JP5829936B2 - Solid oxide fuel cell system and method for operating solid oxide fuel cell system - Google Patents

Solid oxide fuel cell system and method for operating solid oxide fuel cell system Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタック(燃料電池セルの組立体)の劣化時に劣化抑制制御を行い得るようにしたシステム、及び、劣化時の運転方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly to a system capable of performing deterioration suppression control when a fuel cell stack (an assembly of fuel cells) is deteriorated, and an operation method at the time of deterioration.

固体酸化物形燃料電池システム(以下「SOFCシステム」という)は、一般に、炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器と、この改質器からの改質燃料と空気との電気化学反応により発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、これら改質器及び燃料電池スタックを取り囲み、その内部で燃料電池スタックでの余剰の改質燃料を燃焼させて改質器及び燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、を含んで構成される。これらがシステムの主要部であり、これらをまとめてホットモジュールと呼んでいる。   A solid oxide fuel cell system (hereinafter referred to as an “SOFC system”) generally includes a reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel to produce a hydrogen-rich reformed fuel, and a reformer from the reformer. A fuel cell stack, which is an assembly of a plurality of solid oxide fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a solid fuel and air, and the reformer and the fuel cell stack. And a module case that burns excess reformed fuel to maintain the reformer and the fuel cell stack at a high temperature. These are the main parts of the system and are collectively called hot modules.

SOFCシステムは、高温での連続運転を基本とするが、長期の使用により燃料電池スタック(燃料電池セルの組立体)が劣化すると、発電能力が低下するばかりか、内部抵抗の増大により、ジュール熱が増大する結果、燃料電池スタックが過度に温度上昇する。そして、過度の温度上昇は燃料電池スタックの劣化を加速する。従って、燃料電池スタックの劣化を抑制することが求められている。   The SOFC system is based on continuous operation at a high temperature, but if the fuel cell stack (assembly of fuel cell) deteriorates due to long-term use, not only will the power generation capacity decrease, but the internal resistance will increase, resulting in Joule heat. As a result, the temperature of the fuel cell stack rises excessively. An excessive temperature increase accelerates the deterioration of the fuel cell stack. Accordingly, there is a demand for suppressing deterioration of the fuel cell stack.

特許文献1に記載の技術は、燃料電池スタックが劣化したことが判定されたとき(第1劣化判定時)に、燃料供給量が減少されるように以後の運転における定格出力電力を低下させる補正を実行し、第1劣化判定時よりも後に燃料電池スタックが劣化したことが判定されたとき(第2劣化判定時)に、燃料供給量が更に減少されるように以後の運転における定格出力電力を、第1劣化判定時よりも大きい下げ幅で低下させる補正を実行する。   The technique described in Patent Document 1 is a correction that reduces the rated output power in the subsequent operation so that the fuel supply amount is decreased when it is determined that the fuel cell stack has deteriorated (at the time of the first deterioration determination). When it is determined that the fuel cell stack has deteriorated after the first deterioration determination (second deterioration determination), the rated output power in the subsequent operation is further reduced so that the fuel supply amount is further reduced. Is corrected with a reduction range larger than that at the time of the first deterioration determination.

これによれば、第1劣化判定時の方が、第2劣化判定時よりも小さい下げ幅で定格出力電力が低下されるので、燃料電池スタックの劣化を抑制しつつ、十分な出力電力を得ることができる。すなわち、燃料電池スタックの劣化があまり進行していない初期においては十分な出力を得、劣化が進行したとき、より大きく燃料電池スタックの負担を軽減するので、燃料電池スタックの劣化を十分に抑制することができる。   According to this, since the rated output power is reduced at the time of the first deterioration determination with a reduction width smaller than that at the time of the second deterioration determination, sufficient output power is obtained while suppressing the deterioration of the fuel cell stack. be able to. That is, sufficient output is obtained in the early stage when the deterioration of the fuel cell stack is not progressing much, and when the deterioration progresses, the burden on the fuel cell stack is greatly reduced, so that the deterioration of the fuel cell stack is sufficiently suppressed. be able to.

特開2011−103211号公報JP2011-102111A

しかしながら、特許文献1に記載の技術は、電池劣化時に燃料供給量が減少されるように定格出力電力を低下させることで、燃料電池スタックのセル温度を下げ、一時的には劣化を抑制することが可能となるものの、定格出力電力を下げるだけでは、冷却効果が不十分なため、劣化を十分に抑制することはできない。このため、燃料電池スタックのセル温度上昇と定格出力電力低下とを頻繁に繰り返し、定格出力電力を大きく低下させることになる恐れがある。   However, the technique described in Patent Document 1 reduces the cell temperature of the fuel cell stack and temporarily suppresses deterioration by reducing the rated output power so that the fuel supply amount is reduced when the battery deteriorates. However, it is not possible to sufficiently suppress deterioration because the cooling effect is insufficient only by reducing the rated output power. For this reason, the cell temperature rise of the fuel cell stack and the reduction of the rated output power are frequently repeated, and the rated output power may be greatly reduced.

また、実用的な燃料電池システムにおいて、許容される定格出力電力の低下は15%程度であるため、定格出力電力の低下を繰り返すのにも制限がある。   Further, in the practical fuel cell system, the allowable reduction in the rated output power is about 15%, so there is a limit to repeatedly reducing the rated output power.

本発明は、このような実状に鑑み、劣化などにより燃料電池スタックのセル温度(スタック温度と同義)が過度に上昇したときに、燃料利用率及び空気利用率を的確に制御して冷却を図ることで、劣化が加速されることがないようにすることを課題とする。   In the present invention, in view of such a situation, when the cell temperature of the fuel cell stack (synonymous with the stack temperature) is excessively increased due to deterioration or the like, cooling is performed by accurately controlling the fuel utilization rate and the air utilization rate. Thus, it is an object to prevent deterioration from being accelerated.

上記の課題を解決するために、本発明は、目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定し、目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定する一方、燃料電池スタックのセル温度を検出し、これが劣化判定用の第1の所定温度を超えた時は、劣化抑制のため、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくするように補正する。そして、目標発電電力と燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、改質器への燃料供給量及び燃料電池スタックへの空気供給量を算出・制御する。 In order to solve the above problems, the present invention sets the fuel usage rate and the air usage rate according to the target generated power, and sets the fuel usage rate and the air usage rate small when the target generated power is low. As the generated power rises, the fuel utilization rate and air utilization rate are set to be large, while the cell temperature of the fuel cell stack is detected, and when this exceeds the first predetermined temperature for deterioration determination, deterioration suppression is suppressed. Therefore, the fuel utilization rate is increased as compared with the normal time, and at the same time, the air utilization rate is corrected to be decreased. Based on the target generated power, the fuel utilization rate, and the air utilization rate, the fuel supply amount to the reformer and the air supply amount to the fuel cell stack are calculated and controlled.

本発明によれば、燃料電池スタックのセル温度が劣化判定用の第1の所定温度を超えた時に、燃料利用率を上げると同時に、空気利用率を下げることにより、言い換えれば、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、全体的かつ大きな冷却効果を得て、温度上昇を抑制し、劣化のさらなる進行を抑制、すなわち劣化加速を回避することができる。   According to the present invention, when the cell temperature of the fuel cell stack exceeds the first predetermined temperature for deterioration determination, the fuel utilization rate is increased, and at the same time, the air utilization rate is decreased. By simultaneously increasing the amount, it is possible to obtain an overall and large cooling effect, suppress a temperature rise, suppress further progression of deterioration, that is, avoid deterioration acceleration.

尚、空気利用率の低下(空気増量)のみを行う場合は、十分な冷却効果を得るために、一定程度以上の空気増量を行わなければならず、その結果、燃料電池セルにおいて、空気導入部に近い側が過度に冷却されて、セル内で偏熱を生じる。このようにセル内で偏熱すると、高温部で膨張、低温部で収縮が起こり、セルの割れにつながる可能性がある。
従って、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、セル劣化時に必要となる空気増量を小さくすることができ、これによってセルの局所的な過冷却を抑え、セル内の偏熱拡大及びその悪循環を防止することができる。
In addition, when only reducing the air utilization rate (air increase), in order to obtain a sufficient cooling effect, it is necessary to perform an air increase of a certain degree or more. As a result, in the fuel cell, the air introduction part The side close to is cooled excessively, and heat is generated in the cell. Thus, when heat is unevenly distributed in the cell, expansion may occur in the high temperature portion and shrinkage in the low temperature portion, which may lead to cell cracking.
Therefore, by simultaneously performing fuel reduction and air increase, it is possible to reduce the air increase required when the cell deteriorates, thereby suppressing local overcooling of the cell, expanding the uneven heat in the cell, and its vicious cycle Can be prevented.

また、燃料利用率の上昇(燃料減量)のみを行う場合は、十分な温度低下を得るために、一定程度以上の燃料減量を行わなければならず、その結果、オフガスの空燃比がリーン化することにより、オフガス燃焼部で失火し、ホットモジュール内の熱バランスを崩す恐れがある。
従って、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、燃料減量を小さくすることができ、オフガスの失火を抑えて、熱バランス変化・改質器温度低下を防止し、またシステムの信頼性を向上することができる。
Further, when only increasing the fuel utilization rate (fuel reduction), in order to obtain a sufficient temperature decrease, the fuel reduction must be performed to a certain degree or more, and as a result, the air-fuel ratio of the off gas becomes lean. As a result, misfire may occur in the off-gas combustion section, and the heat balance in the hot module may be lost.
Therefore, by simultaneously performing fuel reduction and air increase, fuel loss can be reduced, off-gas misfire can be suppressed, heat balance change and reformer temperature drop can be prevented, and system reliability can be improved. can do.

本発明の一実施形態を示すSOFCシステムの全体構成図1 is an overall configuration diagram of a SOFC system showing an embodiment of the present invention. 同上SOFCシステムのホットモジュール部の構成図Configuration diagram of the hot module part of the SOFC system 燃料利用率及び空気利用率の設定用マップを示す図The figure which shows the map for setting of fuel utilization rate and air utilization rate 通常モード及び劣化抑制モードの決定ルーチンのフローチャートFlowchart of determination routine for normal mode and deterioration suppression mode 通常モード及び劣化抑制モードに応じた燃料及び空気制御ルーチンのフローチャートFlow chart of fuel and air control routine according to normal mode and deterioration suppression mode

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態を示すSOFCシステムの全体構成図である。
SOFCシステムは、その主要部(発電部)をなすホットモジュール1と、ホットモジュール1の発電電力を取り出すパワーコンディショナー(PCS)15と、ホットモジュール1の廃熱を回収して温水を得る熱交換器18と、温水を貯留する貯湯槽19と、これらを制御する制御装置の中核をなす制御ユニット30と、を含んで構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a SOFC system showing an embodiment of the present invention.
The SOFC system includes a hot module 1 as a main part (power generation unit), a power conditioner (PCS) 15 that extracts the generated power of the hot module 1, and a heat exchanger that collects waste heat from the hot module 1 to obtain hot water. 18, a hot water tank 19 that stores hot water, and a control unit 30 that forms the core of a control device that controls these.

先ずホットモジュール1について説明する。
ホットモジュール1は、モジュールケース2内に、改質器3と、燃料電池スタック4(複数の燃料電池セル5の組立体)と、オフガス燃焼部6とを配置して構成される。
First, the hot module 1 will be described.
The hot module 1 is configured by arranging a reformer 3, a fuel cell stack 4 (an assembly of a plurality of fuel cells 5), and an off-gas combustion unit 6 in a module case 2.

モジュールケース2は、耐熱性金属により形成された箱状の外枠体の内面に断熱材を内張して構成されている。また、外部からケース内へ、原燃料(炭化水素燃料など)の供給通路7と、水蒸気改質用の水(改質水)の供給通路8と、カソード用空気の供給通路9とが設けられている。
尚、必要により、原燃料の供給通路7には原燃料中の硫黄化合物を除去する脱硫器10が設けられ、また原燃料の供給通路7の脱硫器10下流側に改質用空気の供給通路11が接続される。そして、各供給通路7、8、9、11には適宜の供給量制御デバイス(ポンプ及び/又は流量制御弁)7p、8p、9p、11pが設けられる。
The module case 2 is configured by lining a heat insulating material on the inner surface of a box-shaped outer frame formed of a heat-resistant metal. Further, a feed passage 7 for raw fuel (hydrocarbon fuel or the like), a feed passage 8 for water for steam reforming (reformed water), and a feed passage 9 for cathode air are provided from the outside into the case. ing.
If necessary, the raw fuel supply passage 7 is provided with a desulfurizer 10 for removing sulfur compounds in the raw fuel, and the reforming air supply passage is provided downstream of the raw fuel supply passage 7 in the desulfurizer 10. 11 is connected. Each supply passage 7, 8, 9, 11 is provided with an appropriate supply amount control device (pump and / or flow control valve) 7 p, 8 p, 9 p, 11 p.

改質器3は、耐熱性金属により形成されたケース内の室に改質触媒を充填して構成されており、外部からの原燃料及び改質水の供給通路7、8が接続されている。従って、改質器3は、水を気化させて得た水蒸気の存在下で、原燃料を水蒸気改質反応により改質し、水素リッチな燃料ガス(改質ガス)を生成する。尚、水蒸気改質反応に替えて、部分酸化反応又は自己熱改質反応など、更にはこれらの改質反応の組み合わせなど、水素発生手法として公知な手法によって改質ガスを生成してもよい。   The reformer 3 is configured by filling a chamber in a case formed of a heat-resistant metal with a reforming catalyst, and is connected to supply paths 7 and 8 for raw fuel and reforming water from the outside. . Therefore, the reformer 3 reforms the raw fuel by a steam reforming reaction in the presence of water vapor obtained by vaporizing water to generate hydrogen-rich fuel gas (reformed gas). Instead of the steam reforming reaction, the reformed gas may be generated by a technique known as a hydrogen generation technique such as a partial oxidation reaction or an autothermal reforming reaction, or a combination of these reforming reactions.

燃料電池スタック4は、複数の固体酸化物形燃料電池セル5を直列接続してなる組立体であり、各セル5は固体酸化物電解質の両面に燃料極(アノード)及び空気極(カソード)を積層してなり、燃料極には改質器3出口からの改質ガスの供給通路12により改質ガスが供給され、空気極には外部からのカソード用空気の供給通路9により空気が供給される。   The fuel cell stack 4 is an assembly in which a plurality of solid oxide fuel cells 5 are connected in series. Each cell 5 has a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) on both sides of the solid oxide electrolyte. The reformed gas is supplied to the fuel electrode through the reformed gas supply passage 12 from the outlet of the reformer 3, and the air electrode is supplied with air through the cathode air supply passage 9 from the outside. The

従って、燃料電池セル5の各々において、空気極にて、下記(1)式の電極反応が生起され、燃料極にて、下記(2)式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
空気極: 1/2O+2e→O2−(固体電解質) ・・・(1)
燃料極: O2−(固体電解質)+H→HO+2e ・・・(2)
Therefore, in each fuel cell 5, an electrode reaction of the following formula (1) occurs in the air electrode, and an electrode reaction of the following formula (2) occurs in the fuel electrode to generate power.
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e (2)

オフガス燃焼部6は、モジュールケース2内に設けられ、燃料電池スタック4での余剰の改質ガスを余剰の空気の存在下で燃焼させ、その燃焼熱により改質器3及び燃料電池スタック4を高温状態に維持する。従って、モジュールケース2内は、燃料電池スタック4での発電及び余剰改質ガスの燃焼に起因して、例えば600〜1000℃程度の高温になる。モジュールケース2内での燃焼によって生成された高温の排気ガスはモジュールケース2外に排出されるが、その廃熱は後述するように熱利用される。   The off-gas combustion unit 6 is provided in the module case 2 and combusts surplus reformed gas in the fuel cell stack 4 in the presence of surplus air, and the reformer 3 and the fuel cell stack 4 are caused by the combustion heat. Maintain high temperature. Therefore, the inside of the module case 2 becomes a high temperature of, for example, about 600 to 1000 ° C. due to power generation in the fuel cell stack 4 and combustion of excess reformed gas. The high-temperature exhaust gas generated by the combustion in the module case 2 is discharged out of the module case 2, but the waste heat is used as described later.

図2はホットモジュール1のより実際的な例を示す構成図である。この例では、モジュールケース2内の上部に改質器3を配置し、下部に後述のマニホールド13を配置し、これらの間に燃料電池スタック4(燃料電池セルの組立体)を配置してある。   FIG. 2 is a configuration diagram showing a more practical example of the hot module 1. In this example, the reformer 3 is disposed in the upper part of the module case 2, the manifold 13 described later is disposed in the lower part, and the fuel cell stack 4 (an assembly of fuel cells) is disposed therebetween. .

マニホールド13は、燃料電池スタック4の支持体を兼ねると共に、改質器3からの改質ガスの供給通路12により供給される改質ガスを燃料電池スタック4の各燃料電池セルに分配する。   The manifold 13 also serves as a support for the fuel cell stack 4 and distributes the reformed gas supplied from the reformer 3 through the reformed gas supply passage 12 to each fuel cell of the fuel cell stack 4.

燃料電池スタック4の各燃料電池セルは、例えば、燃料極支持型の燃料電池セルであり、上下方向に延びる多孔質のセル支持体5sの外表面に燃料極層、固体電解質層、空気極層(図示せず)をこれらの順で積層してなる。   Each fuel cell of the fuel cell stack 4 is, for example, a fuel electrode support type fuel cell, and a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer are formed on the outer surface of a porous cell support 5s extending in the vertical direction. (Not shown) are laminated in this order.

セル支持体5sはその内部に延在方向に沿ってガス流路(図示せず)を備え、その下端部はマニホールド13に接続されている。そして、ガス流路の上端部は改質器3のケース壁に向かって開口し、オフガス燃焼部6を構成している。   The cell support 5s is provided with a gas flow path (not shown) along the extending direction therein, and the lower end thereof is connected to the manifold 13. The upper end of the gas flow path opens toward the case wall of the reformer 3, and constitutes the off-gas combustion unit 6.

従って、マニホールド13に供給された改質ガスは、燃料電池スタック4を構成する燃料電池セルに分配され、各セル支持体5sの内部に形成されているガス流路を流通(上昇)する。この過程で、改質ガス中の水素がセル支持体5sの多孔質層を透過して燃料極層に達する。一方、カソード用空気の供給通路9からモジュールケース2内に空気(酸素含有ガス)が導入され、燃料電池スタック4を構成する燃料電池セルの外側に供給される結果、空気中の酸素が空気極層に達する。これにより、燃料電池セルの各々において、改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電がなされる。   Therefore, the reformed gas supplied to the manifold 13 is distributed to the fuel cells constituting the fuel cell stack 4 and flows (increases) through the gas flow paths formed inside each cell support 5s. In this process, hydrogen in the reformed gas permeates through the porous layer of the cell support 5s and reaches the fuel electrode layer. On the other hand, air (oxygen-containing gas) is introduced into the module case 2 from the cathode air supply passage 9 and supplied to the outside of the fuel cells constituting the fuel cell stack 4. Reach the layer. Thereby, in each fuel cell, electric power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the reformed gas and oxygen in the air.

セル支持体5sのガス流路を流通する改質ガスのうち、電極反応に使用されなかった改質ガスは、セル支持体5sの上端からモジュールケース2内に流出せしめられ、流出と同時に燃焼せしめられる。尚、モジュールケース2内(オフガス燃焼部6)には適宜の着火デバイス(図示せず)が配設されている。また、モジュールケース2内に導入された空気のうち、電極反応に使用されなかったものは、燃焼に利用される。モジュールケース2内での燃焼によって生成された排気ガスは、排気通路14から、モジュールケース2外に排出される。   Of the reformed gas flowing through the gas flow path of the cell support 5s, the reformed gas that has not been used for the electrode reaction is caused to flow into the module case 2 from the upper end of the cell support 5s, and burned simultaneously with the outflow. It is done. An appropriate ignition device (not shown) is disposed in the module case 2 (off-gas combustion unit 6). Moreover, the air which was not used for the electrode reaction among the air introduced in the module case 2 is utilized for combustion. Exhaust gas generated by combustion in the module case 2 is discharged out of the module case 2 through the exhaust passage 14.

尚、燃料電池スタック4の燃料電池セルは、燃料極支持型の燃料電池セルとして説明したが、空気極支持型の燃料電池セル(多孔質のセル支持体5sの外表面に空気極層、固体電解質層、燃料極層をこれらの順で積層したもの)であってもよい。この場合は、改質器3からの改質ガスをモジュールケース2内に充満させ、空気をマニホールド13を介してセル支持体5sのガス流路に供給する構造になる。   Although the fuel cell of the fuel cell stack 4 has been described as a fuel electrode-supported fuel cell, an air-electrode-supported fuel cell (an air electrode layer, solid on the outer surface of the porous cell support 5s). An electrolyte layer and a fuel electrode layer may be laminated in this order). In this case, the module case 2 is filled with the reformed gas from the reformer 3, and air is supplied to the gas flow path of the cell support 5s via the manifold 13.

図1に戻って、説明を続ける。
パワーコンディショナー(PCS)15は、ホットモジュール1の燃料電池スタック4で発生した直流電力を取り出すものであり、また、インバータを備え、直流電力を交流電力に変換して、家庭内負荷(電気機器)16に供給する。尚、燃料電池スタック4の発電電力が家庭内負荷16の需要電力に満たない場合は、不足分として、系統電源17からの系統電力が家庭内負荷16に供給される。
Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The power conditioner (PCS) 15 takes out the DC power generated in the fuel cell stack 4 of the hot module 1 and includes an inverter to convert the DC power into AC power to load the household load (electric equipment). 16 is supplied. When the power generated by the fuel cell stack 4 is less than the demand power of the domestic load 16, the system power from the system power supply 17 is supplied to the domestic load 16 as a shortage.

熱交換器18は、ホットモジュール1の廃熱(燃料電池スタック4で発生する熱を含む排気ガスの熱)を回収して温水を得る。貯湯槽19は、熱交換器18により得た温水を貯留すると共に、この温水を給湯負荷に対して供給可能に構成されている。   The heat exchanger 18 collects waste heat of the hot module 1 (heat of exhaust gas including heat generated in the fuel cell stack 4) to obtain hot water. The hot water tank 19 is configured to store the hot water obtained by the heat exchanger 18 and to supply the hot water to the hot water supply load.

詳しくは、熱交換器18は発電ユニット側に配置され、給湯ユニット側の貯湯槽19と循環通路20a、20bにより接続されている。循環通路20aは、貯湯槽19の底部から引き出されて、熱交換器18の入口側に接続されており、途中に循環用のポンプ21が介装されている。循環通路20bは、熱交換器18の出口側から貯湯槽19の上部へ戻るように配管されている。   Specifically, the heat exchanger 18 is disposed on the power generation unit side and is connected to the hot water storage tank 19 on the hot water supply unit side and circulation passages 20a and 20b. The circulation passage 20a is drawn out from the bottom of the hot water tank 19 and connected to the inlet side of the heat exchanger 18, and a circulation pump 21 is interposed in the middle. The circulation passage 20 b is piped so as to return from the outlet side of the heat exchanger 18 to the upper part of the hot water tank 19.

従って、循環用のポンプ21を駆動すると、貯湯槽19の底部付近に存在する比較的低温の水が循環通路20aにより熱交換器18に供給され、熱交換器18にてホットモジュール1の廃熱(排気ガスの熱)との間で熱交換がなされる。これにより、排気ガスが冷却されると共に、水が加熱されて温水が得られる。熱交換器18にて得た温水は、循環通路20bにより貯湯槽19の上部へ戻される。このような循環が繰り返されて、貯湯槽19に温水が貯留される。
尚、貯湯槽19には、その上部から温水を取り出す給湯通路22が設けられると共に、その底部へ水道水を補給する給水通路23が設けられる。
Accordingly, when the circulation pump 21 is driven, relatively low-temperature water existing near the bottom of the hot water storage tank 19 is supplied to the heat exchanger 18 through the circulation passage 20a, and the heat exchanger 18 wastes heat from the hot module 1. Heat exchange with (heat of exhaust gas) is performed. As a result, the exhaust gas is cooled and the water is heated to obtain hot water. The hot water obtained in the heat exchanger 18 is returned to the upper part of the hot water tank 19 through the circulation passage 20b. Such circulation is repeated and hot water is stored in the hot water tank 19.
The hot water tank 19 is provided with a hot water supply passage 22 for extracting hot water from the upper portion thereof, and a water supply passage 23 for supplying tap water to the bottom portion thereof.

制御ユニット30は、燃料電池スタック4の発電電力や循環用のポンプ21の運転などを制御するもので、マイクロコンピュータにより構成され、CPU、ROM、RAM及び入出力インターフェイスなどを備えている。尚、制御ユニット30とその入力側及び出力側に接続される各種センサ及び制御デバイスとを含んで制御装置が構成される。   The control unit 30 controls the power generated by the fuel cell stack 4 and the operation of the circulation pump 21 and is constituted by a microcomputer and includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output interface, and the like. A control device is configured including the control unit 30 and various sensors and control devices connected to the input side and the output side thereof.

燃料電池スタック4の発電電力の制御に際し、制御ユニット30は、家庭内負荷16の需要電力に応じて、定格出力電力(最大発電電力)の範囲内で、燃料電池スタック4の目標発電電力を設定する。言い換えれば、目標発電電力は、需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定される。   When controlling the generated power of the fuel cell stack 4, the control unit 30 sets the target generated power of the fuel cell stack 4 within the range of the rated output power (maximum generated power) according to the demand power of the household load 16. To do. In other words, the target generated power is set to the maximum power that can be generated within the range of the demand power according to the demand power.

制御ユニット30は、設定された目標発電電力に基づいて、パワーコンディショナー15を制御する。具体的には、燃料電池スタック4の目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック4から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池スタック4の目標発電電力を燃料電池スタック4の出力電圧(瞬時値)で除算して、目標電流を設定し、この目標電流に従って、燃料電池スタック4から取り出す電流を制御する。   The control unit 30 controls the power conditioner 15 based on the set target generated power. Specifically, the current taken out from the fuel cell stack 4 is set and controlled based on the target generated power of the fuel cell stack 4. More specifically, the target generated power of the fuel cell stack 4 is divided by the output voltage (instantaneous value) of the fuel cell stack 4, a target current is set, and the current extracted from the fuel cell stack 4 is controlled according to the target current. .

制御ユニット30は、また、設定された目標発電電力に基づいて(目標発電電力を得るように)、供給量制御デバイス7p、8p、11pを介して改質器7への原燃料、改質水、改質用空気の供給量を制御して、燃料電池スタック4への改質ガス(アノードガス)の供給量を制御し、また、供給量制御デバイス9pを介して燃料電池スタック4への空気(カソードガス)の供給量を制御する。すなわち、主には、改質器7への燃料供給量と燃料電池スタック4への空気供給量とを制御することで、燃料電池スタック4の発電電力を制御する。   The control unit 30 also supplies the raw fuel, reformed water to the reformer 7 via the supply amount control devices 7p, 8p, 11p based on the set target generated power (so as to obtain the target generated power). The supply amount of reforming air is controlled to control the supply amount of reformed gas (anode gas) to the fuel cell stack 4, and the air to the fuel cell stack 4 is supplied via the supply amount control device 9p. (Cathode gas) supply amount is controlled. That is, the generated power of the fuel cell stack 4 is controlled mainly by controlling the fuel supply amount to the reformer 7 and the air supply amount to the fuel cell stack 4.

また、燃料電池スタック4の目標発電電力に応じて燃料及び空気の供給量を制御する際は、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaを所望の値に制御する。
燃料利用率Ufとは、改質器3へ供給された燃料のうち、発電に利用される燃料の割合(%)をいう。よって、目標発電電力を得るのに必要な燃料量をGfとすると、改質器3への燃料供給量はGf×100/Ufとなる。従って、燃料利用率Ufの増大は燃料減量を意味し、燃料利用率Ufの減少は燃料増量を意味する。
また、空気利用率Uaとは、燃料電池スタック4に供給された空気のうち、発電に利用される空気の割合(%)をいう。よって、目標発電電力を得るのに必要な空気量をGaとすると、燃料電池スタック4への空気供給量はGa×100/Uaとなる。従って、空気利用率Uaの増大は空気減量を意味し、空気利用率Uaの減少は空気増量を意味する。
Further, when the fuel and air supply amounts are controlled in accordance with the target generated power of the fuel cell stack 4, the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are controlled to desired values.
The fuel utilization rate Uf refers to the proportion (%) of the fuel used for power generation out of the fuel supplied to the reformer 3. Therefore, if the amount of fuel required to obtain the target generated power is Gf, the amount of fuel supplied to the reformer 3 is Gf × 100 / Uf. Therefore, an increase in the fuel utilization rate Uf means a fuel decrease, and a decrease in the fuel utilization rate Uf means an increase in fuel.
The air utilization rate Ua refers to the proportion (%) of air used for power generation in the air supplied to the fuel cell stack 4. Therefore, if the amount of air necessary to obtain the target generated power is Ga, the amount of air supplied to the fuel cell stack 4 is Ga × 100 / Ua. Therefore, an increase in the air utilization rate Ua means a decrease in air, and a decrease in the air utilization rate Ua means an increase in air.

図3は燃料利用率Uf及び空気利用率Uaの特性図(設定用マップ)であり、目標発電電力の変化に対する燃料利用率Uf及び空気利用率Uaの変化を示すと共に、燃料利用率Ufと空気利用率Uaとの関係を示している。
燃料利用率Uf及び空気利用率Uaは、規定のプロフィル(図3)に従って協調制御する。
FIG. 3 is a characteristic diagram (setting map) of the fuel usage rate Uf and the air usage rate Ua, showing changes in the fuel usage rate Uf and the air usage rate Ua with respect to changes in the target generated power, as well as the fuel usage rate Uf and the air. The relationship with the utilization factor Ua is shown.
The fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are cooperatively controlled according to a prescribed profile (FIG. 3).

図3中の△は通常時(通常モード)の特性であり、目標発電電力が低いときには、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaを小さく設定し、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaを大きく設定する。
例えば、通常モードの燃料利用率Ufは、目標発電電力に応じ、目標発電電力が大きくなるほど大きく設定する。
In FIG. 3, Δ is a characteristic at normal time (normal mode), and when the target generated power is low, the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are set small, and the fuel utilization rate increases as the target generated power increases. Uf and air utilization rate Ua are set large.
For example, the fuel usage rate Uf in the normal mode is set to be larger as the target generated power becomes larger in accordance with the target generated power.

通常モードの空気利用率Uaは、燃料利用率Ufが所定値(例えば50%)以下と、所定値以上とで次のように設定方法を異ならせる。
(1)Uf≦所定値のとき
Ua=A1×Uf
但し、A1は所定の係数(例えば0.5〜1.0)。
(2)Uf>所定値のとき
Ufにかかわらず、Uaは上限にて一定。
The air utilization rate Ua in the normal mode is set differently depending on whether the fuel utilization rate Uf is a predetermined value (for example, 50%) or less and a predetermined value or more.
(1) When Uf ≦ predetermined value Ua = A1 × Uf
However, A1 is a predetermined coefficient (for example, 0.5 to 1.0).
(2) When Uf> predetermined value Ua is constant at the upper limit regardless of Uf.

これに対し、図3中の□は劣化時(劣化抑制モード)の特性であり、同一の目標発電電力にて、制御点を斜め右下へ移動させて、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくする。
例えば、劣化抑制モードの燃料利用率Ufは、通常モードに対し、各出力で1〜8ポイント増大させる。但し、Ufが低い領域(出力が小さい領域)では、増大分を少なくするように調整する。
On the other hand, □ in FIG. 3 is a characteristic at the time of deterioration (deterioration suppression mode). With the same target generated power, the control point is moved diagonally to the lower right, and the fuel utilization rate is increased compared to the normal time. At the same time, increase the air utilization rate.
For example, the fuel utilization rate Uf in the deterioration suppression mode is increased by 1 to 8 points at each output relative to the normal mode. However, in the region where Uf is low (region where the output is small), adjustment is made to reduce the increase.

劣化抑制モードの空気利用率Uaは、通常モードに対し、各出力で1〜10ポイント減少させる。但し、Uaが低い領域では、Uaがマイナス値とならないように調整する。   The air utilization rate Ua in the deterioration suppression mode is decreased by 1 to 10 points at each output with respect to the normal mode. However, in a region where Ua is low, adjustment is made so that Ua does not become a negative value.

燃料電池スタック4(燃料電池セルの組立体)の劣化の検出には、燃料電池スタック4のセル温度を検出する温度検出部として、セル温度センサ31(図2参照)を用い、セル温度が劣化判定用の第1の所定温度T1を超えた時に劣化抑制モードへ移行する。
尚、セル温度センサ31は、セル支持体5sに取付けて、代表点の温度(最高温度部又は平均的温度部の温度など)を検出するようにすればよい。また、複数設けて、平均値を算出するようにしてもよい。複数設ける場合は、異なるセル支持体5sに取付ければよいが、セル支持体5sの延在方向の異なる位置に配設してもよい。
For detecting the deterioration of the fuel cell stack 4 (an assembly of fuel cells), a cell temperature sensor 31 (see FIG. 2) is used as a temperature detection unit for detecting the cell temperature of the fuel cell stack 4, and the cell temperature is deteriorated. When the first predetermined temperature T1 for determination is exceeded, the mode is shifted to the deterioration suppression mode.
The cell temperature sensor 31 may be attached to the cell support 5s so as to detect the temperature of the representative point (the temperature of the highest temperature part or the average temperature part). Also, a plurality of them may be provided to calculate the average value. When a plurality of cells are provided, they may be attached to different cell supports 5s, but may be provided at different positions in the extending direction of the cell supports 5s.

図4は制御ユニット30にて実行される通常モード及び劣化抑制モードの決定ルーチンのフローチャートである。
S1では、初期設定として、通常モードに設定する。
通常モード設定中は、S2にて、セル温度センサ31により検出されるセル温度を読込み、セル温度を劣化判定用の第1の所定温度T1(例えば750℃)と比較する。
比較の結果、セル温度≦T1の場合は、S1の通常モードを続行する。
FIG. 4 is a flowchart of a routine for determining the normal mode and the deterioration suppression mode executed by the control unit 30.
In S1, the normal mode is set as the initial setting.
During the normal mode setting, the cell temperature detected by the cell temperature sensor 31 is read in S2, and the cell temperature is compared with a first predetermined temperature T1 (for example, 750 ° C.) for deterioration determination.
As a result of the comparison, when the cell temperature ≦ T1, the normal mode of S1 is continued.

これに対し、セル温度>T1となった場合は、燃料電池セルの劣化とみなし、S3へ進んで、劣化抑制モードへ移行する。
劣化抑制モードへ移行した場合は、S4にて、移行から所定時間(例えば30分)経過したか否かを判定し、少なくとも所定時間経過するまでは、S3の劣化抑制モードを続行する。
On the other hand, when the cell temperature> T1, the fuel cell is regarded as being deteriorated, and the process proceeds to S3 to shift to the deterioration suppressing mode.
When the mode is shifted to the degradation suppression mode, it is determined in S4 whether or not a predetermined time (for example, 30 minutes) has elapsed since the transition, and the degradation suppression mode of S3 is continued at least until the predetermined time has elapsed.

劣化抑制モードへの移行後、所定時間経過した場合は、S5へ進んで、セル温度センサ31により検出されるセル温度を読込み、セル温度を第2の所定温度T2と比較する。第2の所定温度T2は、過度の温度上昇状態から脱したか否かを判定するためのしきい値で、T2<T1、又はT2≦T1、望ましくはT1より10℃程度低い値に設定される。
比較の結果、セル温度≧T2の場合は、S3の劣化抑制モードを続行する。
これに対し、セル温度<T2となった場合は、冷却されたものとみなし、S1へ戻って、通常モードへ復帰させる。
If the predetermined time has elapsed after the transition to the deterioration suppression mode, the process proceeds to S5, the cell temperature detected by the cell temperature sensor 31 is read, and the cell temperature is compared with the second predetermined temperature T2. The second predetermined temperature T2 is a threshold value for determining whether or not the temperature has risen from an excessive temperature rise state, and is set to T2 <T1, or T2 ≦ T1, preferably about 10 ° C. lower than T1. The
As a result of the comparison, when the cell temperature ≧ T2, the deterioration suppression mode of S3 is continued.
On the other hand, if the cell temperature is less than T2, it is considered that the cell has been cooled, and the process returns to S1 to return to the normal mode.

図5は通常モード及び劣化抑制モードに応じた燃料及び空気制御ルーチンのフローチャートである。
S11では、目標発電電力Wgを算出する。具体的には、目標発電電力Wgを、家庭内負荷16の需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定する。すなわち、需要電力<定格出力電力であれば、目標発電電力Wg=需要電力に設定され、需要電力>定格出力電力であれば、目標発電電力Wg=定格出力電力に設定される。
S12では、図4のフローの結果として、通常モードであるか、劣化抑制モードであるかを判定する。
FIG. 5 is a flowchart of a fuel and air control routine corresponding to the normal mode and the deterioration suppression mode.
In S11, the target generated power Wg is calculated. Specifically, the target generated power Wg is set to the maximum power that can be generated within the range of the demand power according to the demand power of the household load 16. That is, if demand power <rated output power, the target generated power Wg = demand power is set, and if demand power> rated output power, the target generated power Wg = rated output power is set.
In S12, as a result of the flow of FIG. 4, it is determined whether the mode is the normal mode or the deterioration suppression mode.

通常モードの場合は、S13へ進み、通常モードのマップ、すなわち図3の通常時の特性(△の特性)に従って、目標発電電力Wgから燃料利用率Uf及び空気利用率Uaを設定する。この場合、目標発電電力が低いときには、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaは小さく設定され、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaは大きく設定される。尚、S13のステップが利用率基本設定部として機能する。   In the normal mode, the process proceeds to S13, and the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are set from the target generated power Wg according to the normal mode map, that is, the characteristic at the normal time (characteristic of Δ) in FIG. In this case, when the target generated power is low, the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are set small, and as the target generated power increases, the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are set large. Note that step S13 functions as a utilization rate basic setting unit.

劣化抑制モードの場合は、S14へ進み、劣化抑制モードのマップ、すなわち図3の劣化時の特性(□の特性)に従って、目標発電電力Wgから燃料利用率Uf及び空気利用率Ufを設定する。この場合、通常時との比較で、燃料利用率Ufは大きく設定され、同時に、空気利用率Uaは小さく設定される。尚、S14のステップが利用率基本設定部及び劣化時の利用率補正部として機能する。   In the case of the deterioration suppression mode, the process proceeds to S14, and the fuel usage rate Uf and the air usage rate Uf are set from the target generated power Wg according to the map of the deterioration suppression mode, that is, the characteristics at the time of deterioration (characteristic □) in FIG. In this case, the fuel utilization rate Uf is set to be large compared with the normal time, and at the same time, the air utilization rate Ua is set to be small. Note that step S14 functions as a utilization rate basic setting unit and a utilization rate correction unit at the time of deterioration.

尚、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaの設定(基本設定及び補正)は、マップを参照して行ってもよいし、前述の設定方法に基づく計算によって行ってもよい。   The setting (basic setting and correction) of the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua may be performed with reference to a map or may be performed by calculation based on the above-described setting method.

S13又はS14での燃料利用率Uf及び空気利用率Uaの設定後は、S15へ進む。
S15では、目標発電電力Wgと燃料利用率Ufとから燃料供給量を算出する。すなわち、目標発電電力Wgを得るのに必要な燃料量をGfとすると、燃料供給量=Gf×100/Ufとなる。燃料供給量の算出後は、これに基づいて燃料供給量制御デバイス7pを制御する。
After setting the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua in S13 or S14, the process proceeds to S15.
In S15, the fuel supply amount is calculated from the target generated power Wg and the fuel utilization rate Uf. That is, if the amount of fuel necessary to obtain the target generated power Wg is Gf, the fuel supply amount = Gf × 100 / Uf. After the fuel supply amount is calculated, the fuel supply amount control device 7p is controlled based on the calculation.

S16では、目標発電電力Wgと空気利用率Uaとから空気供給量を算出する。すなわち、目標発電電力Wgを得るのに必要な空気量をGaとすると、空気供給量=Ga×100/Uaとなる。空気供給量の算出後は、これに基づいて空気供給量制御デバイス9pを制御する。尚、S15、S16のステップが供給量算出部として機能する。   In S16, the air supply amount is calculated from the target generated power Wg and the air utilization rate Ua. That is, assuming that the amount of air necessary to obtain the target generated power Wg is Ga, the air supply amount = Ga × 100 / Ua. After the calculation of the air supply amount, the air supply amount control device 9p is controlled based on this. Note that steps S15 and S16 function as a supply amount calculation unit.

本実施形態によれば、制御装置が、目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定する利用率基本設定部と、燃料電池スタック4のセル温度を検出する温度検出部と、セル温度が第1の所定温度T1を超えた時に、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくする利用率補正部と、前記目標発電電力と前記燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、改質器3への燃料供給量及び燃料電池スタック4への空気供給量を算出する供給量算出部と、を含んで構成されることにより、特に燃料電池スタック4のセル温度が劣化判定用の第1の所定温度T1を超えた時に、燃料利用率を上げると同時に、空気利用率を下げることにより、言い換えれば、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、全体的かつ大きな冷却効果を得て、温度上昇を抑制し、劣化のさらなる進行を抑制、すなわち劣化加速を回避することができる。   According to the present embodiment, the control device sets the fuel utilization rate and the air utilization rate according to the target generated power, the utilization rate basic setting unit, the temperature detection unit that detects the cell temperature of the fuel cell stack 4, and the cell When the temperature exceeds the first predetermined temperature T1, the utilization rate correction unit increases the fuel utilization rate and reduces the air utilization rate at the same time as normal, and the target generated power, the fuel utilization rate, and the air utilization. And a supply amount calculation unit that calculates a fuel supply amount to the reformer 3 and an air supply amount to the fuel cell stack 4 based on the rate, in particular, the cells of the fuel cell stack 4 When the temperature exceeds the first predetermined temperature T1 for deterioration determination, the fuel utilization rate is increased and at the same time the air utilization rate is decreased. And large To obtain a cooling effect to suppress the temperature rise, the further progress of the deterioration prevention, that is, to avoid accelerated aging.

また、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、セル劣化時に必要となる空気増量を小さくすることができ、これによってセルの局所的な過冷却を抑え、セル内の偏熱による熱膨張差に起因するセル破壊などを防止することができる。   In addition, by performing fuel reduction and air increase at the same time, it is possible to reduce the air increase required when the cell deteriorates, thereby suppressing local overcooling of the cell and the difference in thermal expansion due to uneven heat in the cell. It is possible to prevent cell destruction and the like caused by.

また、燃料減量と空気増量とを同時に行うことにより、燃料減量についても小さくすることができ、空燃比変化を小さくして、オフガスの失火を抑えることができる。これにより、ホットモジュール1内の熱バランスの変化や、改質器3の温度低下を防止し、またシステムの信頼性を向上することができる。   Further, by simultaneously performing the fuel reduction and the air increase, the fuel reduction can be reduced, the change in the air-fuel ratio can be reduced, and the misfire of the off gas can be suppressed. Thereby, the change of the heat balance in the hot module 1 and the temperature fall of the reformer 3 can be prevented, and the reliability of the system can be improved.

また、本実施形態によれば、前記利用率基本設定部が、目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定することにより、目標発電電力との関係で、燃料利用率及び空気利用率を適切に設定することができる。   Further, according to the present embodiment, when the target generated power is low, the utilization rate basic setting unit sets the fuel utilization rate and the air utilization rate to be small, and the fuel utilization rate and the air increase as the target generated power increases. By setting the utilization factor large, the fuel utilization factor and the air utilization factor can be appropriately set in relation to the target generated power.

また、本実施形態によれば、目標発電電力は、需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定されることにより、需要電力すなわち負荷に追従した運転が可能となる。   In addition, according to the present embodiment, the target generated power is set to the maximum power that can be generated within the range of the demand power according to the demand power, so that the operation following the demand power, that is, the load becomes possible. .

また、本実施形態によれば、前記利用率補正部は、燃料利用率及び空気利用率の補正後に、セル温度が第2の所定温度T2より低下したときは、燃料利用率及び空気利用率の補正を終了して、通常時の制御に戻すことにより、劣化加速を回避できる状況では、通常制御に戻し、規定プロフィルに従って好適に制御することができる。   Further, according to the present embodiment, when the cell temperature falls below the second predetermined temperature T2 after the fuel utilization rate and the air utilization rate are corrected, the utilization rate correction unit adjusts the fuel utilization rate and the air utilization rate. In a situation where deterioration acceleration can be avoided by ending the correction and returning to the normal control, the control can be returned to the normal control and suitably controlled according to the prescribed profile.

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。   The illustrated embodiments are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to those directly described by the described embodiments, and various improvements and modifications made by those skilled in the art within the scope of the claims. Needless to say, it encompasses changes.

1 ホットモジュール
2 モジュールケース
3 改質器
4 燃料電池スタック
5 燃料電池セル
5s セル支持体
6 オフガス燃焼部
7 原燃料の供給通路
7p 供給量制御デバイス
8 改質水の供給通路
8p 供給量制御デバイス
9 カソード用空気の供給通路
9p 供給量制御デバイス
10 脱硫器
11 改質用空気の供給通路
11p 供給量制御デバイス
12 改質ガスの供給通路
13 マニホールド
14 排気通路
15 パワーコンディショナー(PCS)
16 負荷
17 系統電源
18 熱交換器
19 貯湯槽
20a、20b 循環通路
21 循環用のポンプ
22 給湯通路
23 給水通路
30 制御ユニット
31 セル温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hot module 2 Module case 3 Reformer 4 Fuel cell stack 5 Fuel cell 5s Cell support 6 Off-gas combustion part 7 Raw fuel supply passage 7p Supply amount control device 8 Reformed water supply passage 8p Supply amount control device 9 Cathode air supply passage 9p Supply amount control device 10 Desulfurizer 11 Reformation air supply passage 11p Supply amount control device 12 Reformed gas supply passage 13 Manifold 14 Exhaust passage 15 Power conditioner (PCS)
16 Load 17 System power supply 18 Heat exchanger 19 Hot water storage tank 20a, 20b Circulation passage 21 Circulation pump 22 Hot water supply passage 23 Water supply passage 30 Control unit 31 Cell temperature sensor

Claims (5)

炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器と、この改質器からの改質燃料と空気との電気化学反応により発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の改質燃料を燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、目標発電電力に基づいて前記改質器への燃料供給量及び前記燃料電池スタックへの空気供給量を制御する制御装置と、を備える固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定し、前記目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、前記目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定する利用率基本設定部と、
前記燃料電池スタックのセル温度を検出する温度検出部と、
前記セル温度が第1の所定温度を超えた時に、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくする利用率補正部と、
前記目標発電電力と前記燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、前記改質器への燃料供給量及び前記燃料電池スタックへの空気供給量を算出する供給量算出部と、を含んで構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
A reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel to produce a hydrogen-rich reformed fuel, and a plurality of solid oxide fuels that generate electricity by an electrochemical reaction between the reformed fuel from the reformer and air A fuel cell stack as an assembly of battery cells, the reformer and the fuel cell stack are surrounded, and excess reformed fuel in the fuel cell stack is burned therein to burn the reformer and the fuel cell. A solid oxide fuel comprising: a module case for maintaining the stack at a high temperature; and a control device for controlling a fuel supply amount to the reformer and an air supply amount to the fuel cell stack based on a target generated power A battery system,
The controller is
A fuel utilization rate and an air utilization rate are set according to the target generated power. When the target generated power is low, the fuel utilization rate and the air utilization rate are set small. A utilization rate basic setting unit for setting a large rate and air utilization rate ;
A temperature detector for detecting a cell temperature of the fuel cell stack;
When the cell temperature exceeds the first predetermined temperature, a utilization rate correction unit that increases the fuel utilization rate and simultaneously reduces the air utilization rate than when normal,
A supply amount calculation unit that calculates a fuel supply amount to the reformer and an air supply amount to the fuel cell stack based on the target generated power, the fuel utilization rate, and the air utilization rate. A solid oxide fuel cell system.
目標発電電力は、需要電力に応じ、需要電力の範囲内で発電しうる最大の電力に設定されることを特徴とする、請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The solid oxide fuel cell system according to claim 1 , wherein the target generated power is set to a maximum power that can be generated within the range of the demand power according to the demand power. 前記利用率補正部は、燃料利用率及び空気利用率の補正後に、前記セル温度が第2の所定温度より低下したときは、燃料利用率及び空気利用率の補正を終了して、通常時の制御に戻すことを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の固体酸化物形燃料電池システム。 When the cell temperature falls below the second predetermined temperature after correcting the fuel usage rate and the air usage rate, the usage rate correction unit ends the correction of the fuel usage rate and the air usage rate, 3. The solid oxide fuel cell system according to claim 1 , wherein the control is returned to control. 炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器と、この改質器からの改質燃料と空気との電気化学反応により発電する複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体である燃料電池スタックと、前記改質器及び前記燃料電池スタックを取り囲み、その内部で前記燃料電池スタックでの余剰の改質燃料を燃焼させて前記改質器及び前記燃料電池スタックを高温状態に維持するモジュールケースと、を備える固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
目標発電電力に応じて燃料利用率及び空気利用率を設定し、前記目標発電電力が低いときには、燃料利用率及び空気利用率を小さく設定し、前記目標発電電力の上昇に伴って、燃料利用率及び空気利用率を大きく設定する一方、
前記燃料電池スタックのセル温度を検出し、これが第1の所定温度を超えた時は、劣化抑制のため、通常時よりも、燃料利用率を大きくすると同時に、空気利用率を小さくするように補正し、
前記目標発電電力と前記燃料利用率及び空気利用率とに基づいて、前記改質器への燃料供給量及び前記燃料電池スタックへの空気供給量を算出・制御することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
A reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel to produce a hydrogen-rich reformed fuel, and a plurality of solid oxide fuels that generate electricity by an electrochemical reaction between the reformed fuel from the reformer and air A fuel cell stack as an assembly of battery cells, the reformer and the fuel cell stack are surrounded, and excess reformed fuel in the fuel cell stack is burned therein to burn the reformer and the fuel cell. A module case for maintaining the stack at a high temperature, and a method for operating the solid oxide fuel cell system,
A fuel usage rate and an air usage rate are set according to the target generated power, and when the target generated power is low, the fuel usage rate and the air usage rate are set small, and as the target generated power increases, the fuel usage rate And while setting the air utilization rate large ,
When the cell temperature of the fuel cell stack is detected and exceeds the first predetermined temperature, in order to suppress deterioration, the fuel utilization rate is increased and the air utilization rate is decreased at the same time as the normal time. And
Solid oxidation, characterized by calculating and controlling a fuel supply amount to the reformer and an air supply amount to the fuel cell stack based on the target generated power and the fuel utilization rate and air utilization rate Operation method of physical fuel cell system.
燃料利用率及び空気利用率の補正後に、前記セル温度が第2の所定温度より低下したときは、燃料利用率及び空気利用率の補正を終了して、通常時の制御に戻すことを特徴とする、請求項4記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 When the cell temperature falls below a second predetermined temperature after correcting the fuel usage rate and the air usage rate, the correction of the fuel usage rate and the air usage rate is terminated and the control is returned to the normal control. The method for operating the solid oxide fuel cell system according to claim 4 .
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