における燃料利用率と比較して５％程度低めにずれる可能性がある。このような場合、たとえば燃料利用率が９５％となるように目標値を設定して運転すると、実際には燃料利用率が１００％になる可能性がある。つまり、このような場合、燃料電池本体に必要な燃料供給量が不足した状態で運転が継続される。燃料電池本体に必要な燃料供給量が不足した状態で運転を行うと、燃料電池本体を構成する燃料極において局部的な水素不足が生じる。燃料極に水素不足が生じると、燃料極を構成するカーボンが消失し、燃料電池本体が劣化する原因となる可能性がある。逆に、燃料利用率のずれを考慮して、燃料利用率が１００％になることがないように制御しようとすると、水素の利用率が過度に低下してしまうこととなる。   For example, when the flow rate accuracy of the flow meter is 1% (1% FS) with respect to the full scale (FS) of the flow meter, the fuel utilization rate obtained by calculation is compared with the fuel utilization rate in the actual fuel cell body. Therefore, there is a possibility that it is shifted by about 5%. In such a case, for example, if the target value is set so that the fuel usage rate becomes 95%, the fuel usage rate may actually become 100%. That is, in such a case, the operation is continued in a state where the fuel supply amount necessary for the fuel cell main body is insufficient. When operation is performed in a state where the fuel supply amount necessary for the fuel cell body is insufficient, local hydrogen shortage occurs in the fuel electrode constituting the fuel cell body. When hydrogen shortage occurs in the fuel electrode, carbon constituting the fuel electrode disappears, which may cause deterioration of the fuel cell body. On the other hand, if an attempt is made to control the fuel utilization rate so that it does not become 100% in consideration of the deviation of the fuel utilization rate, the utilization rate of hydrogen will be excessively lowered.

そこで、本実施の形態では、比較的高い精度で測定できる燃焼器５での燃焼ガスの温度に基づいて燃料流量を制御している。燃焼器５に流入した混合ガスの理論断熱燃焼温度は、燃焼器５入口でのガス温度およびその混合ガスの組成によって決まる。燃焼器５入口でのガス温度は、燃料極４１および空気極４２の出口でのガス温度とほぼ等しい。燃料極４１および空気極４２の出口でのガスは、冷却流路４３出口での冷却水の温度にほぼ等しく、かつ、水蒸気が飽和した状態にある。したがって、燃焼器５入口での混合ガスの温度は、冷却流路４３出口において冷却水出口温度センサー５３で測定した温度に等しい。また、燃焼器５に流入する混合ガスの組成は、水素濃度すなわち燃料利用率を除き求めることができる。   Therefore, in the present embodiment, the fuel flow rate is controlled based on the temperature of the combustion gas in the combustor 5 that can be measured with relatively high accuracy. The theoretical adiabatic combustion temperature of the mixed gas flowing into the combustor 5 is determined by the gas temperature at the inlet of the combustor 5 and the composition of the mixed gas. The gas temperature at the inlet of the combustor 5 is substantially equal to the gas temperature at the outlet of the fuel electrode 41 and the air electrode 42. The gas at the outlet of the fuel electrode 41 and the air electrode 42 is substantially equal to the temperature of the cooling water at the outlet of the cooling flow path 43, and the water vapor is saturated. Accordingly, the temperature of the mixed gas at the inlet of the combustor 5 is equal to the temperature measured by the cooling water outlet temperature sensor 53 at the outlet of the cooling channel 43. Further, the composition of the mixed gas flowing into the combustor 5 can be obtained by excluding the hydrogen concentration, that is, the fuel utilization rate.

図３は、本実施の形態における燃料利用率と理論断熱燃焼温度との関係を示すグラフである。図３において、空気極４２における空気利用率は一定としている。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the fuel utilization rate and the theoretical adiabatic combustion temperature in the present embodiment. In FIG. 3, the air utilization rate in the air electrode 42 is constant.

理論断熱燃焼温度は、燃料利用率が増加に伴って単調に減少する。本実施の形態において、燃焼器５における理論断熱燃焼温度は、燃料利用率を変数とした一次関数で近似される。そこで、本実施の形態では、目標とする燃料利用率に対応する理論断熱燃焼温度を燃焼温度の設定値とし、燃焼温度センサー１３が測定した温度がこの設定値よりも低くなった場合、制御器５１は燃料極排気流量調整弁１２の開度を大きくして燃料極４１への水素の供給量を増加させる。   The theoretical adiabatic combustion temperature decreases monotonically with increasing fuel utilization. In the present embodiment, the theoretical adiabatic combustion temperature in the combustor 5 is approximated by a linear function with the fuel utilization rate as a variable. Therefore, in this embodiment, when the theoretical adiabatic combustion temperature corresponding to the target fuel utilization rate is set as the set value of the combustion temperature, and the temperature measured by the combustion temperature sensor 13 is lower than this set value, the controller 51 increases the opening of the fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12 to increase the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 41.

このように運転制御することにより、燃料極４１に供給される燃料ガスの流量を測定する燃料流量計や電流センサー１４の測定誤差に関わらず、燃料極４１での燃料利用率をある一定値以下に制御することができる。その結果、燃料電池本体２への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することができる。つまり、燃料極４１で局部的な水素不足が生じて腐食が発生する可能性を低減することができる。したがって、燃料電池発電システムを高燃料利用率で長期安定運転が可能となる。また、本実施の形態では、燃焼器５での燃焼温度によって、燃料流量を推定できる。よって、燃料極４１に流入する燃料の流量を測定する燃料流量計を設ける必要がなく、システムを簡素化できる。   By controlling the operation in this way, the fuel utilization rate at the fuel electrode 41 is less than a certain value regardless of the measurement error of the fuel flow meter that measures the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode 41 or the current sensor 14. Can be controlled. As a result, it is possible to reduce the possibility of insufficient supply of hydrogen to the fuel cell main body 2. That is, it is possible to reduce the possibility of corrosion due to local shortage of hydrogen in the fuel electrode 41. Therefore, the fuel cell power generation system can be stably operated for a long time with a high fuel utilization rate. In the present embodiment, the fuel flow rate can be estimated from the combustion temperature in the combustor 5. Therefore, it is not necessary to provide a fuel flow meter for measuring the flow rate of the fuel flowing into the fuel electrode 41, and the system can be simplified.

燃焼器５の断熱が完全ではない場合、燃焼ガスの温度は理論断熱燃焼温度よりも低くなる。しかし、燃焼ガスの温度が低くなることは、燃料利用率を高く見積もることである。したがって、燃焼ガスの温度が所定の温度以下にならないように水素供給量を増加させることにより、燃料利用率が目標の値を超えることはない。   If the heat insulation of the combustor 5 is not perfect, the temperature of the combustion gas is lower than the theoretical adiabatic combustion temperature. However, when the temperature of the combustion gas is lowered, the fuel utilization rate is estimated to be high. Therefore, the fuel utilization rate does not exceed the target value by increasing the hydrogen supply amount so that the temperature of the combustion gas does not fall below the predetermined temperature.

本実施の形態では、冷却流路４３出口での冷却水の温度を燃焼器５の入口での混合ガスの温度としている。燃料極４１および空気極４２から排出されたガスの温度は、燃焼器５に到達するまでに、配管からの放熱などにより温度が低下する可能性がある。しかし、燃焼器５の入口での混合ガスの温度が想定した値よりも低い場合にも、燃焼ガスの温度は理論断熱燃焼温度よりも低くなる。この場合にも、燃焼ガスの温度が所定の温度以下にならないように水素供給量を増加させることにより、燃料利用率が目標の値を超えることはない。   In the present embodiment, the temperature of the cooling water at the outlet of the cooling channel 43 is the temperature of the mixed gas at the inlet of the combustor 5. The temperature of the gas discharged from the fuel electrode 41 and the air electrode 42 may decrease due to heat radiation from the piping before reaching the combustor 5. However, even when the temperature of the mixed gas at the inlet of the combustor 5 is lower than the assumed value, the temperature of the combustion gas is lower than the theoretical adiabatic combustion temperature. Also in this case, the fuel utilization rate does not exceed the target value by increasing the hydrogen supply amount so that the temperature of the combustion gas does not fall below the predetermined temperature.

また、本実施の形態では、燃焼器５の燃焼温度をある一定値以上に維持するため、燃料極４１の排気中に含まれる水素を確実に燃焼器５で燃焼させることができる。その結果、パッケージ１外に排出される排気中に、水素が含まれず、安全性を向上させることができる。さらに、燃焼器５の燃焼温度を高めることにより、燃焼器５で発生した熱の回収効率が向上する。また、貯湯槽３０に蓄えられる湯の温度を高めることができるため、同じ容量の貯湯槽３０により大きな熱量の湯を蓄えておくことができる。   Further, in the present embodiment, the combustion temperature of the combustor 5 is maintained at a certain value or higher, so that hydrogen contained in the exhaust gas of the fuel electrode 41 can be reliably combusted in the combustor 5. As a result, hydrogen is not contained in the exhaust gas discharged out of the package 1, and safety can be improved. Further, by increasing the combustion temperature of the combustor 5, the recovery efficiency of the heat generated in the combustor 5 is improved. Moreover, since the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank 30 can be raised, hot water with a large calorific value can be stored in the hot water storage tank 30 having the same capacity.

燃焼温度センサー１３がある温度より高い温度を検知した場合、制御器５１は燃料極排気流量調整弁１２の開度を小さくして燃料極４１への水素の供給量を低下させてもよい。これにより、燃料極４１での燃料利用率をある一定の値以上とすることができ、発電効率を向上させることができる。   When the combustion temperature sensor 13 detects a temperature higher than a certain temperature, the controller 51 may decrease the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 41 by reducing the opening of the fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve 12. Thereby, the fuel utilization rate at the fuel electrode 41 can be set to a certain value or more, and the power generation efficiency can be improved.

さらに、燃焼温度センサー１３がある温度より低い温度を検知したときに、空気極４２の排ガスの一部を燃焼器５の下流側にバイパスさせてもよい。この場合、燃焼器５に流入する水素濃度が高まるため、理論断熱燃焼温度が上昇する。その結果、燃焼器５での混合ガスの燃焼温度が高まり、燃焼器５での燃焼がより安定する。また、このような場合であっても、バイパスされる空気量を把握しておけば、燃焼器５に流入する混合ガスの組成は把握できるため理論断熱燃焼温度を求めることができる。したがって、空気極４２の排ガスの一部をバイパスした場合には、そのときの混合ガスの組成に対応した理論断熱燃焼温度と燃料利用率との関係に基づいて、燃料流量を増大すべき所定の燃焼温度を決定すればよい。   Further, when the combustion temperature sensor 13 detects a temperature lower than a certain temperature, a part of the exhaust gas of the air electrode 42 may be bypassed downstream of the combustor 5. In this case, since the concentration of hydrogen flowing into the combustor 5 increases, the theoretical adiabatic combustion temperature increases. As a result, the combustion temperature of the mixed gas in the combustor 5 increases, and the combustion in the combustor 5 becomes more stable. Even in such a case, if the amount of air to be bypassed is grasped, the composition of the mixed gas flowing into the combustor 5 can be grasped, so that the theoretical adiabatic combustion temperature can be obtained. Therefore, when a part of the exhaust gas of the air electrode 42 is bypassed, a predetermined fuel flow rate should be increased based on the relationship between the theoretical adiabatic combustion temperature corresponding to the composition of the mixed gas at that time and the fuel utilization rate. What is necessary is just to determine a combustion temperature.

［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。 [Second Embodiment]
FIG. 4 is a block diagram of the fuel cell power generation system according to the second embodiment of the present invention.

本実施の形態では、燃料電池発電システムのパッケージ１に供給された燃料は、送出量が可変の燃料ブロワ１６で昇圧された後に、燃料電池本体２に供給される。つまり、燃料極４１に供給される燃料の流量は、燃料ブロワ１６によって変化させる。また、本実施の形態では、燃焼器５入口での混合ガスの温度を測定する混合ガス温度センサー５４を設けている。   In the present embodiment, the fuel supplied to the package 1 of the fuel cell power generation system is supplied to the fuel cell main body 2 after being boosted by the fuel blower 16 having a variable delivery amount. That is, the flow rate of the fuel supplied to the fuel electrode 41 is changed by the fuel blower 16. In the present embodiment, a mixed gas temperature sensor 54 that measures the temperature of the mixed gas at the inlet of the combustor 5 is provided.

このような燃料電池発電システムであっても、空気極４２から排出されるガスの組成が分かっていれば、混合ガス温度センサー５４で測定した燃焼器５入口での混合ガスの温度を用いて、燃料極４１の燃料利用率に対する燃焼器５での理論断熱燃焼温度を求めることができる。そこで、本実施の形態でも、燃焼温度センサー１３が測定した温度が目標とする燃料利用率に対応する理論断熱燃焼温度よりも低くなった場合、制御器５１は燃料ブロワ１６の送出量を大きくして燃料極４１への水素の供給量を増加させる。   Even in such a fuel cell power generation system, if the composition of the gas discharged from the air electrode 42 is known, the temperature of the mixed gas at the inlet of the combustor 5 measured by the mixed gas temperature sensor 54 is used. The theoretical adiabatic combustion temperature in the combustor 5 with respect to the fuel utilization rate of the fuel electrode 41 can be obtained. Therefore, also in the present embodiment, when the temperature measured by the combustion temperature sensor 13 becomes lower than the theoretical adiabatic combustion temperature corresponding to the target fuel utilization rate, the controller 51 increases the delivery amount of the fuel blower 16. Thus, the supply amount of hydrogen to the fuel electrode 41 is increased.

このように運転制御することにより、燃料極４１での燃料利用率をある一定値以下に制御することができる。その結果、燃料電池本体２への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することができる。   By controlling the operation in this manner, the fuel utilization rate at the fuel electrode 41 can be controlled to a certain value or less. As a result, it is possible to reduce the possibility of insufficient supply of hydrogen to the fuel cell main body 2.

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。 [Other embodiments]
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.

１…パッケージ、２…燃料電池本体、３…空気フィルター、４…空気ブロワ、５…燃焼器、６…冷却水熱交換器、７…燃焼排ガス熱交換器、８…凝縮器、９…排熱回収水ポンプ、１０…冷却水ポンプ、１２…燃料極排気流量調整弁、１３…燃焼温度センサー、１４…電流センサー、１６…燃料ブロワ、３０…貯湯槽、４１…燃料極、４２…空気極、４３…冷却流路、４４…水素供給源、５１…制御器、５２…酸素センサー、５３…冷却水出口温度センサー、５４…混合ガス温度センサー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Package, 2 ... Fuel cell main body, 3 ... Air filter, 4 ... Air blower, 5 ... Combustor, 6 ... Cooling water heat exchanger, 7 ... Combustion exhaust gas heat exchanger, 8 ... Condenser, 9 ... Exhaust heat Recovery water pump, 10 ... cooling water pump, 12 ... fuel electrode exhaust flow rate adjustment valve, 13 ... combustion temperature sensor, 14 ... current sensor, 16 ... fuel blower, 30 ... hot water tank, 41 ... fuel electrode, 42 ... air electrode, 43 ... Cooling channel, 44 ... Hydrogen supply source, 51 ... Controller, 52 ... Oxygen sensor, 53 ... Cooling water outlet temperature sensor, 54 ... Mixed gas temperature sensor

Claims (3)

燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、
前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、
前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する燃焼温度センサーと、
前記燃料電池本体の内部に冷却通路が形成され、この冷却通路から排出された冷却水の出口温度を測定する冷却水出口温度センサーと、
前記燃焼温度センサーが測定する温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御器と、を有し、
前記制御器は、前記燃焼温度センサーで測定した温度が、前記冷却水出口温度センサーが測定した温度の関数の設定温度以下のときに燃料供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell body that generates electricity using hydrogen supplied to the fuel electrode and oxygen supplied to the oxidant electrode;
Fuel adjusting means for adjusting the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode;
Oxygen supply means for supplying oxygen to the oxidant electrode;
A combustor for burning the gas discharged from the fuel electrode;
A combustion temperature sensor for measuring the temperature of the combustion gas in the combustor;
A cooling passage is formed inside the fuel cell body, and a cooling water outlet temperature sensor that measures the outlet temperature of the cooling water discharged from the cooling passage;
Have a, a controller for controlling the fuel acceleration unit based on the temperature the combustion temperature sensor measures,
The controller increases the fuel supply amount when the temperature measured by the combustion temperature sensor is equal to or lower than a set temperature of a function of the temperature measured by the cooling water outlet temperature sensor . 前記制御器は、前記燃焼温度センサーが測定した温度が所定の上限温度以上のときに燃料供給量を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。 Wherein the controller, the fuel cell power generation system of claim 1 where the temperature of the combustion temperature sensor is measured, characterized in that to reduce the fuel supply amount when the above predetermined upper limit temperature. 燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する燃焼温度センサーと、前記燃料電池本体の内部に冷却通路が形成され、この冷却通路から排出された冷却水の出口温度を測定する冷却水出口温度センサーと、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、  A fuel cell main body that generates electricity using hydrogen supplied to the fuel electrode and oxygen supplied to the oxidant electrode, fuel adjusting means for adjusting the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode, and oxygen to the oxidant electrode An oxygen supply means for supplying, a combustor for burning the gas discharged from the fuel electrode, a combustion temperature sensor for measuring the temperature of the combustion gas in the combustor, and a cooling passage formed in the fuel cell body And a cooling water outlet temperature sensor that measures the outlet temperature of the cooling water discharged from the cooling passage, and a method for operating the fuel cell power generation system,
前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する温度測定工程と、  A temperature measuring step for measuring the temperature of the combustion gas in the combustor;
前記温度測定工程で測定した温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御工程と、を有し、  A control step of controlling the fuel adjusting means based on the temperature measured in the temperature measuring step,
前記制御工程は、前記燃焼温度センサーで測定した温度が、前記冷却水出口温度センサーが測定した温度の関数の設定温度以下のときに燃料供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。  In the fuel cell power generation system, the control step increases the fuel supply amount when the temperature measured by the combustion temperature sensor is equal to or lower than a set temperature of a function of the temperature measured by the cooling water outlet temperature sensor. how to drive.
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