JP6695263B2 - Fuel cell system, control device, and program - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム、制御装置、及びプログラムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, a control device, and a program.

近年、固体酸化物形燃料電池(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)や溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)等の燃料電池を用いた燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、改質器及びスタックを含む。改質器は、炭化水素を含む燃料ガスを水蒸気や空気中の酸素と反応させて改質し、水素(H)や一酸化炭素(CO)を生成する。スタックは、改質器で生成された水素や一酸化炭素を用いて発電する。 In recent years, a fuel cell system using a fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC) has attracted attention. The fuel cell system includes a reformer and a stack. The reformer causes a fuel gas containing hydrocarbon to react with water vapor and oxygen in the air to be reformed to generate hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). The stack uses hydrogen and carbon monoxide produced in the reformer to generate electricity.

改質器では、水蒸気の供給量と燃料ガス中の炭素量との比(S/C比:Steam/Carbon)や、酸素の供給量と燃料ガス中の炭素量との比(O/C比:Oxygen/Carbon)を大きくし、炭素の析出を抑制する場合がある。   In the reformer, the ratio of the amount of steam supplied to the amount of carbon in the fuel gas (S / C ratio: Steam / Carbon) and the ratio of the amount of oxygen supplied to the amount of carbon in the fuel gas (O / C ratio) : Oxygen / Carbon) may be increased to suppress carbon precipitation.

従来、部分負荷時や発電停止時に、改質器に酸化剤(空気、水蒸気)を供給し、改質器を加熱機構により加熱することで、改質器にて析出する炭素の量を低減する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, the amount of carbon deposited in the reformer is reduced by supplying an oxidizer (air, steam) to the reformer and heating the reformer by a heating mechanism during partial load or when power generation is stopped. A technique has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、改質器に定期的に一定時間酸素を供給することで、上記O/C比を増加させ、改質器にて析出する炭素の量を低減する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Further, a technique has been proposed in which oxygen is supplied to the reformer periodically for a certain period of time to increase the O / C ratio and reduce the amount of carbon deposited in the reformer (for example, patents). Reference 2).

また、空気や水蒸気の代わりに、燃焼排ガス中の二酸化炭素を改質に利用し、発電効率を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。   In addition, a technique has been proposed in which carbon dioxide in combustion exhaust gas is used for reforming instead of air and steam to improve power generation efficiency (see, for example, Patent Document 3).

特開2005−317402号公報JP, 2005-317402, A 特開2002−134151号公報JP, 2002-134151, A 特開2014−107056号公報JP, 2014-107056, A

ところで、上記のS/C比を大きくする場合、燃料電池の発電に対する抵抗成分となる水蒸気や窒素がスタックに多く供給され、燃料電池の発電効率を低下させる。また、O/C比を大きくする場合、燃料と酸素の発熱反応によって燃料が消費され、システムの発電効率を低下させる。   By the way, when the above S / C ratio is increased, a large amount of water vapor and nitrogen, which are resistance components for power generation of the fuel cell, are supplied to the stack, and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced. Further, when the O / C ratio is increased, the fuel is consumed by the exothermic reaction between the fuel and oxygen, which lowers the power generation efficiency of the system.

これに対して、上記特許文献3に記載の技術では、二酸化炭素を改質に利用するため、水蒸気による電圧の低下を抑制し、燃料の消費を抑え、高い発電効率を得ることができる。しかしその反面、温度が低下した場合等に、炭素析出耐性が水蒸気や酸素に比べて低く、炭素の析出を十分に抑制できない場合がある。   On the other hand, in the technique described in Patent Document 3, since carbon dioxide is used for reforming, it is possible to suppress a decrease in voltage due to water vapor, suppress fuel consumption, and obtain high power generation efficiency. However, on the other hand, when the temperature is lowered, the carbon deposition resistance is lower than that of steam and oxygen, and carbon deposition may not be sufficiently suppressed.

一方、上記特許文献2に記載の技術では、炭素除去時に常に酸素が供給されるため、改質器にて発電に利用したい炭化水素燃料、水素や一酸化炭素まで酸化され、発電効率を低下させる可能性がある。また、上記特許文献1に記載の技術では、水蒸気が酸化剤として供給されるため、酸素を供給する場合と同様に発電効率を低下させる可能性がある。つまり、上記特許文献1〜3に記載の技術では、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することは困難である。   On the other hand, in the technique described in Patent Document 2, since oxygen is constantly supplied when removing carbon, the hydrocarbon fuel, hydrogen and carbon monoxide that are desired to be used for power generation in the reformer are oxidized, and the power generation efficiency is reduced. there is a possibility. Further, in the technique described in Patent Document 1, since water vapor is supplied as an oxidant, there is a possibility that the power generation efficiency may be reduced as in the case of supplying oxygen. That is, with the techniques described in Patent Documents 1 to 3 described above, it is difficult to suppress carbon deposition while suppressing a decrease in power generation efficiency.

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system, a control device, and a program that can suppress carbon deposition while suppressing a decrease in power generation efficiency. And

上記目的を達成するために、請求項1に記載の燃料電池システムは、炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、前記導出部により導出された炭素積算量が第1閾値よりも多く、前記第1閾値よりも大きい第2閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第2閾値よりも多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、を備えたものである。   In order to achieve the above object, the fuel cell system according to claim 1 includes a reformer to which a fuel gas containing hydrocarbon and a reforming agent of at least one of carbon dioxide and oxygen in the air are supplied. A fuel cell provided, a derivation unit for deriving an integrated carbon amount by integrating the amount of carbon deposited within a predetermined time by the reforming reaction of the reformer, and a carbon integration derived by the deriving unit. When the amount is greater than the first threshold value and is equal to or less than the second threshold value that is greater than the first threshold value, the carbon dioxide is supplied to the reformer in an amount greater than the oxygen, and the integrated carbon amount is the second threshold value. And a control unit that controls the supply of more oxygen to the reformer than the carbon dioxide.

この燃料電池システムによれば、炭素積算量を考慮することなく常に二酸化炭素と空気中の酸素のいずれか一方を他方よりも多く供給する場合と比べ、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。   According to this fuel cell system, as compared with the case where carbon dioxide or oxygen in the air is always supplied in a larger amount than the other without considering the cumulative amount of carbon, the amount of carbon Precipitation can be suppressed.

また、請求項2に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記炭素積算量が前記第1閾値よりも多く前記第2閾値以下であり、かつ、予測される電力量の需要が予め定められた量以下である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第1閾値以下で、かつ、前記予測される電力量の需要が前記予め定められた量よりも多い場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行うものである。   The fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit has the integrated carbon amount of more than the first threshold value and equal to or less than the second threshold value, and , The amount of carbon dioxide to be supplied to the reformer when the predicted demand for electric power is less than or equal to a predetermined amount, the carbon integrated amount is less than or equal to the first threshold, and the predicted When the demand for the amount of electric power to be supplied is greater than the predetermined amount, control is performed to increase the amount of carbon dioxide supplied to the reformer.

また、請求項3に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記炭素積算量が前記第1閾値よりも多く前記第2閾値以下であり、かつ、予測される熱量の需要が予め定められた量以上である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第1閾値以下で、かつ、前記予測される熱量の需要が前記予め定められた量よりも少ない場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行うものである。   The fuel cell system according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit has the integrated carbon amount of more than the first threshold value and equal to or less than the second threshold value, and , The amount of carbon dioxide to be supplied to the reformer when the predicted demand for heat amount is equal to or greater than a predetermined amount, the carbon integrated amount is equal to or less than the first threshold value, and the predicted When the demand for the amount of heat is smaller than the predetermined amount, control is performed to increase the amount of carbon dioxide supplied to the reformer.

この燃料電池システムによれば、電力量や熱の需要に応じて二酸化炭素及び酸素の供給量を制御するため、無駄に改質剤を供給することがなく、経済性を向上させることができる。   According to this fuel cell system, since the supply amounts of carbon dioxide and oxygen are controlled according to the demands of electric power and heat, it is possible to improve the economical efficiency without supplying the reforming agent in vain.

また、請求項4に記載の燃料電池システムは、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記導出部が、前記改質器において前記炭化水素の転化率が減少する割合に基づいて、前記第1閾値及び前記第2閾値の各々を更に導出するものである。   The fuel cell system according to claim 4 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the derivation unit reduces the conversion rate of the hydrocarbons in the reformer. Each of the first threshold value and the second threshold value is further derived based on the ratio.

この燃料電池システムによれば、炭化水素の転化率が減少する割合に基づいて2つの閾値を導出しているため、炭素積算量の多少の判定を精度良く行うことができる。   According to this fuel cell system, since two threshold values are derived based on the rate at which the conversion rate of hydrocarbons decreases, it is possible to accurately determine the cumulative amount of carbon.

また、請求項5に記載の燃料電池システムは、請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、前記第1閾値が、前記炭化水素の転化率が減少する割合が第1割合である場合に析出する炭素の量に相当し、前記第2閾値が、前記炭化水素の転化率が減少する割合が前記第1割合よりも高い第2割合である場合に析出する炭素の量に相当するものである。   Further, the fuel cell system according to claim 5 is the fuel cell system according to claim 4, wherein the first threshold value is deposited when the rate at which the conversion rate of the hydrocarbon decreases is the first rate. The second threshold value corresponds to the amount of carbon, and the second threshold value corresponds to the amount of carbon that is deposited when the rate of decrease in the conversion rate of the hydrocarbon is the second rate that is higher than the first rate.

この燃料電池システムによれば、炭化水素の転化率が減少する割合が第1割合である場合に析出する炭素の量を第1閾値、第1割合よりも高い第2割合である場合に析出する炭素の量を第2閾値とするため、炭素積算量の多少の判定を精度良く行うことができる。   According to this fuel cell system, the amount of carbon deposited when the conversion rate of hydrocarbons is reduced at the first rate is the first threshold value, and is deposited when the second rate is higher than the first rate. Since the amount of carbon is set to the second threshold, it is possible to accurately determine the cumulative amount of carbon.

また、請求項6に記載の燃料電池システムは、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記導出部が、前記改質器における炭素の析出のし易さを示す炭素活量を更に導出し、導出した炭素活量を変換して得られる単位時間当たりの炭素析出量を時間的に積算することにより前記炭素積算量を導出するものである。   Further, the fuel cell system according to claim 6 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the derivation part indicates the ease of carbon deposition in the reformer. The carbon integrated amount is derived by further deriving the carbon activity and temporally integrating the carbon deposition amount per unit time obtained by converting the derived carbon activity.

この燃料電池システムによれば、炭素活量を導出し、さらに、炭素活量から炭素積算量を導出しているため、比較的容易な手法で正確な炭素積算量を得ることができる。   According to this fuel cell system, since the carbon activity is derived and the carbon integrated quantity is derived from the carbon activity, the accurate carbon integrated quantity can be obtained by a relatively easy method.

また、請求項7に記載の燃料電池システムは、請求項6に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第1改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記酸素との第2改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、
前記炭化水素、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、前記水素、及び前記酸素の各々の平衡状態での分圧p(CH)、p(CO)、p(CO)、p(H)、及びp(O)が、前記第1改質反応における反応比率をw、前記第2改質反応における反応比率をv、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量をA、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量をα、前記酸素の単位時間当たりの供給量をβとした場合、
p(CH)=A×(1−w−v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(CO)=A×(2w+v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(CO)=α−(A×w)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(H)=A×(2w+2v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(O)=β−(A×0.5v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
で表わされ、
前記第1改質反応及び前記第2改質反応の各々における平衡定数K1、K2が、
K1=p(H×p(CO)/p(CH)/p(CO
K2=p(H×p(CO)/p(CH)/p(O0.5
で表わされ、
前記炭素活量をAc、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をK3とした場合、
Ac=K3×p(CO)/p(CO
で表わされ、
前記導出部が、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量A、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量α、及び前記酸素の単位時間当たりの供給量βに応じて導出される前記反応比率w、vに基づいて、前記分圧p(CO)及びp(CO)の各々の値を導出し、導出した各々の値から前記炭素活量Acを導出するものである。
The fuel cell system according to claim 7 is the fuel cell system according to claim 6, wherein the reformer uses hydrogen and carbon monoxide by a first reforming reaction between the hydrocarbon and the carbon dioxide. To produce hydrogen and carbon monoxide by a second reforming reaction of the hydrocarbon and the oxygen,
Partial pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ) in equilibrium of the hydrocarbon, the carbon monoxide, the carbon dioxide, the hydrogen, and the oxygen. , And p (O 2 ) are the reaction ratio in the first reforming reaction, w, the reaction ratio in the second reforming reaction, v, the supply amount of the fuel gas per unit time, and the carbon dioxide. When the supply amount per unit time is α and the supply amount of the oxygen per unit time is β,
p (CH 4 ) = A × (1-w−v) / (A × (1−w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × ( 2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v))
p (CO) = A × (2w + v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v)) + ( β- (A × 0.5v))
p (CO 2 ) = α− (A × w) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v) ) + (β- (A × 0.5v))
p (H 2 ) = A × (2w + 2v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v))
p (O 2 ) = β− (A × 0.5v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × ( 2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v))
Is represented by
The equilibrium constants K1 and K2 in each of the first reforming reaction and the second reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 ).
K2 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5
Is represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon deposition reaction of the fuel cell is K3,
Ac = K3 × p (CO) 2 / p (CO 2 ).
Is represented by
The reaction ratio w derived by the derivation unit according to the supply amount A of the fuel gas per unit time, the supply amount α of the carbon dioxide per unit time, and the supply amount β of the oxygen per unit time. , V, the respective values of the partial pressures p (CO) and p (CO 2 ) are derived, and the carbon activity Ac is derived from the derived respective values.

この燃料電池システムによれば、改質反応及び炭素析出反応の各々における各成分の平衡状態での分圧及び平衡定数から炭素活量を導出し、さらに、炭素活量から炭素積算量を導出しているため、比較的容易な手法で正確な炭素積算量を得ることができる。   According to this fuel cell system, the carbon activity is derived from the partial pressure and the equilibrium constant of each component in the reforming reaction and the carbon deposition reaction in the equilibrium state, and further, the integrated carbon amount is derived from the carbon activity. Therefore, an accurate carbon integrated amount can be obtained by a relatively easy method.

一方、上記目的を達成するために、請求項8に記載の制御装置は、炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池の運転を制御する制御装置であって、前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、前記導出部により導出された炭素積算量が第1閾値よりも多く、前記第1閾値よりも大きい第2閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第2閾値よりも多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、を備えたものである。   On the other hand, in order to achieve the above object, the control device according to claim 8 is a reformer to which a fuel gas containing hydrocarbon and a reforming agent of at least one of carbon dioxide and oxygen in the air are supplied. A control unit for controlling the operation of the fuel cell comprising: a deriving unit for deriving a carbon integrated amount by integrating the amount of carbon deposited within a predetermined time by the reforming reaction of the reformer. When the integrated carbon amount derived by the deriving unit is larger than a first threshold value and is equal to or smaller than a second threshold value larger than the first threshold value, the carbon dioxide is supplied to the reformer more than the oxygen. And a control unit that controls the supply of the oxygen to the reformer in an amount greater than that of the carbon dioxide when the integrated carbon amount is greater than the second threshold value.

さらに、上記目的を達成するために、請求項9に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システムが備える導出部及び制御部として機能させるものである。   Furthermore, in order to achieve the above object, the program according to claim 9 causes a computer to function as a derivation unit and a control unit included in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 7. is there.

上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、炭素積算量を考慮することなく常に二酸化炭素と空気中の酸素のいずれか一方を他方よりも多く供給する場合と比べ、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。   According to each of the above control device and program, compared with the case where one of carbon dioxide and oxygen in the air is always supplied more than the other without considering the cumulative amount of carbon, the decrease in power generation efficiency is suppressed. However, the precipitation of carbon can be suppressed.

以上詳述したように、本発明によれば、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。   As described in detail above, according to the present invention, it is possible to suppress the precipitation of carbon while suppressing the decrease in power generation efficiency.

実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram showing an example of the whole composition of the fuel cell system concerning an embodiment. 実施形態に係る炭素析出量の計測値とメタンの転化率との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the measured value of the amount of carbon deposition which concerns on embodiment, and the conversion rate of methane. 実施形態に係る炭素活量と単位時間当たりの炭素析出量との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the carbon activity and the amount of carbon deposition per unit time according to the embodiment. 実施形態に係る炭素活量から単位時間当たりの炭素析出量への変換の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of conversion from the carbon activity concerning an embodiment to the amount of carbon deposition per unit time. 実施形態に係る積算炭素析出量と時間との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the cumulative amount of carbon deposition and time concerning an embodiment. 実施形態に係るプログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing an example of the flow of processing by a program according to the embodiment. 実施形態に係る導出部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram for explaining an example of processing contents by a deriving unit according to the embodiment.

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。   Hereinafter, an example of a mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係る燃料電池システム10の全体構成の一例を示すブロック図である。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池20と、制御装置30と、を備えている。燃料電池20は、改質器22と、スタック(燃料電池本体)24と、燃焼器26と、を備えている。これら改質器22、スタック24、及び燃焼器26は、ホットボックス内に収容されている。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the overall configuration of a fuel cell system 10 according to this embodiment.
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel cell 20 and a control device 30. The fuel cell 20 includes a reformer 22, a stack (fuel cell main body) 24, and a combustor 26. The reformer 22, stack 24, and combustor 26 are housed in a hot box.

改質器22は、スタック24の前段に配置されている。この改質器22には、都市ガスGfが供給される。都市ガスGfは、炭化水素を含む燃料ガスの一例である。燃料ガスとしては、都市ガス以外でもよく、バイオガス、又は、都市ガス及びバイオガスの混合ガス等を用いてもよい。都市ガスGfの組成は、13Aガスの場合、約90%がメタン(CH)である。メタンは、炭化水素の一例である。なお、ここでいうバイオガスとは、動植物に由来する有機性廃棄物をメタン発酵させることで発生する可燃性ガスを意味する。バイオガスの代表的な組成は、メタンが約60%、二酸化炭素(CO)が約40%であるが、組成が変化する場合がある。 The reformer 22 is arranged in the preceding stage of the stack 24. City gas Gf is supplied to the reformer 22. City gas Gf is an example of fuel gas containing hydrocarbons. The fuel gas may be other than city gas, biogas, a mixed gas of city gas and biogas, or the like. Regarding the composition of the city gas Gf, approximately 90% is methane (CH 4 ) in the case of 13A gas. Methane is an example of hydrocarbons. The biogas referred to here means a flammable gas generated by methane-fermenting an organic waste derived from plants and animals. A typical composition of biogas is about 60% methane and about 40% carbon dioxide (CO 2 ), although the composition may vary.

改質器22は、二酸化炭素と空気中の酸素(O)の少なくとも一方の改質剤が供給される。つまり、改質器22には、都市ガスGfに二酸化炭素COを供給して改質する二酸化炭素改質器と、都市ガスGfに空気中の酸素Oを供給して改質させる部分酸化改質器と、が設けられている。 The reformer 22 is supplied with at least one of carbon dioxide and oxygen (O 2 ) in the air. That is, the reformer 22 is a carbon dioxide reformer that supplies carbon dioxide CO 2 to the city gas Gf for reforming, and partial oxidation that supplies oxygen O 2 in the air to the city gas Gf to reform. And a reformer.

改質器22は、改質用の触媒を有する。改質用の触媒には、高活性で炭素析出耐性の高い触媒が用いられる。担持する担体の酸化物は、塩基性であることが望ましい。担体には、一例として、アルカリ土類金属である酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)等が用いられる。塩基性の担体を用いることにより、触媒表面に化学吸着する二酸化炭素COが安定化し、メタンの分解によって生成した炭素と化学吸着した二酸化炭素COとの反応が促進される。上記改質用の触媒としては、一例として、Ru/MgO、Rh/BaO、Ni/SrTiO等が挙げられる。この改質器22における二酸化炭素COによる改質反応は、下記式(1)に示す通りである。なお、式(1)は、第1改質反応の一例を示す。 The reformer 22 has a catalyst for reforming. A catalyst having high activity and high carbon deposition resistance is used as the reforming catalyst. The carrier oxide to be supported is preferably basic. As the carrier, for example, alkaline earth metals such as magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), strontium oxide (SrO), and barium oxide (BaO) are used. By using the basic carrier, the carbon dioxide CO 2 chemically adsorbed on the catalyst surface is stabilized, and the reaction between the carbon produced by the decomposition of methane and the carbon dioxide CO 2 chemisorbed is promoted. Examples of the reforming catalyst include Ru / MgO, Rh / BaO, Ni / SrTiO 3 and the like. The reforming reaction by the carbon dioxide CO 2 in the reformer 22 is as shown in the following formula (1). In addition, Formula (1) shows an example of a 1st reforming reaction.

CH+CO → 2H+2CO …(1) CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO (1)

また、この改質器22における空気中の酸素Oによる改質反応は、下記式(2)に示す通りである。なお、式(2)は、第2改質反応の一例を示す。 The reforming reaction by the oxygen O 2 in the air in the reformer 22 is as shown in the following formula (2). Formula (2) shows an example of the second reforming reaction.

CH+0.5O → 2H+CO …(2) CH 4 + 0.5O 2 → 2H 2 + CO (2)

スタック24には、一例として、固体酸化物形燃料電池が適用される。このスタック24は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極、電解質層、及び空気極を有している。各セルの燃料極には、改質器22にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、酸化剤ガスとして空気が供給される。   For example, a solid oxide fuel cell is applied to the stack 24. The stack 24 has a plurality of stacked cells. Each cell has a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode. The reformed gas generated by the reformer 22 is supplied to the fuel electrode of each cell, and air is supplied to the air electrode of each cell as an oxidant gas.

空気極では、下記式(3)で示されるように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。   At the air electrode, oxygen ions in the air react with electrons to generate oxygen ions, as shown in the following formula (3). The oxygen ions reach the fuel electrode through the electrolyte layer.

(空気極反応)
1/2O+2e → O2− …(3)
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e → O 2 (3)

一方、燃料極では、下記式(4)及び式(5)で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気、二酸化炭素、及び電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に以上の電気化学反応に伴ってジュール熱が発生する。   On the other hand, in the fuel electrode, as shown by the following formulas (4) and (5), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas to generate water vapor, carbon dioxide, And electrons are generated. The electrons generated at the fuel electrode reach the air electrode through the external circuit. Then, as the electrons move from the fuel electrode to the air electrode in this manner, power is generated in each cell. Further, in each cell, Joule heat is generated due to the above electrochemical reaction during power generation.

(燃料極反応)
+O2− → HO+2e …(4)
CO+O2− → CO+2e …(5)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ... (4)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (5)

この燃料極で発生するガス(以下、アノードオフガスという。)には、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、改質器22にて生成されスタック24の燃料極で未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。燃料電池20内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、200℃以上800℃以下である。   The gas generated at the fuel electrode (hereinafter referred to as the anode off gas) includes not only water vapor and carbon dioxide generated in the fuel electrode reaction but also unreacted in the fuel electrode of the stack 24 generated in the reformer 22. Hydrogen and carbon monoxide. The temperature of the anode off gas flowing in the fuel cell 20 is, for example, 200 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

燃焼器26は、スタック24の後段に配置されている。この燃焼器26には、スタック24の空気極から排出されたガス(以下、カソードオフガスという。)が供給されると共に、スタック24の燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される。アノードオフガスには、上述の通り、スタック24の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器26は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器26の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、燃料電池20の外部に排出される。   The combustor 26 is arranged in the latter stage of the stack 24. The combustor 26 is supplied with the gas discharged from the air electrode of the stack 24 (hereinafter, referred to as cathode off gas) and the anode off gas discharged from the fuel electrode of the stack 24. As described above, the anode offgas contains unreacted hydrogen and carbon monoxide at the fuel electrode of the stack 24, and the combustor 26 burns the anode offgas using the cathode offgas containing oxygen. The combustion exhaust gas generated by the combustion of the combustor 26 is discharged to the outside of the fuel cell 20.

一方、制御装置30は、燃料電池20の運転を制御する。制御装置30は、演算部32及び記憶部34を含んで構成されている。記憶部34には、炭素積算量(以下、積算炭素析出量Caという。)に基づいて二酸化炭素CO及び酸素Oの各々の供給量を制御し、燃料電池20の運転を制御するためのプログラム34Aが予め記憶されている。プログラム34Aは、例えば、制御装置30に予めインストールされていてもよい。プログラム34Aは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置30に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、HDD(Hard Disk Drive)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。 On the other hand, the control device 30 controls the operation of the fuel cell 20. The control device 30 is configured to include a calculation unit 32 and a storage unit 34. The storage unit 34 controls the supply amount of each of carbon dioxide CO 2 and oxygen O 2 based on the cumulative carbon amount (hereinafter, referred to as the cumulative carbon deposition amount Ca) to control the operation of the fuel cell 20. The program 34A is stored in advance. The program 34A may be pre-installed in the control device 30, for example. The program 34A may be realized by being stored in a non-volatile storage medium or distributed via a network and appropriately installed in the control device 30. Examples of the non-volatile storage medium include a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), a magneto-optical disk, an HDD (Hard Disk Drive), a DVD-ROM (Digital Versatile Disc Read Only Memory), a flash memory, and a memory. Examples include cards.

演算部32は、CPU(Central Processing Unit)を含み、記憶部34に記憶されているプログラム34Aを読み出して実行することにより、導出部32A、需要予測部32B、判定部32C、及び運転制御部32Dとして機能する。   The calculation unit 32 includes a CPU (Central Processing Unit), and reads and executes the program 34A stored in the storage unit 34 to thereby derive the derivation unit 32A, the demand prediction unit 32B, the determination unit 32C, and the operation control unit 32D. Function as.

ところで、二酸化炭素を改質に利用する場合、水蒸気を利用した場合における電圧の低下を抑制し、高い発電効率を得ることができる。しかしその反面、温度が低下した場合等に、炭素析出耐性が水蒸気や酸素に比べて低く、析出する炭素を十分に抑制できない場合がある。   By the way, when carbon dioxide is used for reforming, it is possible to suppress a decrease in voltage when steam is used and obtain high power generation efficiency. However, on the other hand, when the temperature is lowered, the carbon deposition resistance is lower than that of steam or oxygen, and the deposited carbon may not be sufficiently suppressed.

一方、空気中の酸素を用いて部分酸化により改質を行う場合、改質器にて発電に利用したい水素や一酸化炭素まで酸化され、発電効率を低下させる可能性がある。しかし、酸素による改質は、二酸化炭素よりも炭素析出耐性が高く、炭素の析出を短時間で抑制するためには有効である。   On the other hand, when reforming is performed by partial oxidation using oxygen in the air, hydrogen and carbon monoxide that are desired to be used for power generation may be oxidized in the reformer, which may reduce power generation efficiency. However, reforming with oxygen has higher carbon deposition resistance than carbon dioxide, and is effective for suppressing carbon deposition in a short time.

また、上記式(1)に示す二酸化炭素による改質反応は、吸熱反応である。一方、上記式(2)に示す酸素による改質反応は、発熱反応であり、発熱によるエネルギーロスが発生する。従って、二酸化炭素と酸素とを適宜混合することで、発熱を抑え、発電効率の低下を抑制することができると考えられる。   Further, the reforming reaction with carbon dioxide represented by the above formula (1) is an endothermic reaction. On the other hand, the oxygen-based reforming reaction represented by the above formula (2) is an exothermic reaction, and energy loss occurs due to heat generation. Therefore, it is considered that by appropriately mixing carbon dioxide and oxygen, it is possible to suppress heat generation and suppress a decrease in power generation efficiency.

以上の事柄を踏まえ、二酸化炭素及び空気中の酸素を用いて改質を行う場合に、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することが望まれている。   In consideration of the above matters, when performing reforming using carbon dioxide and oxygen in the air, it is desired to suppress carbon precipitation while suppressing a decrease in power generation efficiency.

そこで、本実施形態に係る導出部32Aは、改質器22の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して積算炭素析出量Caを導出し、導出した積算炭素析出量Caを判定部32Cに出力する。また、導出部32Aは、積算炭素析出量Caの判定に用いる第1閾値TH1及び第2閾値TH2を導出し、導出した第1閾値TH1及び第2閾値TH2を判定部32Cに出力する。第2閾値TH2は、第1閾値よりも大きく、一例として最大許容値を示す。第1閾値TH1<第2閾値TH2の関係を有する。この導出部32Aによる積算炭素析出量Ca、第1閾値TH1、及び第2閾値TH2の導出方法については後述する。   Therefore, the derivation unit 32A according to the present embodiment integrates the amount of carbon deposited within a predetermined time by the reforming reaction of the reformer 22 to derive an integrated carbon deposition amount Ca, and derives the derived integrated carbon. The precipitation amount Ca is output to the determination unit 32C. Further, the derivation unit 32A derives the first threshold value TH1 and the second threshold value TH2 used for the determination of the integrated carbon deposition amount Ca, and outputs the derived first threshold value TH1 and the second threshold value TH2 to the determination unit 32C. The second threshold TH2 is larger than the first threshold, and shows the maximum allowable value as an example. There is a relation of first threshold TH1 <second threshold TH2. A method of deriving the cumulative amount of deposited carbon Ca, the first threshold value TH1, and the second threshold value TH2 by the derivation unit 32A will be described later.

需要予測部32Bは、必要とされる電力量の需要を予測し、予測した電力量の需要(以下、単に電力需要Waという。)を判定部32Cに出力する。なお、電力量の需要を予測する方法としては、特に限定されるものではないが、一例として、燃料電池20にて過去に発電した電力量の実績値に基づいて予測してもよい。   The demand prediction unit 32B predicts the demand for the required amount of power and outputs the predicted demand for the amount of power (hereinafter, simply referred to as power demand Wa) to the determination unit 32C. The method of predicting the demand for the amount of electric power is not particularly limited, but may be predicted based on the actual value of the amount of electric power generated by the fuel cell 20 in the past, for example.

電力需要に代えて熱需要を予測してもよい。この場合、需要予測部32Bは、必要とされる熱量の需要を予測し、予測した熱量の需要を判定部32Cに出力する。なお、熱量の需要を予測する方法としては、一例として、燃料電池20にて過去に供給した熱量の実績値に基づいて予測してもよい。   The heat demand may be predicted instead of the power demand. In this case, the demand prediction unit 32B predicts the demand for the required amount of heat and outputs the predicted demand for the amount of heat to the determination unit 32C. In addition, as a method of predicting the demand for the amount of heat, for example, the demand for the amount of heat may be predicted based on the actual value of the amount of heat supplied in the past in the fuel cell 20.

判定部32Cは、導出部32Aにより導出された積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多く第2閾値TH2以下であるか否かを判定する。また、判定部32Cは、積算炭素析出量Caが第2閾値TH2よりも多いか否かを判定する。また、判定部32Cは、電力需要Waが予め定められた量以下であるか否かを判定する。そして、判定部32Cは、これらの判定結果を運転制御部32Dに出力する。   The determination unit 32C determines whether the integrated carbon deposition amount Ca derived by the derivation unit 32A is larger than the first threshold TH1 and equal to or smaller than the second threshold TH2. Further, the determination unit 32C determines whether or not the cumulative carbon deposition amount Ca is larger than the second threshold value TH2. In addition, the determination unit 32C determines whether or not the power demand Wa is equal to or less than a predetermined amount. Then, the determination unit 32C outputs these determination results to the operation control unit 32D.

運転制御部32Dは、燃料電池20の運転を制御する。ここで、本実施形態に係る運転制御部32Dは、判定部32Cの判定結果に基づいて、改質器22に供給される二酸化炭素CO及び酸素Oの各々の供給量を制御する。なお、運転制御部32Dは、都市ガスGfの供給量の制御も行う。運転制御部32Dは、制御部の一例である。 The operation control unit 32D controls the operation of the fuel cell 20. Here, the operation control unit 32D according to the present embodiment controls the supply amounts of carbon dioxide CO 2 and oxygen O 2 supplied to the reformer 22 based on the determination result of the determination unit 32C. The operation control unit 32D also controls the supply amount of the city gas Gf. The operation control unit 32D is an example of a control unit.

都市ガスGfの供給経路50には第1バルブ41が設けられている。この供給経路50には、第1バルブ41と燃料電池20との間に流量計Fm1が設けられている。流量計Fm1は、都市ガスGfの供給量を計測する。二酸化炭素COの供給経路52には第2バルブ42が設けられている。この供給経路52には、第2バルブ42と燃料電池20との間に流量計Fm2が設けられている。流量計Fm2は、二酸化炭素COの供給量を計測する。酸素Oの供給経路54には第3バルブ43が設けられている。この供給経路54には、第3バルブ43と燃料電池20との間に流量計Fm3が設けられている。流量計Fm3は、酸素Oの供給量を計測する。流量計Fm1〜Fm3の各々は、導出部32Aに接続される。 The city gas Gf supply path 50 is provided with a first valve 41. In the supply path 50, a flow meter Fm1 is provided between the first valve 41 and the fuel cell 20. The flow meter Fm1 measures the supply amount of the city gas Gf. A second valve 42 is provided in the carbon dioxide CO 2 supply path 52. In the supply path 52, a flow meter Fm2 is provided between the second valve 42 and the fuel cell 20. The flow meter Fm2 measures the supply amount of carbon dioxide CO 2 . A third valve 43 is provided in the oxygen O 2 supply path 54. A flow meter Fm3 is provided in the supply path 54 between the third valve 43 and the fuel cell 20. The flow meter Fm3 measures the supply amount of oxygen O 2 . Each of the flow meters Fm1 to Fm3 is connected to the derivation unit 32A.

上記の第1バルブ41、第2バルブ42、及び第3バルブ43の各々の開度は、運転制御部32Dにより制御される。つまり、都市ガスGfの供給量は、運転制御部32Dが第1バルブ41の開度を制御することにより調整される。同様に、二酸化炭素COの供給量は、運転制御部32Dが第2バルブ42の開度を制御することにより調整される。酸素Oの供給量は、運転制御部32Dが第3バルブ43の開度を制御することにより調整される。 The opening degree of each of the first valve 41, the second valve 42, and the third valve 43 is controlled by the operation control unit 32D. That is, the supply amount of the city gas Gf is adjusted by the operation control unit 32D controlling the opening degree of the first valve 41. Similarly, the supply amount of carbon dioxide CO 2 is adjusted by the operation control unit 32D controlling the opening degree of the second valve 42. The supply amount of oxygen O 2 is adjusted by the operation control unit 32D controlling the opening degree of the third valve 43.

運転制御部32Dは、判定部32Cにより積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多く第2閾値TH2以下と判定された場合、二酸化炭素COを酸素Oよりも多く改質器22に供給する制御を行う。運転制御部32Dは、判定部32Cにより積算炭素析出量Caが第2閾値TH2よりも多いと判定した場合、酸素Oを二酸化炭素COよりも多く供給する制御を行う。 Operation control unit 32D, when the integrated amount of deposited carbon Ca by the determination unit 32C is determined to be the second threshold value TH2 or less more than the threshold value TH1, the carbon dioxide CO 2 in many reformer 22 than the oxygen O 2 Control the supply. When the determination unit 32C determines that the cumulative carbon deposition amount Ca is larger than the second threshold value TH2, the operation control unit 32D performs control to supply oxygen O 2 in a larger amount than carbon dioxide CO 2 .

すなわち、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多く第2閾値TH2以下の範囲は、炭素の析出量がある程度多い範囲を示す。このため、二酸化炭素COを酸素Oよりも多く供給する制御を行うことで、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。一方、積算炭素析出量Caが第2閾値TH2よりも多い範囲は、炭素の析出量がかなり多い範囲を示す。このため、酸素Oを二酸化炭素COよりも多く供給する制御を行うことで、炭素の析出を短時間で抑制することができる。なお、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1以下の範囲では、炭素の析出量が比較的少なく、二酸化炭素CO及び酸素Oの各々の供給量は特に限定されない。一例として、二酸化炭素COの供給量が酸素Oの供給量と略等しいか、酸素Oの供給量よりもやや多い程度としてもよい。 That is, a range in which the cumulative amount Ca of deposited carbon is larger than the first threshold TH1 and is equal to or smaller than the second threshold TH2 indicates a range in which the amount of deposited carbon is relatively large. Therefore, by controlling the supply of carbon dioxide CO 2 in a larger amount than that of oxygen O 2 , it is possible to suppress the precipitation of carbon while suppressing the decrease in power generation efficiency. On the other hand, a range in which the cumulative amount of deposited carbon Ca is larger than the second threshold TH2 indicates a range in which the amount of deposited carbon is considerably large. Therefore, by controlling the supply of oxygen O 2 in a larger amount than that of carbon dioxide CO 2 , the precipitation of carbon can be suppressed in a short time. In addition, in the range where the cumulative carbon deposition amount Ca is equal to or less than the first threshold value TH1, the carbon deposition amount is relatively small, and the supply amounts of carbon dioxide CO 2 and oxygen O 2 are not particularly limited. As an example, the supply amount of carbon dioxide CO 2 may be substantially equal to the supply amount of oxygen O 2 , or may be slightly larger than the supply amount of oxygen O 2 .

ここで、電力需要Waを考慮してもよい。例えば、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多く第2閾値TH2以下であり、かつ、電力需要Waが予め定められた量以下である場合に改質器22に供給する二酸化炭素COの量をL1とする。また、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1以下で、かつ、電力需要Waが予め定められた量よりも多い場合に改質器22に供給する二酸化炭素COの量をL2とする。この場合、運転制御部32Dは、L1>L2となるように、二酸化炭素COの供給量を増加させる制御を行う。 Here, the power demand Wa may be taken into consideration. For example, carbon dioxide CO 2 supplied to the reformer 22 when the cumulative amount of carbon deposition Ca is larger than the first threshold TH1 and is equal to or smaller than the second threshold TH2 and the power demand Wa is equal to or smaller than a predetermined amount. Be L1. Further, the amount of carbon dioxide CO 2 supplied to the reformer 22 is L2 when the cumulative amount of carbon deposition Ca is equal to or less than the first threshold value TH1 and the power demand Wa is greater than a predetermined amount. In this case, the operation control unit 32D performs control to increase the supply amount of carbon dioxide CO 2 so that L1> L2.

より具体的には、積算炭素析出量Caが比較的少なく、予測される電力需要Waが比較的多い場合、二酸化炭素COの供給量をL2にして定格運転を行う。ここでいう定格運転とは、燃料電池20を定格出力で運転している状態を示す。そして、積算炭素析出量Caがある程度多くなり、予測される電力需要Waが比較的少ない場合、二酸化炭素COの供給量をL1(>L2)にして、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制できるようにする。ここで、燃料電池20における炭素析出反応は、一例として下記式(6)により示される。 More specifically, when the cumulative amount of deposited carbon Ca is relatively small and the predicted power demand Wa is relatively large, the supply amount of carbon dioxide CO 2 is set to L2 and the rated operation is performed. The rated operation referred to here indicates a state in which the fuel cell 20 is operating at the rated output. Then, when the cumulative amount of deposited carbon Ca increases to some extent and the predicted power demand Wa is relatively small, the supply amount of carbon dioxide CO 2 is set to L1 (> L2) to suppress the decrease in power generation efficiency, and It is possible to suppress the precipitation of. Here, the carbon deposition reaction in the fuel cell 20 is represented by the following formula (6) as an example.

2CO → C+CO …(6) 2CO → C + CO 2 (6)

なお、電力需要Waに代えて熱需要を考慮してもよい。この場合、例えば、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多く第2閾値TH2以下であり、かつ、熱需要が予め定められた量以上である場合に改質器22に供給する二酸化炭素COの量をL1とする。また、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1以下で、かつ、熱需要が予め定められた量よりも少ない場合に改質器22に供給する二酸化炭素COの量をL2とする。この場合、運転制御部32Dは、L1>L2となるように、二酸化炭素COの供給量を増加させる制御を行う。 In addition, you may consider heat demand instead of electric power demand Wa. In this case, for example, carbon dioxide supplied to the reformer 22 when the cumulative carbon deposition amount Ca is more than the first threshold TH1 and less than or equal to the second threshold TH2 and the heat demand is not less than a predetermined amount. Let the amount of CO 2 be L1. Further, the amount of carbon dioxide CO 2 supplied to the reformer 22 when the cumulative amount of carbon deposition Ca is less than or equal to the first threshold value TH1 and the heat demand is less than a predetermined amount is L2. In this case, the operation control unit 32D performs control to increase the supply amount of carbon dioxide CO 2 so that L1> L2.

なお、燃料電池20の起動時においては、改質器22の温度が低い状態であるため、二酸化炭素COによる改質では炭素が析出する場合がある。そこで、炭素の析出を抑制するために、酸素Oを二酸化炭素COよりも多く供給するほうが望ましい。この場合、二酸化炭素COの供給量を0(ゼロ)にして、酸素Oのみを供給する場合を含む。一方、燃料電池20を定格運転している場合、発電効率の低下を抑制するために、二酸化炭素COを酸素Oよりも多く供給するほうが望ましい。 When the fuel cell 20 is started, the temperature of the reformer 22 is low, so carbon may be deposited in the reforming with carbon dioxide CO 2 . Therefore, in order to suppress the precipitation of carbon, it is desirable to supply oxygen O 2 in a larger amount than carbon dioxide CO 2 . In this case, the case where the supply amount of carbon dioxide CO 2 is set to 0 (zero) and only oxygen O 2 is supplied is included. On the other hand, when the fuel cell 20 is rated operation, in order to suppress a decrease in power generation efficiency, better to carbon dioxide CO 2 more supply than oxygen O 2 is preferred.

次に、導出部32Aによる第1閾値TH1及び第2閾値TH2の導出方法について説明する。   Next, a method of deriving the first threshold TH1 and the second threshold TH2 by the deriving unit 32A will be described.

本実施形態に係る燃料電池20を、予め定めた運転条件に従って試験運転し、第1閾値TH1及び第2閾値TH2を予め導出しておく。   The fuel cell 20 according to the present embodiment is subjected to a test operation according to a predetermined operation condition, and the first threshold value TH1 and the second threshold value TH2 are derived in advance.

(S1)まず、運転条件として、都市ガス(メタン)Gf、二酸化炭素CO、及び酸素Oの各ガスの供給量(供給比率)と、改質器22の作動温度と、を設定する。運転条件として、例えば、都市ガス(メタン)Gfの単位時間当たりの供給量をA[mol/h]、二酸化炭素COの単位時間当たりの供給量をα[mol/h]、酸素Oの単位時間当たりの供給量をβ[mol/h]、改質器22の作動温度をT[K](一例として923K(=650℃))に設定する。なお、都市ガスGfの供給量A、二酸化炭素COの供給量α、及び酸素Oの供給量βは、比率(例えば、A:α:β=1:x:y)で表すようにしてもよい。また、本実施形態ではHOを供給しないが、飽和水蒸気として含まれる可能性があるため、考慮してもよい。 (S1) First, as operating conditions, the supply amount (supply ratio) of each gas of city gas (methane) Gf, carbon dioxide CO 2 , and oxygen O 2 and the operating temperature of the reformer 22 are set. As operating conditions, for example, the supply amount of city gas (methane) Gf per unit time is A [mol / h], the supply amount of carbon dioxide CO 2 is α [mol / h], and oxygen O 2 is The supply amount per unit time is set to β [mol / h], and the operating temperature of the reformer 22 is set to T [K] (as an example, 923 K (= 650 ° C.)). The supply amount A of the city gas Gf, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 , and the supply amount β of oxygen O 2 are represented by a ratio (for example, A: α: β = 1: x: y). Good. Further, although H 2 O is not supplied in the present embodiment, it may be contained as saturated steam, and therefore may be considered.

(S2)上記の運転条件で改質器22を運転し、改質器22から出てくる改質ガスをガス分析器(ガスクロマトグラフィ等)により分析し、メタン、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素の各々の濃度を得る。得られた濃度から下記の式(7)を用いて、メタンの転化率Convを導出する。なお、Convはメタンの転化率[%]、FCH4はメタンの濃度、FCOは一酸化炭素の濃度、FCO2は二酸化炭素の濃度を示す。 (S2) The reformer 22 is operated under the above operating conditions, and the reformed gas discharged from the reformer 22 is analyzed by a gas analyzer (gas chromatography or the like) to obtain methane, hydrogen, carbon monoxide, and dioxide. Obtain each concentration of carbon. From the obtained concentration, the conversion rate Conv of methane is derived using the following equation (7). Conv represents the conversion rate of methane [%], F CH4 represents the concentration of methane, F CO represents the concentration of carbon monoxide, and F CO2 represents the concentration of carbon dioxide.

Conv={1−FCH4/(FCH4+FCO+FCO2)}×100 …(7) Conv = {1-F CH4 / (F CH4 + F CO + F CO2 )} × 100 (7)

(S3)上記の運転条件で引き続き改質器22を運転させ続け、一定時間(一例として170時間(約1週間))が経過した時点でのメタンの転化率Convを、上記式(7)を用いて導出する。そして、メタンの転化率Convが顕著な低下を示し、かつ、スタック24のメタン転化率許容値(一例として60%)を下回った場合に、試験運転を終了する。   (S3) The reformer 22 is continuously operated under the above operating conditions, and the conversion rate Conv of methane at the time when a fixed time (for example, 170 hours (about 1 week)) has elapsed is calculated by the above equation (7). It derives using. Then, when the methane conversion rate Conv shows a remarkable decrease and falls below the methane conversion rate allowable value of the stack 24 (60% as an example), the test operation is terminated.

(S4)改質器22の内部の触媒を取り出し、赤外吸収法等を用いて、触媒における炭素析出量を計測し、計測値を得る。触媒中の炭素析出量として、例えば、10wt%(質量パーセント濃度)が得られる。   (S4) The catalyst inside the reformer 22 is taken out, and the amount of carbon deposited on the catalyst is measured using an infrared absorption method or the like to obtain a measured value. As the carbon deposition amount in the catalyst, for example, 10 wt% (mass percent concentration) is obtained.

上記(S1)〜(S4)の処理を繰り返すことにより、図2に示すように、一定時間における炭素析出量の計測値Cmとメタンの転化率Convとの関係を得る。なお、上記(S1)において、上記運転条件は1つではないため、各ガスの供給量及び改質器22の作動温度をいくつか設定し、一定時間における炭素析出量の計測値Cmとメタンの転化率Convとのプロットを増やすことが望ましい。   By repeating the processes of (S1) to (S4), as shown in FIG. 2, the relationship between the measured value Cm of the carbon deposition amount and the conversion rate Conv of methane at a certain time is obtained. In the above (S1), since the above operating condition is not one, the supply amount of each gas and some operating temperatures of the reformer 22 are set, and the measured value Cm of the carbon deposition amount and the It is desirable to increase the plot with the conversion rate Conv.

図2は、本実施形態に係る炭素析出量の計測値Cmとメタンの転化率Convとの関係の一例を示すグラフである。
図2において、横軸は炭素析出量の計測値Cmを示し、縦軸はメタンの転化率Convを示す。
FIG. 2 is a graph showing an example of the relationship between the measured carbon deposition amount Cm and the methane conversion Conv according to the present embodiment.
In FIG. 2, the horizontal axis represents the measured carbon deposition amount Cm, and the vertical axis represents the methane conversion rate Conv.

図2に示す炭素析出量の計測値Cmとメタンの転化率Convとの関係を示すデータは、導出部32Aに入力される。そして、導出部32Aは、メタンの転化率Convが減少する割合に基づいて、第1閾値TH1及び第2閾値TH2の各々を導出する。第1閾値TH1は、図2に示すメタンの転化率Convが減少する割合が第1割合である場合の炭素析出量の計測値Cmに相当する。第1割合は、一例として1%である。また、第1割合は、例えば、1%以上5%未満の範囲としてもよい。第2閾値TH2は、図2に示すメタンの転化率Convが減少する割合が第2割合である場合の炭素析出量の計測値Cmに相当する。第2割合は、第1割合よりも高く、一例として5%である。第2割合は、例えば、5%以上10%未満の範囲としてもよい。   Data showing the relationship between the measured value Cm of the amount of deposited carbon shown in FIG. 2 and the conversion rate Conv of methane is input to the derivation unit 32A. Then, the derivation unit 32A derives each of the first threshold value TH1 and the second threshold value TH2 based on the rate at which the conversion rate Conv of methane decreases. The first threshold value TH1 corresponds to the measured value Cm of the carbon deposition amount when the rate at which the methane conversion rate Conv shown in FIG. 2 decreases is the first rate. The first ratio is 1% as an example. The first ratio may be, for example, a range of 1% or more and less than 5%. The second threshold TH2 corresponds to the measured carbon deposition amount Cm when the methane conversion rate Conv shown in FIG. 2 decreases at the second rate. The second ratio is higher than the first ratio, and is 5% as an example. The second ratio may be in the range of 5% or more and less than 10%, for example.

なお、スタック24のアノードには、一般的に、Ni-YSZ(イットリア安定化ジルコニア)が使用されており、改質器22から出てくる改質ガスにメタンが残存していてもスタック24の内部での改質が可能である。しかし、メタンが多く残っている場合にはスタック24内で炭素が析出し、性能を低下させる可能性がある。   It should be noted that Ni-YSZ (yttria-stabilized zirconia) is generally used for the anode of the stack 24, and even if methane remains in the reformed gas discharged from the reformer 22, the stack 24 is not affected. Internal modification is possible. However, when a large amount of methane remains, carbon may be deposited in the stack 24 and the performance may be deteriorated.

上記YSZは、特に塩基性があるわけではなく、炭素析出耐性を高めた構造ではないため、一般的に、二酸化炭素改質用の触媒と比較し、炭素が析出し易い。そこで、改質器22の場合と同様に、下記(S11)〜(S14)の処理を繰り返し行い、上述のスタック24のメタン転化率許容値を導出するようにしてもよい。   Since the above YSZ is not particularly basic and does not have a structure in which resistance to carbon deposition is enhanced, carbon is generally more likely to deposit as compared with a carbon dioxide reforming catalyst. Therefore, as in the case of the reformer 22, the following processes (S11) to (S14) may be repeated to derive the methane conversion rate allowable value of the stack 24 described above.

(S11)まず、運転条件として、例えば、都市ガスGfの供給量をA[mol/h]、二酸化炭素COの供給量をα[mol/h]、酸素Oの供給量をβ[mol/h]、スタック24の作動温度をT[K](一例として923K(=650℃))に設定する。なお、都市ガスGfの供給量A、二酸化炭素COの供給量α、及び酸素Oの供給量βは、比率(例えば、A:α:β=1:x:y)で表すようにしてもよい。また、本実施形態ではHOを供給しないが、飽和水蒸気として含まれる可能性があるため、考慮してもよい。 (S11) First, as operating conditions, for example, the supply amount of city gas Gf is A [mol / h], the supply amount of carbon dioxide CO 2 is α [mol / h], and the supply amount of oxygen O 2 is β [mol. / H], and the operating temperature of the stack 24 is set to T [K] (923K (= 650 ° C.) as an example). The supply amount A of the city gas Gf, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 , and the supply amount β of oxygen O 2 are represented by a ratio (for example, A: α: β = 1: x: y). Good. Further, although H 2 O is not supplied in the present embodiment, it may be contained as saturated steam, and therefore may be considered.

(S12)上記の運転条件でスタック24を運転し、スタック24から出てくる改質ガスをガス分析器(ガスクロマトグラフィ等)により分析し、メタン、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素の各々の濃度を得る。得られた濃度から上記式(7)を用いて、メタンの転化率を導出する。このとき、スタック24の作動電圧を計測しておく。   (S12) The stack 24 is operated under the above operating conditions, the reformed gas coming out of the stack 24 is analyzed by a gas analyzer (gas chromatography, etc.), and each of methane, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide is analyzed. Get the concentration. From the obtained concentration, the conversion rate of methane is derived using the above equation (7). At this time, the operating voltage of the stack 24 is measured.

(S13)上記の運転条件で引き続きスタック24を運転させ続け、一定時間(一例として170時間(約1週間))が経過した時点でのメタンの転化率Convを、上記式(7)を用いて導出する。そして、メタンの転化率が顕著な低下を示す場合、又は、スタック24の性能許容値を下回った場合に、試験運転を終了する。   (S13) The stack 24 is continuously operated under the above operating conditions, and the conversion rate Conv of methane at the time when a certain time (for example, 170 hours (about one week)) has elapsed is calculated using the above equation (7). Derive. Then, when the conversion rate of methane shows a remarkable decrease, or when it falls below the performance allowable value of the stack 24, the test operation is ended.

(S14)スタック24の内部材料を取り出し、赤外吸収法等を用いて、取り出した内部材料における炭素析出量を計測し、計測値を得る。例えば、10wt%(質量パーセント濃度)が得られる。   (S14) The internal material of the stack 24 is taken out, and the amount of carbon deposited in the taken out internal material is measured using an infrared absorption method or the like to obtain a measured value. For example, 10 wt% (mass percent concentration) is obtained.

上記(S11)〜(S14)の処理を繰り返すことにより、一定時間における炭素析出量の計測値と、スタック24の作動電圧と、メタンの転化率との関係を得る。この関係から、スタック24のメタン転化率許容値が導出される。   By repeating the processes of (S11) to (S14), the relationship between the measured value of the carbon deposition amount for a certain period of time, the operating voltage of the stack 24, and the conversion rate of methane is obtained. From this relationship, the allowable methane conversion rate of the stack 24 is derived.

次に、図3〜図5を参照して、導出部32Aによる積算炭素析出量Caの導出方法について説明する。   Next, a method of deriving the cumulative carbon deposition amount Ca by the deriving unit 32A will be described with reference to FIGS.

図3は、本実施形態に係る炭素活量Acと単位時間当たりの炭素析出量Ctとの関係の一例を示すグラフである。
図3において、横軸は炭素活量Acを示し、縦軸は単位時間当たりの炭素析出量Ctを示す。なお、炭素活量Acとは、改質器22における炭素の析出のし易さを示す指標の一例である。炭素活量Acの値が大きいほど、炭素が析出し易いとされる。
FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the carbon activity Ac and the carbon deposition amount Ct per unit time according to the present embodiment.
In FIG. 3, the horizontal axis represents the carbon activity Ac and the vertical axis represents the carbon deposition amount Ct per unit time. The carbon activity Ac is an example of an index indicating the ease of carbon deposition in the reformer 22. It is considered that the larger the value of the carbon activity Ac is, the more easily carbon is deposited.

導出部32Aには、上記(S1)〜(S4)での試験運転の場合と同様の運転条件とし、都市ガスGfの供給量A、二酸化炭素COの供給量α、及び酸素Oの供給量βが入力される。また、導出部32Aには、気体定数R(単位:J/mol・K)、改質器22の作動温度T(単位:K)、及びファラデー定数F(単位:C/mol)が入力される。導出部32Aには、上記式(1)によって定まるギブス自由エネルギーΔG1の値g1[J/mol]が入力され、上記式(2)により定まるギブス自由エネルギーΔG2の値g2が入力される。さらに、導出部32Aには、上記式(6)により定まるギブス自由エネルギーΔG3の値g3が入力される。 The derivation unit 32A has the same operating conditions as in the case of the test operation in the above (S1) to (S4), and the supply amount A of the city gas Gf, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 , and the supply of oxygen O 2 are set. The quantity β is entered. Further, the gas constant R (unit: J / mol · K), the operating temperature T of the reformer 22 (unit: K), and the Faraday constant F (unit: C / mol) are input to the derivation unit 32A. .. The value g1 [J / mol] of the Gibbs free energy ΔG1 determined by the above equation (1) and the value g2 of the Gibbs free energy ΔG2 determined by the above equation (2) are input to the derivation unit 32A. Further, the derivation unit 32A receives the value g3 of the Gibbs free energy ΔG3 determined by the above equation (6).

導出部32Aは、上記式(1)に対応する平衡定数K1、上記式(2)に対応する平衡定数K2、及び上記式(6)に対応する平衡定数K3を、下記式(8)〜式(10)により各々導出する。但し、g1〜g3は、ギブス自由エネルギーΔG1〜ΔG3の値[J/mol]、Rは気体定数、Tは作動温度である。   The derivation unit 32A calculates the equilibrium constant K1 corresponding to the above equation (1), the equilibrium constant K2 corresponding to the above equation (2), and the equilibrium constant K3 corresponding to the above equation (6) from the following equations (8) to Each is derived by (10). However, g1 to g3 are values of Gibbs free energy ΔG1 to ΔG3 [J / mol], R is a gas constant, and T is an operating temperature.

K1=Exp(−ΔG1/RT)=Exp(−g1/RT) …(8)
K2=Exp(−ΔG2/RT)=Exp(−g2/RT) …(9)
K3=Exp(−ΔG3/RT)=Exp(−g3/RT) …(10)
K1 = Exp (-ΔG1 / RT) = Exp (-g1 / RT) (8)
K2 = Exp (-ΔG2 / RT) = Exp (-g2 / RT) (9)
K3 = Exp (-ΔG3 / RT) = Exp (-g3 / RT) (10)

一方、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び酸素の各々の平衡状態での分圧p(CH)、p(CO)、p(CO)、p(H)、及びp(O)、は、下記式(11)〜式(15)により表わされる。但し、wは上記式(1)における反応比率、vは上記式(2)における反応比率、αは二酸化炭素COの単位時間当たりの供給量[mol/h]、βは酸素Oの単位時間当たりの供給量[mol/h]、Aは都市ガスGfの単位時間当たりの供給量[mol/h]である。 On the other hand, partial pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ), and p (in the equilibrium state of methane, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and oxygen, respectively. O 2 ) is represented by the following formulas (11) to (15). Here, w is the reaction ratio in the above formula (1), v is the reaction ratio in the above formula (2), α is the supply amount [mol / h] of carbon dioxide CO 2 per unit time, and β is the unit of oxygen O 2 . The supply amount [mol / h] per hour, A is the supply amount [mol / h] per unit time of the city gas Gf.

p(CH)=A×(1−w−v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v)) …(11)
p(CO)=A×(2w+v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v)) …(12)
p(CO)=α−(A×w)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v)) …(13)
p(H)=A×(2w+2v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v)) …(14)
p(O)=β−(A×0.5v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v)) …(15)
p (CH 4 ) = A × (1-w−v) / (A × (1−w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × ( 2w + 2v)) + (β− (A × 0.5v)) (11)
p (CO) = A × (2w + v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v)) + ( β- (A × 0.5v)) (12)
p (CO 2 ) = α− (A × w) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v) ) + (β− (A × 0.5v)) (13)
p (H 2 ) = A × (2w + 2v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v)) (14)
p (O 2 ) = β− (A × 0.5v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × ( 2w + 2v)) + (β− (A × 0.5v)) (15)

また、上記式(1)における平衡定数K1は、下記式(16)により表わされ、上記式(2)における平衡定数K2は、下記式(17)により表わされる。   Further, the equilibrium constant K1 in the above equation (1) is represented by the following equation (16), and the equilibrium constant K2 in the above equation (2) is represented by the following equation (17).

K1=p(H×p(CO)/p(CH)/p(CO) …(16)
K2=p(H×p(CO)/p(CH)/p(O0.5…(17)
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 ) ... (16)
K2 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5 (17)

さらに、炭素活量Acは、下記式(18)により表わされる。但し、K3は、上記式(6)に対応する平衡定数で、上記式(10)により導出される。   Further, the carbon activity Ac is represented by the following formula (18). However, K3 is an equilibrium constant corresponding to the above equation (6) and is derived from the above equation (10).

Ac=K3×p(CO)/p(CO) …(18) Ac = K3 × p (CO) 2 / p (CO 2 ) ... (18)

上記において、平衡定数K1、K2は、ある作動温度Tの下で既知の値である。上記式(11)〜式(17)の関係から、反応比率w、vを未知数とする2つの連立方程式が成立する。この2つの連立方程式を解くと、反応比率w、vの値が得られ、上記の各分圧pが決定する。そして、平衡定数K3もある作動温度Tの下で既知の値であるため、上記式(18)から炭素活量Acが導出される。   In the above, the equilibrium constants K1 and K2 are known values under a certain operating temperature T. From the relationships of the above equations (11) to (17), two simultaneous equations with the reaction ratios w and v as unknowns are established. When these two simultaneous equations are solved, the values of the reaction ratios w and v are obtained, and the above partial pressures p are determined. Since the equilibrium constant K3 is also a known value under a certain operating temperature T, the carbon activity Ac is derived from the above equation (18).

すなわち、図3に示すグラフは、上記により導出された炭素活量Acを、単位時間当たりの炭素析出量Ctに対応付けたものである。なお、単位時間当たりの炭素析出量Ctは、図2に示す一定時間における炭素析出量の計測値Cmを単位時間当たりの炭素析出量に換算して得られるものである。これにより、単位時間当たりの炭素析出量Ctと炭素活量Acとの関係が得られる。   That is, in the graph shown in FIG. 3, the carbon activity Ac derived as described above is associated with the carbon deposition amount Ct per unit time. The carbon deposition amount Ct per unit time is obtained by converting the measured value Cm of the carbon deposition amount in a constant time shown in FIG. 2 into the carbon deposition amount per unit time. Thereby, the relationship between the carbon deposition amount Ct per unit time and the carbon activity amount Ac is obtained.

図4は、本実施形態に係る炭素活量Acから単位時間当たりの炭素析出量Ctへの変換の一例を示すグラフである。
図4の左図において、横軸は時間を示し、縦軸は炭素活量Acを示す。図4の右図において、横軸は時間を示し、縦軸は単位時間当たりの炭素析出量Ctを示す。
FIG. 4 is a graph showing an example of conversion from the carbon activity Ac according to the present embodiment to the carbon deposition amount Ct per unit time.
In the left diagram of FIG. 4, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents carbon activity Ac. In the right diagram of FIG. 4, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents carbon deposition amount Ct per unit time.

燃料電池20を実際に運転する場合の運転条件(改質器22に供給されるガスの量及び改質器22の作動温度)は、上記試験運転における燃料電池20の運転条件と異なる場合がある。導出部32Aは、実際の運転時に流量計Fm1〜Fm3で計測された都市ガスGfの供給量A、二酸化炭素COの供給量α、及び酸素Oの供給量β、さらに、改質器22の作動温度Tに基づいて、上記式(8)〜式(18)を用いて、炭素活量Acを導出する。導出した炭素活量Acを図4の左図に示す。そして、導出部32Aは、上述の図3に示す単位時間当たりの炭素析出量Ctと炭素活量Acとの関係を用いて、図4の左図に示す炭素活量Acを、図4の右図に示す単位時間当たりの炭素析出量Ctに変換する。 The operating conditions (the amount of gas supplied to the reformer 22 and the operating temperature of the reformer 22) when the fuel cell 20 is actually operated may be different from the operating conditions of the fuel cell 20 in the test operation. .. The derivation unit 32A supplies the city gas Gf supply amount A, the carbon dioxide CO 2 supply amount α, and the oxygen O 2 supply amount β, which are measured by the flow meters Fm1 to Fm3 during the actual operation, and further, the reformer 22. Based on the operating temperature T of, the carbon activity Ac is derived using the above equations (8) to (18). The derived carbon activity Ac is shown in the left diagram of FIG. Then, the derivation unit 32A uses the relationship between the carbon deposition amount Ct per unit time and the carbon activity Ac shown in FIG. 3 described above to calculate the carbon activity Ac shown in the left diagram of FIG. 4 to the right of FIG. The carbon deposition amount Ct per unit time shown in the figure is converted.

図5は、本実施形態に係る積算炭素析出量Caと時間との関係の一例を示すグラフである。
図5において、横軸は時間を示し、縦軸は積算炭素析出量Caを示す。
FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the cumulative carbon deposition amount Ca and time according to this embodiment.
In FIG. 5, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents cumulative carbon deposition amount Ca.

図5に示すように、導出部32Aは、図4の右図に示す単位時間当たりの炭素析出量Ctを、さらに、時間的に積算することにより積算炭素析出量Caを導出する。具体的には、積算炭素析出量Caは、下記式(19)により導出される。なお、Caは積算炭素析出量を示し、Ct(=Ct1+Ct2+Ct3+…)は単位時間当たりの炭素析出量を示す。   As shown in FIG. 5, the derivation unit 32A derives an integrated carbon deposition amount Ca by further temporally integrating the carbon deposition amount Ct per unit time shown in the right diagram of FIG. Specifically, the cumulative carbon deposition amount Ca is derived by the following formula (19). It should be noted that Ca represents the cumulative carbon deposition amount, and Ct (= Ct1 + Ct2 + Ct3 + ...) Shows the carbon deposition amount per unit time.

Ca=ΣCt=Ct1+Ct2+Ct3+… …(19)   Ca = ΣCt = Ct1 + Ct2 + Ct3 + ... (19)

次に、図6を参照して、本第1の実施形態に係る制御装置30の作用を説明する。なお、図6は、第1の実施形態に係るプログラム34Aによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
演算部32は、燃料電池20の運転開始が指示された場合に、記憶部34に記憶されているプログラム34Aを読み出して実行する。
Next, the operation of the control device 30 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 6. Note that FIG. 6 is a flowchart showing an example of the flow of processing by the program 34A according to the first embodiment.
The arithmetic unit 32 reads out and executes the program 34A stored in the storage unit 34 when the operation start of the fuel cell 20 is instructed.

まず、図6のステップ100では、運転制御部32Dが、燃料電池20の起動処理を行う。この場合、運転制御部32Dは、第1バルブ41、第2バルブ42、及び第3バルブ43の各々の開度を調整し、都市ガスGfの供給量A、二酸化炭素COの供給量α、及び酸素Oの供給量βが所定の比率になるように制御する。燃料電池20の起動状態においては、作動温度が低いため、酸素Oの供給量βを二酸化炭素COの供給量αよりも多くし、炭素の析出を抑制しながら起動させる。なお、この場合、二酸化炭素COの供給量αを0(ゼロ)にし、酸素Oのみを供給するようにしてもよい。 First, in step 100 of FIG. 6, the operation control unit 32D performs a startup process of the fuel cell 20. In this case, the operation control unit 32D adjusts the opening of each of the first valve 41, the second valve 42, and the third valve 43 to supply the city gas Gf with the supply amount A and the carbon dioxide CO 2 supply amount α, And the supply amount β of oxygen O 2 is controlled to be a predetermined ratio. In the activated state of the fuel cell 20, since the operating temperature is low, the supply amount β of oxygen O 2 is made larger than the supply amount α of carbon dioxide CO 2 , and the fuel cell 20 is activated while suppressing the precipitation of carbon. In this case, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 may be set to 0 (zero) and only oxygen O 2 may be supplied.

次に、ステップ102では、運転制御部32Dが、燃料電池20の作動温度が所定温度に達し、定格出力での定格運転に移行したか否かを判定する。定格運転に移行したと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ104に移行し、定格運転に移行していないと判定した場合(否定判定の場合)ステップ102で待機となる。   Next, in step 102, the operation control unit 32D determines whether or not the operating temperature of the fuel cell 20 has reached a predetermined temperature and the rated operation has been performed at the rated output. When it is determined that the rated operation has been performed (in the case of affirmative determination), the processing proceeds to step 104, and when it is determined that the rated operation has not been performed (in the case of negative determination), the process goes to standby in step 102.

ステップ104では、運転制御部32Dが、燃料電池20を定格出力で定格運転する制御を行う。定格運転の状態では、二酸化炭素COの供給量αを酸素Oの供給量βよりも多くして、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制する。 In step 104, the operation control unit 32D controls the fuel cell 20 to perform the rated operation at the rated output. In the state of the rated operation, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 is made larger than the supply amount β of oxygen O 2 , so that the precipitation of carbon is suppressed while suppressing the decrease in power generation efficiency.

ステップ106では、運転制御部32Dが、定格運転開始から所定時間が経過したか否かを判定する。定格運転開始から所定時間が経過したと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ108に移行し、定格運転開始から所定時間が経過していないと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ106で待機となる。   In step 106, the operation control unit 32D determines whether or not a predetermined time has elapsed from the start of the rated operation. When it is determined that the predetermined time has elapsed from the start of the rated operation (in the case of positive determination), the process proceeds to step 108, and when it is determined that the predetermined time has not elapsed from the start of the rated operation (in the case of negative determination), step 106. And wait.

ステップ108では、導出部32Aが、都市ガスGfの供給量A、二酸化炭素COの供給量α、及び酸素Oの供給量βの各々の計測値に応じて、炭素活量Acを導出し、導出した炭素活量Acを単位時間当たりの炭素析出量Ctに換算する。そしてさらに、単位時間当たりの炭素析出量Ctを時間的に積算して積算炭素析出量Caを導出する。なお、炭素活量Acは、上記式(8)〜式(18)を用いて導出される。また、積算炭素析出量Caは、上記式(19)を用いて導出される。 In step 108, the derivation unit 32A derives the carbon activity Ac according to the measured values of the supply amount A of city gas Gf, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 , and the supply amount β of oxygen O 2. Then, the derived carbon activity Ac is converted into a carbon deposition amount Ct per unit time. Further, the carbon deposition amount Ct per unit time is integrated over time to derive the integrated carbon deposition amount Ca. The carbon activity Ac is derived by using the above equations (8) to (18). Further, the cumulative carbon deposition amount Ca is derived using the above equation (19).

ステップ110では、判定部32Cが、導出部32Aにより導出された積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多いか否かを判定する。積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多いと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ112に移行し、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1以下であると判定した場合(否定判定の場合)、ステップ104に戻る。   In step 110, the determination unit 32C determines whether the integrated carbon deposition amount Ca derived by the derivation unit 32A is larger than the first threshold value TH1. When it is determined that the cumulative carbon deposition amount Ca is larger than the first threshold TH1 (in the case of affirmative determination), the process proceeds to step 112, and when it is determined that the cumulative carbon deposition amount Ca is equal to or less than the first threshold TH1 (negative determination In the case of), the process returns to step 104.

ステップ112では、判定部32Cが、導出部32Aにより導出された積算炭素析出量Caが第2閾値TH2(>TH1)よりも多いか否かを判定する。積算炭素析出量Caが第2閾値TH2よりも多いと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ114に移行し、積算炭素析出量Caが第2閾値TH2以下であると判定した場合(否定判定の場合)、ステップ116に移行する。   In step 112, the determination unit 32C determines whether the integrated carbon deposition amount Ca derived by the derivation unit 32A is larger than the second threshold value TH2 (> TH1). When it is determined that the cumulative carbon deposition amount Ca is larger than the second threshold value TH2 (in the case of affirmative determination), the process proceeds to step 114, and when it is determined that the cumulative carbon deposition amount Ca is equal to or less than the second threshold value TH2 (negative determination) In the case of), the process proceeds to step 116.

ステップ114では、運転制御部32Dが、判定部32Cの判定結果に従って、一定時間、酸素Oの供給量βを二酸化炭素COの供給量αよりも多くする制御を行う。そして、ステップ120に移行する。 In step 114, the operation control unit 32D controls the supply amount β of oxygen O 2 to be larger than the supply amount α of carbon dioxide CO 2 for a certain period of time according to the determination result of the determination unit 32C. Then, the process proceeds to step 120.

一方、ステップ116では、判定部32Cが、需要予測部32Bにより予測された電力需要Waが一定量以下であるか否かを判定する。電力需要Waが一定量以下であると判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ118に移行し、電力需要Waが一定量より多いと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ104に戻る。なお、電力需要Waに代えて熱需要を判定に用いてもよい。つまり、判定部32Cが、需要予測部32Bにより予測された熱需要が一定量以上であるか否かを判定する。熱需要が一定量以上であると判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ118に移行し、熱需要が一定量より少ないと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ104に戻る。   On the other hand, in step 116, the determination unit 32C determines whether or not the power demand Wa predicted by the demand prediction unit 32B is less than or equal to a certain amount. If it is determined that the power demand Wa is less than or equal to the certain amount (in the case of affirmative determination), the process proceeds to step 118, and if it is determined that the power demand Wa is greater than the certain amount (in the case of negative determination), the process returns to step 104. The heat demand may be used for the determination instead of the power demand Wa. That is, the determination unit 32C determines whether or not the heat demand predicted by the demand prediction unit 32B is a certain amount or more. When it is determined that the heat demand is equal to or more than the certain amount (in the case of positive determination), the process proceeds to step 118, and when it is determined that the heat demand is less than the certain amount (in the case of negative determination), the process returns to step 104.

ステップ118では、運転制御部32Dが、判定部32Cの判定結果に従って、一定時間、二酸化炭素COの供給量αを、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1以下で、かつ、電力需要Waが一定量よりも多い場合に供給する二酸化炭素COの供給量よりも増加させる制御を行う。つまり、ステップ118での二酸化炭素COの供給量αは、ステップ104での二酸化炭素COの供給量よりも多い。なお、この場合、酸素Oの供給量βを0(ゼロ)にし、二酸化炭素COのみを供給するようにしてもよい。そして、ステップ120に移行する。 In step 118, the operation control unit 32D determines the supply amount α of carbon dioxide CO 2 for a certain period of time according to the determination result of the determination unit 32C, the integrated carbon deposition amount Ca is the first threshold value TH1 or less, and the power demand Wa is The control is performed to increase the supply amount of carbon dioxide CO 2 to be supplied when the amount is larger than a certain amount. That is, the supply amount α of carbon dioxide CO 2 in step 118 is larger than the supply amount of carbon dioxide CO 2 in step 104. In this case, the supply amount β of oxygen O 2 may be set to 0 (zero) and only carbon dioxide CO 2 may be supplied. Then, the process proceeds to step 120.

ステップ120では、運転制御部32Dが、燃料電池20の運転終了の指示が有ったか否かを判定する。燃料電池20の運転終了の指示が有ったと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ122に移行し、燃料電池20の運転終了の指示が無いと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ104に戻る。なお、一例として、操作者による運転終了の指示を受け付けた場合に、燃料電池20の運転を終了すると判定してもよい。   In step 120, the operation control unit 32D determines whether or not there is an instruction to end the operation of the fuel cell 20. If it is determined that there is an instruction to end the operation of the fuel cell 20 (in the case of a positive determination), the process proceeds to step 122, and if it is determined that there is no instruction to end the operation of the fuel cell 20 (in the case of a negative determination), the step Return to 104. Note that, as an example, it may be determined that the operation of the fuel cell 20 is ended when the operation end instruction from the operator is received.

ステップ122では、運転制御部32Dが、第1バルブ41、第2バルブ42、及び第3バルブ43を全閉にし、都市ガスGf、二酸化炭素CO、及び酸素Oの供給を停止する。運転制御部32Dは、燃料電池20の運転を終了する制御を行い、上記一連の処理を終了する。 In step 122, the operation control unit 32D fully closes the first valve 41, the second valve 42, and the third valve 43, and stops the supply of the city gas Gf, carbon dioxide CO 2 , and oxygen O 2 . The operation control unit 32D performs control for ending the operation of the fuel cell 20 and ends the series of processes.

図7は、本実施形態に係る導出部32Aによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。   FIG. 7 is a schematic diagram for explaining an example of processing contents by the derivation unit 32A according to the present embodiment.

図7に示すように、導出部32Aは、入力値群1〜入力値群3が入力される。入力値群1には、気体定数R[J/mol・K]と、改質器22の作動温度T[K]と、ファラデー定数F[C/mol]と、が含まれる。入力値群2には、ギブス自由エネルギーΔG1〜ΔG3の値g1〜g3[J/mol]が含まれる。入力値群3には、都市ガスGfの供給量A[mol/h]と、二酸化炭素COの供給量α[mol/h]と、酸素Oの供給量β[mol/h]と、が含まれる。 As shown in FIG. 7, the input value group 1 to the input value group 3 are input to the derivation unit 32A. The input value group 1 includes a gas constant R [J / mol · K], an operating temperature T [K] of the reformer 22, and a Faraday constant F [C / mol]. The input value group 2 includes values g1 to g3 [J / mol] of Gibbs free energy ΔG1 to ΔG3. The input value group 3 includes a supply amount A [mol / h] of city gas Gf, a supply amount α [mol / h] of carbon dioxide CO 2 , and a supply amount β [mol / h] of oxygen O 2 . Is included.

そして、導出部32Aは、上記入力値群1〜入力値群3に含まれる各パラメータを用いて、積算炭素析出量Caを導出する。積算炭素析出量Caは、上記式(8)〜式(18)により導出される炭素活量Acを単位時間当たりの炭素析出量Ctに変換し、変換した単位時間当たりの炭素析出量Ctを時間的に積算することで導出される。   Then, the derivation unit 32A derives the cumulative carbon deposition amount Ca using each parameter included in the input value group 1 to the input value group 3. The cumulative carbon deposition amount Ca is obtained by converting the carbon activity Ac derived by the above formulas (8) to (18) into a carbon deposition amount Ct per unit time, and converting the converted carbon deposition amount Ct per unit time into time. It is derived by cumulatively integrating.

本実施形態によれば、積算炭素析出量Caが第1閾値TH1よりも多く第2閾値TH2以下である場合に、二酸化炭素COを酸素Oよりも多く供給する制御を行う。一方、積算炭素析出量Caが第2閾値TH2を超える場合に、酸素Oを二酸化炭素COよりも多く供給する制御を行う。この制御により、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を効果的に抑制することができる。
また、電力需要Waに応じて二酸化炭素CO及び酸素Oの供給量を制御するため、無駄に改質剤を供給することがなく、経済性を向上させることができる。
According to this embodiment, when the integrated amount of deposited carbon Ca is the second threshold TH2 or less more than the threshold value TH1, do a lot supplies control than carbon dioxide CO 2 oxygen O 2. On the other hand, if the integrated amount of deposited carbon Ca exceeds a second threshold value TH2, the oxygen O 2 do more supplies control than carbon dioxide CO 2. By this control, it is possible to effectively suppress the deposition of carbon while suppressing the decrease in power generation efficiency.
Moreover, since the supply amounts of carbon dioxide CO 2 and oxygen O 2 are controlled according to the power demand Wa, it is possible to improve the economical efficiency without wastefully supplying the modifier.

以上、実施形態として燃料電池システム及びその制御装置を例示して説明した。実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。   In the above, the fuel cell system and its control device have been illustrated and described as the embodiments. The embodiment may be in the form of a program that causes a computer to execute the functions of the units included in the control device. The embodiment may be in the form of a computer-readable storage medium storing this program.

その他、上記実施形態で説明した制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。   In addition, the configuration of the control device described in the above embodiment is an example, and may be changed according to the situation without departing from the spirit of the invention.

また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。   The flow of processing of the program described in the above embodiment is also an example, and unnecessary steps may be deleted, new steps may be added, or the processing order may be changed without departing from the spirit of the invention. Good.

また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case where the process according to the embodiment is realized by the software configuration by using the computer by executing the program has been described, but the present invention is not limited to this. The embodiment may be realized by, for example, a hardware configuration or a combination of a hardware configuration and a software configuration.

10 燃料電池システム
20 燃料電池(ホットボックス)
22 改質器
24 スタック(燃料電池本体)
26 燃焼器
30 制御装置
32 演算部
32A 導出部
32B 需要予測部
32C 判定部
32D 運転制御部
34 記憶部
34A プログラム
41 第1バルブ
42 第2バルブ
43 第3バルブ
50、52、54 供給経路
10 Fuel cell system 20 Fuel cell (hot box)
22 reformer 24 stack (fuel cell body)
26 Combustor 30 Control device 32 Calculation part 32A Derivation part 32B Demand prediction part 32C Judgment part 32D Operation control part 34 Storage part 34A Program 41 1st valve 42 2nd valve 43 3rd valve 50, 52, 54 Supply path

Claims (9)

炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、
前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、
前記導出部により導出された炭素積算量が第1閾値よりも多く、前記第1閾値よりも大きい第2閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第2閾値よりも多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、
を備えた燃料電池システム。
A fuel cell including a fuel gas containing a hydrocarbon, and a reformer to which a reforming agent for at least one of carbon dioxide and oxygen in the air is supplied,
A derivation unit for deriving an integrated carbon amount by integrating the amount of carbon deposited within a predetermined time by the reforming reaction of the reformer,
When the integrated carbon amount derived by the derivation unit is larger than a first threshold value and is equal to or less than a second threshold value larger than the first threshold value, the carbon dioxide is supplied to the reformer in an amount larger than the oxygen, When the integrated carbon amount is greater than the second threshold value, a control unit that controls the supply of the oxygen to the reformer in an amount greater than that of the carbon dioxide,
Fuel cell system equipped with.
前記制御部は、前記炭素積算量が前記第1閾値よりも多く前記第2閾値以下であり、かつ、予測される電力量の需要が予め定められた量以下である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第1閾値以下で、かつ、前記予測される電力量の需要が前記予め定められた量よりも多い場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行う請求項1に記載の燃料電池システム。   The control unit controls the reformer when the integrated carbon amount is greater than the first threshold value and is equal to or less than the second threshold value, and the predicted demand for electric energy is equal to or less than a predetermined amount. The amount of the carbon dioxide to be supplied is supplied to the reformer when the integrated carbon amount is equal to or less than the first threshold value and the predicted demand for the amount of electric power is larger than the predetermined amount. The fuel cell system according to claim 1, wherein control is performed to increase the amount of carbon dioxide. 前記制御部は、前記炭素積算量が前記第1閾値よりも多く前記第2閾値以下であり、かつ、予測される熱量の需要が予め定められた量以上である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第1閾値以下で、かつ、前記予測される熱量の需要が前記予め定められた量よりも少ない場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行う請求項1に記載の燃料電池システム。   The control unit supplies the reformer when the integrated carbon amount is greater than the first threshold value and equal to or less than the second threshold value, and the predicted heat demand is equal to or greater than a predetermined amount. The amount of the carbon dioxide to be supplied to the reformer when the integrated carbon amount is less than or equal to the first threshold value and the demand for the predicted calorific value is less than the predetermined amount. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is controlled such that the amount of carbon is increased. 前記導出部は、前記改質器において前記炭化水素の転化率が減少する割合に基づいて、前記第1閾値及び前記第2閾値の各々を更に導出する請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The derivation unit further derives each of the first threshold value and the second threshold value based on a rate at which the conversion rate of the hydrocarbon in the reformer decreases. The fuel cell system described. 前記第1閾値は、前記炭化水素の転化率が減少する割合が第1割合である場合に析出する炭素の量に相当し、
前記第2閾値は、前記炭化水素の転化率が減少する割合が前記第1割合よりも高い第2割合である場合に析出する炭素の量に相当する請求項4に記載の燃料電池システム。
The first threshold value corresponds to the amount of carbon deposited when the rate at which the conversion rate of the hydrocarbon decreases is the first rate,
The fuel cell system according to claim 4, wherein the second threshold value corresponds to the amount of carbon deposited when the rate of decrease in the conversion rate of the hydrocarbon is the second rate higher than the first rate.
前記導出部は、前記改質器における炭素の析出のし易さを示す炭素活量を更に導出し、導出した炭素活量を変換して得られる単位時間当たりの炭素析出量を時間的に積算することにより前記炭素積算量を導出する請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The derivation unit further derives a carbon activity indicating the ease of carbon deposition in the reformer, and temporally integrates the carbon deposition amount per unit time obtained by converting the derived carbon activity. The fuel cell system according to claim 1, wherein the integrated carbon amount is derived by performing the operation. 前記改質器は、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第1改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記酸素との第2改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、
前記炭化水素、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、前記水素、及び前記酸素の各々の平衡状態での分圧p(CH)、p(CO)、p(CO)、p(H)、及びp(O)は、前記第1改質反応における反応比率をw、前記第2改質反応における反応比率をv、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量をA、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量をα、前記酸素の単位時間当たりの供給量をβとした場合、
p(CH)=A×(1−w−v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(CO)=A×(2w+v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(CO)=α−(A×w)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(H)=A×(2w+2v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
p(O)=β−(A×0.5v)/ (A×(1−w−v))+(A×(2w+v))+(α−(A×w))+(A×(2w+2v))+(β−(A×0.5v))
で表わされ、
前記第1改質反応及び前記第2改質反応の各々における平衡定数K1、K2は、
K1=p(H×p(CO)/p(CH)/p(CO
K2=p(H×p(CO)/p(CH)/p(O0.5
で表わされ、
前記炭素活量をAc、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をK3とした場合、
Ac=K3×p(CO)/p(CO
で表わされ、
前記導出部は、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量A、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量α、及び前記酸素の単位時間当たりの供給量βに応じて導出される前記反応比率w、vに基づいて、前記分圧p(CO)及びp(CO)の各々の値を導出し、導出した各々の値から前記炭素活量Acを導出する請求項6に記載の燃料電池システム。
The reformer produces hydrogen and carbon monoxide by a first reforming reaction of the hydrocarbon and carbon dioxide, and produces hydrogen and carbon monoxide by a second reforming reaction of the hydrocarbon and oxygen. Generate,
Partial pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ) in equilibrium of the hydrocarbon, the carbon monoxide, the carbon dioxide, the hydrogen, and the oxygen. , And p (O 2 ) are the reaction ratio in the first reforming reaction, w, the reaction ratio in the second reforming reaction, v, the supply amount of the fuel gas per unit time, and the carbon dioxide. When the supply amount per unit time is α and the supply amount of the oxygen per unit time is β,
p (CH 4 ) = A × (1-w−v) / (A × (1−w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × ( 2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v))
p (CO) = A × (2w + v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v)) + ( β- (A × 0.5v))
p (CO 2 ) = α− (A × w) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v) ) + (β- (A × 0.5v))
p (H 2 ) = A × (2w + 2v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × (2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v))
p (O 2 ) = β− (A × 0.5v) / (A × (1-w−v)) + (A × (2w + v)) + (α− (A × w)) + (A × ( 2w + 2v)) + (β- (A × 0.5v))
Is represented by
The equilibrium constants K1 and K2 in each of the first reforming reaction and the second reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 ).
K2 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5
Is represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon deposition reaction of the fuel cell is K3,
Ac = K3 × p (CO) 2 / p (CO 2 ).
Is represented by
The deriving unit derives the reaction ratio w according to the supply amount A of the fuel gas per unit time, the supply amount α of the carbon dioxide per unit time, and the supply amount β of the oxygen per unit time. , V, the respective values of the partial pressures p (CO) and p (CO 2 ) are derived, and the carbon activity Ac is derived from the derived respective values. ..
炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池の運転を制御する制御装置であって、
前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、
前記導出部により導出された炭素積算量が第1閾値よりも多く、前記第1閾値よりも大きい第2閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第2閾値より多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、
を備えた制御装置。
A control device for controlling the operation of a fuel cell comprising a reformer to which a reforming agent of at least one of carbon dioxide and oxygen in the air is supplied.
A derivation unit for deriving an integrated carbon amount by integrating the amount of carbon deposited within a predetermined time by the reforming reaction of the reformer,
When the integrated carbon amount derived by the derivation unit is larger than a first threshold value and is equal to or less than a second threshold value larger than the first threshold value, the carbon dioxide is supplied to the reformer in an amount larger than the oxygen, When the cumulative amount of carbon is greater than the second threshold value, a control unit that controls to supply more oxygen to the reformer than carbon dioxide,
Control device equipped with.
コンピュータを、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システムが備える導出部及び制御部として機能させるプログラム。   A program that causes a computer to function as a derivation unit and a control unit included in the fuel cell system according to claim 1.
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