JP6779093B2 - Fuel cell systems, controls, and programs - 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 fuel cell systems, controls, and programs.

近年、再生可能エネルギーを用いて発電した電力を一定価格で電力会社が買い取る固定価格買取制度(FIT:Feed-in Tariff)の導入により、バイオガスを燃料とした発電が注目されている。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(CH)が約60%、二酸化炭素(CO)が約40%であるが、組成は一定ではない。 In recent years, with the introduction of the feed-in tariff (FIT), in which electric power companies purchase electricity generated using renewable energy at a fixed price, biogas-based power generation is drawing attention. The biogas referred to here means a flammable gas generated by methane fermentation of organic waste derived from animals and plants. The typical composition of biogas is about 60% for methane (CH 4 ) and about 40% for carbon dioxide (CO 2 ), but the composition is not constant.

従来、バイオガスを燃料とした発電には、主にガスエンジンが利用されているが、ガスエンジンは、燃料の組成比の変化に対応し難い。このため、バイオガス及び都市ガスを混焼することで対応する場合がある。また、バイオガスの供給量は安定していないことが多く、バイオガスのみでは安定して発電することが難しい場合がある。この場合、都市ガスを併用することで安定して発電することができる。 Conventionally, a gas engine is mainly used for power generation using biogas as a fuel, but it is difficult for a gas engine to respond to a change in a fuel composition ratio. Therefore, it may be dealt with by co-firing biogas and city gas. In addition, the amount of biogas supplied is often unstable, and it may be difficult to generate electricity stably with biogas alone. In this case, stable power generation can be achieved by using city gas together.

上記のガスエンジン以外の発電手段として、ガスエンジンよりも発電効率の高い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)等の高温型燃料電池を用いた技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a power generation means other than the above gas engine, high temperature such as solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) and molten carbonate fuel cell (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), which have higher power generation efficiency than gas engine. A technique using a type fuel cell has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、バイオガス中の不純物である二酸化炭素を除去し、ガスホルダに溜めることで、安定的にバイオガスを供給し、燃料電池で発電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 carbon dioxide, which is an impurity in biogas, is removed and stored in a gas holder to stably supply biogas and generate electricity with a fuel cell (see, for example, Patent Document 2).

また、バイオガスを吸着貯蔵させ、バイオガス中の二酸化炭素を除去せず、二酸化炭素をバイオガスの改質に利用する技術も提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Further, a technique has been proposed in which biogas is adsorbed and stored, carbon dioxide in the biogas is not removed, and carbon dioxide is used for reforming the biogas (see, for example, Patent Document 3).

特開2011−81989号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-81989 特開2005−129304号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-129304 特開2008−153149号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-153149

バイオガス中の二酸化炭素を改質に利用する場合、効率的な運転が可能となるが、一方で、バイオガス中のメタンの組成比は、二酸化炭素の組成比よりも大きいため、平衡上炭素が析出してしまう虞がある。また、バイオガス中の二酸化炭素を考慮せず、都市ガス燃料を主とする一般的な燃料電池システムに供給した場合には、過剰な酸化剤供給により発電効率の低下を引き起こす可能性がある。 When carbon dioxide in biogas is used for reforming, efficient operation is possible, but on the other hand, the composition ratio of methane in biogas is larger than the composition ratio of carbon dioxide, so carbon in equilibrium May deposit. In addition, when carbon dioxide in biogas is not taken into consideration and supplied to a general fuel cell system mainly composed of city gas fuel, excessive supply of an oxidant may cause 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、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出を効果的に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 provides a fuel cell system, a control device, and a program capable of effectively suppressing carbon precipitation while minimizing a decrease in efficiency. The purpose is.

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、炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え、前記改質器が、前記改質剤として水を用いた場合、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水との第2改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに、前記一酸化炭素と前記水との第3改質反応により二酸化炭素と水素を生成し、前記炭化水素、前記水、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、及び前記水素の各々の平衡状態での分圧p(CH )、p(H O)、p(CO)、p(CO )、及びp(H )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y、前記第3改質反応における反応比率をz、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記水の供給量をHとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−y)
p(H O)=H−(c×A)×(y+z)
p(CO)=(c×A)×(2w+y−z)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×(w−z)
p(H )=(c×A)×(2w+3y+z)
で表わされ、
前記第1改質反応、前記第2改質反応、及び前記第3改質反応の各々における平衡定数K1、K2、及びK3が、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K2=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(H O)
K3=p(CO )×p(H )/p(CO)/p(H O)
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、前記決定部が、前記水の供給量Hの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率w、y、z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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記水の供給量Hとして決定するものである。
In order to achieve the above object, the fuel cell system according to claim 1 is supplied with a first fuel gas containing a hydrocarbon and carbon dioxide, and a modifier for reforming the hydrocarbon. A fuel cell equipped with a device and a control device for controlling the operation of the fuel cell are provided, and the control device has a predetermined range of carbon activity indicating the ease of carbon dioxide precipitation in the fuel cell. When the reformer uses water as the modifier, the first reforming reaction between the hydrocarbon and carbon dioxide causes hydrogen to be contained in the reformer. Carbon monoxide is produced, hydrogen and carbon monoxide are produced by the second modification reaction between the hydrocarbon and the water, and carbon dioxide is further produced by the third modification reaction between the carbon monoxide and the water. Hydrogen is produced, and the partial pressures p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO) of the hydrocarbon, the water, the carbon monoxide, the carbon dioxide, and the hydrogen in each equilibrium state. , P (CO 2 ), and p (H 2 ) are w for the reaction ratio in the first modification reaction, y for the reaction ratio in the second modification reaction, and z for the reaction ratio in the third modification reaction. The flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer per unit time is A, the concentration of hydrocarbon in the first fuel gas is c, the concentration of carbon dioxide in the first fuel gas is d, and the above. When the amount of water supplied is H,
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wy)
p (H 2 O) = H- (c × A) × (y + z)
p (CO) = (c × A) × (2w + yz)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × (wz)
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 3y + z)
Represented by
The equilibrium constants K1, K2, and K3 in each of the first reforming reaction, the second reforming reaction, and the third reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K2 = p (H 2 ) 3 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (H 2 O)
K3 = p (CO 2 ) x p (H 2 ) / p (CO) / p (H 2 O)
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4.
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
The determination unit changes the candidate value of the water supply amount H, and the partial pressure p (CO) is derived based on the reaction ratios w, y, and z derived in response to the change. ) And p (CO 2 ) are derived, and the candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived values falls within the predetermined range is determined as the water supply amount H. Is.

この燃料電池システムによれば、炭素活量が予め定められた範囲に収まる改質剤の量を決定するため、炭素活量の範囲を規定することなく改質剤の量を決定する場合と比べ、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
また、この燃料電池システムによれば、改質剤として水を用いて第1燃料ガスを改質させて水素を生成する場合においても、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
また、この燃料電池システムによれば、改質反応における各成分の平衡状態での分圧及び平衡定数、さらに、炭素析出反応における炭素活量及び平衡定数に基づいて、炭素活量が予め定められた範囲に収まる水の供給量を決定することができるため、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
According to this fuel cell system, since the amount of the modifier having the carbon activity within a predetermined range is determined, compared with the case where the amount of the modifier is determined without specifying the range of the carbon activity. , Carbon precipitation can be suppressed more effectively while minimizing the decrease in efficiency.
Further, according to this fuel cell system, even when the first fuel gas is reformed using water as a modifier to generate hydrogen, carbon precipitation is more effective while minimizing the decrease in efficiency. Can be suppressed.
Further, according to this fuel cell system, the carbon activity is predetermined based on the partial pressure and the equilibrium constant of each component in the reforming reaction in the equilibrium state, and the carbon activity and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction. Since the amount of water supplied within the equilibrium range can be determined, carbon precipitation can be suppressed more effectively while minimizing the decrease in efficiency.

また、請求項に記載の燃料電池システムは、請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第1燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第2燃料ガスが供給され、
前記分圧p(CH)、p(HO)、p(CO)、p(CO)、及びp(H)が、前記改質器に供給される前記第2燃料ガスの単位時間当たりの流量をBとした場合、
p(CH)=(c×A+B)×(1−w−y)
p(HO)=H−(c×A+B)×(y+z)
p(CO)=(c×A+B)×(2w+y−z)
p(CO)=(d×A)−(c×A+B)×(w−z)
p(H)=(c×A+B)×(2w+3y+z)
で表わされるものである。
Further, in the fuel cell system according to claim 2 , in the fuel cell system according to claim 1 , the reformer further contains a hydrocarbon and the composition ratio of the hydrocarbon is the carbonization of the first fuel gas. A second fuel gas different from the composition ratio of hydrogen is supplied,
The partial pressure p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ), and p (H 2 ) are units of the second fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate per hour is B
p (CH 4 ) = (c × A + B) × (1-wy)
p (H 2 O) = H- (c × A + B) × (y + z)
p (CO) = (c × A + B) × (2w + yz)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A + B) × (wz)
p (H 2 ) = (c × A + B) × (2w + 3y + z)
It is represented by.

この燃料電池システムによれば、第1燃料ガスに加えて、さらに第2燃料ガスを改質器に供給し、水により改質を行う場合でも、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。 According to this fuel cell system, even when the second fuel gas is supplied to the reformer in addition to the first fuel gas and reformed with water, carbon precipitation is performed while minimizing the decrease in efficiency. Can be suppressed more effectively.

一方、上記目的を達成するために、請求項に記載の燃料電池システムは、炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え、前記改質器が、前記改質剤として空気中の酸素を用いた場合、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4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4改質反応における反応比率をv、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記酸素の供給量をλとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−v)
p(CO)=(c×A)×(2w+v)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×w
p(H )=(c×A)×(2w+2v)
p(O )=λ−(c×A)×0.5v
で表わされ、前記第1改質反応及び前記第4改質反応の各々における平衡定数K1、K5が、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K5=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(O 0.5
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、前記決定部が、前記酸素の供給量λの候補値を変化させて、当該変化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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記酸素の供給量λとして決定するものである。
On the other hand, in order to achieve the above object, the fuel cell system according to claim 3 is supplied with a first fuel gas containing a hydrocarbon and carbon dioxide, and a modifier for reforming the hydrocarbon. A fuel cell including a reformer and a control device for controlling the operation of the fuel cell are provided, and the control device has a predetermined carbon activity amount indicating the ease of carbon dioxide precipitation in the fuel cell. When the reformer uses oxygen in the air as the modifier, the first modification of the hydrocarbon and the carbon dioxide is provided with a determination unit for determining the amount of the modifier that falls within the above range. Hydrogen and carbon monoxide are produced by the quality reaction, and hydrogen and carbon monoxide are produced by the fourth reforming reaction between the hydrocarbon and the oxygen, and the hydrocarbon, the carbon monoxide, the carbon dioxide, and the hydrogen are produced. , And the divided pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ), and p (O 2 ) of the oxygen in each equilibrium state are the first reforming reaction. The reaction ratio in the above is w, the reaction ratio in the fourth reforming reaction is v, the flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer per unit time is A, and the concentration of hydrocarbon in the first fuel gas. C, the concentration of carbon dioxide in the first fuel gas is d, and the amount of oxygen supplied is λ.
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wv)
p (CO) = (c × A) × (2w + v)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × w
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 2v)
p (O 2 ) = λ- (c × A) × 0.5v
The equilibrium constants K1 and K5 in each of the first reforming reaction and the fourth reforming reaction are represented by.
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K5 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5
Represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4,
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
The determination unit changes the candidate value of the oxygen supply amount λ, and the partial pressure p (CO) and the partial pressure p (CO) are derived based on the reaction ratios w and v derived in response to the change. Each value of p (CO 2 ) is derived, and the candidate value at which the carbon activity Ac obtained from each derived value falls within the predetermined range is determined as the oxygen supply amount λ. ..

この燃料電池システムによれば、改質剤として空気中の酸素を用いて第1燃料ガスを改質させて水素を生成する場合においても、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
また、この燃料電池システムによれば、改質反応における各成分の平衡状態での分圧及び平衡定数、さらに、炭素析出反応における炭素活量及び平衡定数に基づいて、炭素活量が予め定められた範囲に収まる空気中の酸素の供給量を決定することができるため、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
According to this fuel cell system, even when the first fuel gas is reformed using oxygen in the air as a reforming agent to generate hydrogen, carbon precipitation is further suppressed while minimizing the decrease in efficiency. It can be effectively suppressed.
Further, according to this fuel cell system, the carbon activity is predetermined based on the partial pressure and the equilibrium constant of each component in the reforming reaction in the equilibrium state, and the carbon activity and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction. Since the amount of oxygen supplied in the air within the equilibrium range can be determined, carbon precipitation can be suppressed more effectively while minimizing the decrease in efficiency.

また、請求項に記載の燃料電池システムは、請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第1燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第2燃料ガスが供給され、
前記分圧p(CH)、p(CO)、p(CO)、p(H)、及びp(O)が、前記改質器に供給される前記第2燃料ガスの単位時間当たりの流量をBとした場合、
p(CH)=(c×A+B)×(1−w−v)
p(CO)=(c×A+B)×(2w+v)
p(CO)=(d×A)−(c×A+B)×w
p(H)=(c×A+B)×(2w+2v)
p(O)=λ−(c×A+B)×0.5v
で表わされるものである。
Further, in the fuel cell system according to claim 4 , in the fuel cell system according to claim 3 , the reformer further contains a hydrocarbon and the composition ratio of the hydrocarbon is the carbonization of the first fuel gas. A second fuel gas different from the composition ratio of hydrogen is supplied,
The partial pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ), and p (O 2 ) are unit times of the second fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate per hit is B,
p (CH 4 ) = (c × A + B) × (1-w-v)
p (CO) = (c × A + B) × (2w + v)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A + B) × w
p (H 2 ) = (c × A + B) × (2w + 2v)
p (O 2 ) = λ- (c × A + B) × 0.5v
It is represented by.

この燃料電池システムによれば、第1燃料ガスに加えて、さらに第2燃料ガスを改質器に供給し、空気中の酸素により改質を行う場合でも、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。 According to this fuel cell system, even when the second fuel gas is supplied to the reformer in addition to the first fuel gas and reformed by oxygen in the air, the decrease in efficiency is minimized. The precipitation of carbon can be suppressed more effectively.

また、請求項に記載の燃料電池システムは、請求項又はに記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置が、前記第1燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第1指標、及び、前記第1燃料ガスと前記第2燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第2指標に基づいて、前記改質器に前記第2燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部をさらに備えたものである。 Further, the fuel cell system according to claim 5 is economical in the case where the control device operates the fuel cell by supplying the first fuel gas in the fuel cell system according to claim 2 or 4. Based on the first index shown and the second index showing the economic efficiency when the fuel cell is operated by supplying both the first fuel gas and the second fuel gas, the reformer is equipped with the first index. 2 It is further provided with a determination unit for determining whether or not to supply fuel gas.

この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転時における経済性を考慮せずに改質器に第2燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池をより経済的に運転することができ、高い経済性を実現することができる。 According to this fuel cell system, the fuel cell can be operated more economically and is more expensive than the case where the second fuel gas is supplied to the reformer without considering the economic efficiency during the operation of the fuel cell. Economic efficiency can be realized.

また、請求項に記載の燃料電池システムは、請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記判定部が、前記改質器に前記第2燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合に行うものである。 Further, in the fuel cell system according to claim 6 , in the fuel cell system according to claim 5 , the determination unit determines whether or not to supply the second fuel gas to the reformer. This is performed when the flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer is less than a predetermined amount.

この燃料電池システムによれば、改質器に供給される第1燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合における経済性を考慮せずに改質器に第2燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。 According to this fuel cell system, the second fuel gas is supplied to the reformer without considering the economic efficiency when the flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer is smaller than a predetermined amount. It is possible to further improve the economic efficiency in the operation of the fuel cell as compared with the case where the fuel cell is operated.

また、請求項に記載の燃料電池システムは、請求項又はに記載の燃料電池システムにおいて、前記第1指標及び前記第2指標の各々の値が、前記燃料電池の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となり、前記判定部が、前記第1指標の値が前記第2指標の値以上であり、かつ、前記第1指標の値が正の値である場合、前記改質器に前記第1燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定し、前記第2指標の値が前記第1指標の値よりも大きく、かつ、前記第2指標の値が正の値である場合、前記改質器に、前記第1燃料ガス及び前記第2燃料ガスの両方、又は、前記第2燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定するものである。 Further, in the fuel cell system according to claim 7 , in the fuel cell system according to claim 5 or 6 , each value of the first index and the second index is based on the cost of operating the fuel cell. Is also a positive value when the profit is large, and when the value of the first index is equal to or higher than the value of the second index and the value of the first index is a positive value, the above-mentioned It is determined that it is more economical to supply the first fuel gas to the reformer alone, the value of the second index is larger than the value of the first index, and the value of the second index is positive. In the case of the value of, it is determined that it is more economical to supply both the first fuel gas and the second fuel gas, or the second fuel gas alone to the reformer.

この燃料電池システムによれば、経済性を示す2つの指標の値を比較し、かつ、2つの指標の値の正負を判定することで、経済性の観点から改質器に第2燃料ガスを供給するか否かを判定できるため、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。 According to this fuel cell system, the second fuel gas is supplied to the reformer from the viewpoint of economy by comparing the values of the two indicators indicating economic efficiency and determining the positive or negative of the values of the two indicators. Since it can be determined whether or not to supply the fuel cell, it is possible to further improve the economic efficiency in the operation of the fuel cell.

また、請求項に記載の燃料電池システムは、請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第1指標の値In1が、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位流量当たりの熱量をα、単位流量当たりの購入価格をε、前記燃料電池の部分負荷運転時における発電効率をη1、及び前記第1燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をmとした場合、
In1=(η1×α×A×m)−(ε×A)
で表わされ、
前記第2指標の値In2が、前記改質器に供給される前記第2燃料ガスの単位流量当たりの熱量をβ、単位流量当たりの購入価格をσ、前記燃料電池の定格運転時における発電効率をη2、及び前記第2燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をnとした場合、
In2=(η2×α×A×m)+(η2×β×B×n)−(ε×A+σ×B)
で表わされるものである。
Further, in the fuel cell system according to claim 8 , in the fuel cell system according to any one of claims 5 to 7 , the value In1 of the first index is supplied to the reformer. The amount of heat per unit flow rate of one fuel gas is α, the purchase price per unit flow rate is ε, the power generation efficiency during partial load operation of the fuel cell is η1, and the first fuel gas is used to generate electricity in the fuel cell. Assuming that the selling price per unit amount of power generated is m
In1 = (η1 × α × A × m) − (ε × A)
Represented by
The value In2 of the second index is β for the amount of heat per unit flow rate of the second fuel gas supplied to the reformer, σ for the purchase price per unit flow rate, and the power generation efficiency during the rated operation of the fuel cell. When the selling price per unit electric energy obtained by generating electricity from the fuel cell with η2 and the second fuel gas is n.
In2 = (η2 × α × A × m) + (η2 × β × B × n) − (ε × A + σ × B)
It is represented by.

この燃料電池システムによれば、経済性を示す2つの指標の値を、加算、減算、及び乗算のみの簡単な計算式で導出することができるため、経済性を判定する処理をより迅速に行うことができる。 According to this fuel cell system, the values of two indicators indicating economic efficiency can be derived by a simple calculation formula of only addition, subtraction, and multiplication, so that the process of determining economic efficiency can be performed more quickly. be able to.

一方、上記目的を達成するために、請求項に記載の制御装置は、炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給され、かつ、前記改質剤として水を用いた場合、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水との第2改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに、前記一酸化炭素と前記水との第3改質反応により二酸化炭素と水素を生成す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、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え、前記炭化水素、前記水、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、及び前記水素の各々の平衡状態での分圧p(CH )、p(H O)、p(CO)、p(CO )、及びp(H )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y、前記第3改質反応における反応比率をz、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記水の供給量をHとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−y)
p(H O)=H−(c×A)×(y+z)
p(CO)=(c×A)×(2w+y−z)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×(w−z)
p(H )=(c×A)×(2w+3y+z)
で表わされ、前記第1改質反応、前記第2改質反応、及び前記第3改質反応の各々における平衡定数K1、K2、及びK3が、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K2=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(H O)
K3=p(CO )×p(H )/p(CO)/p(H O)
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、前記決定部が、前記水の供給量Hの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率w、y、z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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記水の供給量Hとして決定するものである。
一方、上記目的を達成するために、請求項10に記載の制御装置は、炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給され、かつ、前記改質剤として空気中の酸素を用いた場合、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4改質反応により水素と一酸化炭素を生成する改質器を備えた燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え、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4改質反応における反応比率をv、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記酸素の供給量をλとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−v)
p(CO)=(c×A)×(2w+v)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×w
p(H )=(c×A)×(2w+2v)
p(O )=λ−(c×A)×0.5v
で表わされ、前記第1改質反応及び前記第4改質反応の各々における平衡定数K1、K5が、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K5=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(O 0.5
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、前記決定部が、前記酸素の供給量λの候補値を変化させて、当該変化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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記酸素の供給量λとして決定するものである。
Meanwhile, in order to achieve the above object, a control apparatus according to claim 9, the first fuel gas containing hydrocarbon and carbon dioxide, and, modifiers for reforming the hydrocarbon is fed, and When water is used as the modifier, hydrogen and carbon monoxide are produced by the first modification reaction between the hydrocarbon and carbon dioxide, and the second modification reaction between the hydrocarbon and the water to produce hydrogen and carbon monoxide, further, the control device for controlling the operation of the fuel cell with a reformer that generates carbon dioxide and hydrogen by the third reforming reaction between the water and the carbon monoxide A determination unit for determining the amount of the modifier whose carbon activity, which indicates the ease of carbon dioxide precipitation in the fuel cell, falls within a predetermined range, is provided , and the hydrocarbon, the water, and the above-mentioned one. The partial pressures p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ), and p (H 2 ) of carbon oxide, carbon dioxide, and hydrogen at their respective equilibrium states are The reaction ratio in the first reforming reaction is w, the reaction ratio in the second reforming reaction is y, the reaction ratio in the third reforming reaction is z, and the first fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate per unit time is A, the hydrocarbon concentration in the first fuel gas is c, the carbon dioxide concentration in the first fuel gas is d, and the water supply amount is H.
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wy)
p (H 2 O) = H- (c × A) × (y + z)
p (CO) = (c × A) × (2w + yz)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × (wz)
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 3y + z)
The equilibrium constants K1, K2, and K3 in each of the first reforming reaction, the second reforming reaction, and the third reforming reaction are represented by.
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K2 = p (H 2 ) 3 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (H 2 O)
K3 = p (CO 2 ) x p (H 2 ) / p (CO) / p (H 2 O)
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4.
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
The determination unit changes the candidate value of the water supply amount H, and the partial pressure p (CO) is derived based on the reaction ratios w, y, and z derived in response to the change. ) And p (CO 2 ) are derived, and the candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived values falls within the predetermined range is determined as the water supply amount H. Is.
On the other hand, in order to achieve the above object, the control device according to claim 10 is supplied with a first fuel gas containing a hydrocarbon and carbon dioxide, and a modifier for reforming the hydrocarbon. When oxygen in the air is used as the modifier, hydrogen and carbon monoxide are generated by the first modification reaction between the hydrocarbon and the carbon dioxide, and the fourth modification of the hydrocarbon and the oxygen. A fuel cell provided with a reformer that produces hydrogen and carbon monoxide by a quality reaction, and a control device for controlling the operation of the fuel cell are provided, and the control device provides carbon precipitation in the fuel cell. Each of the hydrocarbon, the carbon monoxide, the carbon dioxide, the hydrogen, and the oxygen is provided with a determination unit for determining the amount of the modifier whose carbon activity indicating ease falls within a predetermined range. In the equilibrium state, the partial pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ), and p (O 2 ) determine the reaction ratio in the first modification reaction. The reaction ratio in the fourth reforming reaction is v, the flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer per unit time is A, the concentration of hydrocarbons in the first fuel gas is c, and the first When the concentration of carbon dioxide in the fuel gas is d and the amount of oxygen supplied is λ,
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wv)
p (CO) = (c × A) × (2w + v)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × w
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 2v)
p (O 2 ) = λ- (c × A) × 0.5v
The equilibrium constants K1 and K5 in each of the first reforming reaction and the fourth reforming reaction are represented by.
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K5 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5
Represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4,
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
The determination unit changes the candidate value of the oxygen supply amount λ, and the partial pressure p (CO) and the partial pressure p (CO) are derived based on the reaction ratios w and v derived according to the change. Each value of p (CO 2 ) is derived, and the candidate value at which the carbon activity Ac obtained from each derived value falls within the predetermined range is determined as the oxygen supply amount λ. ..

さらに、上記目的を達成するために、請求項11に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池システムが備える制御装置として機能させるものである。 Further, in order to achieve the above object, the program according to claim 11 causes the computer to function as a control device included in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8 .

上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、炭素活量が予め定められた範囲に収まる改質剤の量を決定するため、炭素活量の範囲を規定することなく改質剤の量を決定する場合と比べ、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。 According to each of the above control devices and programs, the amount of the modifier is determined without specifying the range of the carbon activity in order to determine the amount of the modifier whose carbon activity falls within the predetermined range. It is possible to more effectively suppress the precipitation of carbon while minimizing the decrease in efficiency.

以上詳述したように、本発明によれば、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出を効果的に抑制することができる。 As described in detail above, according to the present invention, carbon precipitation can be effectively suppressed while minimizing the decrease in efficiency.

第1の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 which shows an example of the whole structure of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第1の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。It is a flowchart which shows an example of the processing flow by the program which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るプログラムによる水供給量決定処理の流れの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the flow of the water supply amount determination process by the program which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る水供給量決定部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。It is a schematic diagram which provides the explanation of the example of the processing content by the water supply amount determination part which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る経済性判定部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。It is a schematic diagram provided for the explanation of an example of the processing content by the economic efficiency determination unit which concerns on 1st Embodiment. 第2の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 which shows an example of the whole structure of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第2の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。It is a flowchart which shows an example of the processing flow by the program which concerns on 2nd 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.

[第1の実施形態]
図1は、第1の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。
第1の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、燃料ガス供給装置40と、を備える。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。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the overall configuration of the fuel cell system 10 according to the first embodiment.
The fuel cell system 10 according to the first embodiment includes a fuel cell 20, a control device 30, and a fuel gas supply device 40. The fuel cell 20 includes a reformer 22, a stack (fuel cell main body) 24, and a combustor 26. The reformer 22, the stack 24, and the 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、燃料ガス供給装置40を介して、バイオガスG1が供給される。バイオガスG1は、炭化水素及び二酸化炭素を含む第1燃料ガスの一例である。また、改質器22には、燃料ガス供給装置40を介して、さらに都市ガスG2を供給してもよい。都市ガスG2は、炭化水素を含む第2燃料ガスの一例である。第2燃料ガスの炭化水素の組成比は、第1燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる。この例の場合、第2燃料ガスの炭化水素の組成比は、第1燃料ガスの炭化水素の組成比よりも大きい。バイオガスG1の代表的な組成は、炭化水素の一例であるメタン(CH)が約60%、二酸化炭素(CO)が約40%である。一方、都市ガスG2の組成は、13Aガスの場合、約90%がメタンである。 The reformer 22 is arranged in front of the stack 24. Biogas G1 is supplied to the reformer 22 via the fuel gas supply device 40. Biogas G1 is an example of a first fuel gas containing hydrocarbons and carbon dioxide. Further, the reformer 22 may be further supplied with the city gas G2 via the fuel gas supply device 40. The city gas G2 is an example of a second fuel gas containing a hydrocarbon. The composition ratio of the hydrocarbon of the second fuel gas is different from the composition ratio of the hydrocarbon of the first fuel gas. In the case of this example, the composition ratio of the hydrocarbon of the second fuel gas is larger than the composition ratio of the hydrocarbon of the first fuel gas. The typical composition of biogas G1 is about 60% methane (CH 4 ), which is an example of hydrocarbon, and about 40% carbon dioxide (CO 2 ). On the other hand, the composition of city gas G2 is about 90% methane in the case of 13A gas.

改質器22は、二酸化炭素改質用の触媒を有する。この触媒には、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の貴金属触媒やNi系触媒が用いられる。この触媒の作用により、バイオガスG1中の二酸化炭素を利用してメタンを二酸化炭素改質し、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する。この改質器22における二酸化炭素改質反応は、下記式(1)の通りである。なお、外部から二酸化炭素を供給して、メタンを二酸化炭素改質してもよい。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 carbon dioxide. For this catalyst, for example, a noble metal catalyst such as nickel-based, ruthenium-based, or rhodium-based catalyst, or a Ni-based catalyst is used. By the action of this catalyst, carbon dioxide in the biogas G1 is used to reform methane with carbon dioxide to generate a reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen. The carbon dioxide reforming reaction in the reformer 22 is as shown in the following formula (1). In addition, carbon dioxide may be supplied from the outside to reform methane with carbon dioxide. The formula (1) shows an example of the first reforming reaction.

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

スタック24には、一例として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)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、空気(酸化剤ガス)が供給される。 As an example, a solid oxide fuel cell (SOFC) 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 (oxidizing agent gas) is supplied to the air electrode of each cell.

空気極では、下記式(2)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, as shown by the following formula (2), oxygen in the air reacts with electrons to generate oxygen ions. This oxygen ion reaches the fuel electrode through the electrolyte layer.

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

一方、燃料極では、下記式(3)及び式(4)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発熱する。 On the other hand, at the fuel electrode, as represented by the following formulas (3) and (4), oxygen ions passing through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas, and steam, carbon dioxide, and so on. And electrons are generated. The electrons generated at the fuel electrode reach the air electrode through an external circuit. Then, the electrons move from the fuel electrode to the air electrode in this way, so that power is generated in each cell. In addition, each cell generates heat due to the above electrochemical reaction during power generation.

(燃料極反応)
+O2− → HO+2e …(3)
CO+O2− → CO+2e …(4)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e … (3)
CO + O 2- → CO 2 + 2e … (4)

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。 In addition to steam and carbon dioxide generated by the fuel electrode reaction, the gas generated at the fuel electrode (hereinafter referred to as anode off gas) is generated by the reformer 22 and unreacted at the fuel electrode of the stack 24. Includes 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 after 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 off gas contains unreacted hydrogen and carbon monoxide at the fuel electrode of the stack 24, and the combustor 26 burns the anode off gas using the cathode off gas containing oxygen. The flue gas generated by the combustion of the combustor 26 is discharged to the outside of the fuel cell 20.

なお、本実施形態では、バイオガスG1に含まれる二酸化炭素を改質に利用するため、効率的である。しかし一方で、この二酸化炭素改質反応は、上記式(1)に示すように、等モル反応であるため、平衡上メタンが余剰となり、炭素が析出する虞がある。この炭素の析出を抑制するために、本第1の実施形態では、改質器22に対して、さらに、水(HO)Waを供給する。水Waは、改質剤の一例である。この水Waの供給により、余剰分のメタンを改質させ、炭素の析出を抑制することができる。改質器22に水Waを供給した場合の改質反応は、下記式(5)及び式(6)の通りである。なお、式(5)は第2改質反応の一例を示し、式(6)は第3改質反応の一例を示す。 In this embodiment, carbon dioxide contained in the biogas G1 is used for reforming, which is efficient. However, on the other hand, since this carbon dioxide reforming reaction is an equilibrium reaction as shown in the above formula (1), there is a possibility that methane becomes surplus in equilibrium and carbon is precipitated. In order to suppress the precipitation of carbon, in the first embodiment, water (H 2 O) Wa is further supplied to the reformer 22. Water Wa is an example of a modifier. By supplying this water Wa, excess methane can be reformed and carbon precipitation can be suppressed. The reforming reaction when water Wa is supplied to the reformer 22 is as shown in the following formulas (5) and (6). The formula (5) shows an example of the second reforming reaction, and the formula (6) shows an example of the third reforming reaction.

CH+HO → 3H+CO …(5)
CO+HO → CO+H …(6)
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO… (5)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 … (6)

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を含む電子回路によって構成されている。記憶部34には、燃料電池20における炭素の析出を抑制可能な水Waの供給量を決定し、決定結果に基づいて水Waの供給量を制御するためのプログラム34Aが予め記憶されている。また、プログラム34Aは、燃料電池20を運転した場合の経済性を判定し、判定結果に基づいて燃料電池20の運転を制御する機能を実現してもよい。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 composed of an electronic circuit including a calculation unit 32 and a storage unit 34. In the storage unit 34, a program 34A for determining the supply amount of water Wa capable of suppressing carbon precipitation in the fuel cell 20 and controlling the supply amount of water Wa based on the determination result is stored in advance. Further, the program 34A may realize a function of determining the economic efficiency when the fuel cell 20 is operated and controlling the operation of the fuel cell 20 based on the determination result. The program 34A may be pre-installed in the control device 30, for example. The program 34A may be realized by storing it in a non-volatile storage medium or distributing it via a network and appropriately installing it in the control device 30. Examples of non-volatile storage media include CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), magneto-optical disk, HDD (Hard Disk Drive), DVD-ROM (Digital Versatile Disc Read Only Memory), flash memory, and memory. Cards and the like can be mentioned.

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、流量判定部32A、熱量計算部32B、水供給量決定部32C、経済性判定部32D、及び運転制御部32Eとして機能する。なお、経済性判定部32Dが流量判定部32A及び熱量計算部32Bの機能を有していてもよく、この場合、流量判定部32A及び熱量計算部32Bは不要となる。 The calculation unit 32 includes a CPU (Central Processing Unit), and by reading and executing the program 34A stored in the storage unit 34, the flow rate determination unit 32A, the heat amount calculation unit 32B, the water supply amount determination unit 32C, and the economy It functions as a sex determination unit 32D and an operation control unit 32E. The economic efficiency determination unit 32D may have the functions of the flow rate determination unit 32A and the calorific value calculation unit 32B. In this case, the flow rate determination unit 32A and the calorific value calculation unit 32B are unnecessary.

ところで、上述したように、バイオガスG1中の二酸化炭素を改質に利用する場合、効率的な運転が可能となるが、炭素が析出してしまう虞がある。炭素の析出は、例えば、改質器に用いる触媒を失活させる可能性があり望ましくない。 By the way, as described above, when carbon dioxide in the biogas G1 is used for reforming, efficient operation is possible, but there is a risk that carbon will precipitate. Precipitation of carbon is not desirable because it may deactivate the catalyst used in the reformer, for example.

これに対して、本第1の実施形態に係る水供給量決定部32Cは、燃料電池20における炭素の析出のし易さを示す炭素活量Acが予め定められた範囲に収まる水Waの量を決定する。水供給量決定部32Cは、決定部の一例である。なお、予め定められた範囲とは、一例として、0(ゼロ)よりも大きく1よりも小さい範囲(0<Ac<1)である。炭素活量Acが大きいほど、炭素が析出し易いとされる。燃料電池20における炭素析出反応は、一例として下記式(7)により示される。この水供給量決定部32Cについては後述する。 On the other hand, the water supply amount determining unit 32C according to the first embodiment is the amount of water Wa in which the carbon activity Ac indicating the ease of carbon precipitation in the fuel cell 20 falls within a predetermined range. To determine. The water supply amount determination unit 32C is an example of the determination unit. The predetermined range is, for example, a range (0 <Ac <1) that is larger than 0 (zero) and smaller than 1. It is said that the larger the carbon activity Ac, the easier it is for carbon to precipitate. The carbon precipitation reaction in the fuel cell 20 is represented by the following formula (7) as an example. The water supply amount determination unit 32C will be described later.

2CO → C+CO …(7) 2CO → C + CO 2 … (7)

一方、バイオガスG1を安定的に供給することは難しいため、都市ガスG2を併用することで、メタンを安定的に供給することが可能となる。しかし一方で、バイオガスG1の供給量が減少した場合等において、経済性の観点から、都市ガスG2を併用せずに、バイオガスG1を単独で供給し続けたほうが高い経済性が得られる場合がある。 On the other hand, since it is difficult to stably supply the biogas G1, it is possible to stably supply methane by using the city gas G2 together. However, on the other hand, when the supply amount of biogas G1 is reduced, etc., from the viewpoint of economy, it is more economical to continue to supply biogas G1 alone without using city gas G2 together. There is.

そこで、本実施形態に係る経済性判定部32Dは、第1指標及び第2指標に基づいて、燃料電池20に都市ガスG2を供給するか否かを判定する。経済性判定部32Dは、判定部の一例である。第1指標は、バイオガスG1の供給により燃料電池20を運転した場合の経済性を示す。第2指標は、バイオガスG1及び都市ガスG2の両方の供給により燃料電池20を運転した場合の経済性を示す。第1指標及び第2指標の各々は、経済性、すなわち、費用に対する収益の度合いを示す指標である。この経済性判定部32Dについては後述する。 Therefore, the economic efficiency determination unit 32D according to the present embodiment determines whether or not to supply the city gas G2 to the fuel cell 20 based on the first index and the second index. The economic efficiency determination unit 32D is an example of the determination unit. The first index shows the economic efficiency when the fuel cell 20 is operated by supplying the biogas G1. The second index shows the economic efficiency when the fuel cell 20 is operated by supplying both the biogas G1 and the city gas G2. Each of the first index and the second index is an index indicating economic efficiency, that is, the degree of profit with respect to cost. The economic efficiency determination unit 32D will be described later.

運転制御部32Eは、経済性判定部32Dの判定結果に従って、燃料電池20に供給されるバイオガスG1及び都市ガスG2の各々の流量(供給量)を制御する。なお、燃料電池20に供給されるバイオガスG1及び都市ガスG2の各々の流量は、運転制御部32Eが燃料ガス供給装置40を制御することで調整される。 The operation control unit 32E controls the flow rate (supply amount) of each of the biogas G1 and the city gas G2 supplied to the fuel cell 20 according to the determination result of the economic efficiency determination unit 32D. The flow rates of the biogas G1 and the city gas G2 supplied to the fuel cell 20 are adjusted by the operation control unit 32E controlling the fuel gas supply device 40.

すなわち、燃料ガス供給装置40は、バイオガスG1の供給経路50に設けられた第1バルブ41と、都市ガスG2の供給経路52に設けられた第2バルブ42と、を備える。これら第1バルブ41及び第2バルブ42の各々の開度は、運転制御部32Eにより制御される。つまり、バイオガスG1の流量は、運転制御部32Eが燃料ガス供給装置40の第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、都市ガスG2の流量は、運転制御部32Eが燃料ガス供給装置40の第2バルブ42の開度を制御することにより調整される。 That is, the fuel gas supply device 40 includes a first valve 41 provided in the supply path 50 of the biogas G1 and a second valve 42 provided in the supply path 52 of the city gas G2. The opening degree of each of the first valve 41 and the second valve 42 is controlled by the operation control unit 32E. That is, the flow rate of the biogas G1 is adjusted by the operation control unit 32E controlling the opening degree of the first valve 41 of the fuel gas supply device 40. Similarly, the flow rate of the city gas G2 is adjusted by the operation control unit 32E controlling the opening degree of the second valve 42 of the fuel gas supply device 40.

また、バイオガスG1の供給経路50には、燃料ガス供給装置40と燃料電池20との間に濃度計Cm及び流量計Fm1が設けられている。濃度計Cmは、バイオガスG1に含まれるメタンの濃度c[%](及び二酸化炭素の濃度d[%])を各々計測する。流量計Fm1は、バイオガスG1の流量を計測する。また、都市ガスG2の供給経路52には、燃料ガス供給装置40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、都市ガスG2の流量を計測する。 Further, in the supply path 50 of the biogas G1, a concentration meter Cm and a flow meter Fm1 are provided between the fuel gas supply device 40 and the fuel cell 20. The densitometer Cm measures the concentration c [%] of methane contained in the biogas G1 (and the concentration d [%] of carbon dioxide), respectively. The flow meter Fm1 measures the flow rate of the biogas G1. Further, in the supply path 52 of the city gas G2, a flow meter Fm2 is provided between the fuel gas supply device 40 and the fuel cell 20. The flow meter Fm2 measures the flow rate of the city gas G2.

一方、水Waの供給経路54には、第3バルブ43が設けられている。水Waの供給経路54には、流量計Fm3が設けられている。水Waの供給量は、運転制御部32E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。運転制御部32Eは、水供給量決定部32Cの決定結果に従って、燃料電池20に供給される水Waの量を制御する。 On the other hand, a third valve 43 is provided in the water Wa supply path 54. A flow meter Fm3 is provided in the water Wa supply path 54. The amount of water Wa supplied is adjusted by the operation control unit 32E controlling the opening degree of the third valve 43. The operation control unit 32E controls the amount of water Wa supplied to the fuel cell 20 according to the determination result of the water supply amount determination unit 32C.

流量判定部32Aには、流量計Fm1が接続される。流量判定部32Aは、流量計Fm1で計測されたバイオガスG1の流量が連続的に入力される。なお、流量計Fm1で計測されたバイオガスG1の流量は、所定の間隔で流量判定部32Aに入力されてもよい。流量判定部32Aは、入力されたバイオガスG1の流量が定格相当流量未満か否かを判定する。バイオガスG1の流量が定格相当流量未満であれば、バイオガスG1の流量は減少していると判定される。なお、定格相当流量とは、一例として、バイオガスG1の供給量が最大となる流量であり、燃料電池20の仕様等に応じて予め定められた既知の量である。本実施形態では、定格相当流量を、流量の値で定めているが、流量の範囲で定めてもよい。 A flow meter Fm1 is connected to the flow rate determination unit 32A. The flow rate determination unit 32A continuously inputs the flow rate of the biogas G1 measured by the flow meter Fm1. The flow rate of the biogas G1 measured by the flow meter Fm1 may be input to the flow rate determination unit 32A at predetermined intervals. The flow rate determination unit 32A determines whether or not the input flow rate of the biogas G1 is less than the rated equivalent flow rate. If the flow rate of the biogas G1 is less than the rated equivalent flow rate, it is determined that the flow rate of the biogas G1 is decreasing. The rated equivalent flow rate is, for example, a flow rate at which the supply amount of the biogas G1 is maximized, and is a known amount predetermined according to the specifications of the fuel cell 20 and the like. In the present embodiment, the rated equivalent flow rate is determined by the value of the flow rate, but it may be determined within the range of the flow rate.

また、流量判定部32Aは、流量計Fm1で計測されたバイオガスG1の流量を、単位時間当たりの流量A[mol/h]に換算し、水供給量決定部32C及び経済性判定部32Dに出力する。流量判定部32Aは、単位時間当たりの定格相当流量F[mol/h]から流量Aを減算して得られた流量(F−A)を、都市ガスG2の単位時間当たりの流量B[mol/h]として、水供給量決定部32C及び経済性判定部32Dに出力する。但し、単位時間当たりの定格相当流量Fは既知とする。 Further, the flow rate determination unit 32A converts the flow rate of the biogas G1 measured by the flow meter Fm1 into the flow rate A [mol / h] per unit time, and causes the water supply amount determination unit 32C and the economic efficiency determination unit 32D. Output. The flow rate determination unit 32A calculates the flow rate (F 0 −A) obtained by subtracting the flow rate A from the rated equivalent flow rate F 0 [mol / h] per unit time, and calculates the flow rate (F 0 −A) of the city gas G2 per unit time. Mol / h] is output to the water supply amount determination unit 32C and the economic efficiency determination unit 32D. However, the rated equivalent flow rate F 0 per unit time is known.

熱量計算部32Bには、濃度計Cmが接続される。熱量計算部32Bは、濃度計Cmで計測されたバイオガスG1に含まれるメタンの濃度c(一例として60%)が入力される。熱量計算部32Bは、入力されたメタンの濃度c(=60%)に基づいて、バイオガスG1の単位流量当たりの熱量α[kWh/mol]を導出する。例えば、メタンの単位流量当たりの熱量Q[kWh/mol]を既知とすると、熱量αは、以下の式(8)により導出される。 A densitometer Cm is connected to the calorific value calculation unit 32B. The calorific value calculation unit 32B inputs the concentration c (60% as an example) of methane contained in the biogas G1 measured by the densitometer Cm. The calorific value calculation unit 32B derives the calorific value α [kWh / mol] per unit flow rate of the biogas G1 based on the input methane concentration c (= 60%). For example, assuming that the calorific value Q 0 [kWh / mol] per unit flow rate of methane is known, the calorific value α is derived by the following equation (8).

α=Q×60/100 …(8) α = Q 0 × 60/100… (8)

また、熱量計算部32Bは、都市ガスG2に含まれるメタンの濃度を例えば90%として、都市ガスG2の単位流量当たりの熱量β[kWh/mol]を導出する。熱量βは、以下の式(9)により導出される。なお、ここでは、メタン以外の炭化水素の熱量を無視している。 Further, the calorific value calculation unit 32B derives the calorific value β [kWh / mol] per unit flow rate of the city gas G2, assuming that the concentration of methane contained in the city gas G2 is, for example, 90%. The calorific value β is derived by the following equation (9). Here, the calorific value of hydrocarbons other than methane is ignored.

β=Q×90/100 …(9) β = Q 0 × 90/100… (9)

なお、都市ガスG2の場合、主成分がメタン等の炭化水素であるため、都市ガスG2の熱量βをメタンの熱量Qで近似してもよい。熱量計算部32Bは、上記により導出した熱量α、βを経済性判定部32Dに出力する。 In the case of city gas G2, since the main component is a hydrocarbon such as methane, the calorific value β of the city gas G2 may be approximated by the calorific value Q0 of methane. The calorific value calculation unit 32B outputs the calorific values α and β derived above to the economic efficiency determination unit 32D.

水供給量決定部32Cには、濃度計Cmが接続される。水供給量決定部32Cは、濃度計Cmで計測されたバイオガスG1に含まれるメタンの濃度c及び二酸化炭素の濃度dの各々が入力される。水供給量決定部32Cには、流量判定部32AからバイオガスG1の流量A及び都市ガスG2の流量Bの各々が入力される。水供給量決定部32Cには、気体定数R(単位:J/mol・K)、燃料電池20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。水供給量決定部32C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]が入力される。同様に、水供給量決定部32Cには、上記式(5)により定まるギブス自由エネルギーΔG2の値g2と、上記式(6)により定まるギブス自由エネルギーΔG3の値g3と、上記式(7)により定まるギブス自由エネルギーΔG4の値g4と、が入力される。さらに、水供給量決定部32Cには、炭素活量Acの範囲(0<Ac<1)が入力される。 A densitometer Cm is connected to the water supply amount determining unit 32C. The water supply amount determination unit 32C inputs each of the concentration c of methane and the concentration d of carbon dioxide contained in the biogas G1 measured by the concentration meter Cm. Each of the flow rate A of the biogas G1 and the flow rate B of the city gas G2 is input from the flow rate determination unit 32A to the water supply amount determination unit 32C. The gas constant R (unit: J / mol · K), the operating temperature T (unit: K) of the fuel cell 20, and the Faraday constant F (unit: C / mol) are input to the water supply amount determination unit 32C. .. The value g1 [J / mol] of the Gibbs free energy ΔG1 determined by the above equation (1) is input to the water supply amount determination unit 32C. Similarly, the water supply amount determination unit 32C is subjected to the Gibbs free energy ΔG2 value g2 determined by the above formula (5), the Gibbs free energy ΔG3 value g3 determined by the above formula (6), and the above formula (7). The value g4 of the Gibbs free energy ΔG4 to be determined is input. Further, a range (0 <Ac <1) of the carbon activity Ac is input to the water supply amount determining unit 32C.

水供給量決定部32Cは、上記式(1)に対応する平衡定数K1、上記式(5)に対応する平衡定数K2、上記式(6)に対応する平衡定数K3、及び上記式(7)に対応する平衡定数K4を、下記式(10)〜式(13)により導出する。但し、g1〜g4は、ギブス自由エネルギーΔG1〜ΔG4の値[J/mol]、Rは気体定数、Tは作動温度である。 The water supply amount determining unit 32C has an equilibrium constant K1 corresponding to the above equation (1), an equilibrium constant K2 corresponding to the above equation (5), an equilibrium constant K3 corresponding to the above equation (6), and the above equation (7). The equilibrium constant K4 corresponding to is derived from the following equations (10) to (13). However, g1 to g4 are values of Gibbs free energy ΔG1 to ΔG4 [J / mol], R is a gas constant, and T is an operating temperature.

K1=Exp(−ΔG1/RT)=Exp(−g1/RT) …(10)
K2=Exp(−ΔG2/RT)=Exp(−g2/RT) …(11)
K3=Exp(−ΔG3/RT)=Exp(−g3/RT) …(12)
K4=Exp(−ΔG4/RT)=Exp(−g4/RT) …(13)
K1 = Exp (−ΔG1 / RT) = Exp (−g1 / RT)… (10)
K2 = Exp (−ΔG2 / RT) = Exp (−g2 / RT)… (11)
K3 = Exp (−ΔG3 / RT) = Exp (−g3 / RT)… (12)
K4 = Exp (−ΔG4 / RT) = Exp (−g4 / RT)… (13)

一方、メタン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の各々の平衡状態での分圧p(CH)、p(HO)、p(CO)、p(CO)、及びp(H)は、下記式(14)〜式(18)により表わされる。但し、wは上記式(1)における反応比率、yは上記式(5)における反応比率、zは上記式(6)における反応比率、Hは水Waの供給量[mol/h]である。また、cはバイオガスG1中のメタン濃度[%]、dはバイオガスG1中の二酸化炭素濃度[%]、AはバイオガスG1の単位時間当たりの流量[mol/h]である。 On the other hand, the partial pressures of methane, water, carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen at equilibrium p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ), and p. (H 2 ) is represented by the following equations (14) to (18). However, w is the reaction ratio in the above formula (1), y is the reaction ratio in the above formula (5), z is the reaction ratio in the above formula (6), and H is the supply amount [mol / h] of water Wa. Further, c is the methane concentration [%] in the biogas G1, d is the carbon dioxide concentration [%] in the biogas G1, and A is the flow rate [mol / h] per unit time of the biogas G1.

p(CH)=(c×A)×(1−w−y) …(14)
p(HO)=H−(c×A)×(y+z) …(15)
p(CO)=(c×A)×(2w+y−z) …(16)
p(CO)=(d×A)−(c×A)×(w−z)…(17)
p(H)=(c×A)×(2w+3y+z) …(18)
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wy)… (14)
p (H 2 O) = H- (c × A) × (y + z)… (15)
p (CO) = (c × A) × (2w + yz)… (16)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × (wz)… (17)
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 3y + z)… (18)

なお、p(CH)の初期値は(c×A)とされ、p(HO)の初期値は(H)とされ、p(CO)の初期値は0(ゼロ)とされ、p(CO)の初期値は(d×A)とされ、p(H)の初期値は0(ゼロ)とされる。これら各分圧pの合計は1となる。 The initial value of p (CH 4 ) is (c × A), the initial value of p (H 2 O) is (H), and the initial value of p (CO) is 0 (zero). The initial value of p (CO 2 ) is (d × A), and the initial value of p (H 2 ) is 0 (zero). The sum of these partial pressures p is 1.

また、上記式(1)、式(5)、及び式(6)の各々における平衡定数K1、K2、及びK3は、下記式(19)〜式(21)により表わされる。 The equilibrium constants K1, K2, and K3 in each of the above equations (1), (5), and (6) are represented by the following equations (19) to (21).

K1=p(H×p(CO)/p(CH)/p(CO) …(19)
K2=p(H×p(CO)/p(CH)/p(HO) …(20)
K3=p(CO)×p(H)/p(CO)/p(HO) …(21)
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )… (19)
K2 = p (H 2 ) 3 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (H 2 O)… (20)
K3 = p (CO 2 ) × p (H 2 ) / p (CO) / p (H 2 O)… (21)

さらに、炭素活量Acは、下記式(22)により表わされる。但し、K4は、上記式(7)に対応する平衡定数で、上記式(13)により導出される。 Further, the carbon activity Ac is represented by the following formula (22). However, K4 is an equilibrium constant corresponding to the above equation (7) and is derived by the above equation (13).

Ac=K4×p(CO)/p(CO) …(22) Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )… (22)

以上より、水供給量決定部32Cは、水Waの供給量Hの候補値を変化させて、変化に応じて導出される反応比率w、y、zに基づいて、分圧p(CO)及びp(CO)の各々の値を導出する。そして、水供給量決定部32Cは、導出した分圧p(CO)及びp(CO)の各々の値から求まる炭素活量Acが、一例として0より大きく1より小さい範囲に収まる候補値を水Waの供給量Hとして決定する。 From the above, the water supply amount determination unit 32C changes the candidate value of the water supply amount H of the water Wa, and based on the reaction ratios w, y, and z derived according to the change, the partial pressure p (CO) and Each value of p (CO 2 ) is derived. Then, the water supply amount determining unit 32C selects a candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived partial pressure p (CO) and p (CO 2 ) values is, for example, greater than 0 and less than 1. It is determined as the supply amount H of water Wa.

つまり、平衡定数K1〜K3はある作動温度Tの下で既知の値であるため、供給量Hの候補値を任意の値に設定すれば、上記式(14)〜式(21)の関係から、反応比率w、y、zを未知数とする3つの連立方程式が成立する。この3つの連立方程式を解くと、反応比率w、y、z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K4もある作動温度Tの下で既知の値であるため、上記式(22)から炭素活量Acが決定する。さらに、決定した炭素活量Acが0<Ac<1の範囲にない場合は、候補値をインクリメントして同様の計算を行い、決定した炭素活量Acが上記の範囲にある場合は、設定した候補値を水Waの供給量Hとして決定する。 That is, since the equilibrium constants K1 to K3 are known values under a certain operating temperature T, if the candidate value of the supply amount H is set to an arbitrary value, the relationship between the above equations (14) to (21) can be obtained. , Three simultaneous equations with the reaction ratios w, y, and z as unknowns are established. By solving these three simultaneous equations, the values of the reaction ratios w, y, and z are obtained, and each of the above partial pressures p is determined. Since the equilibrium constant K4 is also a known value under an operating temperature T, the carbon activity Ac is determined from the above equation (22). Further, when the determined carbon activity Ac is not in the range of 0 <Ac <1, the candidate value is incremented and the same calculation is performed, and when the determined carbon activity Ac is in the above range, it is set. The candidate value is determined as the water supply amount H.

ここで、燃料電池20にさらに都市ガスG2が供給される場合、メタン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の各々の平衡状態での分圧p(CH)、p(HO)、p(CO)、p(CO)、及びp(H)は、下記式(23)〜式(27)により表わされる。但し、Bは都市ガスG2の単位時間当たりの流量[mol/h]で、(F−A)で示される。ここでは、都市ガスG2の全組成をメタンとみなすものとする。 Here, when the city gas G2 is further supplied to the fuel cell 20, the partial pressures p (CH 4 ) and p (H 2 O) of methane, water, carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen in each equilibrium state are supplied. ), P (CO), p (CO 2 ), and p (H 2 ) are represented by the following equations (23) to (27). However, B is the flow rate [mol / h] of the city gas G2 per unit time, and is represented by (F 0 −A). Here, it is assumed that the entire composition of city gas G2 is regarded as methane.

p(CH)=(c×A+B)×(1−w−y) …(23)
p(HO)=H−(c×A+B)×(y+z) …(24)
p(CO)=(c×A+B)×(2w+y−z) …(25)
p(CO)=(d×A)−(c×A+B)×(w−z)…(26)
p(H)=(c×A+B)×(2w+3y+z) …(27)
p (CH 4 ) = (c × A + B) × (1-wy)… (23)
p (H 2 O) = H- (c × A + B) × (y + z)… (24)
p (CO) = (c × A + B) × (2w + yz)… (25)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A + B) × (wz)… (26)
p (H 2 ) = (c × A + B) × (2w + 3y + z)… (27)

なお、p(CH)の初期値は(c×A+B)とされ、p(HO)の初期値は(H)とされ、p(CO)の初期値は0(ゼロ)とされ、p(CO)の初期値は(d×A)とされ、p(H)の初期値は0(ゼロ)とされる。これら各分圧pの合計は1となる。 The initial value of p (CH 4 ) is (c × A + B), the initial value of p (H 2 O) is (H), and the initial value of p (CO) is 0 (zero). The initial value of p (CO 2 ) is (d × A), and the initial value of p (H 2 ) is 0 (zero). The sum of these partial pressures p is 1.

バイオガスG1及び都市ガスG2を併用する場合も、上記式(23)〜式(27)、式(19)〜式(21)、及び式(22)を用いることで、同様に水Waの供給量Hを決定することができる。 When biogas G1 and city gas G2 are used in combination, water Wa can be similarly supplied by using the above formulas (23) to (27), formulas (19) to (21), and formula (22). The quantity H can be determined.

一方、経済性判定部32Dは、第1指標の値In1(以下、第1指標値In1という。)及び第2指標の値In2(以下、第2指標値In2という。)を導出する。第1指標値In1は、バイオガスG1の供給により燃料電池20を運転した場合の経済性を示す指標値である。第2指標値In2は、バイオガスG1及び都市ガスG2の両方の供給により燃料電池20を運転した場合の経済性を示す指標値である。これらの第1指標値In1及び第2指標値In2の各々は、燃料電池20の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となる。以下、第1指標値In1及び第2指標値In2の具体例について説明するが、各パラメータの単位は、一例であり、これに限定されるものではない。 On the other hand, the economic efficiency determination unit 32D derives the value In1 of the first index (hereinafter referred to as the first index value In1) and the value In2 of the second index (hereinafter referred to as the second index value In2). The first index value In1 is an index value indicating the economic efficiency when the fuel cell 20 is operated by supplying the biogas G1. The second index value In2 is an index value indicating the economic efficiency when the fuel cell 20 is operated by supplying both the biogas G1 and the city gas G2. Each of these first index value In1 and second index value In2 becomes a positive value when the profit is larger than the cost for operating the fuel cell 20. Hereinafter, specific examples of the first index value In1 and the second index value In2 will be described, but the unit of each parameter is an example and is not limited thereto.

第1指標値In1(単位:円/h)は、燃料電池20に供給されるバイオガスG1の単位時間当たりの流量をA[mol/h]、単位流量当たりの熱量をα[kWh/mol]、単位流量当たりの購入価格をε[円/mol]、燃料電池20の部分負荷運転時における発電効率をη1[%]、及びバイオガスG1により燃料電池20で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をm[円/kWh]とした場合、下記式(28)により表される。なお、部分負荷運転とは、定格出力未満の出力で運転している状態を表すものとする。 The first index value In1 (unit: yen / h) is A [mol / h] for the flow rate of the biogas G1 supplied to the fuel cell 20 per unit time, and α [kWh / mol] for the amount of heat per unit flow rate. , The purchase price per unit flow rate is ε [yen / mol], the power generation efficiency during partial load operation of the fuel cell 20 is η1 [%], and the unit power amount obtained by generating power with the fuel cell 20 by the biogas G1. When the selling price per unit is m [yen / kWh], it is expressed by the following formula (28). In addition, the partial load operation shall represent the state of operating at an output less than the rated output.

In1=(η1×α×A×m)−(ε×A) …(28) In1 = (η1 × α × A × m) − (ε × A)… (28)

一方、第2指標値In2(単位:円/h)は、燃料電池20に供給される都市ガスG2の単位時間当たりの流量をB[mol/h]、単位流量当たりの熱量をβ[kWh/mol]、単位流量当たりの購入価格をσ[円/mol]、燃料電池20の定格運転時における発電効率をη2[%]、及び都市ガスG2により燃料電池20で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をn[円/kWh]とした場合、下記式(29)により表される。なお、定格運転とは、定格出力で運転している状態を表すものとする。 On the other hand, the second index value In2 (unit: yen / h) is B [mol / h] for the flow rate of the city gas G2 supplied to the fuel cell 20 per unit time and β [kWh / h] for the amount of heat per unit flow rate. mol], the purchase price per unit flow rate is σ [yen / mol], the power generation efficiency during rated operation of the fuel cell 20 is η2 [%], and the unit power obtained by generating power with the fuel cell 20 using city gas G2. When the selling price per unit is n [yen / kWh], it is expressed by the following formula (29). The rated operation means the state of operating at the rated output.

In2=(η2×α×A×m)+(η2×β×B×n)-(ε×A+σ×B)…(29) In2 = (η2 × α × A × m) + (η2 × β × B × n)-(ε × A + σ × B)… (29)

但し、上記の流量A、Bは、流量判定部32Aから経済性判定部32Dに入力され、上記の熱量α、βは、熱量計算部32Bから経済性判定部32Dに入力される。また、上記の購入価格ε、σ、発電効率η1、η2、及び売電価格m、nは、図示しない入力部等を介して経済性判定部32Dに入力される。なお、入力された購入価格ε、σ、発電効率η1、η2、及び売電価格m、nは、変動がない限り記憶部34に記憶しておき、繰り返し用いてもよい。 However, the flow rates A and B are input from the flow rate determination unit 32A to the economic efficiency determination unit 32D, and the heat quantities α and β are input to the economic efficiency determination unit 32D from the heat quantity calculation unit 32B. Further, the purchase prices ε and σ, the power generation efficiencies η1 and η2, and the power sales prices m and n are input to the economic efficiency determination unit 32D via an input unit (not shown) or the like. The input purchase prices ε and σ, power generation efficiencies η1 and η2, and power sales prices m and n may be stored in the storage unit 34 and used repeatedly as long as there is no fluctuation.

次に、図2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2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. Note that FIG. 2 is a flowchart showing an example of the processing flow by the program 34A according to the first embodiment.
When the operation start of the fuel cell 20 is instructed, the calculation unit 32 reads out and executes the program 34A stored in the storage unit 34.

まず、図2のステップ100では、運転制御部32Eが、燃料ガス供給装置40の第1バルブ41を全開にし、第2バルブ42を全閉にして、バイオガスG1の供給を開始し、バイオガスG1により燃料電池20の定格運転を開始する。この定格運転時には、改質器22に対して、燃料電池20を定格運転できる定格相当流量のバイオガスG1が供給される。この場合、都市ガスG2の供給量は0(ゼロ)とされる。 First, in step 100 of FIG. 2, the operation control unit 32E fully opens the first valve 41 of the fuel gas supply device 40, fully closes the second valve 42, starts supplying the biogas G1, and starts supplying the biogas. The rated operation of the fuel cell 20 is started by G1. At the time of this rated operation, the reformer 22 is supplied with the biogas G1 having a rated equivalent flow rate capable of performing the rated operation of the fuel cell 20. In this case, the supply amount of city gas G2 is set to 0 (zero).

ステップ102では、水供給量決定部32Cが、濃度計Cmで計測されたバイオガスG1に含まれるメタンの濃度c[%]及び二酸化炭素の濃度d[%]の各々を入力する。 In step 102, the water supply amount determination unit 32C inputs each of the concentration c [%] of methane and the concentration d [%] of carbon dioxide contained in the biogas G1 measured by the concentration meter Cm.

ステップ104では、流量判定部32Aが、バイオガスG1の流量が定格相当流量よりも減少したか否かを判定する。バイオガスG1の流量が減少したと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ106に移行し、バイオガスG1の流量が減少していないと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ112に移行する。 In step 104, the flow rate determination unit 32A determines whether or not the flow rate of the biogas G1 has decreased from the rated equivalent flow rate. If it is determined that the flow rate of the biogas G1 has decreased (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step 106, and if it is determined that the flow rate of the biogas G1 has not decreased (in the case of a negative determination), the process proceeds to step 112. To do.

ステップ106では、流量判定部32Aが、流量計Fm1で計測されたバイオガスG1の流量を、単位時間当たりの流量A[mol/h]に換算し、さらに、都市ガスG2の単位時間当たりの流量B[mol/h]を導出する。一方、熱量計算部32Bは、上記式(8)及び式(9)に基づいて、熱量α、β[kWh/mol]を導出する。 In step 106, the flow rate determination unit 32A converts the flow rate of the biogas G1 measured by the flow meter Fm1 into the flow rate A [mol / h] per unit time, and further, the flow rate of the city gas G2 per unit time. B [mol / h] is derived. On the other hand, the calorific value calculation unit 32B derives calorific values α and β [kWh / mol] based on the above equations (8) and (9).

次に、ステップ108にて、経済性判定部32Dが、第1指標値In1が第2指標値In2以上であり、かつ、第1指標値In1が正の値であるか否かを判定する。経済性判定部32Dは、第1指標値In1≧第2指標値In2、かつ、第1指標値In1>0であると判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ110に移行し、第1指標値In1≧第2指標値In2、かつ、第1指標値In1>0ではないと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ114に移行する。 Next, in step 108, the economic efficiency determination unit 32D determines whether or not the first index value In1 is equal to or higher than the second index value In2 and the first index value In1 is a positive value. When the economic efficiency determination unit 32D determines that the first index value In1 ≥ the second index value In2 and the first index value In1> 0 (in the case of affirmative determination), the process proceeds to step 110 and the first index value When it is determined that the value In1 ≥ the second index value In2 and the first index value In1> 0 (in the case of a negative determination), the process proceeds to step 114.

次に、ステップ110では、経済性判定部32Dが、都市ガスG2を供給せずに、バイオガスG1を単独で供給したほうが経済性が高いと判定する。そして、運転制御部32Eは、経済性判定部32Dによる判定結果に従って、一例して、バイオガスG1の供給量がA[mol/h]となり、都市ガスG2の供給量が0(ゼロ)となる状態を維持して、燃料電池20の運転を制御する。また、運転制御部32Eは、燃料電池20における電流密度が部分負荷運転時のJ[A/cm]となるように、燃料電池20の運転を制御する。 Next, in step 110, the economic efficiency determination unit 32D determines that it is more economical to supply the biogas G1 alone without supplying the city gas G2. Then, according to the determination result by the economic efficiency determination unit 32D, the operation control unit 32E, for example, the supply amount of the biogas G1 becomes A [mol / h], and the supply amount of the city gas G2 becomes 0 (zero). The state is maintained to control the operation of the fuel cell 20. Further, the operation control unit 32E controls the operation of the fuel cell 20 so that the current density in the fuel cell 20 becomes J [A / cm 2 ] during the partial load operation.

ステップ112では、水供給量決定部32Cが、上記式(10)〜式(22)を用いて、バイオガスG1を単独で供給した場合の水Waの供給量Hを決定する。 In step 112, the water supply amount determining unit 32C determines the supply amount H of water Wa when the biogas G1 is supplied alone by using the above formulas (10) to (22).

一方、ステップ114では、経済性判定部32Dが、第2指標値In2が第1指標値In1よりも大きく、かつ、第2指標値In2が正の値であるか否かを判定する。第2指標値In2>第1指標値In1、かつ、第2指標値In2>0であると判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ116に移行し、第2指標値In2>第1指標値In1、かつ、第2指標値In2>0ではないと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ120に移行する。 On the other hand, in step 114, the economic efficiency determination unit 32D determines whether or not the second index value In2 is larger than the first index value In1 and the second index value In2 is a positive value. When it is determined that the second index value In2> the first index value In1 and the second index value In2> 0 (in the case of affirmative judgment), the process proceeds to step 116, and the process proceeds to step 116, where the second index value In2> the first index value is determined. When it is determined that In1 and the second index value In2> 0 is not satisfied (in the case of a negative determination), the process proceeds to step 120.

ステップ116では、経済性判定部32Dが、バイオガスG1及び都市ガスG2の両方を供給すると判定する。なお、経済性判定部32Dは、バイオガスG1の流量が0(ゼロ)になる等、バイオガスG1の流量が極端に減少した場合には、都市ガスG2を単独で供給すると判定してもよい。そして、運転制御部32Eは、経済性判定部32Dによる判定結果に従って、一例して、バイオガスG1の供給量をA[mol/h]のまま維持しつつ、都市ガスG2の供給量がB[mol/h]となるように、燃料ガス供給装置40の第2バルブ42の開度を制御する。ここで、都市ガスG2の供給量は、流量計Fm2により計測される。運転制御部32Eは、流量計Fm2の計測値がB[mol/h]となるように、第2バルブ42の開度を制御する。 In step 116, the economic efficiency determination unit 32D determines that both the biogas G1 and the city gas G2 are supplied. The economic efficiency determination unit 32D may determine that the city gas G2 is supplied alone when the flow rate of the biogas G1 is extremely reduced, such as when the flow rate of the biogas G1 becomes 0 (zero). .. Then, according to the determination result by the economic efficiency determination unit 32D, the operation control unit 32E maintains the supply amount of the biogas G1 as A [mol / h], and the supply amount of the city gas G2 is B [. The opening degree of the second valve 42 of the fuel gas supply device 40 is controlled so as to be mol / h]. Here, the supply amount of the city gas G2 is measured by the flow meter Fm2. The operation control unit 32E controls the opening degree of the second valve 42 so that the measured value of the flow meter Fm2 is B [mol / h].

ステップ118では、水供給量決定部32Cが、上記式(10)〜式(13)、式(19)〜式(22)、さらに、上記式(14)〜式(18)の代わりに上記式(23)〜式(27)を用いて、バイオガスG1及び都市ガスG2の両方を供給した場合の水Waの供給量Hを決定する。 In step 118, the water supply amount determining unit 32C uses the above equations (10) to (13), the above equations (19) to (22), and further, instead of the above equations (14) to (18). Using the formulas (23) to (27), the supply amount H of water Wa when both the biogas G1 and the city gas G2 are supplied is determined.

一方、ステップ120では、経済性判定部32Dが、第1指標値In1≦0、かつ、第2指標値In2≦0であると判定した場合、すなわち、収益がプラスでない場合には、発電停止又はホットスタンバイ状態に移行すると判定する。そして、運転制御部32Eは、経済性判定部32Dによる判定結果に従って、一例として、燃料電池20における発電を一時的に停止する制御を行う。なお、発電が停止した状態においても、バイオガスG1の流量は計測されるものとする。 On the other hand, in step 120, when the economic efficiency determination unit 32D determines that the first index value In1 ≦ 0 and the second index value In2 ≦ 0, that is, when the profit is not positive, the power generation is stopped or Judged to shift to the hot standby state. Then, the operation control unit 32E controls to temporarily stop the power generation in the fuel cell 20 as an example according to the determination result by the economic efficiency determination unit 32D. The flow rate of the biogas G1 shall be measured even when the power generation is stopped.

次に、ステップ122では、運転制御部32Eが、水供給量決定部32Cによる決定結果に従って、水Waの供給量が供給量Hとなるように、第3バルブ43の開度を制御する。ここで、水Waの供給量は、流量計Fm3により計測される。運転制御部32Eは、流量計Fm3の計測値がH[mol/h]となるように、第3バルブ43の開度を制御する。 Next, in step 122, the operation control unit 32E controls the opening degree of the third valve 43 so that the supply amount of water Wa becomes the supply amount H according to the determination result by the water supply amount determination unit 32C. Here, the supply amount of water Wa is measured by the flow meter Fm3. The operation control unit 32E controls the opening degree of the third valve 43 so that the measured value of the flow meter Fm3 is H [mol / h].

次に、ステップ124では、流量判定部32Aが、流量計Fm1の計測結果に基づいて、バイオガスG1の流量の変動が有ったか否かを判定する。流量の変動が有ったと判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ106に移行し、流量の変動が無いと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ126に移行する。 Next, in step 124, the flow rate determination unit 32A determines whether or not the flow rate of the biogas G1 has fluctuated based on the measurement result of the flow meter Fm1. If it is determined that there is a fluctuation in the flow rate (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step 106, and if it is determined that there is no fluctuation in the flow rate (in the case of a negative determination), the process proceeds to step 126.

ステップ126では、運転制御部32E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128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124に移行し待機となる。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 126, the operation control unit 32E 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 affirmative determination), the process proceeds to step 128, 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 It shifts to 124 and becomes a standby. As an example, when the operation end instruction by the operator is received, it may be determined that the operation of the fuel cell 20 is ended.

ステップ128では、運転制御部32Eが、燃料ガス供給装置40の第1バルブ41及び第2バルブ42、さらに、第3バルブ43を全閉にし、バイオガスG1、都市ガスG2、及び水Waの供給を停止する。運転制御部32E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 128, the operation control unit 32E fully closes the first valve 41 and the second valve 42 of the fuel gas supply device 40, and further the third valve 43, and supplies biogas G1, city gas G2, and water Wa. To stop. The operation control unit 32E controls to end the operation of the fuel cell 20, and ends the series of processes.

図3は、第1の実施形態に係るプログラム34Aによる水供給量決定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
本フローチャートは、図2に示すステップ112又はステップ118におけるサブルーチン処理の流れを示すものである。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of the flow of the water supply amount determination process by the program 34A according to the first embodiment.
This flowchart shows the flow of subroutine processing in step 112 or step 118 shown in FIG.

まず、ステップ200では、水供給量決定部32Cが、各パラメータの値を入力する。なお、各パラメータの値としては、気体定数R、燃料電池20の作動温度T、ファラデー定数F、バイオガスG1の流量A、都市ガスG2の流量B、バイオガスG1中のメタン濃度c、バイオガスG1中の二酸化炭素濃度dを含む。さらに、各パラメータの値としては、ギブス自由エネルギーΔG1〜ΔG4の値g1〜g4、及び炭素活量Acを含む。 First, in step 200, the water supply amount determination unit 32C inputs the values of each parameter. The values of each parameter include gas constant R, operating temperature T of fuel cell 20, faraday constant F, flow rate A of biogas G1, flow rate B of city gas G2, methane concentration c in biogas G1, and biogas. Contains the carbon dioxide concentration d in G1. Further, the values of each parameter include the Gibbs free energies ΔG1 to ΔG4 values g1 to g4 and the carbon activity Ac.

ステップ202では、水供給量決定部32Cが、水Waの供給量Hの候補値(初期値)を設定する。 In step 202, the water supply amount determination unit 32C sets a candidate value (initial value) of the water supply amount H of the water Wa.

ステップ204では、水供給量決定部32Cが、上記設定した候補値に基づいて、上記式(10)〜式(21)(但し、都市ガスG2を供給する場合は、上記式(14)〜式(18)の代わりに上記式(23)〜式(27)を適用)を用いて、反応比率w、y、zを導出する。反応比率wは上記式(1)に対応し、反応比率yは上記式(5)に対応し、反応比率zは上記式(6)に対応する。 In step 204, the water supply amount determination unit 32C has the above equations (10) to (21) (however, when the city gas G2 is supplied, the above equations (14) to (14) to the above equations (14) to (21)) based on the candidate values set above. The reaction ratios w, y, and z are derived by using the above formulas (23) to (27) instead of (18). The reaction ratio w corresponds to the above formula (1), the reaction ratio y corresponds to the above formula (5), and the reaction ratio z corresponds to the above formula (6).

ステップ206では、水供給量決定部32Cが、上記導出した反応比率w、y、zに基づいて、上記式(14)〜式(18)(又は、上記式(23)〜式(27))を用いて、メタン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の各々の平衡状態での分圧p(CH)、p(HO)、p(CO)、p(CO)、及びp(H)を決定する。 In step 206, the water supply amount determining unit 32C determines the above formulas (14) to (18) (or the above formulas (23) to (27)) based on the above-derived reaction ratios w, y, and z. , P (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ), partial pressures of methane, water, carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen at their respective equilibrium states. And p (H 2 ) are determined.

ステップ208では、水供給量決定部32Cが、上記決定した各分圧pに基づいて、上記式(22)を用いて、炭素活量Acを決定する。 In step 208, the water supply amount determining unit 32C determines the carbon activity Ac using the above formula (22) based on each of the determined partial pressures p.

ステップ210では、水供給量決定部32Cが、上記決定した炭素活量Acが、0<Ac<1の範囲に入るか否を判定する。炭素活量Acが0<Ac<1の範囲に入らないと判定した場合(否定判定の場合)、ステップ212に移行し、炭素活量Acが0<Ac<1の範囲に入ると判定した場合(肯定判定の場合)、ステップ214に移行する。 In step 210, the water supply amount determination unit 32C determines whether or not the carbon activity Ac determined above falls within the range of 0 <Ac <1. When it is determined that the carbon activity Ac does not fall within the range of 0 <Ac <1 (in the case of a negative determination), the process proceeds to step 212, and when it is determined that the carbon activity Ac falls within the range of 0 <Ac <1. (In the case of affirmative determination), the process proceeds to step 214.

ステップ212では、水供給量決定部32Cが、水Waの供給量Hの候補値をインクリメントし、ステップ204に戻り処理を繰り返す。 In step 212, the water supply amount determining unit 32C increments the candidate value of the water supply amount H of the water Wa, returns to step 204, and repeats the process.

ステップ214では、水供給量決定部32Cが、上記設定した候補値を、水Waの供給量Hとして決定し、上記一連の処理を終了する。 In step 214, the water supply amount determination unit 32C determines the candidate value set above as the water supply amount H, and ends the series of processes.

図4は、第1の実施形態に係る水供給量決定部32Cによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram provided for explaining an example of the treatment content by the water supply amount determining unit 32C according to the first embodiment.

図4に示すように、水供給量決定部32Cは、入力値群1〜入力値群4が入力される。入力値群1には、気体定数R[J/mol・K]と、燃料電池20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〜ΔG4の値g1〜g4[J/mol]が含まれる。入力値群3には、バイオガスG1の流量A[mol/h]と、都市ガスG2の流量B[mol/h]と、バイオガスG1に含まれるメタン濃度c[%]と、二酸化炭素濃度d[%]と、が含まれる。但し、流量Bは、定格相当流量Fから流量Aを減算して得られる値である。入力値群4には、炭素活量Acの範囲(0<Ac<1)が含まれる。 As shown in FIG. 4, input value group 1 to input value group 4 are input to the water supply amount determination unit 32C. The input value group 1 includes a gas constant R [J / mol · K], an operating temperature T [K] of the fuel cell 20, and a Faraday constant F [C / mol]. The input value group 2 includes the Gibbs free energies ΔG1 to ΔG4 values g1 to g4 [J / mol]. The input value group 3 includes the flow rate A [mol / h] of the biogas G1, the flow rate B [mol / h] of the city gas G2, the methane concentration c [%] contained in the biogas G1, and the carbon dioxide concentration. d [%] and are included. However, the flow rate B is a value obtained by subtracting the flow rate A from the rated equivalent flow rate F 0 . The input value group 4 includes a range of carbon activity Ac (0 <Ac <1).

そして、水供給量決定部32Cは、上記入力値群1〜入力値群4に含まれる各パラメータを用いて、水Waの供給量Hを決定する。水Waの供給量Hは、上記式(10)〜式(22)(但し、都市ガスG2を供給する場合、上記式(14)〜式(18)の代わりに上記式(23)〜式(27)を適用)により決定される。 Then, the water supply amount determination unit 32C determines the supply amount H of the water Wa by using each parameter included in the input value group 1 to the input value group 4. The supply amount H of water Wa is the above formulas (10) to (22) (however, when the city gas G2 is supplied, the above formulas (23) to (22) are used instead of the above formulas (14) to (18). 27) is applied).

本第1の実施形態によれば、炭素活量Acが予め定められた範囲に収まる水Waの供給量Hを決定するため、炭素活量Acの範囲を規定することなく水Waの供給量Hを決定する場合と比べ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。また、バイオガス中の二酸化炭素も考慮して、水Waの供給量Hを決定するため、必要以上の改質剤の投入による発電効率の低下を防ぐことができる。
さらには、バイオガスG1中の二酸化炭素を分離せずに、改質に利用することで、設備の低コスト化を図ることができる。
According to the first embodiment, in order to determine the supply amount H of water Wa whose carbon activity Ac falls within a predetermined range, the supply amount H of water Wa is not specified without defining the range of carbon activity Ac. Carbon precipitation can be suppressed more effectively than in the case of determining. Further, since the supply amount H of water Wa is determined in consideration of carbon dioxide in the biogas, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency due to the addition of a modifier more than necessary.
Furthermore, the cost of the equipment can be reduced by using the carbon dioxide in the biogas G1 for reforming without separating it.

図5は、第1の実施形態に係る経済性判定部32Dによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining an example of the processing content by the economic efficiency determination unit 32D according to the first embodiment.

図5に示すように、経済性判定部32Dは、入力値群1〜入力値群5が入力される。入力値群1には、バイオガスG1の購入価格ε[円/mol]と、都市ガスG2の購入価格σ[円/mol]と、が含まれる。入力値群2には、バイオガスG1の売電価格m[円/kWh]と、都市ガスG2の売電価格n[円/kWh]と、が含まれる。入力値群3には、バイオガスG1の熱量α[kWh/mol]と、都市ガスG2の熱量β[kWh/mol]と、が含まれる。入力値群4には、バイオガスG1の流量A[mol/h]と、都市ガスG2の流量B[mol/h]と、が含まれる。但し、流量Bは、定格相当流量Fから流量Aを減算して得られる値である。入力値群5には、燃料電池20の部分負荷運転時における発電効率η1[%]と、燃料電池20の定格運転時における発電効率η2[%]と、が含まれる。 As shown in FIG. 5, the economic efficiency determination unit 32D inputs the input value group 1 to the input value group 5. The input value group 1 includes the purchase price ε [yen / mol] of the biogas G1 and the purchase price σ [yen / mol] of the city gas G2. The input value group 2 includes the electricity selling price m [yen / kWh] of the biogas G1 and the electricity selling price n [yen / kWh] of the city gas G2. The input value group 3 includes the calorific value α [kWh / mol] of the biogas G1 and the calorific value β [kWh / mol] of the city gas G2. The input value group 4 includes a flow rate A [mol / h] of the biogas G1 and a flow rate B [mol / h] of the city gas G2. However, the flow rate B is a value obtained by subtracting the flow rate A from the rated equivalent flow rate F 0 . The input value group 5 includes a power generation efficiency η1 [%] during the partial load operation of the fuel cell 20 and a power generation efficiency η2 [%] during the rated operation of the fuel cell 20.

そして、経済性判定部32Dは、上記入力値群1〜入力値群5に含まれる各パラメータを用いて、第1指標値In1[円/h]及び第2指標値In2[円/h]を導出する。第1指標値In1は上記式(28)により導出され、第2指標値In2は上記式(29)により導出される。 Then, the economic efficiency determination unit 32D uses each parameter included in the input value group 1 to the input value group 5 to set the first index value In1 [yen / h] and the second index value In2 [yen / h]. Derived. The first index value In1 is derived by the above formula (28), and the second index value In2 is derived by the above formula (29).

そして、経済性判定部32Dは、第1指標値In1及び第2指標値In2に基づいて、燃料電池20に都市ガスG2を供給するか否かを判定する。すなわち、(1)第1指標値In1≧第2指標値In2、かつ、第1指標値In1>0、である場合、都市ガスG2を供給せずに、バイオガスG1を単独で供給するほうが経済性が高いと判定する。(2)第2指標値In2>第1指標値In1、かつ、第2指標値In2>0、である場合、バイオガスG1及び都市ガスG2の両方(又は都市ガスG2のみ)を供給するほうが経済性が高いと判定する。(3)第1指標値In1≦0、かつ、第2指標値In2≦0である場合、発電停止(又はホットスタンバイ状態へ移行)と判定する。 Then, the economic efficiency determination unit 32D determines whether or not to supply the city gas G2 to the fuel cell 20 based on the first index value In1 and the second index value In2. That is, (1) When the first index value In1 ≥ the second index value In2 and the first index value In1> 0, it is more economical to supply the biogas G1 alone without supplying the city gas G2. Judged as having high sex. (2) When the second index value In2> the first index value In1 and the second index value In2> 0, it is more economical to supply both the biogas G1 and the city gas G2 (or only the city gas G2). Judged as having high sex. (3) When the first index value In1 ≦ 0 and the second index value In2 ≦ 0, it is determined that the power generation is stopped (or the state shifts to the hot standby state).

本第1の実施形態によれば、さらに、バイオガスG1の流量が定格相当流量よりも減少し、定格運転できない場合に、第1指標値In1及び第2指標値In2に基づいて、経済性の観点から都市ガスG2を燃料電池20に供給するか否かを判定することができる。このため、燃料電池20の運転にかかるコストを抑え、高い経済性を実現することができる。また、バイオガスG1を用いることで、環境負荷の低減を図ることができる。 According to the first embodiment, when the flow rate of the biogas G1 is smaller than the rated equivalent flow rate and the rated operation cannot be performed, it is economical based on the first index value In1 and the second index value In2. From the viewpoint, it can be determined whether or not the city gas G2 is supplied to the fuel cell 20. Therefore, the cost of operating the fuel cell 20 can be suppressed, and high economic efficiency can be realized. Further, by using the biogas G1, the environmental load can be reduced.

[第2の実施形態]
図6は、第2の実施形態に係る燃料電池システム12の全体構成の一例を示すブロック図である。
第2の実施形態に係る燃料電池システム12では、制御装置30の構成が第1の実施形態に係る制御装置30の構成と異なる。すなわち、制御装置30が水供給量決定部32Cの代わりに酸素供給量決定部32Fを備える。また、第1の実施形態では、改質剤として水Waを用いたが、第2の実施形態では、改質剤として空気中の酸素(O)Vaを用いる。これ以外の構成は、第1の実施形態に係る燃料電池システム10の構成と同様であるため、ここでの繰り返しの説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the overall configuration of the fuel cell system 12 according to the second embodiment.
In the fuel cell system 12 according to the second embodiment, the configuration of the control device 30 is different from the configuration of the control device 30 according to the first embodiment. That is, the control device 30 includes an oxygen supply amount determining unit 32F instead of the water supply amount determining unit 32C. Further, in the first embodiment, water Wa is used as the modifier, but in the second embodiment, oxygen (O 2 ) Va in the air is used as the modifier. Since the other configurations are the same as the configurations of the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the repeated description here will be omitted.

本第2の実施形態では、改質器22に対して、酸素Vaを供給する。酸素Vaは、改質剤の一例である。この酸素Vaの供給により、余剰分のメタンを改質させ、炭素の析出を抑制することができる。改質器22に酸素Vaを供給した場合の改質反応は、下記式(30)の通りである。なお、式(30)は、第4改質反応の一例を示す。 In the second embodiment, oxygen Va is supplied to the reformer 22. Oxygen Va is an example of a modifier. By supplying this oxygen Va, excess methane can be reformed and carbon precipitation can be suppressed. The reforming reaction when oxygen Va is supplied to the reformer 22 is as shown in the following formula (30). The formula (30) shows an example of the fourth reforming reaction.

CH+0.5O → 2H+CO …(30) CH 4 + 0.5O 2 → 2H 2 + CO… (30)

なお、本第2の実施形態においても、上記式(10)、式(13)、式(19)、及び式(22)は、上述の第1の実施形態と同様に用いるものとする。 In addition, also in this 2nd Embodiment, the said formula (10), the formula (13), the formula (19), and the formula (22) shall be used in the same manner as the said 1st Embodiment.

酸素Vaの供給経路54には、第3バルブ43が設けられている。酸素Vaの供給経路54には、流量計Fm3が設けられている。酸素Vaの供給量は、運転制御部32E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。運転制御部32Eは、酸素供給量決定部32Fの決定結果に従って、燃料電池20に供給される酸素Vaの量を制御する。 A third valve 43 is provided in the oxygen Va supply path 54. A flow meter Fm3 is provided in the oxygen Va supply path 54. The supply amount of oxygen Va is adjusted by the operation control unit 32E controlling the opening degree of the third valve 43. The operation control unit 32E controls the amount of oxygen Va supplied to the fuel cell 20 according to the determination result of the oxygen supply amount determination unit 32F.

酸素供給量決定部32Fには、濃度計Cmが接続される。酸素供給量決定部32Fは、濃度計Cmで計測されたバイオガスG1に含まれるメタンの濃度c及び二酸化炭素の濃度dの各々が入力される。酸素供給量決定部32Fには、流量判定部32AからバイオガスG1の流量A及び都市ガスG2の流量Bの各々が入力される。酸素供給量決定部32Fには、気体定数R、燃料電池20の作動温度T、及びファラデー定数Fが入力される。酸素供給量決定部32F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]が入力される。同様に、酸素供給量決定部32Fには、上記式(30)により定まるギブス自由エネルギーΔG5の値g5と、上記式(7)により定まるギブス自由エネルギーΔG4の値g4と、が入力される。さらに、酸素供給量決定部32Fには、炭素活量Acの範囲(0<Ac<1)が入力される。 A densitometer Cm is connected to the oxygen supply amount determining unit 32F. The oxygen supply amount determination unit 32F inputs each of the concentration c of methane and the concentration d of carbon dioxide contained in the biogas G1 measured by the concentration meter Cm. Each of the flow rate A of the biogas G1 and the flow rate B of the city gas G2 is input from the flow rate determination unit 32A to the oxygen supply amount determination unit 32F. The gas constant R, the operating temperature T of the fuel cell 20, and the Faraday constant F are input to the oxygen supply amount determination unit 32F. The value g1 [J / mol] of the Gibbs free energy ΔG1 determined by the above equation (1) is input to the oxygen supply amount determination unit 32F. Similarly, the value g5 of the Gibbs free energy ΔG5 determined by the above formula (30) and the value g4 of the Gibbs free energy ΔG4 determined by the above formula (7) are input to the oxygen supply amount determination unit 32F. Further, a range (0 <Ac <1) of the carbon activity Ac is input to the oxygen supply amount determining unit 32F.

酸素供給量決定部32Fは、上記式(1)に対応する平衡定数K1を上記式(10)により導出し、上記式(7)に対応する平衡定数K4を上記式(13)により導出し、上記式(30)に対応する平衡定数K5を下記式(31)により導出する。但し、g5は、ギブス自由エネルギーΔG5の値[J/mol]、Rは気体定数、Tは作動温度である。 The oxygen supply amount determining unit 32F derives the equilibrium constant K1 corresponding to the above equation (1) by the above equation (10), and derives the equilibrium constant K4 corresponding to the above equation (7) by the above equation (13). The equilibrium constant K5 corresponding to the above equation (30) is derived by the following equation (31). However, g5 is the value [J / mol] of the Gibbs free energy ΔG5, R is the gas constant, and T is the operating temperature.

K5=Exp(−ΔG5/RT)=Exp(−g5/RT) …(31) K5 = Exp (−ΔG5 / RT) = Exp (−g5 / RT)… (31)

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(32)〜式(36)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(30)における反応比率、λは酸素Vaの供給量[mol/h]である。また、cはバイオガスG1中のメタン濃度[%]、dはバイオガスG1中の二酸化炭素濃度[%]、AはバイオガスG1の単位時間当たりの流量[mol/h]である。 On the other hand, the partial pressures of methane, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and oxygen at equilibrium p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ), and p ( O 2 ) is represented by the following equations (32) to (36). However, w is the reaction ratio in the above formula (1), v is the reaction ratio in the above formula (30), and λ is the supply amount [mol / h] of oxygen Va. Further, c is the methane concentration [%] in the biogas G1, d is the carbon dioxide concentration [%] in the biogas G1, and A is the flow rate [mol / h] per unit time of the biogas G1.

p(CH)=(c×A)×(1−w−v) …(32)
p(CO)=(c×A)×(2w+v) …(33)
p(CO)=(d×A)−(c×A)×w …(34)
p(H)=(c×A)×(2w+2v) …(35)
p(O)=λ−(c×A)×0.5v …(36)
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wv)… (32)
p (CO) = (c × A) × (2w + v)… (33)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × w… (34)
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 2v)… (35)
p (O 2 ) = λ- (c × A) × 0.5v… (36)

なお、p(CH)の初期値は(c×A)とされ、p(CO)の初期値は0(ゼロ)とされ、p(CO)の初期値は(d×A)とされ、p(H)の初期値は0(ゼロ)とされ、p(O)の初期値は(λ)とされる。これら各分圧pの合計は1となる。 The initial value of p (CH 4 ) is (c × A), the initial value of p (CO) is 0 (zero), and the initial value of p (CO 2 ) is (d × A). , The initial value of p (H 2 ) is 0 (zero), and the initial value of p (O 2 ) is (λ). The sum of these partial pressures p is 1.

また、上記式(1)における平衡定数K1は、上記式(19)により表わされ、上記式(30)における平衡定数K5は、下記式(37)により表わされる。 The equilibrium constant K1 in the above formula (1) is represented by the above formula (19), and the equilibrium constant K5 in the above formula (30) is represented by the following formula (37).

K5=p(H×p(CO)/p(CH)/p(O0.5…(37) K5 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5 … (37)

さらに、炭素活量Acは、上述の第1の実施形態にて用いた上記式(22)により表わされる。 Further, the carbon activity Ac is represented by the above formula (22) used in the above-mentioned first embodiment.

以上より、酸素供給量決定部32Fは、酸素Vaの供給量λの候補値を変化させて、変化に応じて導出される反応比率w、vに基づいて、分圧p(CO)及びp(CO)の各々の値を導出する。そして、酸素供給量決定部32Fは、導出した分圧p(CO)及びp(CO)の各々の値から求まる炭素活量Acが、一例として、0より大きく1より小さい範囲に収まる候補値を酸素Vaの供給量λとして決定する。 From the above, the oxygen supply amount determining unit 32F changes the candidate value of the supply amount λ of oxygen Va, and based on the reaction ratios w and v derived according to the change, the partial pressures p (CO) and p ( Each value of CO 2 ) is derived. Then, the oxygen supply amount determining unit 32F is a candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived partial pressure p (CO) and p (CO 2 ) values is, for example, greater than 0 and less than 1. Is determined as the supply amount λ of oxygen Va.

つまり、平衡定数K1、K5はある作動温度Tの下で既知の値であるため、供給量λの候補値を任意の値に設定すれば、上記式(19)、式(32)〜式(36)、及び式(37)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K4もある作動温度Tの下で既知の値であるため、上記式(22)から炭素活量Acが決定する。さらに、決定した炭素活量Acが0<Ac<1の範囲にない場合は、候補値をインクリメントして同様の計算を行い、決定した炭素活量Acが上記の範囲にある場合は、設定した候補値を酸素Vaの供給量λとして決定する。 That is, since the equilibrium constants K1 and K5 are known values under a certain operating temperature T, if the candidate value of the supply amount λ is set to an arbitrary value, the above equations (19) and (32) to (Equations) ( From the relationship between 36) and equation (37), two simultaneous equations with reaction ratios w and v as unknowns are established. By solving these two simultaneous equations, the values of the reaction ratios w and v are obtained, and each of the above partial pressures p is determined. Since the equilibrium constant K4 is also a known value under an operating temperature T, the carbon activity Ac is determined from the above equation (22). Further, when the determined carbon activity Ac is not in the range of 0 <Ac <1, the candidate value is incremented and the same calculation is performed, and when the determined carbon activity Ac is in the above range, it is set. The candidate value is determined as the supply amount λ of oxygen Va.

ここで、燃料電池20にさらに都市ガスG2が供給される場合、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(38)〜式(42)により表わされる。但し、Bは都市ガスG2の単位時間当たりの流量[mol/h]で、(F−A)で示される。ここでは、都市ガスG2の全組成をメタンとみなすものとする。 Here, when the city gas G2 is further supplied to the fuel cell 20, the partial pressures p (CH 4 ) and p (CO) of methane, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and oxygen in each equilibrium state. , P (CO 2 ), p (H 2 ), and p (O 2 ) are represented by the following equations (38) to (42). However, B is the flow rate [mol / h] of the city gas G2 per unit time, and is represented by (F 0 −A). Here, it is assumed that the entire composition of city gas G2 is regarded as methane.

p(CH)=(c×A+B)×(1−w−v) …(38)
p(CO)=(c×A+B)×(2w+v) …(39)
p(CO)=(d×A)−(c×A+B)×w …(40)
p(H)=(c×A+B)×(2w+2v) …(41)
p(O)=λ−(c×A+B)×0.5v …(42)
p (CH 4 ) = (c × A + B) × (1-w-v)… (38)
p (CO) = (c × A + B) × (2w + v)… (39)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A + B) × w… (40)
p (H 2 ) = (c × A + B) × (2w + 2v)… (41)
p (O 2 ) = λ- (c × A + B) × 0.5v… (42)

なお、p(CH)の初期値は(c×A+B)とされ、p(CO)の初期値は0(ゼロ)とされ、p(CO)の初期値は(d×A)とされ、p(H)の初期値は0(ゼロ)とされ、p(O)の初期値は(λ)とされる。これら各分圧pの合計は1となる。 The initial value of p (CH 4 ) is (c × A + B), the initial value of p (CO) is 0 (zero), and the initial value of p (CO 2 ) is (d × A). , The initial value of p (H 2 ) is 0 (zero), and the initial value of p (O 2 ) is (λ). The sum of these partial pressures p is 1.

バイオガスG1及び都市ガスG2を併用する場合も、上記式(19)、式(22)、式(37)、及び式(38)〜式(42)を用いることで、同様に酸素Vaの供給量λを決定することができる。 When biogas G1 and city gas G2 are used in combination, oxygen Va can be similarly supplied by using the above formulas (19), (22), (37), and formulas (38) to (42). The quantity λ can be determined.

次に、図7を参照して、本第2の実施形態に係る制御装置30の作用を説明する。なお、図7は、第2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。このプログラム34Aの実行により、演算部32は、流量判定部32A、熱量計算部32B、経済性判定部32D、運転制御部32E、及び酸素供給量決定部32Fとして機能する。
Next, the operation of the control device 30 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 7. Note that FIG. 7 is a flowchart showing an example of the processing flow by the program 34A according to the second embodiment.
When the operation start of the fuel cell 20 is instructed, the calculation unit 32 reads out and executes the program 34A stored in the storage unit 34. By executing this program 34A, the calculation unit 32 functions as a flow rate determination unit 32A, a heat quantity calculation unit 32B, an economic efficiency determination unit 32D, an operation control unit 32E, and an oxygen supply amount determination unit 32F.

本第2の実施形態に係るプログラム34Aは、燃料電池20における炭素の析出を抑制可能な酸素Vaの供給量を決定し、決定結果に基づいて酸素Vaの供給量を制御するものである。 The program 34A according to the second embodiment determines the supply amount of oxygen Va capable of suppressing the precipitation of carbon in the fuel cell 20, and controls the supply amount of oxygen Va based on the determination result.

なお、本第2の実施形態におけるステップ312、ステップ318、及びステップ322での処理以外は、上述の第1の実施形態(図2参照)で説明した処理と同様であるため、ここでの繰り返しの説明は省略する。 Since the processes described in the first embodiment (see FIG. 2) described above are the same except for the processes in steps 312, 318, and 322 in the second embodiment, the process is repeated here. The description of is omitted.

ステップ312では、酸素供給量決定部32Fが、上記式(10)、式(13)、式(19)、式(22)、式(31)、式(32)〜式(36)、及び式(37)を用いて、バイオガスG1を単独で供給した場合の酸素Vaの供給量λを決定する。 In step 312, the oxygen supply amount determining unit 32F uses the above equations (10), (13), (19), (22), (31), (32) to (36), and equations. (37) is used to determine the supply amount λ of oxygen Va when the biogas G1 is supplied alone.

ステップ318では、酸素供給量決定部32Fが、上記式(10)、式(13)、式(19)、式(22)、式(31)、式(37)、及び式(38)〜式(42)を用いて、バイオガスG1及び都市ガスG2の両方を供給した場合の酸素Vaの供給量λを決定する。 In step 318, the oxygen supply amount determining unit 32F uses the above equations (10), (13), (19), (22), (31), (37), and (38) to (38). (42) is used to determine the supply amount λ of oxygen Va when both the biogas G1 and the city gas G2 are supplied.

ステップ322では、運転制御部32Eが、酸素供給量決定部32Fによる決定結果に従って、酸素Vaの供給量が供給量λとなるように、第3バルブ43の開度を制御する。ここで、酸素Vaの供給量は、流量計Fm3により計測される。運転制御部32Eは、流量計Fm3の計測値がλ[mol/h]となるように、第3バルブ43の開度を制御する。 In step 322, the operation control unit 32E controls the opening degree of the third valve 43 so that the supply amount of oxygen Va becomes the supply amount λ according to the determination result by the oxygen supply amount determination unit 32F. Here, the supply amount of oxygen Va is measured by the flow meter Fm3. The operation control unit 32E controls the opening degree of the third valve 43 so that the measured value of the flow meter Fm3 is λ [mol / h].

本第2の実施形態によれば、炭素活量Acが予め定められた範囲に収まる空気中の酸素Vaの供給量を決定するため、炭素活量Acの範囲を規定することなく酸素Vaの供給量を決定する場合と比べ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。また、バイオガス中の二酸化炭素も考慮して、酸素Vaの供給量λを決定するため、必要以上の改質剤の投入による発電効率の低下を防ぐことができる。
さらには、バイオガスG1中の二酸化炭素を分離せずに、改質に利用することで、設備の低コスト化を図ることができる。
According to the second embodiment, in order to determine the supply amount of oxygen Va in the air in which the carbon activity Ac falls within a predetermined range, the supply of oxygen Va without specifying the range of the carbon activity Ac. Compared with the case of determining the amount, carbon precipitation can be suppressed more effectively. Further, since the supply amount λ of oxygen Va is determined in consideration of carbon dioxide in the biogas, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency due to the addition of a modifier more than necessary.
Furthermore, the cost of the equipment can be reduced by using the carbon dioxide in the biogas G1 for reforming without separating it.

なお、上記実施形態では、バイオガスG1中の二酸化炭素を分離しない場合について説明したが、二酸化炭素を分離した場合も本出願内容の範囲内である。 In the above embodiment, the case where the carbon dioxide in the biogas G1 is not separated has been described, but the case where the carbon dioxide is separated is also within the scope of the present application.

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。 The fuel cell system and its control device have been illustrated and described above as embodiments. The embodiment may be in the form of a program for causing a computer to execute the functions of each part included in the control device. The embodiment may be in the form of a storage medium that can be read by a computer that stores 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 depending on the situation within a range that does not deviate from the gist.

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。 Further, the processing flow of the program described in the above embodiment is also an example, and even if unnecessary steps are deleted, new steps are added, or the processing order is changed within a range that does not deviate from the purpose. Good.

また、上記実施形態で説明した各種の数式においても、主旨を逸脱しない範囲内において変形を行ってもよい。 Further, the various mathematical formulas described in the above-described embodiment may also be modified within a range that does not deviate from the gist.

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 processing 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、12 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 流量判定部
32B 熱量計算部
32C 水供給量決定部
32D 経済性判定部
32E 運転制御部
32F 酸素供給量決定部
34 記憶部
34A プログラム
40 燃料ガス供給装置
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, 12 Fuel cell system 20 Fuel cell (hot box)
22 Reformer 24 stack (fuel cell body)
26 Combustor 30 Control device 32 Calculation unit 32A Flow rate determination unit 32B Heat quantity calculation unit 32C Water supply amount determination unit 32D Economic efficiency determination unit 32E Operation control unit 32F Oxygen supply amount determination unit 34 Storage unit 34A Program 40 Fuel gas supply device 41 1 valve 42 2nd valve 43 3rd valve 50, 52, 54 Supply path

Claims (11)

炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え
前記改質器は、前記改質剤として水を用いた場合、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水との第2改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに、前記一酸化炭素と前記水との第3改質反応により二酸化炭素と水素を生成し、
前記炭化水素、前記水、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、及び前記水素の各々の平衡状態での分圧p(CH )、p(H O)、p(CO)、p(CO )、及びp(H )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y、前記第3改質反応における反応比率をz、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記水の供給量をHとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−y)
p(H O)=H−(c×A)×(y+z)
p(CO)=(c×A)×(2w+y−z)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×(w−z)
p(H )=(c×A)×(2w+3y+z)
で表わされ、
前記第1改質反応、前記第2改質反応、及び前記第3改質反応の各々における平衡定数K1、K2、及びK3は、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K2=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(H O)
K3=p(CO )×p(H )/p(CO)/p(H O)
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、
前記決定部は、前記水の供給量Hの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率w、y、z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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記水の供給量Hとして決定する燃料電池システム。
A fuel cell provided with a first fuel gas containing hydrocarbons and carbon dioxide, and a reformer to which a reformer for reforming the hydrocarbons is supplied.
A control device that controls the operation of the fuel cell and
With
The control device includes a determination unit for determining the amount of the modifier whose carbon activity, which indicates the ease of carbon precipitation in the fuel cell, falls within a predetermined range .
When water is used as the reforming agent, the reformer produces hydrogen and carbon monoxide by the first reforming reaction between the hydrocarbon and carbon dioxide, and the hydrocarbon and the water have the first reformer. 2 The reforming reaction produces hydrogen and carbon monoxide, and the third reforming reaction between the carbon monoxide and the water produces carbon dioxide and hydrogen.
Divided pressures p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ) of the hydrocarbon, the water, the carbon monoxide, the carbon dioxide, and the hydrogen at their respective equilibrium states. ) And P (H 2 ), the reaction ratio in the first reforming reaction is w, the reaction ratio in the second reforming reaction is y, the reaction ratio in the third reforming reaction is z, and the reformer. The flow rate of the first fuel gas supplied to the first fuel gas per unit time is A, the concentration of hydrocarbon in the first fuel gas is c, the concentration of carbon dioxide in the first fuel gas is d, and the amount of water supplied is. When set to H,
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wy)
p (H 2 O) = H- (c × A) × (y + z)
p (CO) = (c × A) × (2w + yz)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × (wz)
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 3y + z)
Represented by
The equilibrium constants K1, K2, and K3 in each of the first reforming reaction, the second reforming reaction, and the third reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K2 = p (H 2 ) 3 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (H 2 O)
K3 = p (CO 2 ) x p (H 2 ) / p (CO) / p (H 2 O)
Represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4,
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
Represented by
The determination unit changes the candidate value of the water supply amount H, and the partial pressures p (CO) and p (CO) are derived based on the reaction ratios w, y, and z derived according to the change. A fuel cell system in which each value of 2 ) is derived, and the candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived values falls within the predetermined range is determined as the water supply amount H.
前記改質器は、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第1燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第2燃料ガスが供給され、
前記分圧p(CH)、p(HO)、p(CO)、p(CO)、及びp(H)は、前記改質器に供給される前記第2燃料ガスの単位時間当たりの流量をBとした場合、
p(CH)=(c×A+B)×(1−w−y)
p(HO)=H−(c×A+B)×(y+z)
p(CO)=(c×A+B)×(2w+y−z)
p(CO)=(d×A)−(c×A+B)×(w−z)
p(H)=(c×A+B)×(2w+3y+z)
で表わされる請求項に記載の燃料電池システム。
The reformer is further supplied with a second fuel gas containing a hydrocarbon and having a composition ratio of the hydrocarbon different from that of the hydrocarbon of the first fuel gas.
The partial pressures p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ), and p (H 2 ) are units of the second fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate per hour is B
p (CH 4 ) = (c × A + B) × (1-wy)
p (H 2 O) = H- (c × A + B) × (y + z)
p (CO) = (c × A + B) × (2w + yz)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A + B) × (wz)
p (H 2 ) = (c × A + B) × (2w + 3y + z)
The fuel cell system according to claim 1 .
炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え、
前記改質器は、前記改質剤として空気中の酸素を用いた場合、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4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4改質反応における反応比率をv、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記酸素の供給量をλとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−v)
p(CO)=(c×A)×(2w+v)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×w
p(H )=(c×A)×(2w+2v)
p(O )=λ−(c×A)×0.5v
で表わされ、
前記第1改質反応及び前記第4改質反応の各々における平衡定数K1、K5は、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K5=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(O 0.5
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、
前記決定部は、前記酸素の供給量λの候補値を変化させて、当該変化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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記酸素の供給量λとして決定する燃料電池システム。
A fuel cell provided with a first fuel gas containing hydrocarbons and carbon dioxide, and a reformer to which a reformer for reforming the hydrocarbons is supplied.
A control device that controls the operation of the fuel cell and
With
The control device includes a determination unit for determining the amount of the modifier whose carbon activity, which indicates the ease of carbon precipitation in the fuel cell, falls within a predetermined range.
When oxygen in the air is used as the reforming agent, the reformer produces hydrogen and carbon monoxide by the first reforming reaction between the hydrocarbon and carbon dioxide, and the hydrocarbon and the oxygen. Hydrogen and carbon monoxide are produced by the fourth reforming reaction with
Differential pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ) of the hydrocarbon, the carbon monoxide, the carbon dioxide, the hydrogen, and the oxygen in their respective equilibrium states. , And p (O 2 ) are w for the reaction ratio in the first reforming reaction, v for the reaction ratio in the fourth reforming reaction, and per unit time of the first fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate of A is A, the concentration of hydrocarbon in the first fuel gas is c, the concentration of carbon dioxide in the first fuel gas is d, and the supply amount of oxygen is λ.
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wv)
p (CO) = (c × A) × (2w + v)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × w
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 2v)
p (O 2 ) = λ- (c × A) × 0.5v
Represented by
The equilibrium constants K1 and K5 in each of the first reforming reaction and the fourth reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K5 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5
Represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4,
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
Represented by
The determination unit changes the candidate value of the oxygen supply amount λ, and the partial pressures p (CO) and p (CO 2 ) are derived based on the reaction ratios w and v derived according to the change. A fuel cell system in which the respective values of the above are derived, and the candidate value in which the carbon activity Ac obtained from the derived values falls within the predetermined range is determined as the oxygen supply amount λ .
前記改質器は、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第1燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第2燃料ガスが供給され、
前記分圧p(CH)、p(CO)、p(CO)、p(H)、及びp(O)は、前記改質器に供給される前記第2燃料ガスの単位時間当たりの流量をBとした場合、
p(CH)=(c×A+B)×(1−w−v)
p(CO)=(c×A+B)×(2w+v)
p(CO)=(d×A)−(c×A+B)×w
p(H)=(c×A+B)×(2w+2v)
p(O)=λ−(c×A+B)×0.5v
で表わされる請求項に記載の燃料電池システム。
The reformer is further supplied with a second fuel gas containing a hydrocarbon and having a composition ratio of the hydrocarbon different from that of the hydrocarbon of the first fuel gas.
The partial pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ), and p (O 2 ) are unit times of the second fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate per hit is B,
p (CH 4 ) = (c × A + B) × (1-w-v)
p (CO) = (c × A + B) × (2w + v)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A + B) × w
p (H 2 ) = (c × A + B) × (2w + 2v)
p (O 2 ) = λ- (c × A + B) × 0.5v
The fuel cell system according to claim 3 .
前記制御装置は、前記第1燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第1指標、及び、前記第1燃料ガスと前記第2燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第2指標に基づいて、前記改質器に前記第2燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部をさらに備えた請求項又はに記載の燃料電池システム。 The control device has a first index showing economic efficiency when the fuel cell is operated by supplying the first fuel gas, and the fuel by supplying both the first fuel gas and the second fuel gas. The second or fourth aspect of claim 2 or 4 , further comprising a determination unit for determining whether or not to supply the second fuel gas to the reformer based on a second index indicating economic efficiency when a battery is operated. Fuel cell system. 前記判定部は、前記改質器に前記第2燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合に行う請求項に記載の燃料電池システム。 The determination unit determines whether or not to supply the second fuel gas to the reformer, and the flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer is reduced from a predetermined amount. The fuel cell system according to claim 5 , wherein the fuel cell system is performed in the case. 前記第1指標及び前記第2指標の各々の値は、前記燃料電池の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となり、
前記判定部は、前記第1指標の値が前記第2指標の値以上であり、かつ、前記第1指標の値が正の値である場合、前記改質器に前記第1燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定し、前記第2指標の値が前記第1指標の値よりも大きく、かつ、前記第2指標の値が正の値である場合、前記改質器に、前記第1燃料ガス及び前記第2燃料ガスの両方、又は、前記第2燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定する請求項又はに記載の燃料電池システム。
Each value of the first index and the second index becomes a positive value when the profit is larger than the cost for operating the fuel cell.
When the value of the first index is equal to or higher than the value of the second index and the value of the first index is a positive value, the determination unit uses the first fuel gas alone in the reformer. If it is determined that it is more economical to supply with, and the value of the second index is larger than the value of the first index and the value of the second index is a positive value, the reformer is used. The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein it is determined that it is more economical to supply both the first fuel gas and the second fuel gas, or the second fuel gas alone.
前記第1指標の値In1は、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位流量当たりの熱量をα、単位流量当たりの購入価格をε、前記燃料電池の部分負荷運転時における発電効率をη1、及び前記第1燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をmとした場合、
In1=(η1×α×A×m)−(ε×A)
で表わされ、
前記第2指標の値In2は、前記改質器に供給される前記第2燃料ガスの単位流量当たりの熱量をβ、単位流量当たりの購入価格をσ、前記燃料電池の定格運転時における発電効率をη2、及び前記第2燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をnとした場合、
In2=(η2×α×A×m)+(η2×β×B×n)−(ε×A+σ×B)
で表わされる請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The value In1 of the first index is α for the amount of heat per unit flow rate of the first fuel gas supplied to the reformer, ε for the purchase price per unit flow rate, and power generation during partial load operation of the fuel cell. When the efficiency is η1 and the selling price per unit electric energy obtained by generating electricity from the fuel cell with the first fuel gas is m.
In1 = (η1 × α × A × m) − (ε × A)
Represented by
The value In2 of the second index is β for the amount of heat per unit flow rate of the second fuel gas supplied to the reformer, σ for the purchase price per unit flow rate, and the power generation efficiency during the rated operation of the fuel cell. When the selling price per unit electric energy obtained by generating electricity from the fuel cell with η2 and the second fuel gas is n.
In2 = (η2 × α × A × m) + (η2 × β × B × n) − (ε × A + σ × B)
The fuel cell system according to any one of claims 5 to 7 , represented by.
炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給され、かつ、前記改質剤として水を用いた場合、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水との第2改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに、前記一酸化炭素と前記水との第3改質反応により二酸化炭素と水素を生成す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、
前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え
前記炭化水素、前記水、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、及び前記水素の各々の平衡状態での分圧p(CH )、p(H O)、p(CO)、p(CO )、及びp(H )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y、前記第3改質反応における反応比率をz、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記水の供給量をHとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−y)
p(H O)=H−(c×A)×(y+z)
p(CO)=(c×A)×(2w+y−z)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×(w−z)
p(H )=(c×A)×(2w+3y+z)
で表わされ、
前記第1改質反応、前記第2改質反応、及び前記第3改質反応の各々における平衡定数K1、K2、及びK3は、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K2=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(H O)
K3=p(CO )×p(H )/p(CO)/p(H O)
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、
前記決定部は、前記水の供給量Hの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率w、y、z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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記水の供給量Hとして決定する制御装置。
When a first fuel gas containing a hydrocarbon and carbon dioxide and a modifier for reforming the hydrocarbon are supplied and water is used as the modifier, the hydrocarbon and the carbon dioxide are used. Hydrogen and carbon monoxide are produced by the first reforming reaction of the above, hydrogen and carbon monoxide are produced by the second reforming reaction of the hydrocarbon and the water, and further, the carbon monoxide and the water are used. the third reforming reaction and a control device for controlling the operation of the fuel cell with a reformer that generates carbon dioxide and hydrogen,
A determination unit for determining the amount of the modifier whose carbon activity, which indicates the ease of carbon precipitation in the fuel cell, falls within a predetermined range is provided .
Divided pressures p (CH 4 ), p (H 2 O), p (CO), p (CO 2 ) of the hydrocarbon, the water, the carbon monoxide, the carbon dioxide, and the hydrogen at their respective equilibrium states. ) And P (H 2 ), the reaction ratio in the first reforming reaction is w, the reaction ratio in the second reforming reaction is y, the reaction ratio in the third reforming reaction is z, and the reformer. The flow rate of the first fuel gas supplied to the first fuel gas per unit time is A, the concentration of hydrocarbon in the first fuel gas is c, the concentration of carbon dioxide in the first fuel gas is d, and the amount of water supplied is. When set to H,
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wy)
p (H 2 O) = H- (c × A) × (y + z)
p (CO) = (c × A) × (2w + yz)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × (wz)
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 3y + z)
Represented by
The equilibrium constants K1, K2, and K3 in each of the first reforming reaction, the second reforming reaction, and the third reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K2 = p (H 2 ) 3 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (H 2 O)
K3 = p (CO 2 ) x p (H 2 ) / p (CO) / p (H 2 O)
Represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4,
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
Represented by
The determination unit changes the candidate value of the water supply amount H, and the partial pressures p (CO) and p (CO) are derived based on the reaction ratios w, y, and z derived according to the change. A control device for deriving each value of 2 ) and determining the candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived values falls within the predetermined range as the water supply amount H.
炭化水素と二酸化炭素とを含む第1燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給され、かつ、前記改質剤として空気中の酸素を用いた場合、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4改質反応により水素と一酸化炭素を生成する改質器を備えた燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備え、
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4改質反応における反応比率をv、前記改質器に供給される前記第1燃料ガスの単位時間当たりの流量をA、前記第1燃料ガスにおける炭化水素の濃度をc、前記第1燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をd、前記酸素の供給量をλとした場合、
p(CH )=(c×A)×(1−w−v)
p(CO)=(c×A)×(2w+v)
p(CO )=(d×A)−(c×A)×w
p(H )=(c×A)×(2w+2v)
p(O )=λ−(c×A)×0.5v
で表わされ、
前記第1改質反応及び前記第4改質反応の各々における平衡定数K1、K5は、
K1=p(H ×p(CO) /p(CH )/p(CO
K5=p(H ×p(CO)/p(CH )/p(O 0.5
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K4とした場合、
Ac=K4×p(CO) /p(CO
で表わされ、
前記決定部は、前記酸素の供給量λの候補値を変化させて、当該変化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求まる前記炭素活量Acが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記酸素の供給量λとして決定する制御装置
When a first fuel gas containing a hydrocarbon and carbon dioxide and a reformer for reforming the hydrocarbon are supplied and oxygen in the air is used as the reformer, the hydrocarbon and the reformer are used. A fuel cell equipped with a reformer that produces hydrogen and carbon monoxide by the first reforming reaction with carbon dioxide, and produces hydrogen and carbon monoxide by the fourth reforming reaction between the hydrocarbon and the oxygen. ,
A control device that controls the operation of the fuel cell and
With
The control device includes a determination unit for determining the amount of the modifier whose carbon activity, which indicates the ease of carbon precipitation in the fuel cell, falls within a predetermined range.
Differential pressures p (CH 4 ), p (CO), p (CO 2 ), p (H 2 ) of the hydrocarbon, the carbon monoxide, the carbon dioxide, the hydrogen, and the oxygen in their respective equilibrium states. , And p (O 2 ) are w for the reaction ratio in the first reforming reaction, v for the reaction ratio in the fourth reforming reaction, and per unit time of the first fuel gas supplied to the reformer. When the flow rate of A is A, the concentration of hydrocarbon in the first fuel gas is c, the concentration of carbon dioxide in the first fuel gas is d, and the supply amount of oxygen is λ.
p (CH 4 ) = (c × A) × (1-wv)
p (CO) = (c × A) × (2w + v)
p (CO 2 ) = (d × A) − (c × A) × w
p (H 2 ) = (c × A) × (2w + 2v)
p (O 2 ) = λ- (c × A) × 0.5v
Represented by
The equilibrium constants K1 and K5 in each of the first reforming reaction and the fourth reforming reaction are
K1 = p (H 2 ) 2 × p (CO) 2 / p (CH 4 ) / p (CO 2 )
K5 = p (H 2 ) 2 × p (CO) / p (CH 4 ) / p (O 2 ) 0.5
Represented by
When the carbon activity is Ac and the equilibrium constant in the carbon precipitation reaction of the fuel cell is K4,
Ac = K4 × p (CO) 2 / p (CO 2 )
Represented by
The determination unit changes the candidate value of the oxygen supply amount λ, and the partial pressures p (CO) and p (CO 2 ) are derived based on the reaction ratios w and v derived according to the change. A control device for deriving each value of the above, and determining the candidate value in which the carbon activity Ac obtained from each of the derived values falls within the predetermined range as the oxygen supply amount λ .
コンピュータを、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池システムが備える制御装置として機能させるプログラム。 A program that causes a computer to function as a control device included in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8 .
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