JP5804261B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、需要電力に応じて発電電力を変化させる固体酸化物型燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a solid oxide fuel cell that changes generated power according to demand power.
固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。 A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant (air, oxygen, etc.) to the other side.
特開2008−234869号公報(特許文献1)には、燃料電池システムが記載されており、この燃料電池システムは、外部からの水補給を行うことなく、水自立運転を行うことができる。このように、水自立運転を行う燃料電池においては、燃料電池からの排気を凝縮器に導くことによって、排気中の水分を凝縮させ、凝縮した水分を回収水タンクに貯めておく。この回収水タンクに貯められた水は、燃料ガスを改質するための改質器に供給され、燃料ガスを水蒸気改質するための水として使用される。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2008-234869 (Patent Document 1) describes a fuel cell system, and this fuel cell system can perform water self-sustained operation without replenishing water from the outside. As described above, in a fuel cell that performs water self-sustained operation, exhaust gas from the fuel cell is guided to a condenser to condense moisture in the exhaust gas and store the condensed moisture in a recovered water tank. The water stored in the recovered water tank is supplied to a reformer for reforming the fuel gas and used as water for steam reforming the fuel gas.
特開2008−234869号公報記載の燃料電池システムにおいては、凝縮水を一旦溜める回収水タンクの水位を水位センサによって検知し、検知した水位が予め定めた設定水位よりも低いときは燃料電池のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を減らして空気利用率を大きくしている。逆に、回収水タンクの水位が設定水位よりも高いときは燃料電池のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を増やすことで燃料電池の空気利用率を小さくしている。 In the fuel cell system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-234869, the water level of a recovered water tank that temporarily accumulates condensed water is detected by a water level sensor, and when the detected water level is lower than a preset set water level, the cathode of the fuel cell The amount of reaction air supplied per unit time is reduced to increase the air utilization rate. On the contrary, when the water level of the recovered water tank is higher than the set water level, the amount of reaction air supplied to the cathode of the fuel cell is increased to reduce the air utilization rate of the fuel cell.
このように、特開2008−234869号公報記載の発明では、回収水タンクの水位が低い場合には、空気利用率を大きくすることにより、供給される空気量を減少させ、凝縮器の能力を十分に発揮させることにより、回収される水の量を増加させている。 As described above, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-234869, when the water level of the recovered water tank is low, by increasing the air utilization rate, the amount of supplied air is reduced and the capacity of the condenser is increased. The amount of recovered water is increased by fully exerting it.
しかしながら、実際の固体酸化物型燃料電池の運転には、排気中の一酸化炭素濃度の抑制、燃料電池モジュール内の温度の維持、及びモジュール内の過剰な昇温の抑制、燃料利用率の向上によるエネルギー効率の改善、排熱によって生成される湯水の給湯温度の確保等、様々な制約条件が存在する。このため、特開2008−234869号公報記載の発明のように、回収される水の量を増加させるべく、空気利用率を大きく(空気量減少)すると、運転状態によっては燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇してしまうという問題がある。このように、固体酸化物型燃料電池の運転条件には相互に関連があり、単純に回収される水の量を増加させようとすると、排気性能の悪化を招き、或いは、燃料電池モジュール内の熱的なバランスが崩れ、最悪の場合には燃料電池スタックを損傷してしまう場合もある。 However, in actual solid oxide fuel cell operation, the concentration of carbon monoxide in exhaust gas is suppressed, the temperature in the fuel cell module is maintained, excessive temperature rise in the module is suppressed, and the fuel utilization rate is improved. There are various constraints such as improvement of energy efficiency due to heat and securing of hot water supply temperature generated by exhaust heat. Therefore, as in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-234869, if the air utilization rate is increased (the air amount is decreased) in order to increase the amount of recovered water, the temperature in the fuel cell module depends on the operating state. There is a problem that will rise excessively. As described above, the operating conditions of the solid oxide fuel cell are related to each other, and simply trying to increase the amount of recovered water may lead to deterioration of exhaust performance, or in the fuel cell module. Thermal balance is lost, and in the worst case, the fuel cell stack may be damaged.
従って、本発明は、種々の運転条件を適正に維持したまま、凝縮水の回収を促進し、水自立することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of promoting the recovery of condensed water and maintaining water independence while properly maintaining various operating conditions.
上述した課題を解決するために、本発明は、排気中の水分を回収し、回収した水を使用して燃料を水蒸気改質し、電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールの排気中の水分を凝縮させる凝縮器と、この凝縮器で凝縮された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、この凝縮水タンクに貯留された凝縮水の量を検出する貯水量検出手段と、燃料を水蒸気改質して水素を生成し、燃料電池セルスタックに供給する改質器と、この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、凝縮水タンク内に貯留された凝縮水を改質器に供給する水供給手段と、燃料電池セルスタックに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段、水供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料電池モジュールにより所要の発電電力を生成する制御手段と、を有し、制御手段は凝縮水高速生成制御を実行する凝縮水高速生成手段を備え、この凝縮水高速生成手段は、貯水量検出手段により、凝縮水タンク内の凝縮水が所定量以下であることが検出されると、凝縮器により凝縮される凝縮水を増加させるべく、発電電力を低下させ、制御手段は、凝縮水高速生成制御の実行中であっても、燃料電池セルスタックの温度が所定温度以上である場合には、発電用酸化剤ガス供給量を増加させ、燃料電池セルスタックの温度を適正温度まで冷却し、その後、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガス/燃料の比を減少させることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention is a solid oxide fuel cell that recovers moisture in exhaust gas, steam-reforms fuel using the recovered water, and generates electric power. A fuel cell module having a battery cell stack, a condenser for condensing moisture in the exhaust of the fuel cell module, a condensed water tank for storing condensed water condensed by the condenser, and a stored in the condensed water tank Storage amount detecting means for detecting the amount of condensed water generated, a reformer for generating hydrogen by steam reforming the fuel and supplying the fuel cell stack, and a fuel supply for supplying fuel to the reformer Means, water supply means for supplying condensed water stored in the condensed water tank to the reformer, oxidant gas supply means for power generation for supplying oxidant gas for power generation to the fuel cell stack, and fuel supply Means, water supply means, and power generation And controls the oxidant gas supply means, the fuel cell module comprises a control means for generating the required generated power, the control means comprises a condensed water fast generation means for executing a condensed water fast generation control, the condensed The water high-speed generating means reduces the generated power to increase the condensed water condensed by the condenser when the stored water amount detecting means detects that the condensed water in the condensed water tank is below a predetermined amount. The control means increases the supply amount of the oxidant gas for power generation when the temperature of the fuel cell stack is equal to or higher than the predetermined temperature even during the execution of the condensed water high-speed generation control. It is characterized by cooling the temperature to an appropriate temperature and then reducing the ratio of oxidant gas / fuel supplied to the fuel cell module .
このように構成された本発明においては、制御手段が、燃料供給手段及び水供給手段を制御して燃料及び水を改質器に供給する。改質器では、燃料が水蒸気改質されて水素が生成され、この水素が燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セルスタックに供給される。また、発電用酸化剤ガス供給手段により、燃料電池セルスタックに発電用の酸化剤ガスが供給される。凝縮器は、燃料電池モジュールからの排気中の水分を凝縮させ、凝縮された凝縮水は凝縮水タンクに貯留される。制御手段に備えられた凝縮水高速生成手段は、凝縮水タンク内の凝縮水が所定量以下であることが貯水量検出手段により検出されると、凝縮器により凝縮される凝縮水を増加させるべく、発電電力を低下させる。
また、このように構成された本発明においては、燃料電池セルスタックの温度が高い場合には、発電用酸化剤ガス供給量が増加され、これにより、燃料電池セルスタックが冷却される。しかしながら、このように発電用酸化剤ガス供給量が増加された状態では、燃料電池モジュールからの排気温度が低下し、凝縮器において凝縮される凝縮水の量が低下するという問題がある。本発明によれば、凝縮水高速生成手段により発電電力を低下させるだけで、簡単に、凝縮水の生成を促進することができる。
In the present invention configured as described above, the control means controls the fuel supply means and the water supply means to supply fuel and water to the reformer. In the reformer, the fuel is steam reformed to generate hydrogen, and this hydrogen is supplied to the fuel cell stack built in the fuel cell module. Further, the oxidant gas for power generation is supplied to the fuel cell stack by the oxidant gas supply means for power generation. The condenser condenses moisture in the exhaust gas from the fuel cell module, and the condensed water condensed is stored in a condensed water tank. The condensed water high-speed generating means provided in the control means is configured to increase the condensed water condensed by the condenser when the stored water amount detecting means detects that the condensed water in the condensed water tank is below a predetermined amount. Reduce generated power.
Further, in the present invention configured as described above, when the temperature of the fuel cell stack is high, the supply amount of the oxidant gas for power generation is increased, thereby cooling the fuel cell stack. However, when the supply amount of the oxidant gas for power generation is increased in this way, there is a problem that the exhaust temperature from the fuel cell module decreases and the amount of condensed water condensed in the condenser decreases. According to the present invention, the generation of condensed water can be facilitated simply by reducing the generated power by the condensed water high-speed generating means.
一般に、燃料電池モジュールによる発電電力が大きい状態においては、燃料電池セルスタックの作動温度が高くなる。このような状態において、固体酸化物型燃料電池を水自立させるべく、凝縮器において凝縮される凝縮水の量を増加させるには、燃料電池モジュールに供給する燃料供給量に対する酸化剤ガス供給量を減少させ、即ち、酸化剤ガス/燃料の比を減少させ、燃料電池モジュールからの排気中に含まれる水蒸気の割合を増加させる必要がある。しかしながら、燃料電池セルスタックの温度が高い状態で、酸化剤ガス/燃料の比を減少させると、燃料電池セルスタックの温度が過剰に上昇し、燃料電池セルスタックを損傷する虞がある。このため、燃料電池セルスタックの温度が高い状態では、凝縮水を高速で生成させることが困難である。本発明によれば、凝縮水タンク内の凝縮水が不足した場合には、凝縮水高速生成手段が、凝縮水を増加させるべく発電電力を低下させるので、燃料電池セルスタックの温度が低下され、これにより、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガス/燃料の比を減少させる余地が生まれる。即ち、酸化剤ガス/燃料の比を減少させることにより燃料電池セルスタック及び排気温度が上昇されたとしても、燃料電池セルスタックの損傷等を確実に回避することができると共に、凝縮水を高速で生成させることができる。 In general, when the power generated by the fuel cell module is large, the operating temperature of the fuel cell stack becomes high. In such a state, in order to increase the amount of condensed water condensed in the condenser in order to make the solid oxide fuel cell self-supporting, the amount of oxidant gas supplied relative to the amount of fuel supplied to the fuel cell module is increased. There is a need to reduce, ie reduce the oxidant gas / fuel ratio and increase the proportion of water vapor contained in the exhaust from the fuel cell module. However, if the oxidant gas / fuel ratio is decreased while the temperature of the fuel cell stack is high, the temperature of the fuel cell stack may increase excessively and the fuel cell stack may be damaged. For this reason, it is difficult to generate condensed water at high speed when the temperature of the fuel cell stack is high. According to the present invention, when the condensed water in the condensed water tank is insufficient, the condensed water high-speed generating means reduces the generated power to increase the condensed water, so that the temperature of the fuel cell stack is reduced, This creates room for reducing the oxidant gas / fuel ratio supplied to the fuel cell module. That is, even if the fuel cell stack and the exhaust gas temperature are raised by reducing the ratio of oxidant gas / fuel, damage to the fuel cell stack can be reliably avoided and condensed water can be discharged at high speed. Can be generated.
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料利用率が、常に、発電電力に応じて予め設定された燃料利用率の許容範囲内になるように、燃料供給手段を制御し、燃料利用率の許容範囲は、発電電力が少ない場合には、発電電力が多い場合よりも広くなるように設定されている。 In the present invention, it is preferable that the control unit controls the fuel supply unit so that the fuel utilization rate is always within a permissible range of the fuel utilization rate set in advance according to the generated power. The allowable range is set to be wider when the generated power is small than when the generated power is large.
このように構成された本発明において、発電電力が大きい状態では燃料利用率の高い運転を行うことが可能であるが、この状態において燃料利用率を低下させると、燃料電池セルスタックの温度が過剰に上昇してしまう。このため、発電電力が大きい状態では、凝縮水の生成を促進することが困難である。一方、発電電力が少ない状態では作動温度が低いため、燃料利用率を低下させる余地があり、燃料利用率の許容範囲を広くすることができる。これにより、発電電力を低下させることにより、凝縮水の生成を促進することができる。 In the present invention configured as described above, it is possible to perform operation with a high fuel utilization rate when the generated power is large. However, if the fuel utilization rate is reduced in this state, the temperature of the fuel cell stack becomes excessive. Will rise. For this reason, it is difficult to promote the generation of condensed water when the generated power is large. On the other hand, since the operating temperature is low when the generated power is low, there is room for reducing the fuel utilization rate, and the allowable range of the fuel utilization rate can be widened. Thereby, the production | generation of condensed water can be accelerated | stimulated by reducing generated electric power.
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料利用率が、常に、発電電力に応じて予め設定された燃料利用率の許容範囲内になるように燃料供給手段を制御し、凝縮水高速生成手段は、発電用酸化剤ガス利用率の許容範囲及び燃料利用率の許容範囲の中で、発電用酸化剤ガスに対する燃料の割合が多くなるように、発電用酸化剤ガス供給手段及び燃料供給手段を制御する。 In the present invention, preferably, the control means controls the fuel supply means so that the fuel utilization rate is always within a permissible range of the fuel utilization rate set in advance according to the generated power, and the condensed water high-speed generation means. The oxidant gas supply means for power generation and the fuel supply means are arranged so that the ratio of the fuel to the oxidant gas for power generation increases within the allowable range of the oxidant gas utilization rate for power generation and the allowable range of the fuel utilization rate. Control.
このように構成された本発明によれば、燃料利用率及び発電用酸化剤ガス利用率が予め設定された許容範囲内で変化され、発電用酸化剤ガスに対する燃料の割合が多くされるので、固体酸化物型燃料電池の熱的バランスを維持しながら、排気温度を高めることができ、凝縮水の生成を促進することができる。 According to the present invention thus configured, the fuel utilization rate and the power generation oxidant gas utilization rate are changed within a preset allowable range, and the ratio of the fuel to the power generation oxidant gas is increased. While maintaining the thermal balance of the solid oxide fuel cell, the exhaust temperature can be increased and the generation of condensed water can be promoted.
本発明において、好ましくは、凝縮水高速生成手段が発電電力を低下させ、これに伴い制御手段は、燃料供給量を低下させ、これにより、燃料電池セルスタックの温度が低下した後、発電用酸化剤ガスに対する燃料の割合が多くなるように、発電用酸化剤ガス供給手段及び燃料供給手段を制御する。 In the present invention, preferably, the condensed water fast generation means reduces the generated power, the control unit Accordingly reduces the fuel supply amount, thereby, after the temperature of the fuel cell stack is lowered, oxidation power The power generation oxidant gas supply means and the fuel supply means are controlled so that the ratio of the fuel to the agent gas increases.
このように構成された本発明によれば、凝縮水高速生成手段が発電電力を低下させるので、まず燃料供給量が低下され、燃料電池セルスタックの温度が低下した後、発電用酸化剤ガスに対する燃料の割合が多くされる。このため、燃料電池セルスタックの過昇温防止と、凝縮水生成の促進を同時に実現することができる。 According to the present invention configured as described above, since the condensed water high-speed generating means reduces the generated power, first, the fuel supply amount is reduced, and the temperature of the fuel cell stack is lowered. The proportion of fuel is increased. For this reason, prevention of excessive temperature rise of the fuel cell stack and promotion of condensed water generation can be realized at the same time.
本発明において、好ましくは、凝縮水高速生成手段は、所定の最大発電用酸化剤ガス利用率の範囲内で発電用酸化剤ガス利用率を上昇させる。
このように構成された本発明によれば、発電用酸化剤ガス利用率を上昇させることにより発電用酸化剤ガスを減少させて排気温度を上昇させ、凝縮水の生成を促進すると共に、発電用酸化剤ガス利用率の上昇を最大発電用酸化剤ガス利用率の範囲内で行うことにより、燃料電池モジュールからの排気中の一酸化炭素濃度等を抑制することができる。
In the present invention, preferably, the condensed water high-speed generating means increases the power generation oxidant gas utilization rate within a predetermined maximum power generation oxidant gas utilization rate.
According to the present invention configured as described above, the power generation oxidant gas utilization rate is increased to decrease the power generation oxidant gas, thereby increasing the exhaust gas temperature, promoting the generation of condensed water, and generating power. By increasing the oxidant gas utilization rate within the range of the maximum power generation oxidant gas utilization rate, the concentration of carbon monoxide in the exhaust from the fuel cell module can be suppressed.
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池セルスタックの温度が高い場合には、燃料電池セルスタックの温度が低い場合よりも、凝縮水タンク内の凝縮水が多い状態から凝縮水高速生成手段を実行する。 In the present invention, it is preferable that the control means generates the condensed water at a high speed from the state where the condensed water in the condensed water tank is larger when the temperature of the fuel cell stack is high than when the temperature of the fuel cell stack is low. Execute means.
このように構成された本発明によれば、燃料電池セルスタックの温度が高い場合には、凝縮水が多い状態から凝縮水高速生成制御が開始されるので、燃料電池セルスタック温度を低下させるために長時間を要し、実際の凝縮水の増加が遅れた場合でも、改質器に供給する水が枯渇するのを防止することができる。
本発明において、好ましくは、凝縮水高速生成手段は、凝縮水タンク内の凝縮水が少ない場合には、凝縮水が多い場合よりも、より大幅に発電電力を低下させる。
According to the present invention configured as described above, when the temperature of the fuel cell stack is high, the condensate high-speed generation control is started from a state where there is a lot of condensed water, so that the fuel cell stack temperature is lowered. Therefore, even when an increase in actual condensed water is delayed, it is possible to prevent the water supplied to the reformer from being depleted.
In the present invention, preferably, the condensed water high-speed generating means lowers the generated power more significantly when the condensed water in the condensed water tank is small than when the condensed water is large.
このように構成された本発明によれば、凝縮水の量に応じて発電電力の制限が変更されるので、発電電力制限による影響を最小限に抑制しながら、確実に水の枯渇を防止することができる。 According to the present invention configured as described above, since the limit of generated power is changed according to the amount of condensed water, water depletion is surely prevented while minimizing the influence of the generated power limit. be able to.
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、種々の運転条件を適正に維持したまま、凝縮水の回収を促進し、水自立することができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention, it is possible to promote the recovery of condensed water and maintain water independence while properly maintaining various operating conditions.
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して密封空間8が形成されている。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料と酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料を改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制するための空気用熱交換器22が配置されている。
A
Further, a
次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
Next, the auxiliary unit 4 stores a
次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot
The
Furthermore, the
次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Next, the internal structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. .
As shown in FIGS. 2 and 3, in the sealed
改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、これらの蒸発部20aと改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
The
この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。
A fuel
このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。
A
次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。
Next, an
空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the
An
次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス室通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
Next, an
As shown in FIG. 2, an
次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the
As shown in FIG. 4, the
The
燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
Since the
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。 The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
Next, the
As shown in FIG. 5, the
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
Furthermore, a current collector 102 and an
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
Further, the
次に図6により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体酸化物型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid
次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the
First, the combustible
The
The hot water storage
電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power
The power generation air flow
The reforming
The
水流量センサ134は、改質器20に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water
The
The
The
発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation
The combustion
The exhaust gas
The
The outside
これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the
次に図7により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a time chart showing the operation at the start-up of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the
先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の空気用熱交換器22へ供給し、この発電用空気が、発電室10及び燃焼室18に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow
次に、点火装置83により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器22内の発電用空気も暖める。
Next, the
このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管64により燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the
CmHn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
C m H n + xO 2 →
部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ148により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。
When the
式(2)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ146により改質器20が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット44による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット28による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器20には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器20において、式(3)の水蒸気改質反応SRが進行する。
When the
CmHn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
C m H n + xO 2 + yH 2
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)
この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室18からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール2の起動の最終段階であるため、発電室10内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室10が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室18では継続して燃焼反応が進行する。
Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the
このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置83により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セル84の温度が燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。
In this way, after the
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル84で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。
Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the
次に、図8により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を説明する。図8は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
Next, the operation when the operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
As shown in FIG. 8, when the operation of the
また、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット44による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器20の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応SRを終了する。この発電用空気の供給は、改質器20の温度が所定温度、例えば、200℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。
Further, when the operation of the
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2の運転停止を行うとき、改質器20による水蒸気改質反応SRと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
As described above, in the present embodiment, when the operation of the
つぎに、図9により、上述した本実施形態による水流量調整ユニット28について詳細に説明する。図9は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の水流量調整ユニットを示す概略図である。
Next, the water flow
図9に示すように、純水を生成して改質器20に供給する水供給手段である水流量調整ユニット28は、上流側から順に、温水製造装置50(図1)に内蔵された凝縮器である熱交換器160と、この熱交換器160の表面で凝縮された水滴を一時的に貯蔵する第1の貯水タンク26aと、この第1の貯水タンク26a内の水を供給するポンプ154と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのRO膜(逆浸透膜)156と、生成された純水を一時的に貯蔵する、凝縮水タンクである第2の貯水タンク(純水タンク)26bと、この純水を燃料電池モジュール2の改質器20にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ158とを備えている。
As shown in FIG. 9, the water flow
熱交換器160は、温水製造装置50において温水を生成するための水道水と、燃料電池モジュール2からの排気との間で熱交換をするように構成されている。これにより、温水製造装置50に導入された水道水は、燃料電池モジュール2の排気の熱により予熱される。なお、温水製造装置50に導入され、熱交換器160の内部を流れる水道水は、施設等において温水として利用されるためのものであり、改質器20における水蒸気改質に使用されることはない。一方、燃料電池モジュール2からの排気は、熱交換器160の表面に接触することにより冷却される。この際、排気中に含まれる水分は、熱交換器160の表面で冷やされることにより凝縮され、水滴となる。熱交換器160の表面で凝縮された水は、第1の貯水タンク26aに流入して一時的に貯蔵され、この水が第2の貯水タンク26bに送られて、改質器20における水蒸気改質に利用される。
The
なお、本実施形態においては、温水製造装置50に備えられた熱交換器160を、燃料電池モジュール2の排気から水分を回収する凝縮器として利用しているが、他の熱交換器等、排気中の水分を凝縮させることができる任意の構成を、凝縮器として使用することができる。
In the present embodiment, the
また、第1の貯水タンク26a、第2の貯水タンク26b等に貯水されている水及び純水が凍結するのを防止するためのヒーター162も備えている。
さらに、第1の貯水タンク26aは、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ136a,136bをそれぞれ備え、各水位センサ136a,136bがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量(例えば、第1の貯水タンク26aの満水量等)を検出することができるようになっている。
In addition, a
Further, the first
同様に、第2の貯水タンク26bについても、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ136c,136dをそれぞれ備え、各水位センサ136c,136dがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量(例えば、第2の貯水タンク26bの下限貯水量等)を検出することができるようになっている。さらに、第2の貯水タンク26bには、上限水位と下限水位の間に、貯水量検出手段である水位センサ136eが設けられており、第2の貯水タンク26b内の貯水量の低下を検知している。後述するように、本実施形態においては、第2の貯水タンク26b内の水位が水位センサ136eの水位よりも低下すると、制御部110は、凝縮水高速生成制御を実行し、第2の貯水タンク26b内の水を増加させる。
Similarly, the second
次に、図10及び図11を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1における凝縮水高速生成制御を説明する。
図10は、凝縮水高速生成制御のフローチャートを示す。図11は、凝縮水高速生成制御が実行された場合における各パラメータの変化を示すタイムチャートである。
Next, with reference to FIG. 10 and FIG. 11, the high-speed condensed water generation control in the solid
FIG. 10 shows a flowchart of the condensed water high-speed generation control. FIG. 11 is a time chart showing the change of each parameter when the condensed water high-speed generation control is executed.
制御手段である制御部110は凝縮水高速生成手段110aを備えており、凝縮水高速生成手段110aは、図10に示すフローチャートを所定の時間間隔で繰り返し実行するように構成されている。
The
まず、図10のステップS1においては、第2の貯水タンク26b内の水量に異常があるか否かが判断される。即ち、水位センサ136dの検出信号に基づいて、第2の貯水タンク26b内の水位が下限水位よりも低下しているか否かが判断される。第2の貯水タンク26b内の水位が下限水位よりも低下している場合にはステップS2に進み、下限水位以上である場合にはステップS3に進む。
First, in step S1 of FIG. 10, it is determined whether or not there is an abnormality in the amount of water in the second
ステップS2においては、固体酸化物型燃料電池1の運転を停止し、水蒸気改質用の水が不足していることを報知する。即ち、第2の貯水タンク26b内の水位が下限水位よりも低下している場合には、凝縮水高速生成制御を実行し、水の生成を促進したとしても、水の生成が間に合わず水蒸気改質用の水が枯渇する虞がある。このため、第2の貯水タンク26b内の水位が下限水位よりも低下してしまった場合には、固体酸化物型燃料電池1の運転を停止し、燃料電池モジュール2の損傷を防止する。
In step S2, the operation of the solid
一方、第2の貯水タンク26b内の水量に異常がない場合には、ステップS3に進み、ステップS3においては、水量が不足しているか否かが判断される。即ち、貯水量検出手段である水位センサ136eの検出信号に基づいて、第2の貯水タンク26b内の水位が所定の凝縮水高速生成制御開始水位よりも低下しているか否かが判断される。凝縮水高速生成制御開始水位よりも低下していない場合にはステップS4に進み、凝縮水高速生成制御開始水位よりも低下した場合にはステップS7に進む。第2の貯水タンク26b内の水位が凝縮水高速生成制御開始水位よりも低下している場合には、ステップS7以下の凝縮水高速生成制御を開始し、凝縮水高速生成制御開始水位以上である場合には、第2の貯水タンク26b内に貯蔵されている水量は不足しておらず、凝縮水高速生成制御は実行されない。
On the other hand, when there is no abnormality in the amount of water in the second
ステップS4においては、第2の貯水タンク26b内の水量が十分であるか否かが判断される。即ち、水位センサ136cの検出信号に基づいて、第2の貯水タンク26b内の水位が上限水位以上か否かが判断される。第2の貯水タンク26b内の水位が上限水位以上である場合にはステップS5に進み、上限水位未満である場合にはステップS8に進む。
In step S4, it is determined whether or not the amount of water in the second
ステップS5においては、発電電力の上限の制限が解除される。後述するように、ステップS7以下において実行される凝縮水高速生成制御の実行中は、燃料電池モジュール2の発電電力の上限値が最大定格電力よりも低く制限される。ステップS5では、ステップS4において第2の貯水タンク26b内の水量が十分であることが判定されているので、このような発電電力の上限の制限が解除される。なお、発電電力の制限が行われていない場合には、その状態が維持される。
In step S5, the upper limit of the generated power is released. As will be described later, the upper limit value of the generated power of the
次いで、ステップS6においては、凝縮水高速生成制御フラグFの値が0にされ、図10のフローチャートの1回の処理を終了する。凝縮水高速生成制御フラグFは、凝縮水高速生成制御を実行中であることを示すフラグであり、凝縮水高速生成制御の実行中は値が1にされる。ステップS6では、ステップS4において第2の貯水タンク26b内の水量が十分であることが判定されているので、凝縮水高速生成制御フラグFを0として、凝縮水高速生成制御が終了される。なお、凝縮水高速生成制御フラグFの値が0であった場合には、その値が維持される。
Next, in step S6, the value of the condensed water high speed generation control flag F is set to 0, and one process of the flowchart of FIG. The condensed water high-speed generation control flag F is a flag indicating that the condensed water high-speed generation control is being executed, and the value is set to 1 while the condensed water high-speed generation control is being executed. In step S6, since it is determined in step S4 that the amount of water in the second
一方、ステップS4において第2の貯水タンク26b内の水量が十分でないと判断された場合にはステップS8に進み、ステップS8においては、凝縮水高速生成制御フラグFの値が1であるか否かが判断される。凝縮水高速生成制御フラグFの値が1でない場合には、図10のフローチャートの1回の処理を終了する。即ち、凝縮水高速生成制御フラグF=0であり、凝縮水高速生成制御中でない場合には、第2の貯水タンク26b内の水位が上限水位未満であっても、凝縮水高速生成制御は開始されない。即ち、ステップS3→S4→S8の処理が行われる際は、第2の貯水タンク26b内の水位は、凝縮水高速生成制御開始水位以上、上限水位未満である場合であるが、フラグF=0の場合には凝縮水高速生成制御は実施されず、フラグF=1の場合には、凝縮水高速生成制御が継続される。
On the other hand, if it is determined in step S4 that the amount of water in the second
一方、ステップS3において第2の貯水タンク26b内の水量が不足していると判断された場合にはステップS7に進み、ステップS7においては凝縮水高速生成制御フラグFの値が1にされ、凝縮水高速生成制御が開始される。
On the other hand, if it is determined in step S3 that the amount of water in the second
ステップS7において凝縮水高速生成制御フラグFが1にされると、ステップS8→S9と進み、ステップS9においては、燃料電池モジュール2内が過昇温のために冷却中であるか否かが判断される。後述するように、制御部110は、燃料電池モジュール2内の温度が適正温度よりも高い所定の状態では、発電用の空気利用率を低下させることにより発電用空気の供給量を増加させ、これにより燃料電池モジュール2内を冷却する。ステップS9においては、このような冷却が行われているか否かが判断される。燃料電池モジュール2内が過昇温のために冷却中である場合にはステップS13に進み、冷却中でない場合にはステップS10に進む。
When the condensed water high-speed generation control flag F is set to 1 in step S7, the process proceeds from step S8 to S9. In step S9, it is determined whether or not the inside of the
ステップS10においては、燃料電池モジュール2による発電電流の上限が6Aに制限され、これにより発電電力も制限される。燃料電池モジュール2による発電電力を制限することにより、熱交換器160における凝縮水の生成が促進される理由については後述する。
In step S10, the upper limit of the current generated by the
次に、ステップS11においては、第2の貯水タンク26b内の水量が不足している状態が連続しているか否かが判断される。即ち、凝縮水高速生成制御が行われていない凝縮水高速生成制御フラグF=0の状態から、凝縮水高速生成制御が行われるf=1の状態に変更された後、所定時間経過しているか否かが判断される。水量不足が所定時間以上連続している場合にはステップS12に進み、連続していない場合には、図10のフローチャートの1回の処理を終了する。
Next, in step S11, it is determined whether or not the state where the amount of water in the second
ステップS12においては、燃料電池モジュール2による発電電流の上限が4Aに制限され、これにより発電電力も制限される。即ち、凝縮水高速生成制御が開始された後、所定時間経過するまでは発電電流の制限を6Aに留めることにより、系統電源からの買電力を極力増加させずに、凝縮水高速生成制御を実施する。一方、凝縮水高速生成制御開始後、所定時間経過しても水量不足の状態が解消されない場合には、さらに発電電流の制限を強化して、早急に水量不足の状態が解消されるように、燃料電池モジュール2を運転する。
In step S12, the upper limit of the current generated by the
一方、ステップS9において、燃料電池モジュール2内が過昇温のために冷却中であると判断された場合にはステップS13に進み、ステップS13においては、第2の貯水タンク26b内の水量が不足している状態が連続しているか否かが判断される。ステップS13において、水量不足が連続していないと判断された場合には、ステップS14に進み、ステップS14においては、燃料電池モジュール2による発電電流の上限が4Aに制限され、これにより発電電力も制限される。
On the other hand, if it is determined in step S9 that the
ステップS14においては、水量不足が連続していない状態であっても、燃料電池モジュール2内の過昇温による冷却中であるため、ステップS10よりも発電電流の制限が強化される。後述するように、燃料電池モジュール2を冷却するために発電用の空気供給量が増量されている状態では、熱交換器160において凝縮水が生成されにくいため、発電電流の制限を強化して凝縮水の生成を、より促進する。
In step S14, even if the amount of water is not insufficient, the
一方、ステップS13において、水量不足が連続していると判断された場合には、ステップS15に進み、ステップS15においては、燃料電池モジュール2による発電電流の上限が3Aに制限され、これにより発電電力も制限される。即ち、ステップS13において、水量不足が連続していると判断された場合には、燃料電池モジュール2内が冷却中であると共に、水量不足の状態が所定時間以上解消されていないため、発電電流の制限を最も強化して凝縮水の生成を促進する。
On the other hand, if it is determined in step S13 that the water shortage continues, the process proceeds to step S15, and in step S15, the upper limit of the current generated by the
次に、図11を参照して、凝縮水高速生成制御の作用を説明する。
図11は、本実施形態による固体酸化物型燃料電池1の作動状態の一例を示すタイムチャートであり、上段から順に、燃料電池セルスタック14の温度、発電用空気供給量、燃料供給量、発電用空気供給量と燃料供給量の比、燃料電池モジュール2による発電電流、熱交換器160表面温度と熱交換器160に流入する排気温度の差を示している。
Next, with reference to FIG. 11, the operation of the condensed water high-speed generation control will be described.
FIG. 11 is a time chart showing an example of the operating state of the solid
まず、図11の時刻t10乃至t11においては、発電電流が、燃料電池モジュール2の最大定格電流にされている(図11、5段目のタイムチャート)。この発電電流に対応して、図11に夫々破線で示すように、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルスタック14の適正な温度(図11、最上段のタイムチャート)、適正な発電用空気供給量(図11、2段目のタイムチャート)、及び基準となる燃料供給量(図11、3段目のタイムチャート)が夫々設定されている。
First, at times t10 to t11 in FIG. 11, the generated current is set to the maximum rated current of the fuel cell module 2 (FIG. 11, fifth stage time chart). Corresponding to this generated current, as indicated by broken lines in FIG. 11, the appropriate temperature of the
時刻t10乃至t11においては、燃料電池セルスタック14の温度が適正温度よりも高い状態にあるため、制御部110は燃料電池モジュール2内の温度を低下させるために、適正な発電用空気供給量よりも多い空気を燃料電池モジュール2に供給し、燃料電池セルスタック14を冷却している(図10、ステップS9における「過昇温による冷却」に該当)。また、制御部110は、燃料電池モジュール2に供給する燃料供給量を、基準となる燃料供給量よりも少なくしている。これにより、燃料電池モジュール2内に蓄積された熱が、燃料電池セルスタック14の温度を維持するために消費されるので、燃料電池モジュール2内の温度を低下させることができる。なお、具体的な燃料供給量、及び発電用空気供給量の設定については後述する。
From time t10 to t11, since the temperature of the
このように、時刻t10乃至t11においては、燃料電池セルスタック14の温度が適正温度よりも高く、これを低下させるために発電用空気供給量が増加され、燃料供給量が減じられている。このように燃料電池モジュール2が運転されることにより、供給される発電用空気と燃料の比A/Fは増大する(図11、4段目のタイムチャート)。また、燃料供給量が減じられ、発電用空気供給量が増加されることにより、燃料電池モジュール2からの排気温度が低下するため、熱交換器160に流入する排気温度と熱交換器160表面の温度との温度差が小さくなる(図11、最下段のタイムチャート)。発電用空気と燃料の比が大きく、排気と熱交換器160の温度差が小さい状態では、熱交換器160表面において排気中の水分が凝縮されにくく、凝縮により生成される水の量が減少する。このため、発電用空気と燃料の比A/Fは、所要量の凝縮水が生成され水自立が可能な上限値(図11、4段目のタイムチャートにおける破線)を超えてしまう。また、排気と熱交換器160の温度差も、所要量の凝縮水が生成され水自立が可能な下限値(図11、最下段のタイムチャートにおける破線)を下回ってしまう。
As described above, from time t10 to t11, the temperature of the
時刻t10乃至t11において、所要量の凝縮水を生成することができない状態で燃料電池モジュール2が運転された結果、時刻t11において、第2の貯水タンク26b内の水量が不足する(図10、ステップS3における「水量不足」に該当)。これにより、制御部110に内蔵された凝縮水高速生成手段110aは、時刻t11において、発電電流の上限を4Aに低下させる(図10、ステップS14)。この発電電流の低下に伴い燃料供給量も減少されるが、燃料電池セルスタック14は極めて熱容量が大きいため、燃料電池セルスタック14は依然として適正温度よりも高い状態が継続する。このため、発電用空気供給量は、適正な発電用空気供給量よりも多い状態に維持される。
As a result of the
このように、時刻t11において、発電電流の上限を低下させることにより、燃料供給量が低下される一方、発電用空気供給量は増加された状態が継続するため、発電用空気と燃料の比A/Fが増大(図11、4段目のタイムチャート)して排気中に含まれる水分の割合が減少し、排気と熱交換器160の温度差も低下する。従って、凝縮水高速生成手段110aにより発電電流が低下された直後は、燃料電池モジュール2は却って凝縮水が生成されにくい状態となる。
Thus, at time t11, the fuel supply amount is reduced by reducing the upper limit of the generated current, while the power generation air supply amount continues to be increased. / F increases (FIG. 11, fourth stage time chart), the ratio of moisture contained in the exhaust gas decreases, and the temperature difference between the exhaust gas and the
次に、時刻t12において、凝縮水高速生成制御開始後、所定時間が経過する(図10、ステップS13における「水量不足連続」に該当)と、凝縮水高速生成手段110aは、発電電流の上限を、さらに3Aに低下させる(図10、ステップS15)。なお、本実施形態においては、凝縮水高速生成制御開始後、約30分水量不足が連続した場合、発電電流の上限が更に低下される。時刻t12において発電電流を低下させた直後には、燃料供給量が低下される一方、発電用空気供給量は増加された状態が継続するため、発電用空気と燃料の比A/Fはさらに増大し(図11、4段目のタイムチャート)、排気と熱交換器160の温度差もさらに低下する(図11、最下段のタイムチャート)。
Next, at time t12, when a predetermined time has elapsed after the start of the condensed water high-speed generation control (corresponding to “continuous water shortage” in FIG. 10, step S13), the condensed water high-speed generation means 110a sets the upper limit of the generated current. Further, it is lowered to 3A (FIG. 10, step S15). In the present embodiment, the upper limit of the generated current is further reduced when the water amount shortage continues for about 30 minutes after the start of the condensed water high-speed generation control. Immediately after the power generation current is reduced at time t12, the fuel supply amount is reduced, while the power generation air supply amount continues to be increased, so the ratio A / F of power generation air to fuel further increases. However, the temperature difference between the exhaust gas and the
発電電流を低下させた後、更に時間が経過すると、燃料電池セルスタック14の温度が低下する。燃料電池セルスタック14の温度が低下されると、制御部110は発電用空気供給量を減少させ、また、燃料供給量を基準となる燃料供給量まで増加させる。これに伴い、発電用空気と燃料の比A/Fが減少することにより排気中の水分の割合が増加し始め、排気と熱交換器160の温度差も増大し始める。これにより、時刻t13において、発電用空気と燃料の比A/Fは水自立が可能な上限値を下回ると共に、排気と熱交換器160の温度差も、水自立が可能な下限値を超える。この状態で燃料電池モジュール2を運転することにより、第2の貯水タンク26b内の水量は増加する。
When a further time elapses after reducing the generated current, the temperature of the
次いで、時刻t14において、第2の貯水タンク26b内の水は、所定の上限水位に到達し(図10、ステップS4における「水量満足」に該当)、凝縮水高速生成手段110aは、凝縮水高速生成制御を終了する。凝縮水高速生成制御の終了に伴い凝縮水高速生成手段110aは発電電流の上限制限を解除し(図10、ステップS5における「発電上限制限解除」に該当)、再び発電電流が増大される。
Next, at time t14, the water in the second
このように、凝縮水高速生成手段110aは、発電電流の上限値に制限を加えることにより、まず、燃料電池セルスタック14の温度を低下させる。即ち、温度が高い状態においては、燃料電池セルスタック14の損傷を避けるために温度を低下させる必要があり、空気供給量を多い状態に維持せざるを得ない。このように、温度が高い状態においては、空気供給量を多く(空気利用率を低く)、燃料供給量を少なく(燃料利用率を高く)維持する必要があり、凝縮水が生成されやすい運転条件を達成する余地が少ない。温度が低下した後は、空気供給量を減じ(空気利用率を高く)、燃料供給量を多く(燃料利用率を低く)設定した運転が可能になる。これにより、温度が低下した後は、発電用空気供給量に対する燃料供給量の割合が多くなるように、発電用空気流量調整ユニット44及び燃料流量調整ユニット38を制御して、熱交換器160における凝縮水の生成を促進し、凝縮水を高速で生成させる。凝縮水高速生成手段110aは、発電電流の上限値に制限を加えることにより、まず、燃料供給量を低下させ、これにより温度が低下された後、発電用空気供給量を減少させることにより、間接的に凝縮水が生成されやすい運転条件を作り出し、第2の貯水タンク26b内の水量を増加させる。
Thus, the condensed water high speed generation means 110a first reduces the temperature of the
次に、図12乃至18を参照して、要求される発電量及び発電室温度センサ142による検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
Next, with reference to FIGS. 12 to 18, a procedure for determining the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the required power generation amount and the temperature Td detected by the power generation
図12は、検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図13は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック14の温度を示すグラフである。図14は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図15は、各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。図16は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図17は、各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。図18は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。
FIG. 12 is a flowchart showing a procedure for determining the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td. FIG. 13 is a graph showing an appropriate temperature of the
図13に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2によって生成すべき電流に対して、適正な燃料電池セルスタック14の温度Ts(I)が規定されている(図11、最上段のタイムチャートにおける破線)。制御部110は、燃料電池セルスタック14の温度が、適正な温度Ts(I)に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部110は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック14の温度が高い場合(燃料電池セルスタック14の温度が図13の一点鎖線よりも上にある場合)には、燃料利用率を高め、断熱材7等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール2内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック14の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール2内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Tdのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Td等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段110b(図6)により計算される。
As shown by a one-dot chain line in FIG. 13, in this embodiment, an appropriate temperature Ts (I) of the
図12に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ142によって検出された検出温度Td等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。
The flowchart shown in FIG. 12 determines the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td and the like detected by the power generation
まず、図12のステップS31においては、検出温度Td及び図13に基づいて、第1加減算値M1が計算される。まず、検出温度Tdが、燃料電池セルスタック14の適正温度Ts(I)に対して、所定の温度範囲内(図13の2本の実線の間)にある場合には、第1加減算値M1は0にされる。
即ち、検出温度Tdが、
Ts(I)−Te≦Td≦Ts(I)+Te
の範囲内にある場合には、第1加減算値M1=0にされる。ここで、Teは第1加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第1加減算値閾値温度Teは3℃である。
First, in step S31 of FIG. 12, the first addition / subtraction value M1 is calculated based on the detected temperature Td and FIG. First, when the detected temperature Td is within a predetermined temperature range (between the two solid lines in FIG. 13) with respect to the appropriate temperature Ts (I) of the
That is, the detected temperature Td is
Ts (I) −Te ≦ Td ≦ Ts (I) + Te
Is within the range, the first addition / subtraction value M1 = 0. Here, Te is the first addition / subtraction value threshold temperature. In the present embodiment, the first addition / subtraction value threshold temperature Te is 3 ° C.
また、検出温度Tdが、適正温度Ts(I)よりも低く、
Td<Ts(I)−Te (4)
の範囲内(図13における下側の実線よりも下)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)−Te)) (5)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、負の値(減算値)となる。なお、Kiは、所定の比例定数である。
Further, the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I),
Td <Ts (I) −Te (4)
1 (below the lower solid line in FIG. 13), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) −Te)) (5)
Is calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a negative value (subtraction value). Ki is a predetermined proportionality constant.
また、検出温度Tdが、適正温度Ts(I)よりも高く、
Td>Ts(I)+Te (6)
の範囲内(図13における上側の実線よりも上)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)+Te)) (7)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、正の値(加算値)となる。このように、第1加減算値M1は、検出温度Tdの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ts(I)は、発電電流(電力)に応じて異なるように設定され、この適正温度Ts(I)に基づいて決定される(Ts(I)+Te)の値、及び(Ts(I)−Te)の値に基づいて、第1加減算値M1が正又は負の値に決定される。
Further, the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I),
Td> Ts (I) + Te (6)
1 (above the upper solid line in FIG. 13), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) + Te)) (7)
Is calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a positive value (addition value). As described above, the first addition / subtraction value M1 is determined based on the generated current in addition to the detected temperature Td, and the heat storage amount is estimated by integrating the value. That is, the appropriate temperature Ts (I) is set to be different depending on the generated current (electric power), and the value of (Ts (I) + Te) determined based on the appropriate temperature Ts (I) and (Ts Based on the value of (I) −Te), the first addition / subtraction value M1 is determined as a positive or negative value.
なお、検出温度Tdが(Ts(I)+Te)を超えると、第1加減算値M1は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度(Ts(I)+Te)を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第1加減算値M1等の積算値N1idが0まで低下した時点となる。このため、検出温度Tdが燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)よりも低下した後も、暫時、積算値N1idは0よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。従って、高効率制御から目標温度域制御に復帰する目標温度域制御復帰温度は、燃料利用率変更温度よりも低い温度になる。 If the detected temperature Td exceeds (Ts (I) + Te), the first addition / subtraction value M1 becomes a positive value, and the fuel supply amount is changed to increase the fuel utilization rate as will be described later. In the document, the temperature (Ts (I) + Te) for each generated power is referred to as the fuel utilization rate change temperature. Moreover, after the fuel utilization rate change temperature (Ts (I) + Te) is exceeded, after shifting to the high efficiency control in which the fuel utilization rate is increased, the target temperature range in which the amount of heat accumulated from the high efficiency control is not consumed. As will be described later, the timing for returning to control is when the integrated value N1id such as the first addition / subtraction value M1 has decreased to zero. For this reason, even after the detected temperature Td falls below the fuel utilization rate changing temperature (Ts (I) + Te), the integrated value N1id is maintained at a value larger than 0 for a while, and high efficiency control is performed. Therefore, the target temperature range control return temperature for returning from the high efficiency control to the target temperature range control is lower than the fuel utilization rate changing temperature.
次に、図12のステップS32においては、最新の検出温度Td、及び1分前に検出された検出温度Tdbに基づいて、第2加減算値M2が計算される。まず、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は0にされる。なお、本実施形態においては、第2加減算値閾値温度は1℃である。 Next, in step S32 of FIG. 12, the second addition / subtraction value M2 is calculated based on the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb detected one minute ago. First, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is set to zero. In the present embodiment, the second addition / subtraction value threshold temperature is 1 ° C.
また、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差である変化温度差が所定の第2加減算値閾値温度以上の場合には、第2加減算値M2は、
M2=Kd×(Td−Tdb) (8)
によって計算される。この第2加減算値M2は、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には正の値(加算値)となり、検出温度Tdが低下傾向にある場合には負の値(減算値)となる。なお、Kdは、所定の比例定数である。従って、検出温度Tdが上昇している場合において、変化温度差(Td−Tdb)が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第2加減算値M2が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差(Td−Tdb)の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第2加減算値M2は大きく減少される。
When the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is equal to or higher than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is:
M2 = Kd × (Td−Tdb) (8)
Is calculated by The second addition / subtraction value M2 becomes a positive value (addition value) when the detected temperature Td tends to increase, and becomes a negative value (subtraction value) when the detected temperature Td tends to decrease. Kd is a predetermined proportional constant. Therefore, when the detected temperature Td is increasing, the second addition / subtraction value M2, which is the quick response estimated value, is greatly increased in the region where the change temperature difference (Td−Tdb) is large compared to the region where the change temperature difference is small. Is done. On the other hand, when the detected temperature is low, the second addition / subtraction value M2 is greatly reduced in the region where the absolute value of the change temperature difference (Td−Tdb) is large than in the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Is done.
なお、本実施形態においては、比例定数Kdは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Kdを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Kdを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Kdを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Kdの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Kdの変更を組み合わせることもできる。 In the present embodiment, the proportionality constant Kd is a constant value, but as a modification, different proportionality constants Kd can be used depending on whether the change temperature difference is positive or negative. For example, the proportionality constant Kd can be set large when the change temperature difference is negative. As a result, when the detected temperature is lowered, the estimated quick response value is changed more rapidly with respect to the change temperature difference than when the detected temperature is increased. Alternatively, as a modification, the proportionality constant Kd can be set larger in the region where the absolute value of the change temperature difference is large than in the small region. As a result, in the region where the absolute value of the change temperature difference is large, the estimated quick response value is changed more rapidly than the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Further, the change of the proportional constant Kd based on the sign of the change temperature difference can be combined with the change of the proportional constant Kd based on the magnitude of the absolute value of the change temperature difference.
次いで、図12のステップS33においては、ステップS31で計算された第1加減算値M1、及びステップS32で計算された第2加減算値M2を、第1積算値N1idに積算する。第1積算値N1idには、第1加減算値M1により、断熱材7等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第2加減算値M2により、直近の検出温度Tdの変化が反映される。即ち、第1積算値N1idは、断熱材7等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図12のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第1積算値N1idに、第1加減算値M1及び第2加減算値M2が加算又は減算され、新たな第1積算値N1idに更新される。第1積算値N1idは、0〜4の間の値をとるように制限されており、第1積算値N1idが4に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで4に保持され、第1積算値N1idが0まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで0に保持される。 Next, in step S33 of FIG. 12, the first addition / subtraction value M1 calculated in step S31 and the second addition / subtraction value M2 calculated in step S32 are integrated into the first integration value N1id. In the first integrated value N1id, the available heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 and the like is reflected by the first addition / subtraction value M1, and the latest change in the detected temperature Td is reflected by the second addition / subtraction value M2. . That is, the first integrated value N1id can be used as an estimated value of the available heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 or the like. Further, the integration is performed every time the flowchart of FIG. 12 is executed continuously after the start of operation of the solid oxide fuel cell, and the first addition value N1id and the first addition / subtraction value M1 are added to the previously calculated first integration value N1id. The 2 addition / subtraction value M2 is added or subtracted and updated to a new first integrated value N1id. The first integrated value N1id is limited to take a value between 0 and 4, and when the first integrated value N1id reaches 4, the value is held at 4 until the next subtraction is performed. When the first integrated value N1id decreases to 0, the value is held at 0 until the next addition is performed.
なお、ステップS33においては、第1積算値N1idに加え、第2積算値N2idの値も計算する。第2積算値N2idは、後述するように、燃料電池モジュール2に劣化が発生するまでは、第1積算値N1idと全く同様に計算され、第1積算値N1idと同一の値を取る。
In step S33, in addition to the first integrated value N1id, the value of the second integrated value N2id is also calculated. As will be described later, the second integrated value N2id is calculated in the same manner as the first integrated value N1id until the
なお、上記のように、本実施形態においては、第1加減算値M1と第2加減算値M2の和を第1積算値N1idに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
N1id=N1id+M1+M2 (9)
により、第1積算値N1idを計算している。ここで、変形例として、第1加減算値M1と第2加減算値M2の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第1積算値N1idは、
N1id=N1id+Km×M1×M2 (10)
により計算される。ここで、Kmは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は1にされる。
As described above, in the present embodiment, the integrated value is calculated by integrating the sum of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2 to the first integration value N1id. That is,
N1id = N1id + M1 + M2 (9)
Thus, the first integrated value N1id is calculated. Here, as a modification, the integrated value may be calculated by integrating the product of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2. That is, in this modification, the first integrated value N1id is
N1id = N1id + Km × M1 × M2 (10)
Is calculated by Here, Km is a variable coefficient that is changed according to a predetermined condition. In this modified example, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is 1. Is done.
さらに、図12のステップS34においては、計算された第1積算値N1idに基づいて、図14及び図15のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図14は、計算された第1積算値N1idに対する燃料利用率Ufの設定値を示すグラフである。図14に示すように、第1積算値N1idが0である場合には、燃料利用率Ufは最小値である最小燃料利用率Ufminに設定される。また、第1積算値N1idの増加と共に燃料利用率Ufも増加し、第1積算値N1id=1において最大値である最大燃料利用率Ufmaxとなる。この間、燃料利用率Ufは、第1積算値N1idが小さい領域では傾きが小さく、第1積算値N1idが1に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ufが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ufを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第1積算値N1idが1よりも大きい場合には、燃料利用率Ufは最大燃料利用率Ufmaxに固定される。これらの最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体的な値は、発電電流(図11における5段目のタイムチャート)に基づいて、図15に示すグラフにより決定される。このように、断熱材7等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。即ち、図11における時刻t10〜t13付近においては、燃料電池モジュール2内の温度が高く、利用可能な熱量が蓄積されている状態であるため、燃料利用率が高くなるように燃料供給量が減少されている。
Further, in step S34 of FIG. 12, the fuel utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 14 and 15 based on the calculated first integrated value N1id.
FIG. 14 is a graph showing a set value of the fuel utilization rate Uf with respect to the calculated first integrated value N1id. As shown in FIG. 14, when the first integrated value N1id is 0, the fuel utilization rate Uf is set to the minimum fuel utilization rate Ufmin, which is the minimum value. Further, as the first integrated value N1id increases, the fuel utilization rate Uf also increases, and becomes the maximum fuel utilization rate Ufmax that is the maximum value at the first integrated value N1id = 1. During this time, the fuel utilization rate Uf has a small slope in the region where the first integrated value N1id is small, and the slope increases as the first integrated value N1id approaches 1. That is, in the region where the estimated heat storage amount is large, the fuel utilization rate Uf is significantly changed with respect to the change in the estimated heat storage amount, compared to the region where the estimated heat storage amount is small. In other words, the fuel supply amount is decreased so that the fuel utilization rate Uf is significantly increased as the estimated heat storage amount is larger. Further, when the first integrated value N1id is larger than 1, the fuel usage rate Uf is fixed to the maximum fuel usage rate Ufmax. Specific values of these minimum fuel utilization rate Ufmin and maximum fuel utilization rate Ufmax are determined by the graph shown in FIG. 15 based on the generated current (the time chart in the fifth stage in FIG. 11). Thus, when it is estimated that the amount of heat that can be used is accumulated in the heat insulating material 7 and the like, the fuel utilization rate is higher for the same generated power than in the case where the amount of available heat is not accumulated. The fuel supply is reduced to be higher. That is, in the vicinity of time t10 to t13 in FIG. 11, since the temperature in the
図15は、各発電電流に対し、燃料利用率Ufがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ufの最大値及び最小値が示されている。図15に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ufminは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ufminの直線上に燃料利用率が設定された場合には、断熱材7等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール2は熱的に自立することができる。
FIG. 15 is a graph showing the range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current, and shows the maximum and minimum values of the fuel utilization rate Uf for each generated current. As shown in FIG. 15, the minimum fuel utilization rate Ufmin for each generated current is set so as to increase as the generated current increases. That is, the fuel utilization rate is set high when the generated power is large, and the fuel utilization rate is set low when the generated power is small. When the fuel usage rate is set on the straight line of the minimum fuel usage rate Ufmin, the
一方、最大燃料利用率Ufmaxは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ufがとり得る値の範囲(最大燃料利用率Ufmaxと最小燃料利用率Ufminの差)は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ufを高める(燃料供給量を減じる)余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ufを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。 On the other hand, the maximum fuel utilization rate Ufmax is set so as to change in a polygonal line with respect to each generated current. Here, the range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current (the difference between the maximum fuel utilization rate Ufmax and the minimum fuel utilization rate Ufmin) is the narrowest at the maximum generated current, and as the generated current decreases. Become wider. This is because, in the vicinity of the maximum generated current, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is high, and there is little room for increasing the fuel utilization rate Uf (reducing the fuel supply amount) even when using heat storage. Furthermore, since the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally self-sustained decreases as the generated current decreases, there is room for reducing the amount of fuel supplied by using heat storage, and when there is a large amount of heat storage, fuel use The rate Uf can be significantly increased. For this reason, in the region where the generated power is small, the fuel utilization rate is changed in a wider range than in the region where the generated power is large.
また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量IU以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ufがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール2内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ufを改善し、断熱材7等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール2内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量IU以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ufを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール2の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。
Further, in a region where the generated current is very small and is less than or equal to the predetermined utilization rate suppressed power generation amount IU, the range of possible values of the fuel utilization rate Uf is set to be narrower as the generated power is reduced. This is because in the region where the generated current is small, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is low, and there is much room for improvement. However, in the region where the generated current is small, the temperature in the
このように、制御部110は、燃料利用率Ufが常に発電電流(発電電力)に応じて予め設定された燃料利用率Ufの許容範囲内になるように燃料流量調整ユニット38を制御する。また、図15に示すように、燃料利用率Ufの許容範囲は、発電電流(発電電力)が少ない場合には、発電電流が多い場合よりも広くなるように設定されている。凝縮水高速生成手段110aは、発電電流の上限値を制限することにより発電電流を低下させ(図11、時刻t11)、燃料利用率Ufの許容範囲の広い領域で燃料電池モジュール2を運転する。制御部110は、この領域において、燃料利用率Ufを低下させた運転を行うことにより、空気利用率の許容範囲及び燃料利用率の許容範囲の中で、発電用空気に対する燃料の割合を多くし(図11、4段目のタイムチャートの時刻t13〜)、凝縮水を高速に生成させる。
In this way, the
図12のステップS34においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体値を、図15のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxを図14のグラフに適用し、ステップS33において計算された第1積算値N1idに基づいて、燃料利用率Ufを決定する。 In step S34 of FIG. 12, specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined based on the generated current using the graph of FIG. Next, the determined minimum fuel utilization rate Ufmin and maximum fuel utilization rate Ufmax are applied to the graph of FIG. 14, and the fuel utilization rate Uf is determined based on the first integrated value N1id calculated in step S33.
次に、図12のステップS35においては、第2積算値N2idに基づいて、図16及び図17のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図16は、計算された第2積算値N2idに対する空気利用率Uaの設定値を示すグラフである。図16に示すように、第2積算値N2idが0乃至1である場合には、空気利用率Uaは最大発電用酸化剤ガス利用率である最大空気利用率Uamaxに設定される。さらに、第2積算値N2idが1を超えて増加すると共に空気利用率Uaは低下し、第2積算値N2id=4において最小値である最小空気利用率Uaminとなる。このように、空気利用率Uaを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図16に示す空気利用率Uaの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体的な値は、発電電流に基づいて、図17に示すグラフにより決定される。
Next, in step S35 of FIG. 12, the air utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 16 and 17 based on the second integrated value N2id.
FIG. 16 is a graph showing a set value of the air utilization rate Ua with respect to the calculated second integrated value N2id. As shown in FIG. 16, when the second integrated value N2id is 0 to 1, the air utilization rate Ua is set to the maximum air utilization rate Uamax, which is the maximum power generation oxidant gas utilization rate. Further, as the second integrated value N2id increases beyond 1, the air utilization rate Ua decreases, and becomes the minimum air utilization rate Uamin that is the minimum value at the second integrated value N2id = 4. Thus, since the increased amount of air due to the reduction in the air utilization rate Ua acts as a cooling fluid, the setting of the air utilization rate Ua shown in FIG. 16 acts as a forced cooling means. Specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined by the graph shown in FIG. 17 based on the generated current.
図17は、各発電電流に対し、空気利用率Uaがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Uaの最大値及び最小値が示されている。図17に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Uamaxは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Uaminは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Uaを、最大空気利用率Uamaxよりも低下させる(空気供給量を増大させる)ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール2内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール2内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール2内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Uaを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Uaminを低下(空気供給量を増加)させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Uaminに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Uaminが図17において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図16のグラフによって設定された空気利用率Uaを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Uaに関わらず、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Uaは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図17に破線で示された部分の最小空気利用率Uaminを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Uaを、限界最小空気利用率ULaminと記載する。
FIG. 17 is a graph showing a range of values that the air utilization rate Ua can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Ua for each generated current. As shown in FIG. 17, the maximum air utilization rate Uamax for each generated current is set to be slightly increased as the generated current increases. On the other hand, the minimum air utilization rate Uamin decreases as the generated current increases. Reducing the air utilization rate Ua below the maximum air utilization rate Uamax (increasing the air supply amount) introduces more air into the
図12のステップS35においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体値を、図17のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxを図16のグラフに適用し、ステップS33において計算された第2積算値N2idに基づいて、空気利用率Uaを決定する。 In step S35 of FIG. 12, specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined based on the generated current using the graph of FIG. Next, the determined minimum air utilization rate Uamin and maximum air utilization rate Uamax are applied to the graph of FIG. 16, and the air utilization rate Ua is determined based on the second integrated value N2id calculated in step S33.
次に、図12のステップS36においては、ステップS35において決定された空気利用率Uaに基づき、図18を使用して水蒸気量と炭素量の比であるS/Cを決定する。
図18は、横軸を空気利用率Ua、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比S/Cとしたグラフである。
Next, in step S36 of FIG. 12, based on the air utilization rate Ua determined in step S35, S / C that is the ratio of the water vapor amount to the carbon amount is determined using FIG.
FIG. 18 is a graph in which the horizontal axis represents the air utilization rate Ua, and the vertical axis represents the ratio S / C between the amount of supplied water vapor and the amount of carbon contained in the fuel.
まず、ステップS35において設定された空気利用率Uaが、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域(図18におけるUamax〜ULamin間)では、水蒸気量と炭素量の比S/Cの値は、2.5に固定される。なお、水蒸気量と炭素量の比S/C=1とは、供給された燃料に含まれる炭素の全量が、供給された水(水蒸気)により化学的に過不足なく水蒸気改質される状態を意味する。従って、水蒸気量と炭素量の比S/C=2.5とは、燃料を水蒸気改質するために化学的に必要最小限の水蒸気量の2.5倍の水蒸気(水)が供給されている状態を意味する。実際には、S/C=1となる水蒸気量では改質器20内において炭素析出が発生してしまうため、S/C=2.5程度となる水蒸気量が燃料を水蒸気改質するための適量である。
First, in the region of generated current (between Uamax and ULamin in FIG. 18) where the air utilization rate Ua set in step S35 is not defined by the maximum air supply amount of the power generation air flow
次に、ステップS35において設定される空気利用率Uaが、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図18のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比S/Cが決定される。図18において、横軸は空気利用率Uaであり、空気利用率Uaが大きく、最大空気利用率Uamaxに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Uaを低下させ、最小空気利用率Uamin(図17における破線)に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Uaは限界最小空気利用率ULaminになる。図18に示すように、空気利用率Uaが限界最小空気利用率ULaminよりも大きい(空気供給量が少ない)場合には、水蒸気量と炭素量の比S/C=2.5に設定される。さらに、ステップS35において決定された空気利用率Uaが、限界最小空気利用率ULaminよりも小さい(空気供給量が多い)場合(図18におけるUamin〜ULamin間)には、空気利用率Uaの減少と共に水蒸気量と炭素量の比S/Cは増大され、最小空気利用率Uaminにおいて、S/C=3.5に設定される。即ち、ステップS35において決定された空気利用率Uaが、限界最小空気利用率ULaminにより実現できない場合(空気利用率Uaが図17の斜線の範囲内に決定された場合)には、水蒸気量と炭素量の比S/Cを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器20から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール2内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Uaを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水(水蒸気)は、冷却用の流体として作用するので、図18に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。
Next, in the region of the generated current in which the air utilization rate Ua set in step S35 is limited by the maximum air supply amount of the power generation air flow
ステップS37においては、ステップS34、S35、及びS36において決定された燃料利用率Uf、空気利用率Ua、及び水蒸気量と炭素量の比S/Cと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ufで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Uaで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップS36において決定された水蒸気量と炭素量の比S/Cに基づいて、水供給量を計算する。 In step S37, specific fuel supply is performed based on the fuel utilization rate Uf, air utilization rate Ua, the ratio S / C of water vapor amount and carbon amount determined in steps S34, S35, and S36, and the generated current. Determine the volume, air supply, and water supply. That is, the actual fuel supply amount is calculated by dividing the fuel supply amount when the total amount is used for power generation by the determined fuel utilization rate Uf, and the total amount is used for power generation. The actual air supply amount is calculated by dividing the air supply amount by the determined air utilization rate Ua. Further, the water supply amount is calculated based on the calculated fuel supply amount and the ratio S / C of the water vapor amount and the carbon amount determined in step S36.
次いで、ステップS38において、制御部110は、燃料流量調整ユニット38、発電用空気流量調整ユニット45、及び水供給手段である水流量調整ユニット28に信号を送り、ステップS37において計算された量の燃料、空気、及び水を供給し、図12のフローチャートの1回の処理を終了する。
Next, in step S38, the
次に、図12のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図12のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、0.5秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その2倍の1秒、4倍の2秒、8倍の4秒毎に実行される。これにより、第1及び第2加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第1又は第2積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段110cは、出力電流(発電電力)が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。 Next, the time interval for executing the flowchart of FIG. 12 will be described. In the present embodiment, when the output current is large, the flowchart of FIG. 12 is executed every 0.5 seconds. As the output current decreases, it is doubled for 1 second, 4 times for 2 seconds, and 8 times. It is executed every 4 seconds. Thus, when the first and second addition / subtraction values are constant values, the change in the first or second integrated value per time becomes gentler as the output current is smaller. That is, the heat storage amount estimation means 110c changes the estimated value of the heat storage amount rapidly with respect to time as the output current (generated power) increases. Thereby, the estimation of the heat storage amount by the integrated value well reflects the actual heat storage amount.
次に、図12のフローチャートによって実現される固体酸化物型燃料電池の作用を説明する。
まず、ステップS33において計算される第1積算値N1idの値が0である場合には、ステップS34において決定される燃料利用率Ufが、その発電電流における最小燃料利用率Ufmin(燃料供給量最大)に設定される。これにより、第1積算値N1idの値が0であり、断熱材7等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール2が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップS33において計算される第2積算値N2idの値が、第1積算値N1idと同様に0である場合には、ステップS35において決定される空気利用率Uaが、その発電電流における最大空気利用率Uafmax(空気供給量最小)に設定される。このため、燃料電池モジュール2に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック14が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック14の温度を上昇傾向にすることができる。
Next, the operation of the solid oxide fuel cell realized by the flowchart of FIG. 12 will be described.
First, when the value of the first integrated value N1id calculated in step S33 is 0, the fuel utilization rate Uf determined in step S34 is the minimum fuel utilization rate Ufmin (maximum fuel supply amount) in the generated current. Set to As a result, even when the value of the first integrated value N1id is 0 and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is small, sufficient fuel is supplied so that the
次に、検出温度Tdが適正温度Ts(I)よりも高く、Td>Ts(I)+Teの状態で燃料電池モジュール2が運転されると、第1加減算値M1の値は正値となり、第1積算値N1idの値が0よりも大きくなる。これにより、図14において、最小燃料利用率Ufminよりも高い燃料利用率Ufが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ufは、推定蓄熱量に対応した第1積算値N1idの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ufが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材7等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材7等に蓄積された熱量が利用されるので、発電を継続しながら燃料電池モジュール2内の温度上昇が抑制される。Td>Ts(I)+Teの状態で運転が継続されると、正値の第1加減算値M1の積算が繰り返され、第1積算値N1idの値も増大する。第1積算値N1idが1に達すると、燃料利用率Ufは、最大燃料利用率Uafmax(燃料供給量最小)に設定される。このように、燃料電池モジュール2に供給される燃料は、断熱材7等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Tdの過去の履歴に基づいて決定される。
Next, when the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I) and the
このような制御が実行されることにより、図11に示すタイムチャートでは、燃料電池セルスタック14の温度が高い状態において(時刻t10〜t13付近)、最小燃料利用率Ufmin(図11、3段目のタイムチャートの破線に対応)よりも燃料利用率Ufを高めた(燃料供給量を減じた)運転が行われる。
By executing such control, in the time chart shown in FIG. 11, the minimum fuel utilization rate Ufmin (FIG. 11, the third stage) when the temperature of the
第1積算値N1idが更に増大し、1を超えた場合においても、図14に示すように、燃料利用率Ufは、最大燃料利用率Uafmax(燃料供給量最小)に維持される。一方、第1積算値N1idと同一の値をとる第2積算値N2idの値(燃料電池モジュール2が劣化していない場合)も1を超えるので、図16に基づいて、空気利用率Uaが低下(空気供給量増加)される。これにより、燃料電池モジュール2内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。
このような制御が実行されることにより、図11に示すタイムチャートでは、燃料電池セルスタック14の温度が高い状態において(時刻t10〜t13付近)、最大空気利用率Uamax(図11、2段目のタイムチャートの破線に対応)よりも空気利用率Uaを低下させた(空気供給量を増加させた)運転が行われ、燃料電池セルスタック14が適正温度(図13の一点鎖線に対応)まで冷却される。
Even when the first integrated value N1id further increases and exceeds 1, as shown in FIG. 14, the fuel utilization rate Uf is maintained at the maximum fuel utilization rate Uafmax (minimum fuel supply amount). On the other hand, since the value of the second integrated value N2id that takes the same value as the first integrated value N1id (when the
By executing such control, in the time chart shown in FIG. 11, the maximum air utilization rate Uamax (FIG. 11, the second stage) when the temperature of the
これに対して、検出温度Tdが適正温度Ts(I)よりも低く、Td<Ts(I)−Teの状態で燃料電池モジュール2が運転されると、第1加減算値M1の値は負値となり、第1積算値N1idの値は減少される。これにより、燃料利用率Ufは、維持(第1積算値N1id>1)又は低下(第1積算値N1id≦1)される。また、空気利用率Uaは、増大(第2積算値N2id>1)又は維持(第2積算値N2id≦1)される。これにより、燃料電池モジュール2内の温度を上昇傾向にすることができる。
On the other hand, when the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I) and the
以上は、検出温度Tdの履歴に基づいて計算される第1加減算値M1のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第1積算値N1id及び第2積算値N2idは、第2加減算値M2によっても影響を受ける。燃料電池モジュール2、特に、燃料電池セルスタック14は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Tdの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Tdが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Tdが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Tdに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第1、第2積算値を修正する必要がある。
The above is the operation of the solid oxide fuel cell focusing only on the first addition / subtraction value M1 calculated based on the history of the detected temperature Td. The first integrated value N1id and the second integrated value N2id are It is also affected by the addition / subtraction value M2. The
即ち、最新の検出温度Tdが、1分前の検出温度Tdbよりも第2加減算値閾値温度以上高い場合には、第2加減算値M2が正の値となり、第1、第2積算値が増大される。これにより、検出温度Tdが上昇傾向に入ったことを第1、第2積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Tdが、1分前の検出温度Tdbよりも第2加減算値閾値温度以上低い場合には、第2加減算値M2が負の値となり、第1、第2積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ142により検出された最新の検出温度Tdと、過去の検出温度Tdbとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第2加減算値M2が計算される。従って、検出温度Tdが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ufを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量IU以下の領域では最大燃料利用率Ufmaxも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Tdが低下傾向に入ったことを第1、第2積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Tdに基づいて決定された第1加減算値M1の積算値、及び新しく検出された検出温度Tdと過去に検出された検出温度Tdbの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Tdの履歴に基づいて計算される基本推定値である第1加減算値M1の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Tdの変化率に基づいて計算される速応推定値である第2加減算値M2に基づいて、蓄熱量推定手段110cにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。
That is, when the latest detected temperature Td is higher than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 becomes a positive value, and the first and second integrated values increase. Is done. Thereby, it can reflect in the 1st, 2nd integrated value that the detected temperature Td entered into the upward tendency. Similarly, when the latest detected temperature Td is lower than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is a negative value, and the first and second integrated values are Will be reduced. In other words, the second addition / subtraction value M2, which is a rapid response estimated value, is calculated based on the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td detected by the power generation
なお、燃料電池モジュール2の温度変化は、検出温度TdとTdbを検出する間隔である1分に比して極めて緩慢であるため、第2加減算値M2は0である場合が多い。このため、第1、第2積算値は、主に第1加減算値M1によって支配され、検出温度Tdの上昇又は低下傾向が現れたとき、第2加減算値M2が、第1、第2積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第2加減算値M2によって直近の検出温度Tdの変化が加味される。このため、直近の検出温度Tdの変化が大きい(第2加減算値閾値温度以上の変化)場合には、第2加減算値M2が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ufが大幅に変更される。
Note that the temperature change of the
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、第2の貯水タンク26b内の凝縮水が不足した場合(図10、ステップS3)には、凝縮水高速生成手段110aが、凝縮水を増加させるべく発電電力を低下させる(図10、ステップS10、S12、S14、S15)ので、燃料電池セルスタック14の温度が低下され、これにより、発電用空気供給量/燃料供給量の比を上昇させる余地が生まれる。このように、燃料電池セルスタック14の損傷等を確実に回避しながら、凝縮水を高速で生成させることができる。
According to the solid
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、燃料電池セルスタック14の温度が高い場合には、発電用空気供給量が増加され(図11、時刻t10〜t13)、これにより、燃料電池セルスタック14が冷却される。しかしながら、このように発電用空気供給量が増加された状態では、発電用空気供給量/燃料供給量の比が増加し、熱交換器160において凝縮される凝縮水の量が低下するという問題がある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、凝縮水高速生成手段110aにより発電電力を低下させるだけで、簡単に、凝縮水の生成を促進することができる。
Moreover, according to the solid
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、発電電力が大きい状態では燃料利用率の高い運転を行うことが可能であるが(図15)、この状態において燃料利用率を低下させると、燃料電池セルスタック14の温度が過剰に上昇してしまう。このため、発電電力が大きい状態では、凝縮水の生成を促進することが困難である。一方、発電電力が少ない状態では作動温度が低いため(図13)、燃料利用率を低下させる余地があり、燃料利用率の許容範囲を広くすることができる(図15)。これにより、発電電力を低下させることにより、凝縮水の生成を促進することができる。
Further, according to the solid
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、燃料利用率及び発電用空気利用率が予め設定された許容範囲(図15、17)内で変化され、発電用空気に対する燃料の割合が多くされるので、固体酸化物型燃料電池1の熱的バランスを維持しながら、排気温度を高めることができ、凝縮水の生成を促進することができる。
Furthermore, according to the solid
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、凝縮水高速生成手段110aが発電電力を低下させる(図10、ステップS10、S12、S14、S15)ので、まず燃料供給量が低下され(図11、3段目のタイムチャート時刻t11)、燃料電池セルスタック14の温度が低下した後、発電用空気に対する燃料の割合が多くされる(図11、4段目のタイムチャート時刻t13)。このため、燃料電池セルスタック14の過昇温防止と、凝縮水生成の促進を同時に実現することができる。
Further, according to the solid
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、発電用空気利用率を上昇させることにより発電用空気を減少させて排気温度を上昇させ、凝縮水の生成を促進すると共に、発電用空気利用率の上昇を最大発電用酸化剤ガス利用率の範囲内で行うことにより(図17)、燃料電池モジュール2からの排気中の一酸化炭素濃度等を抑制することができ、エミッション性能を向上させることができる。
Further, according to the solid
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。上述した実施形態においては、第2の貯水タンク26b内の所定の水位に水位センサ136eを取り付け、この水位を下回ったとき(図10、ステップS3)凝縮水高速生成制御が開始されていたが、他の構成を採用することもできる。
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. In the embodiment described above, when the
例えば、貯水タンク内の異なる水位に複数の水位センサを設けることができ、或いは、貯水タンク内の水量を検出することができる水量計を設けることもできる。このように構成された変形例においては、燃料電池セルスタック14の温度が高い場合には、燃料電池セルスタック14の温度が低い場合よりも、貯水タンク内の凝縮水が多い状態から凝縮水高速生成制御が開始されるように、本発明を構成することもできる。
For example, a plurality of water level sensors can be provided at different water levels in the water storage tank, or a water meter that can detect the amount of water in the water storage tank can be provided. In the modified example configured as described above, when the temperature of the
このように構成された変形例によれば、燃料電池セルスタック14の温度が高い場合には、凝縮水が多い状態から凝縮水高速生成制御が開始されるので、燃料電池セルスタック14の温度を低下させるために長時間を要し、実際の凝縮水の増加が遅れた場合でも、改質器20に供給する水が枯渇するのを防止することができる。
According to the modified example configured as described above, when the temperature of the
また、上述した本発明の実施形態においては、貯水タンク内の水位が低い状態が所定時間継続した場合(図10、ステップS11、S13)には、より大幅に発電電力を低下させていたが、変形例として、貯水タンク内の貯水量に応じて発電電力を低下させることもできる。例えば、貯水タンク内の凝縮水が少ない場合には、凝縮水が多い場合よりも、より大幅に発電電力を低下させるように、凝縮水高速生成手段を構成することができる。 In the above-described embodiment of the present invention, when the state where the water level in the water storage tank is low continues for a predetermined time (FIG. 10, steps S11 and S13), the generated power is reduced more significantly. As a modification, the generated power can be reduced according to the amount of water stored in the water storage tank. For example, when the condensed water in the water storage tank is small, the condensed water high-speed generating means can be configured to reduce the generated power more significantly than when the condensed water is large.
このように構成された変形例によれば、凝縮水の量に応じて発電電力の制限が変更されるので、発電電力制限による影響を最小限に抑制しながら、確実に水の枯渇を防止することができる。 According to the modified example configured as described above, since the limit of the generated power is changed according to the amount of the condensed water, the depletion of water is surely prevented while suppressing the influence of the generated power limit to the minimum. be able to.
1 固体酸化物型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体酸化物型燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
26b 第2の貯水タンク(凝縮水タンク)
28 水流量調整ユニット(水供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用酸化剤ガス供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(制御手段)
110a 凝縮水高速生成手段
110b 蓄熱量推定手段
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ(買電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
136e 水位センサ(貯水量検出手段)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
140 排気温度センサ
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
154 ポンプ
156 RO膜(逆浸透膜)
158 パルスポンプ
160 熱交換器(凝縮器)
162 ヒーター
DESCRIPTION OF
8 Sealed
18 Combustion chamber (combustion section)
20
28 Water flow rate adjustment unit (water supply means)
30
40
46
110a Condensate high-speed generation means 110b Heat storage amount estimation means 112
132 Fuel flow sensor (fuel supply detection sensor)
136e Water level sensor (water storage amount detection means)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
140
148 Reformer temperature sensor (temperature detection means)
150
158
162 Heater
Claims (7)
燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールの排気中の水分を凝縮させる凝縮器と、
この凝縮器で凝縮された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、
この凝縮水タンクに貯留された凝縮水の量を検出する貯水量検出手段と、
燃料を水蒸気改質して水素を生成し、上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
上記凝縮水タンク内に貯留された凝縮水を上記改質器に供給する水供給手段と、
上記燃料電池セルスタックに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段、上記水供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、上記燃料電池モジュールにより所要の発電電力を生成する制御手段と、を有し、
上記制御手段は凝縮水高速生成制御を実行する凝縮水高速生成手段を備え、この凝縮水高速生成手段は、上記貯水量検出手段により、上記凝縮水タンク内の凝縮水が所定量以下であることが検出されると、上記凝縮器により凝縮される凝縮水を増加させるべく、発電電力を低下させ、
上記制御手段は、上記凝縮水高速生成制御の実行中であっても、上記燃料電池セルスタックの温度が所定温度以上である場合には、上記発電用酸化剤ガス供給量を増加させ、上記燃料電池セルスタックの温度を適正温度まで冷却し、その後、上記燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガス/燃料の比を減少させることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 A solid oxide fuel cell that collects moisture in exhaust gas and steam-reforms fuel using the collected water to generate electric power,
A fuel cell module having a fuel cell stack; and
A condenser for condensing moisture in the exhaust of the fuel cell module;
A condensed water tank for storing condensed water condensed in this condenser;
A storage amount detecting means for detecting the amount of condensed water stored in the condensed water tank;
A reformer for steam-reforming the fuel to produce hydrogen and supplying the fuel cell stack;
Fuel supply means for supplying fuel to the reformer;
Water supply means for supplying condensed water stored in the condensed water tank to the reformer;
Power generation oxidant gas supply means for supplying power generation oxidant gas to the fuel cell stack;
Control means for controlling the fuel supply means, the water supply means, and the oxidant gas supply means for power generation to generate required generated power by the fuel cell module,
The control means includes condensed water high-speed generation means for executing condensed water high-speed generation control. The condensed water high-speed generation means is configured such that the condensed water in the condensed water tank is equal to or less than a predetermined amount by the stored water amount detection means. Is detected, the generated power is reduced to increase the condensed water condensed by the condenser ,
Even when the condensate high-speed generation control is being executed, the control means increases the power generation oxidant gas supply amount when the temperature of the fuel cell stack is equal to or higher than a predetermined temperature, and A solid oxide fuel cell, wherein the temperature of the battery cell stack is cooled to an appropriate temperature, and then the ratio of oxidant gas / fuel supplied to the fuel cell module is decreased .
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