JP6817729B2 - Fuel cell control device and control method and power generation system - Google Patents

Fuel cell control device and control method and power generation system Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell control device, a control method, and a power generation system.

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気(酸化剤ガス)側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。 A fuel cell is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction. It has a fuel electrode, which is an electrode on the fuel side, an air electrode, which is an electrode on the air (oxidant gas) side, and only ions between them. It is composed of an electrolyte through which it passes, and various types have been developed depending on the type of electrolyte.

このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」と呼ぶ)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このSOFCは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約700〜1000℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。 Of these, for example, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell: hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and hydrogen, city gas, natural gas, oil, methanol, and coal. It is a fuel cell that is operated by using gas produced from a carbonaceous raw material such as gasified gas by a gasification facility. This SOFC has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity, and is known as a highly efficient high-temperature fuel cell.

このようなSOFCを例えば、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このMGTでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をSOFCの空気極に供給するとともに、SOFCから排出される高温の排燃料ガスをMGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスを断熱膨張することでMGTのタービンを回転駆動させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。 A combined cycle system has been developed in which such an SOFC is combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as "MGT"). In this MGT, the compressed air discharged from the compressor is supplied to the air electrode of the SOFC, and the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC is supplied to the combustor of the MGT for combustion, and the combustion generated in the combustor is performed. By adiabatic expansion of the gas, the turbine of the MGT is rotationally driven and the generator is rotationally driven, so that power generation with high power generation efficiency is possible.

このようなSOFCの制御では、フィードバック制御やフィードフォワード制御が利用されている(例えば、特許文献1参照)。
また、特許文献2には、SOFCからMGTの燃焼器に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、排燃料ガス供給ラインから分岐してSOFCに排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、排燃料ガス供給ラインの経路上に設けられる流量調整弁とを具備し、SOFCとMGTとの連携運転状態に応じて、流量調整弁の開度に対するゲインを調整することが開示されている。
また、特許文献3には、SOFCの起動時に、可燃性燃料ガスを添加した酸化剤を発電室の空気極に供給し、添加した可燃性燃料ガスによる触媒燃焼によって発生する熱を利用して発電室を昇温することが開示されている。
また、特許文献4には、SOFCの負荷上昇時において、定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値毎に、燃料利用率及び発電セルの最低温度の閾値を設定し、各々の電流値に到達した際に、発電セルの温度が各々の電流値に対応する閾値に到達したか否かを判定し、温度が閾値に到達していない発電セルがあった場合に、負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより、発電セルの温度が全て閾値に到達した場合に負荷上昇を再開する燃料電池の運転方法が開示されている。
In such SOFC control, feedback control and feedforward control are used (see, for example, Patent Document 1).
Further, Patent Document 2 includes an exhaust fuel gas supply line for supplying exhaust fuel gas from the SOFC to the combustor of the MGT, a recirculation line for branching from the exhaust fuel gas supply line and circulating the exhaust fuel gas to the SOFC. It is disclosed that a flow rate adjusting valve provided on the path of the exhaust fuel gas supply line is provided, and the gain with respect to the opening degree of the flow rate adjusting valve is adjusted according to the cooperative operation state of the SOFC and the MGT.
Further, in Patent Document 3, when SOFC is started, an oxidant to which a flammable fuel gas is added is supplied to the air electrode of the power generation chamber, and heat generated by catalytic combustion by the added combustible fuel gas is used to generate power. It is disclosed that the temperature of the room is raised.
Further, in Patent Document 4, when the load of SOFC rises, the threshold values of the fuel utilization rate and the minimum temperature of the power generation cell are set for each current value when the load rises until the rated current value is reached, and the respective current values are set. When it reaches, it is determined whether or not the temperature of the power generation cell has reached the threshold value corresponding to each current value, and if there is a power generation cell whose temperature has not reached the threshold value, the load increase is stopped. A method of operating a fuel cell that holds for a certain period of time and thereby restarts the load increase when all the temperatures of the power generation cells reach the threshold value is disclosed.

特開2003−223912号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-223912 特開2015−50106号公報JP 2015-50106 特許第5601945号公報Japanese Patent No. 5601945 特開2012−216369号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-216369

ところで、SOFCの発電室は熱容量が大きく、発電室の温度制御に関する操作量(例えば、SOFCに供給する空気や燃料ガス等)を制御する際に応答遅れが発生する。このため、例えば、負荷上昇時において、各制御量(例えば、発電室の温度等)が規定値を超えるオーバーシュートが発生する可能性があり、SOFCの一部の温度が上昇し過ぎると、SOFCを損傷させるおそれがあった。
また、負荷上昇時におけるオーバーシュートを抑制するために、各操作量を緩やかに変化させたり、各操作を順次操作して各制御量が安定してから次の操作を実施させた場合には、制御量が目標値に到達するまでに相当な時間を要する。
By the way, the power generation chamber of the SOFC has a large heat capacity, and a response delay occurs when controlling the operation amount (for example, air or fuel gas supplied to the SOFC) related to the temperature control of the power generation chamber. Therefore, for example, when the load rises, overshoot may occur in which each control amount (for example, the temperature of the power generation chamber) exceeds a specified value, and if the temperature of a part of the SOFC rises too much, the SOFC There was a risk of damaging.
In addition, in order to suppress overshoot when the load increases, if each operation amount is gradually changed, or if each operation is sequentially operated and each control amount is stabilized, then the next operation is performed. It takes a considerable amount of time for the controlled variable to reach the target value.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを抑制しながら目標到達までの時間を短縮することのできる燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a fuel cell control device and control capable of shortening the time to reach a target while suppressing overshoot of a controlled amount when a load is increased. The purpose is to provide a method as well as a power generation system.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、目標負荷を設定する目標負荷設定部と、所定の電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定部と、前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定部と、発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極への可燃性ガスの供給を開始し、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する可燃性ガス流量制御部とを備え、前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される燃料電池の制御装置を提供する。 The present invention is a fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and a target load setting unit for setting a target load and a target load setting unit. An output current command setting unit that sets an output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined current change rate, and a plurality of output current command setting units for changing the load of the fuel cell using the output current command. A control command setting unit that sets a control command to the control system, and when the temperature of the power generation chamber reaches a preset first temperature threshold, the supply of flammable gas to the air electrode is started, and the power generation chamber is started. It is provided with a flammable gas flow rate control unit that stops the supply of the flammable gas to the air electrode when the temperature reaches the supply stop temperature set to be larger than the first temperature threshold and equal to or lower than the target temperature of the power generation room. The fuel cell control device is set by the supply stop temperature according to at least one of the predetermined current change rate, the output current command corresponding to the target load, and the change width of the output current command. provide.

本発明によれば、発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、空気極への可燃性ガスの供給を開始し、発電室温度が第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに空気極への可燃性ガスの供給が停止される。このように、発電室温度が発電室目標温度に到達する前に空気極への可燃性ガスの供給を停止するので、可燃性ガスの供給を停止した以降は、発電による発熱のみにより発電室温度を上昇させることとなる。これにより、発電室温度を第1温度閾値まで速やかに上昇させ、その後は発電室目標温度まで緩やかに上昇させることができ、オーバーシュートを抑制することが可能となり、オーバーシュートによる発電室の再冷却を抑制することができる。
また、供給停止温度は、出力電流指令を設定する際に使用される所定の電流変化率、目標負荷に対応する出力電流指令、及び出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定されるので、負荷上昇の様子に応じて適切な温度に供給停止温度を設定することが可能となる。ここで、電流変化率とは時間当たりの電流変化量の勾配を示し、変化幅は出力電流指令での電流値の上昇幅を示す。
According to the present invention, when the temperature of the power generation chamber reaches a preset first temperature threshold, the supply of flammable gas to the air electrode is started, and the temperature of the power generation chamber is larger than the first temperature threshold of the power generation chamber. When the supply stop temperature set below the target temperature is reached, the supply of flammable gas to the air electrode is stopped. In this way, the supply of flammable gas to the air electrode is stopped before the temperature of the power generation room reaches the target temperature of the power generation room. Therefore, after the supply of flammable gas is stopped, the temperature of the power generation room is generated only by the heat generated by the power generation. Will be raised. As a result, the temperature of the power generation room can be quickly raised to the first temperature threshold value, and then gradually raised to the target temperature of the power generation room, and overshoot can be suppressed, and the power generation room can be recooled by overshoot. Can be suppressed.
Further, the supply stop temperature is set according to at least one of a predetermined current change rate used when setting the output current command, an output current command corresponding to the target load, and a change width of the output current command. Therefore, it is possible to set the supply stop temperature to an appropriate temperature according to the state of load increase. Here, the current change rate indicates the gradient of the amount of current change per hour, and the change width indicates the increase width of the current value in the output current command.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、目標負荷を設定する目標負荷設定部と、所定の第1電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定部と、前記出力電流指令設定部によって設定された出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定部とを備え、前記出力電流指令設定部は、前記出力電流指令が前記目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合に、前記第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定し、前記電流閾値または前記温度閾値は、前記第1電流変化率に応じて設定される燃料電池の制御装置を提供する。 The present invention is a fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and a target load setting unit for setting a target load and a target load setting unit. Using the output current command setting unit that sets the output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined first current change rate, and the output current command set by the output current command setting unit, the said The output current command setting unit includes a control command setting unit that sets control commands to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell, and the output current command setting unit has a target output current in which the output current command corresponds to the target load. When the current threshold set below is reached, or when the power generation chamber temperature reaches a predetermined temperature threshold set below the target temperature of the power generation chamber, the value is set to a value smaller than the first current change rate. The output current command is set by using the second current change rate, and the current threshold or the temperature threshold provides a control device for a fuel cell in which the current threshold or the temperature threshold is set according to the first current change rate.

本発明によれば、出力電流指令が目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合に、第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて出力電流指令を設定するので、電流閾値もしくは温度閾値まで速やかに上昇させ、その後は目標出力電流に向けて目標出力電流を緩やかに設定することができる。これにより、第1電流変化率で出力電流指令を設定していた場合に生じていた追従遅れを低減させることができ、目標出力電流に向けて各制御量を徐々に上昇させることが可能となる。これにより、発電室温度のオーバーシュートを抑制することが可能となり、オーバーシュートによる発電室の再冷却を抑制することができる。さらに、電流閾値または温度閾値は、第1電流変化率に応じて設定されるので、負荷上昇の様子に応じて適切な温度にこれらの閾値を設定することが可能となる。 According to the present invention, when the output current command reaches the current threshold set below the target output current corresponding to the target load, or when the power generation chamber temperature reaches a predetermined temperature threshold set below the target power generation chamber temperature. When it reaches, the output current command is set using the second current change rate set to a value smaller than the first current change rate, so the output current command is quickly raised to the current threshold or temperature threshold, and then the target output current. The target output current can be set gently toward. As a result, it is possible to reduce the tracking delay that occurs when the output current command is set at the first current change rate, and it is possible to gradually increase each control amount toward the target output current. .. As a result, it is possible to suppress overshoot of the temperature of the power generation chamber, and it is possible to suppress recooling of the power generation chamber due to overshoot. Further, since the current threshold value or the temperature threshold value is set according to the first current change rate, it is possible to set these threshold values at an appropriate temperature according to the state of load increase.

上記燃料電池の制御装置において、前記出力電流指令設定部は、前記出力電流指令が前記電流閾値に達してから所定時間経過した場合、または、前記発電室温度が前記温度閾値に達してから所定時間経過した場合に、前記第2電流変化率よりも大きく設定された第3電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定することとしてもよい。
また、上記燃料電池の制御装置において、前記第2電流変化率はゼロに設定されていてもよい。
In the fuel cell control device, the output current command setting unit is used when a predetermined time has elapsed after the output current command reaches the current threshold value, or when a predetermined time has passed since the power generation chamber temperature reaches the temperature threshold value. When the lapse has passed, the output current command may be set using the third current change rate set to be larger than the second current change rate.
Further, in the fuel cell control device, the second current change rate may be set to zero.

これにより、出力電流指令が目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合には、第2電流変化率を用いて負荷上昇を停止または減速させるので、この間において、各制御系の制御量の応答を出力電流指令に追いつかせることができる。そして、第2電流変化率を用いて出力電流指令を設定し始めてから所定期間経過後には、第2電流変化率よりも大きく設定された第3電流変化率を用いて出力電流指令を設定するので、目標出力電流に向けて緩やかに出力電流指令を増加させることが可能となる。これにより、オーバーシュートを抑制することが可能となる。 As a result, when the output current command reaches the current threshold set below the target output current corresponding to the target load, or when the power generation chamber temperature reaches the predetermined temperature threshold set below the target power generation chamber temperature. In the meantime, since the load increase is stopped or decelerated by using the second current change rate, the response of the control amount of each control system can catch up with the output current command during this period. Then, after a predetermined period of time has elapsed from the start of setting the output current command using the second current change rate, the output current command is set using the third current change rate set larger than the second current change rate. , It is possible to gradually increase the output current command toward the target output current. This makes it possible to suppress overshoot.

上記燃料電池の制御装置において、前記目標負荷設定部は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定することとしてもよい。 In the fuel cell control device, the target load setting unit may set the target load of the fuel cell from the outside air temperature around the fuel cell.

これにより、外気温度に起因するMGTの圧縮機から供給される空気量が変化する等の発電室温度の変化を抑制することができ、安定した温度制御を行うことが可能となる。 As a result, changes in the temperature of the power generation chamber such as changes in the amount of air supplied from the MGT compressor due to the outside air temperature can be suppressed, and stable temperature control can be performed.

上記燃料電池の制御装置は、前記発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極への可燃性ガスの供給を開始し、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する可燃性ガス流量制御部をさらに備え、前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定されていてもよい。 When the power generation chamber temperature reaches a preset first temperature threshold, the fuel cell control device starts supplying flammable gas to the air electrode, and the power generation chamber temperature becomes the first temperature. A flammable gas flow control unit that stops the supply of the flammable gas to the air electrode when the supply stop temperature set above the threshold value and below the target temperature of the power generation room is reached is further provided, and the supply stop temperature is set. , The predetermined current change rate, the output current command corresponding to the target load, and the change width of the output current command may be set according to at least one of them.

上記燃料電池の制御装置において、前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、または前記出力電流指令の変化幅が大きいほど、低い値に設定されていてもよい。 In the fuel cell control device, the supply stop temperature is set to a lower value as the change width of the predetermined current change rate, the output current command corresponding to the target load, or the output current command is larger. May be good.

上記構成によれば、発電室温度がオーバーシュートしやすい状況にあるほど、供給停止温度を低い値に設定することができる。これにより、発電室温度のオーバーシュートをより確実に抑制することができる。 According to the above configuration, the supply stop temperature can be set to a lower value as the temperature of the power generation chamber is more likely to overshoot. As a result, overshoot of the temperature of the power generation chamber can be suppressed more reliably.

上記燃料電池の制御装置において、前記複数の制御系は、燃料極への燃料ガス供給流量、燃料電池空気極入口温度、マイクロガスタービン出力、前記燃料極と前記空気極との差圧、再循環ブロワ回転数、及び純水流量のうち2つ以上を含んでいてもよい。 In the fuel cell control device, the plurality of control systems include fuel gas supply flow rate to the fuel electrode, fuel cell air electrode inlet temperature, micro gas turbine output, differential pressure between the fuel electrode and the air electrode, and recirculation. Two or more of the blower rotation speed and the pure water flow rate may be included.

上記燃料電池の制御装置において、前記燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池である。 In the fuel cell control device, the fuel cell is, for example, a solid oxide fuel cell.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、上記いずれかに記載の燃料電池の制御装置を備える発電システムを提供する。 The present invention provides a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and a power generation system including the fuel cell control device according to any one of the above. provide.

上記発電システムは、前記発電室の中央領域に設けられた複数の温度計測部を備え、前記温度計測部によって計測された複数の計測温度のうちの最高温度が前記発電室温度として用いられることとしてもよい。 The power generation system includes a plurality of temperature measuring units provided in the central region of the power generation chamber, and the maximum temperature among the plurality of measured temperatures measured by the temperature measuring unit is used as the power generation chamber temperature. May be good.

このように、発電室のうち最も温度が高くなる中央領域に設けられた複数の温度計測部によって温度を計測することにより、発電室内の詳細な温度情報を把握することができる。そして、計測温度のうちの最高温度を発電室温度として用いることにより、発電室内の一部が上限温度を越えないようにして、発電室温度を安全サイドから制御することができ、発電室温度が上限値を超えることによる機器の損傷等を抑制することが可能となる。 In this way, detailed temperature information in the power generation chamber can be grasped by measuring the temperature by a plurality of temperature measuring units provided in the central region where the temperature is highest in the power generation chamber. Then, by using the highest temperature among the measured temperatures as the power generation room temperature, it is possible to control the power generation room temperature from the safety side by preventing a part of the power generation room from exceeding the upper limit temperature, and the power generation room temperature can be adjusted. It is possible to suppress damage to the equipment due to exceeding the upper limit.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、前記発電室内に設けられた所定の測定点の温度を計測する温度計測工程と、目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、所定の変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する電流指令設定工程と、前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定工程と、前記温度計測工程で計測された計測温度から特定される発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極に可燃性ガスを供給する供給開始工程と、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する供給停止工程とを備え、前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される燃料電池の制御方法を提供する。 The present invention is a method for controlling a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel pole, a solid electrolyte, and an air pole are arranged, and a predetermined measurement point provided in the power generation chamber. A temperature measurement process for measuring temperature, a target load setting process for setting a target load, a current command setting process for setting an output current command for the fuel cell from the target load using a predetermined rate of change, and the output. A control command setting process for setting control commands to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell using a current command, and a power generation room temperature specified from the measured temperatures measured in the temperature measurement process. Is set to a supply start step of supplying a flammable gas to the air electrode when the first temperature threshold is reached, and the power generation chamber temperature is larger than the first temperature threshold and equal to or lower than the power generation chamber target temperature. The supply stop step includes a supply stop step of stopping the supply of the flammable gas to the air electrode when the supplied stop temperature is reached, and the supply stop temperature corresponds to the predetermined current change rate and the target load. Provided is a fuel cell control method set according to at least one of an output current command and a change width of the output current command.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、前記発電室内に設けられた所定の測定点の温度を計測する温度計測工程と、目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、所定の第1電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定工程と、前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定工程とを備え、前記出力電流指令設定工程は、前記出力電流指令が前記目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合に、前記第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定し、前記電流閾値または前記温度閾値は、前記第1電流変化率に応じて設定される燃料電池の制御方法を提供する。 The present invention is a method for controlling a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel pole, a solid electrolyte, and an air pole are arranged, and a predetermined measurement point provided in the power generation chamber. A temperature measurement process for measuring the temperature, a target load setting process for setting the target load, and an output current command setting process for setting the output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined first current change rate. And a control command setting step of setting a control command to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell by using the output current command, the output current command setting step includes the output current. When the command reaches a current threshold set below the target output current corresponding to the target load, or when the power generation chamber temperature reaches a predetermined temperature threshold set below the target power generation chamber temperature, the first The output current command is set using the second current change rate set to a value smaller than the first current change rate, and the current threshold or the temperature threshold is set according to the first current change rate. A method for controlling a battery is provided.

本発明によれば、燃料電池の負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを抑制しながら目標到達までの時間を短縮することができるという効果を奏する。 According to the present invention, when the load of the fuel cell increases, it is possible to shorten the time required to reach the target while suppressing the overshoot of the controlled amount.

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した概略構成図である。It is a schematic block diagram which showed the schematic structure of the power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCのセルスタックの一態様を示した図である。It is a figure which showed one aspect of the cell stack of SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示した図である。It is a figure which showed one aspect of the SOFC module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図である。It is sectional drawing of one aspect of the SOFC cartridge which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る制御装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。It is a functional block diagram which expanded and showed the function provided with the control device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFC制御装置の第2昇温モード及び負荷上昇モード時における機能を展開して示した機能ブロック図である。It is a functional block diagram which expanded and showed the function in the 2nd temperature rise mode and the load rise mode of the SOFC control apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 図6に示した負荷上昇制御部の概略構成を示した図である。It is a figure which showed the schematic structure of the load increase control part shown in FIG. 目標負荷情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the target load information. 電流閾値について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the current threshold. 燃料ガス流量情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the fuel gas flow rate information. 入口空気温度情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the inlet air temperature information. MGT出力情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of MGT output information. 差圧情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the differential pressure information. 回転数情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the rotation speed information. 純水流量情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of pure water flow rate information. 本発明の一実施形態に係る負荷上昇制御部によって実行される制御の手順を示したフローチャートである。It is a flowchart which showed the control procedure which is executed by the load rise control part which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る負荷上昇制御部によって実行される制御および効果について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the control and effect executed by the load increase control part which concerns on one Embodiment of this invention. 図6に示した温度上昇制御部の概略構成を示した図である。It is a figure which showed the schematic structure of the temperature rise control part shown in FIG. 第2燃料ガス情報の一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the 2nd fuel gas information. 供給停止温度の設定手順の一例を示したフローチャートである。It is a flowchart which showed an example of the setting procedure of the supply stop temperature. 本発明の一実施形態に係る温度上昇制御部によって実行される制御及び効果について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the control and effect executed by the temperature rise control part which concerns on one Embodiment of this invention.

以下に、本発明に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell control device and a control method and a power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings.

〔発電システムの構成〕
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム10の概略構成を示した概略構成図である。図1に示すように、発電システム10は、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)11、発電機12、及びSOFC13を備えている。この発電システム10は、MGT11による発電と、SOFC13による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。
[Power generation system configuration]
First, a schematic configuration of a power generation system according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a power generation system 10 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the power generation system 10 includes a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”) 11, a generator 12, and SOFC 13. The power generation system 10 is configured to obtain high power generation efficiency by combining power generation by the MGT 11 and power generation by the SOFC 13.

MGT11は、圧縮機21、燃焼器22、タービン23を有しており、圧縮機21とタービン23とは回転軸24により一体回転可能に連結されている。後述するタービン23が回転することで圧縮機21が回転駆動する。圧縮機21は、空気取り込みライン25から取り込んだ空気Aを圧縮する。
燃焼器22には、第1空気供給ライン26を介して圧縮機21からの圧縮空気(以下、単に「空気」という。)A1が供給されるとともに、第1燃料ガス供給ライン27を介して燃料ガスL1が供給される。第1空気供給ライン26には、燃焼器22へ供給する空気量を調整するための制御弁65が設けられ、第1燃料ガス供給ライン27には、燃焼器22へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁70が設けられている。更に、燃焼器22には、後述するSOFC13の燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の一部が排燃料ガス供給ライン45を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン45には、燃焼器22に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁47が設けられている。更に、燃焼器22には、後述する排空気供給ライン36を通じてSOFC13の空気極13Bで用いられた排空気A2の一部が供給される。
The MGT 11 has a compressor 21, a combustor 22, and a turbine 23, and the compressor 21 and the turbine 23 are integrally rotatably connected by a rotating shaft 24. The compressor 21 is rotationally driven by the rotation of the turbine 23, which will be described later. The compressor 21 compresses the air A taken in from the air take-in line 25.
Compressed air (hereinafter, simply referred to as “air”) A1 from the compressor 21 is supplied to the combustor 22 via the first air supply line 26, and fuel is supplied via the first fuel gas supply line 27. Gas L1 is supplied. The first air supply line 26 is provided with a control valve 65 for adjusting the amount of air supplied to the combustor 22, and the first fuel gas supply line 27 adjusts the flow rate of fuel gas supplied to the combustor 22. A control valve 70 is provided for this purpose. Further, a part of the exhaust fuel gas L3 circulating in the fuel gas recirculation line 49 of the SOFC 13 described later is supplied to the combustor 22 through the exhaust fuel gas supply line 45. The exhaust fuel gas supply line 45 is provided with a control valve 47 for adjusting the amount of exhaust fuel gas supplied to the combustor 22. Further, a part of the exhaust air A2 used in the air electrode 13B of the SOFC 13 is supplied to the combustor 22 through the exhaust air supply line 36 described later.

燃焼器22は、燃料ガスL1、空気Aの一部、排燃料ガスL3、及び排空気A2を混合して燃焼させ、燃焼ガスGを生成する。燃焼ガスGは燃焼ガス供給ライン28を通じてタービン23に供給される。タービン23は、燃焼ガスGが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン55から排出される。発電機12は、タービン23と同軸上に設けられており、タービン23が回転駆動することで発電する。 The combustor 22 mixes and burns the fuel gas L1, a part of the air A, the exhaust fuel gas L3, and the exhaust air A2 to generate the combustion gas G. The combustion gas G is supplied to the turbine 23 through the combustion gas supply line 28. The turbine 23 rotates due to the adiabatic expansion of the combustion gas G, and the exhaust gas is discharged from the combustion exhaust gas line 55. The generator 12 is provided coaxially with the turbine 23, and generates electricity by rotationally driving the turbine 23.

燃焼器22に供給する燃料ガスL1及び後述する燃料ガスL2は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス(LNG)、都市ガス、水素(H)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH)等の炭化水素ガス、及び炭素質原料(石油や石炭等)のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。 Fuel gas L2 to the fuel gas L1 and later supplied to the combustor 22 is a combustible gas, for example, liquefied natural gas (LNG), city gas, hydrogen (H 2) and carbon monoxide (CO), methane (CH Hydrocarbon gas such as 4 ) and gas produced by gasification equipment for carbonaceous raw materials (oil, coal, etc.) are used.

SOFC13は、還元剤としての加熱した燃料ガスL2と、酸化剤ガスとしての加熱した空気(酸化剤ガス)とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。このSOFC13は、圧力容器内に燃料極13Aと空気極13Bと固体電解質とが収容されて構成される。なお、SOFC13の詳細な構成については後述する。
SOFC13は、空気極13Bに酸化剤ガスが供給され、燃料極13Aに燃料ガスが供給されることで発電する。酸化剤ガスは、例えば、酸素を略15%から30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。本実施形態では、SOFC13に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機21によって圧縮された空気Aの少なくとも一部を採用する場合を例示して説明する。
The SOFC 13 is supplied with the heated fuel gas L2 as a reducing agent and the heated air (oxidizing agent gas) as an oxidizing agent gas, and reacts at a predetermined operating temperature to generate power. The SOFC 13 is configured by accommodating a fuel electrode 13A, an air electrode 13B, and a solid electrolyte in a pressure vessel. The detailed configuration of SOFC 13 will be described later.
The SOFC 13 generates electricity by supplying an oxidant gas to the air electrode 13B and supplying the fuel gas to the fuel electrode 13A. The oxidant gas is, for example, a gas containing approximately 15% to 30% of oxygen, and air is typically preferable. However, in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air or a mixed gas of oxygen and air is used. Etc. can be used. In the present embodiment, a case where at least a part of air A compressed by the compressor 21 is adopted as the oxidant gas supplied to the SOFC 13 will be illustrated and described.

SOFC13には、第1空気供給ライン26から分岐した第2空気供給ライン31を通じて酸化剤ガスとして空気A1が空気極13Bの導入部である空気供給部に供給される。この第2空気供給ライン31には、供給する空気A1の流量を調整するための制御弁64が設けられている。また、第1空気供給ライン26において、第2空気供給ライン31の分岐点よりも空気A1の上流側(換言すると、圧縮機21側)には、熱交換器58が設けられている。熱交換器58において、空気Aは、燃焼排ガスライン55から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第2空気供給ライン31には、熱交換器58をバイパスするバイパスライン62が設けられている。バイパスライン62には、制御弁66が設けられ、空気Aのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁64、66の開度が後述する制御装置60によって制御されることで、熱交換器58を通過する空気Aと熱交換器58をバイパスする空気Aとの流量割合が調整され、空気Aの一部である第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気A1の温度が調整される。
SOFC13に供給される空気A1の温度は、SOFC13を構成するSOFCカートリッジ203に空気A1を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめSOFCカートリッジ203の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
Air A1 is supplied to the SOFC 13 as an oxidant gas through the second air supply line 31 branched from the first air supply line 26 to the air supply section which is the introduction section of the air electrode 13B. The second air supply line 31 is provided with a control valve 64 for adjusting the flow rate of the supplied air A1. Further, in the first air supply line 26, a heat exchanger 58 is provided on the upstream side (in other words, the compressor 21 side) of the air A1 from the branch point of the second air supply line 31. In the heat exchanger 58, the air A is heat-exchanged with the exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas line 55 to raise the temperature. Further, the second air supply line 31 is provided with a bypass line 62 that bypasses the heat exchanger 58. The bypass line 62 is provided with a control valve 66 so that the bypass flow rate of the air A can be adjusted. By controlling the opening degree of the control valves 64 and 66 by the control device 60 described later, the flow rate ratio between the air A passing through the heat exchanger 58 and the air A bypassing the heat exchanger 58 is adjusted, and the air A is adjusted. The temperature of the air A1 supplied to the SOFC 13 is adjusted through the second air supply line 31 which is a part of the above.
The temperature of the air A1 supplied to the SOFC 13 has an upper limit of the temperature so as not to damage the constituent materials of the SOFC cartridge 203, including the air supply unit for introducing the air A1 into the SOFC cartridge 203 constituting the SOFC 13 and the air supply branch pipe. It is restricted.

更に、第2空気供給ライン31には、可燃性ガスとして燃料ガスL2を供給する空気極燃料供給ライン80が接続されている。空気極燃料供給ライン80には、第2空気供給ライン31へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁82が設けられている。制御弁82の弁開度が後述する制御装置60によって制御されることにより、空気A1に添加される燃料ガスL2の供給量が調整される。空気A1に添加される燃料ガスL2の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは3体積%以下で供給される。 Further, an air electrode fuel supply line 80 for supplying the fuel gas L2 as a flammable gas is connected to the second air supply line 31. The air electrode fuel supply line 80 is provided with a control valve 82 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the second air supply line 31. By controlling the valve opening degree of the control valve 82 by the control device 60 described later, the supply amount of the fuel gas L2 added to the air A1 is adjusted. The amount of the fuel gas L2 added to the air A1 is supplied at a flammable limit concentration or less, and more preferably at 3% by volume or less.

SOFC13には、空気極13Bで用いられた排空気A2を排出する排空気排出ライン34が接続されている。この排空気排出ライン34には、燃焼器22に排空気A2を供給するための排空気供給ライン36が接続されている。排空気供給ライン36には、SOFC13とタスタービン11との間の系統を切り離すための遮断弁38が設けられている。
また、排空気排出ライン34には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)37が設けられている。
An exhaust air discharge line 34 for discharging the exhaust air A2 used in the air electrode 13B is connected to the SOFC 13. An exhaust air supply line 36 for supplying exhaust air A2 to the combustor 22 is connected to the exhaust air discharge line 34. The exhaust air supply line 36 is provided with a shutoff valve 38 for disconnecting the system between the SOFC 13 and the task turbine 11.
Further, the exhaust air discharge line 34 is provided with a control valve (or shutoff valve) 37 for adjusting the amount of exhaust air discharged to the outside.

SOFC13には、更に、燃料ガスL2を燃料極13Aの導入部である燃料ガス供給部207(図3参照)に供給する第2燃料ガス供給ライン41と、燃料極13Aで反応に用いられた後の排燃料ガスL3を排出する排燃料ガスライン43とが接続されている。第2燃料ガス供給ライン41には、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量を調整するための制御弁42が設けられ、排燃料ガスライン43には外部に排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)46が設けられている。排燃料ガスライン43の制御弁(もしくは遮断弁)46と、排空気排出ライン34の制御弁(もしくは遮断弁)37とにより過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、SOFC13の燃料極13Aと空気極13Bの燃料空気差圧は、燃料極13A側が所定の圧力範囲で高くなるように制御弁47により制御する。また、排燃料ガスライン43には、排燃料ガスL3をSOFC13の燃料極13Aの入口へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン49が接続されている。燃料ガス再循環ライン49には、排燃料ガスL3を再循環させるための再循環ブロワ50が設けられている。 The SOFC 13 is further subjected to a second fuel gas supply line 41 for supplying the fuel gas L2 to the fuel gas supply unit 207 (see FIG. 3) which is an introduction unit of the fuel electrode 13A, and after being used for the reaction at the fuel electrode 13A. It is connected to the exhaust fuel gas line 43 that discharges the exhaust fuel gas L3. The second fuel gas supply line 41 is provided with a control valve 42 for adjusting the flow rate of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A, and the exhaust fuel gas line 43 adjusts the amount of exhaust fuel gas discharged to the outside. A control valve (or shutoff valve) 46 is provided for this purpose. The excess pressure can be quickly adjusted by the control valve (or shutoff valve) 46 of the exhaust fuel gas line 43 and the control valve (or shutoff valve) 37 of the exhaust air discharge line 34. Further, the fuel air differential pressure between the fuel electrode 13A and the air electrode 13B of the SOFC 13 is controlled by the control valve 47 so that the fuel electrode 13A side becomes higher in a predetermined pressure range. Further, a fuel gas recirculation line 49 for recirculating the exhaust fuel gas L3 to the inlet of the fuel electrode 13A of the SOFC 13 is connected to the exhaust fuel gas line 43. The fuel gas recirculation line 49 is provided with a recirculation blower 50 for recirculating the exhaust fuel gas L3.

更に、燃料ガス再循環ライン49には、燃料極13Aに燃料ガスL2を改質するための純水を供給する純水供給ライン44が設けられている。純水供給ライン44にはポンプ48が設けられている。ポンプ48の吐出流量が制御装置60によって制御されることにより、燃料極13Aに供給される純水量が調整される。 Further, the fuel gas recirculation line 49 is provided with a pure water supply line 44 for supplying pure water for reforming the fuel gas L2 to the fuel electrode 13A. A pump 48 is provided on the pure water supply line 44. The amount of pure water supplied to the fuel electrode 13A is adjusted by controlling the discharge flow rate of the pump 48 by the control device 60.

〔SOFCの構成〕
次に、図2から図4を参照してSOFC13の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るSOFC複合発電システム(燃料電池複合発電システム)のSOFCに用いる円筒形セルスタックについて図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係るセルスタック101の一態様を示した図である。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極13Aと固体電解質111と空気極13Bとが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極13Bに、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
[SOFC configuration]
Next, the configuration of the SOFC 13 will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
First, a cylindrical cell stack used for SOFC of the SOFC combined cycle power generation system (fuel cell combined cycle power generation system) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing one aspect of the cell stack 101 according to the present embodiment. The cell stack 101 includes a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cell 105. The fuel cell 105 is formed by laminating a fuel electrode 13A, a solid electrolyte 111, and an air electrode 13B. Further, the cell stack 101 is an air electrode 13B of the fuel cell 105 formed at one end of the plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the base pipe 103 in the longitudinal axis direction of the base pipe 103. A lead film 115 electrically connected to the fuel cell 105 via an interconnector 107, and electrically connected to a fuel electrode 109 of a fuel cell 105 formed at the other end of the end (not shown). To be equipped.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAlなどを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極13Aに拡散させる。 Substrate tube 103 is made of a porous material, for example, CaO-stabilized ZrO 2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ + NiO) , or Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 and the like. The base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 is supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. It is diffused into the fuel electrode 13A formed on the outer peripheral surface of the.

燃料極13Aは、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50〜250μmである。この場合、燃料極13Aは、燃料極13Aの成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質する。また、燃料極13Aは、改質により得られる水素(H)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)及び二酸化炭素(CO)を生成する。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。SOFC13の燃料極13Aに供給し利用できる燃料ガスL2は、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどを燃料として運転される。本実施形態での燃料ガスL2は例えば都市ガスを使用し、メタンを主成分とする燃料ガスを用いている。 The fuel electrode 13A is composed of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni / YSZ is used. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 to 250 μm. In this case, in the fuel electrode 13A, Ni, which is a component of the fuel electrode 13A, has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts a fuel gas supplied via the substrate tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). .. Further, the fuel electrode 13A is an interface between hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2- ) supplied via the solid electrolyte 111 with the solid electrolyte 111. It reacts electrochemically in the vicinity to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electricity by the electrons emitted from the oxygen ions. The fuel gas L2 that can be supplied and used for the fuel electrode 13A of SOFC 13 is hydrocarbon gas such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ), city gas, natural gas, as well as oil. It is operated using gas produced from carbonaceous raw materials such as methanol and coal gas by a gasification facility as fuel. As the fuel gas L2 in the present embodiment, for example, city gas is used, and a fuel gas containing methane as a main component is used.

固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZとが主に用いられて構成されている。固体電解質111は、空気極13Bで生成される酸素イオン(O2−)を燃料極に移動させる。燃料極13Aの表面上に位置する固体電解質111の膜厚は10〜100μmである。 The solid electrolyte 111 is mainly composed of YSZ having airtightness that does not allow gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperature. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2- ) generated at the air electrode 13B to the fuel electrode. The film thickness of the solid electrolyte 111 located on the surface of the fuel electrode 13A is 10 to 100 μm.

空気極13Bは、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で構成される。この空気極13Bは、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化剤ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。空気極13Bは2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnOで表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。 The air electrode 13B is composed of, for example, a LaSrMnO 3- based oxide or a LaCoO 3- based oxide. The air electrode 13B dissociates oxygen in the supplied oxidant gas such as air in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111 to generate oxygen ions (O 2- ). The air electrode 13B may have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (air electrode intermediate layer) on the solid electrolyte 111 side is made of a material showing high ionic conductivity and excellent catalytic activity. The air electrode layer (air electrode conductive layer) on the air electrode intermediate layer may be composed of a perovskite-type oxide represented by Sr and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, the power generation performance can be further improved.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1−xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物などから構成される。インターコネクタ107は、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極13Bと他方の燃料電池セル105の燃料極13Aとを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続する。リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出する。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system. The interconnector 107 has a dense film so that the fuel gas and air do not mix with each other, and has stable durability and electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. In the adjacent fuel cell 105, the interconnector 107 electrically connects the air electrode 13B of one fuel cell 105 and the fuel electrode 13A of the other fuel cell 105, and the adjacent fuel cell 105 are connected to each other. Are connected in series. Since the lead film 115 needs to have electron conductivity and a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101, Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material are used. It is composed of a composite material. The lead film 115 derives the DC power generated by the plurality of fuel cell 105s connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

次に、図3及び図4を参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。図3は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示した図、図4は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図である。 Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a view showing one aspect of the SOFC module according to the present embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

SOFCモジュール201は、図3に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図3には円筒形のSOFCのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤ガスに対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 As shown in FIG. 3, the SOFC module 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 205 for accommodating the plurality of SOFC cartridges 203. Although FIG. 3 illustrates a cylindrical SOFC cell stack, this does not necessarily have to be the case, and for example, a flat cell stack may be used. Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 1 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C., it has a proof stress and corrosion resistance to an oxidant gas such as oxygen contained in the oxidizing gas. The material that owns is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

SOFCモジュール201は、燃料ガス供給部207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出部209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。更に、SOFCモジュール201は、空気供給部(不図示)と空気供給枝管(不図示)及び空気排出部(不図示)と複数の空気排出枝管(不図示)とを備える。 The SOFC module 201 includes a fuel gas supply unit 207 and a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, and a fuel gas discharge unit 209 and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. Further, the SOFC module 201 includes an air supply unit (not shown), an air supply branch pipe (not shown), an air discharge unit (not shown), and a plurality of air discharge branch pipes (not shown).

第2燃料ガス供給ライン41(図1参照)からの燃料ガスL2は、燃料ガス供給部207、複数の燃料ガス供給枝管207aを通じて複数のSOFCカートリッジ203に供給される。燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給部207を通じて供給される燃料ガスL2を複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させる。 The fuel gas L2 from the second fuel gas supply line 41 (see FIG. 1) is supplied to the plurality of SOFC cartridges 203 through the fuel gas supply unit 207 and the plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas L2 supplied through the fuel gas supply unit 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and substantially equalizes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203.

SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスL3は、燃料ガス排出枝管209a及び燃料ガス排出部209を通じることにより、略均等の流量で排燃料ガスライン43(図1参照)に導かれる。 The exhaust fuel gas L3 discharged from the SOFC cartridge 203 is guided to the exhaust fuel gas line 43 (see FIG. 1) at a substantially equal flow rate by passing through the fuel gas discharge branch pipe 209a and the fuel gas discharge unit 209.

本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず、例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様としてもよい。 In the present embodiment, a mode in which a plurality of SOFC cartridges 203 are assembled and stored in the pressure vessel 205 is described, but the present invention is not limited to this, and for example, the SOFC cartridge 203 is not assembled and is stored in the pressure vessel 205. It may be stored inside.

SOFCカートリッジ203は、図4に示すように、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給室217と、燃料ガス排出室219と、空気供給室221と、空気排出室223とを備えている。更に、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備えている。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給室217と燃料ガス排出室219と空気供給室221と空気排出室223とが図4のように配置されることで、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、その態様は必ずしもこの例に限られず、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または空気がセルスタックの長手軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 As shown in FIG. 4, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an air supply chamber 221 and an air discharge chamber 223. I have. Further, the SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulating body 227a, and a lower heat insulating body 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 is provided with the fuel gas by arranging the fuel gas supply chamber 217, the fuel gas discharge chamber 219, the air supply chamber 221 and the air discharge chamber 223 as shown in FIG. The structure is such that air as an oxidant gas flows opposite to the inside and outside of the cell stack 101, but the embodiment is not necessarily limited to this example, and for example, the inside and outside of the cell stack are parallel to each other. Or air may flow in a direction orthogonal to the longitudinal axis of the cell stack.

発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。例えば、発電室215のセルスタック101の長手方向の中央部付近の温度は、後述する温度センサ92などで監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、約700℃から1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is a region formed between the upper heat insulating body 227a and the lower heat insulating body 227b. The power generation chamber 215 is an area in which the fuel cell 105 of the cell stack 101 is arranged, and is an area in which fuel gas and air are electrochemically reacted to generate electricity. For example, the temperature near the central portion of the cell stack 101 in the power generation chamber 215 in the longitudinal direction is monitored by a temperature sensor 92 or the like, which will be described later, and becomes a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1000 ° C. during steady operation of the SOFC module 201.

燃料ガス供給室217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給室217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させる。 The fuel gas supply chamber 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper pipe plate 225a of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas supply branch pipe 207a is provided by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper part of the upper casing 229a. Is communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined to the upper pipe plate 225a by the seal member 237a, and the fuel gas supply chamber 217 receives the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a. It is guided inside the base tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, and the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 is substantially made uniform.

燃料ガス排出室219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの下部に備えられた燃料ガス排出孔231bによって、燃料ガス排出枝管209aと連通されている。複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出室219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出室219に供給される排燃料ガスL3を集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くことが出来る。 The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower pipe plate 225b of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas discharge branch pipe 209a is provided by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower part of the lower casing 229b. Is communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined by a lower pipe plate 225b and a sealing member 237b, and the fuel gas discharge chamber 219 passes through the inside of the base pipe 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219. The exhaust fuel gas L3 to be generated can be aggregated and guided to the fuel gas discharge branch pipe 209a through the fuel gas discharge hole 231b.

空気供給室221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと、下部管板225bと、下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた空気供給孔233aによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室221は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔233aを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間235aを介して発電室215に略均一流量で導くことが出来る。 The air supply chamber 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower pipe plate 225b, and the lower heat insulating body 227b of the SOFC cartridge 203, and is illustrated by the air supply hole 233a provided on the side surface of the lower casing 229b. Not communicated with the air supply branch pipe. The air supply chamber 221 can guide a predetermined flow rate of air supplied from an air supply branch pipe (not shown) through the air supply hole 233a to the power generation chamber 215 through the air supply gap 235a at a substantially uniform flow rate.

空気排出室223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと、上部管板225aと、上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた空気排出孔233bによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室223は、発電室215から、空気排出隙間235bを介して空気排出室223に供給される排空気を、空気排出孔233bを介して図示しない空気排出枝管に導くことが出来る。 The air discharge chamber 223 is an area surrounded by the upper casing 229a of the SOFC cartridge 203, the upper pipe plate 225a, and the upper heat insulating body 227a, and is illustrated by the air discharge holes 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. It is communicated with the air discharge branch pipe. The air discharge chamber 223 can guide the exhaust air supplied from the power generation chamber 215 to the air discharge chamber 223 through the air discharge gap 235b to an air discharge branch pipe (not shown) through the air discharge hole 233b.

発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けられたNi/YSZ等からなるリード膜115(図2参照)によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された電力は、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by a lead film 115 (see FIG. 2) made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cell 105, and then the SOFC cartridge. The current is collected by the current collecting rod (not shown) of 203 via the current collecting plate (not shown), and is taken out to the outside of each SOFC cartridge 203. The electric power led out to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is led out to the outside of the SOFC module 201, converted into predetermined AC power by an inverter (not shown) or the like, and supplied to the power load.

上述したように、本実施形態に係るSOFC13では、燃料ガスL2と空気A1とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排空気A2は、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスL2との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて空気排出室223に供給される。また、燃料ガスL2は、発電室215から排出される排空気A2との熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスL2を発電室215に供給することができる。更に、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスL3は、発電室215に供給される空気A1との間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室219に供給される。また、空気A1は排燃料ガスL3との熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された空気を発電室215に供給することができる。 As described above, in the SOFC 13 according to the present embodiment, the fuel gas L2 and the air A1 flow so as to face the inside and the outside of the cell stack 101. As a result, the exhaust air A2 exchanges heat with the fuel gas L2 supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base pipe 103, and the upper pipe plate 225a and the like made of a metal material are deformed such as buckling. It is cooled to a temperature that does not allow it to be supplied to the air discharge chamber 223. Further, the fuel gas L2 is heated by heat exchange with the exhaust air A2 discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas L2 preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like. Further, the exhaust fuel gas L3 that has passed through the inside of the base pipe 103 and passed through the power generation chamber 215 is heat-exchanged with the air A1 supplied to the power generation chamber 215, and the lower pipe plate 225b and the like made of a metal material are formed. It is cooled to a temperature at which it does not deform such as buckling and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219. Further, the air A1 is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas L3 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, air heated to a temperature required for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

また、図4に示すように、各SOFCカートリッジ203には少なくとも1つ以上の温度センサ92が配置されている。例えば、SOFC13が4つのSOFCカートリッジ203を備えて構成されている場合、少なくとも合計4つの温度センサが設けられていることとなる。温度センサ92は、少なくとも発電室215のセルスタック101の長手方向の中央領域に配置されている。本実施形態での中央領域とは、セルスタック101の長手方向における温度分布をとった場合に最も高温になる位置を含む領域とされ、セルスタック101の下部を0%、上部を100%とした場合、約30%から65%の範囲とされている。より好ましくは、中央領域は、約45%から55%の範囲とされている。
さらに、SOFC13には、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧を計測する差圧センサ90(図1参照)等の各種センサが設けられている。SOFC13の各部位に設けられた各種センサ90、92の計測値は、制御装置60に送信される。
Further, as shown in FIG. 4, at least one or more temperature sensors 92 are arranged in each SOFC cartridge 203. For example, when the SOFC 13 is configured to include four SOFC cartridges 203, at least a total of four temperature sensors will be provided. The temperature sensor 92 is arranged at least in the central region of the cell stack 101 in the power generation chamber 215 in the longitudinal direction. The central region in the present embodiment is a region including the position where the temperature becomes the highest when the temperature distribution in the longitudinal direction of the cell stack 101 is taken, and the lower portion of the cell stack 101 is 0% and the upper portion is 100%. In the case, it is in the range of about 30% to 65%. More preferably, the central region is in the range of about 45% to 55%.
Further, the SOFC 13 is provided with various sensors such as a differential pressure sensor 90 (see FIG. 1) that measures the differential pressure between the fuel pole 13A and the air pole 13B. The measured values of the various sensors 90 and 92 provided at each part of the SOFC 13 are transmitted to the control device 60.

また、発電システム10には、SOFC13の周囲の外気温度を計測する外気温度センサ94(図1参照)が設けられている。本実施形態において、外気温度センサ94は、MGT11の圧縮機21の吸入口付近に設けられ、圧縮機21に吸引される空気Aの温度を計測する。外気温度センサ94の計測値は、制御装置60に送信される。 Further, the power generation system 10 is provided with an outside air temperature sensor 94 (see FIG. 1) that measures the outside air temperature around the SOFC 13. In the present embodiment, the outside air temperature sensor 94 is provided near the suction port of the compressor 21 of the MGT 11 and measures the temperature of the air A sucked by the compressor 21. The measured value of the outside air temperature sensor 94 is transmitted to the control device 60.

さらに、発電システム10には、第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気温度(入口空気温度)を計測する温度センサ(不図示)、燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の温度を計測する温度センサ(不図示)等が設けられている。各温度センサの計測値は、制御装置60に送信される。 Further, the power generation system 10 includes a temperature sensor (not shown) that measures the air temperature (inlet air temperature) supplied to the SOFC 13 through the second air supply line 31, and the exhaust gas L3 that circulates in the fuel gas recirculation line 49. A temperature sensor (not shown) or the like for measuring the temperature of the air is provided. The measured value of each temperature sensor is transmitted to the control device 60.

制御装置60は、各種センサからの計測値や各制御弁の開度情報等を取得し、取得した情報に基づいて演算を行い、発電システム10の各部の動作を制御する。 The control device 60 acquires measured values from various sensors, opening degree information of each control valve, and the like, performs calculations based on the acquired information, and controls the operation of each part of the power generation system 10.

〔発電システムの運転方法〕
次に、上記構成を備える発電システム10において、制御装置60によって実行される制御について簡単に説明する。
[How to operate the power generation system]
Next, in the power generation system 10 having the above configuration, the control executed by the control device 60 will be briefly described.

発電システム10の起動時において、制御装置60は、まずMGT11を起動させ、MGT11の出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機21から供給される空気の一部をSOFC13に供給することで、SOFC13の空気極13Bを加圧していくことができる。また燃料極13Aは燃料ガスの改質反応が可能な所定温度に上昇するまでは、Nなどの不活性ガスにHなどの還元性ガスを加えた混合気体などを用いて、加圧してゆくことができる。また、SOFC13の空気極13Bに供給される空気A1は、熱交換器58により温度が300〜500℃に昇温されおり、空気A1に添加される燃料ガスL2の燃焼反応が生じるように空気極13Bが触媒として機能する温度まで発電室215を昇温させることが出来る。SOFC13が所定圧力まで加圧されると、遮断弁38を開としSOFC13とMGT11とを連結させ、SOFC13を経由してMGT11の燃焼器22に空気を供給するコンバインド状態に移行する。 At the time of starting the power generation system 10, the control device 60 first starts the MGT 11, stabilizes the output of the MGT 11 with a certain load, and then supplies a part of the air supplied from the compressor 21 to the SOFC 13. Then, the air electrode 13B of the SOFC 13 can be pressurized. Further, the fuel electrode 13A is pressurized by using a mixed gas or the like in which a reducing gas such as H 2 is added to an inert gas such as N 2 until the temperature rises to a predetermined temperature at which the reforming reaction of the fuel gas is possible. I can go. Further, the temperature of the air A1 supplied to the air electrode 13B of the SOFC 13 is raised to 300 to 500 ° C. by the heat exchanger 58, and the air electrode is such that the combustion reaction of the fuel gas L2 added to the air A1 occurs. The temperature of the power generation chamber 215 can be raised to a temperature at which 13B functions as a catalyst. When the SOFC 13 is pressurized to a predetermined pressure, the shutoff valve 38 is opened to connect the SOFC 13 and the MGT 11, and the state shifts to a combined state in which air is supplied to the combustor 22 of the MGT 11 via the SOFC 13.

コンバインド状態への移行後に、SOFC13を昇温するためにSOFC13に供給される空気流量を増加させ、SOFC13をバイパスして燃焼器22に供給される空気流量を減少させる。そして、ある一定時間後にSOFC13が発電を開始するまでは空気Aの全量がSOFC13を経由して燃焼器22に供給されるように制御して、SOFC13の出来るだけ均一な温度で早く昇温できるようにしてもよい。 After the transition to the combined state, the air flow rate supplied to the SOFC 13 to raise the temperature of the SOFC 13 is increased, and the air flow rate supplied to the combustor 22 by bypassing the SOFC 13 is decreased. Then, until the SOFC 13 starts power generation after a certain period of time, the entire amount of air A is controlled to be supplied to the combustor 22 via the SOFC 13 so that the temperature of the SOFC 13 can be raised as quickly as possible at a uniform temperature. It may be.

次に、本発明の一実施形態に係る制御装置60について、図を参照して説明する。
制御装置60は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、CPUと、CPUが実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
Next, the control device 60 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The control device 60 is, for example, a computer or a sequencer, and includes a CPU, a ROM (Read Only Memory) for storing programs executed by the CPU, and a RAM (Random Access Memory) that functions as a work area during execution of each program. ) Etc. are provided. A series of processing processes for realizing various functions described later is recorded in a recording medium or the like in the form of a program, and the CPU reads this program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. As a result, various functions described later are realized.

図5は、本実施形態に係る制御装置60が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図5に示すように、制御装置60は、SOFC13を制御するSOFC制御装置60aと、MGT11を制御するMGT制御装置60bとを備えている。SOFC制御装置60aとMGT制御装置60bとは情報の相互授受が可能とされている。 FIG. 5 is a functional block diagram showing an expanded function of the control device 60 according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the control device 60 includes an SOFC control device 60a for controlling the SOFC 13 and an MGT control device 60b for controlling the MGT 11. Information can be exchanged between the SOFC control device 60a and the MGT control device 60b.

SOFC制御装置60aは、SOFC13の起動時に、第1昇温モード、第2昇温モード、及び負荷上昇モードを順に実行し、発電室温度を定格温度まで上昇させるとともに、目標負荷まで負荷を上昇させる。 When the SOFC 13 is started, the SOFC control device 60a executes the first temperature rise mode, the second temperature rise mode, and the load rise mode in order to raise the power generation chamber temperature to the rated temperature and raise the load to the target load. ..

まず、第1昇温モードでは、熱交換器58による熱交換によって加熱された空気A1を空気極13Bに供給することにより、発電室215を昇温させる。第1昇温モードにより、発電室温度が第1温度閾値Tth1に到達すると、第1昇温モードから第2昇温モードに切り替える。ここで、第1温度閾値は、空気極13Bが可燃性ガスとしての燃料ガスL2との燃焼反応に対して触媒として機能する温度であり、例えば、約400℃から450℃の範囲で設定されている。 First, in the first temperature raising mode, the temperature of the power generation chamber 215 is raised by supplying the air A1 heated by the heat exchange by the heat exchanger 58 to the air electrode 13B. When the temperature of the power generation chamber reaches the first temperature threshold value Tth1 by the first temperature raising mode, the first temperature rising mode is switched to the second temperature rising mode. Here, the first temperature threshold is a temperature at which the air electrode 13B functions as a catalyst for the combustion reaction with the fuel gas L2 as a flammable gas, and is set, for example, in the range of about 400 ° C. to 450 ° C. There is.

第2昇温モードでは、第1昇温モードと同様に空気極13Bに空気A1を供給するとともに、制御弁82を開くことにより、空気極燃料供給ライン80により燃料ガスL2を空気A1に添加する。空気A1と燃料ガスL2とが流入した空気極13Bでは、空気極13Bの触媒作用によって燃料ガスL2が空気極13B上で触媒燃焼し、燃焼熱が発生する。このように、第2昇温モードでは、触媒燃焼による発熱を用いて発電室温度を上昇させる。
第2昇温モードにおいて、SOFC制御装置60aは、発電室温度の温度変化率が上限値を超えないように、燃料ガスL2の流量を制御する。また、SOFC制御装置60aは、発電室温度に応じて、バイパスライン62の制御弁66によりSOFC13の空気極13Bへ供給する空気A1の入口空気温度を制御する。
SOFC制御装置60aは、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達すると、第2昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。
In the second temperature rising mode, the air A1 is supplied to the air electrode 13B as in the first temperature rising mode, and the fuel gas L2 is added to the air A1 by the air electrode fuel supply line 80 by opening the control valve 82. .. In the air electrode 13B into which the air A1 and the fuel gas L2 have flowed in, the fuel gas L2 is catalytically burned on the air electrode 13B by the catalytic action of the air electrode 13B, and combustion heat is generated. In this way, in the second temperature rising mode, the temperature of the power generation chamber is raised by using the heat generated by the catalyst combustion.
In the second temperature rising mode, the SOFC control device 60a controls the flow rate of the fuel gas L2 so that the temperature change rate of the power generation chamber temperature does not exceed the upper limit value. Further, the SOFC control device 60a controls the inlet air temperature of the air A1 supplied to the air electrode 13B of the SOFC 13 by the control valve 66 of the bypass line 62 according to the temperature of the power generation chamber.
When the power generation chamber temperature reaches the second temperature threshold value Tth2, the SOFC control device 60a switches from the second temperature rise mode to the load increase mode.

負荷上昇モードでは、負荷上昇中の発電による自己発熱のみで発電室温度を上昇させることも可能であるが、昇温に長い時間を要してしまうため、第1昇温モードと同様に空気極13Bに空気A1を供給するとともに、燃料極13Aに第2燃料ガス供給ライン41から燃料ガスL2と純水供給ライン44から純水を供給し、発電を開始する。負荷上昇モードでは、空気極13Bに燃料ガスL2を供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電による発熱との両方によって発電室温度を上昇させる。負荷上昇モードでは、SOFC13の発電室温度が発電による自己発熱で温度維持が出来るまで温度上昇をした後は、空気極13Bへ供給される燃料ガスL2の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極13Bへの燃料ガスL2の供給がゼロになるように制御される。また、負荷上昇モードでは、空気極の触媒燃焼およびSOFC13に負荷をかけて発電することによる発熱で発電室温度が上昇するが、負荷上昇に対して発電室温度は遅れて上昇する。 In the load increase mode, it is possible to raise the temperature of the power generation room only by self-heating due to the power generation during the load increase, but since it takes a long time to raise the temperature, the air electrode is the same as in the first temperature rise mode. Air A1 is supplied to 13B, and fuel gas L2 and pure water supply line 44 are supplied to the fuel electrode 13A from the second fuel gas supply line 41 to start power generation. In the load increase mode, the temperature of the power generation chamber is raised by both the heat generated by the catalyst combustion by supplying the fuel gas L2 to the air electrode 13B and the heat generated by the power generation. In the load increase mode, after the temperature of the power generation room of the SOFC 13 rises until the temperature can be maintained by self-heating due to power generation, the supply amount of the fuel gas L2 supplied to the air electrode 13B is gradually reduced. The supply of the fuel gas L2 to the air electrode 13B is controlled to be zero at the same time when the load is reached. Further, in the load increase mode, the temperature of the power generation chamber rises due to the catalytic combustion of the air electrode and the heat generated by applying a load to the SOFC 13, but the temperature of the power generation chamber rises later than the load rise.

上記第2温度閾値Tth2は、例えば、750℃以上に設定されている。これは、燃料電池セル105が十分な温度に達していないときに燃料極13A側に燃料ガスL2を投入してしまうと、固体電解質111(図2参照)が高抵抗状態のときに燃料電池セル105を発電させると、電極構成材料が組織変化して劣化し、燃料電池セル105の性能低下の要因になるからである。発電室温度が750℃以上であれば上記のような燃料電池セル105の性能低下が起きにくいため、第2温度閾値Tth2は750℃付近に設定されることが好ましい。
負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達すると、起動完了となる。発電室目標温度TtagはSOFC13が発電による発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば800〜950℃で設定される。
The second temperature threshold value Tth2 is set to, for example, 750 ° C. or higher. This is because if the fuel gas L2 is charged to the fuel electrode 13A side when the fuel cell 105 has not reached a sufficient temperature, the fuel cell when the solid electrolyte 111 (see FIG. 2) is in a high resistance state. This is because when the 105 is generated, the electrode constituent material is structurally changed and deteriorated, which causes a deterioration in the performance of the fuel cell 105. If the power generation chamber temperature is 750 ° C. or higher, the performance deterioration of the fuel cell 105 as described above is unlikely to occur. Therefore, the second temperature threshold value Tth2 is preferably set to around 750 ° C.
In the load increase mode, when the power generation room temperature reaches the power generation room target temperature Ttag and the load reaches the target load such as the rated load, the start-up is completed. The target temperature Ttag of the power generation room is equal to or higher than the temperature at which the SOFC 13 can maintain the temperature by self-heating due to the heat generated by the power generation, and is set at, for example, 800 to 950 ° C.

次に、SOFC制御装置60aによって実行される起動時の制御について、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、特に本発明の特徴部分である第2昇温モード及び負荷上昇モードについて説明する。 Next, the control at startup executed by the SOFC control device 60a will be specifically described with reference to the drawings. Here, a second temperature rising mode and a load rising mode, which are characteristic parts of the present invention, will be described in particular.

図6は、本発明の一実施形態に係るSOFC制御装置60aの第2昇温モード及び負荷上昇モード時における機能を展開して示した機能ブロック図である。
図6に示すように、SOFC制御装置60aは、負荷上昇制御部4と、温度上昇制御部5とを備えている。
FIG. 6 is a functional block diagram showing the functions of the SOFC control device 60a according to the embodiment of the present invention in the second temperature rising mode and the load rising mode.
As shown in FIG. 6, the SOFC control device 60a includes a load increase control unit 4 and a temperature increase control unit 5.

まず、負荷上昇制御部4について説明する。負荷上昇制御部4は、図7に示すように、目標負荷設定部51、出力電流指令設定部52、制御指令設定部53、及び制御部54を備えている。目標負荷設定部51は、外気温度とSOFC13の目標負荷(=目標出力電流)とが関連付けられた目標負荷情報を有している。目標負荷設定部51は、外気温度センサ94によって計測された外気温度に対応する目標負荷の値を目標負荷情報から取得し、目標負荷として設定する。 First, the load increase control unit 4 will be described. As shown in FIG. 7, the load increase control unit 4 includes a target load setting unit 51, an output current command setting unit 52, a control command setting unit 53, and a control unit 54. The target load setting unit 51 has target load information in which the outside air temperature and the target load (= target output current) of the SOFC 13 are associated with each other. The target load setting unit 51 acquires the value of the target load corresponding to the outside air temperature measured by the outside air temperature sensor 94 from the target load information and sets it as the target load.

図8は目標負荷情報の一例を示した図である。図8において、横軸は外気温度、縦軸は目標負荷(=目標出力電流)を示している。目標負荷情報は、例えば、事前にシミュレーションまたは実機試験等の結果に基づいて作成されたものであり、制御弁65の弁開度を全閉にしたとき、換言すると、空気極13Bに供給される空気A1の流量を最大に設定したときに、SOFC13が出力し得る最大負荷(最大出力電流)の値が外気温度に対応付けられて設定されている。制御弁65等の弁開度が同じ場合、換言すると、流量が同じでも、外気温度が異なる場合には、空気密度が変わるためにSOFC13の発電室215に供給される空気量が変化する。例えば、外気温度が低いと空気密度が高くなり、MGT11の圧縮機21の吐出空気流量が多くなる。発電室215に供給される空気A1は冷却剤として機能するため、空気量が多いほどSOFC13が出力し得る最大負荷を大きくすることが可能となる。このような理由から、目標負荷情報は、図7に示すように、外気温度が低いほど、目標負荷が大きくなる特性とされている。 FIG. 8 is a diagram showing an example of target load information. In FIG. 8, the horizontal axis represents the outside air temperature, and the vertical axis represents the target load (= target output current). The target load information is, for example, created in advance based on the results of a simulation or an actual machine test, and is supplied to the air electrode 13B when the valve opening of the control valve 65 is fully closed. When the flow rate of the air A1 is set to the maximum, the value of the maximum load (maximum output current) that the SOFC 13 can output is set in association with the outside air temperature. When the valve opening degree of the control valve 65 or the like is the same, in other words, when the flow rate is the same but the outside air temperature is different, the amount of air supplied to the power generation chamber 215 of the SOFC 13 changes because the air density changes. For example, when the outside air temperature is low, the air density becomes high, and the discharge air flow rate of the compressor 21 of the MGT 11 increases. Since the air A1 supplied to the power generation chamber 215 functions as a coolant, the larger the amount of air, the larger the maximum load that the SOFC 13 can output. For this reason, as shown in FIG. 7, the target load information has a characteristic that the lower the outside air temperature, the larger the target load.

また、目標負荷情報は、図8に点線で示すように、外気温度から決定される目標負荷に対して所定の裕度を持たせることとしてもよい。SOFC13の負荷変化等で発電室温度が変化する際に、発電室温度は温度分布を保有する場合がある。このように所定の裕度を持たせることにより、発電室内の一部の温度がSOFC13の一部の部材等の耐熱温度から決定される温度上限値を超えることを極力回避することが可能となる。ここでの裕度は、本実施形態では、例えば、目標負荷(=目標出力電流)に対して約0.5%以下の範囲で設定される。裕度が0.5%を超え、更には1%を超えると目標負荷(=目標出力電流)に対して到達する電流値が少なくなり、出来るだけSOFC13の出力を多くしたい目的から外れるので好ましくない。また0.1%を下回ると、流量制御装置(マスフローコントローラなど)などの制御誤差範囲内になり実質的な裕度にならないので好ましくない。 Further, as shown by the dotted line in FIG. 8, the target load information may have a predetermined margin with respect to the target load determined from the outside air temperature. When the temperature of the power generation chamber changes due to a change in the load of the SOFC 13, the temperature of the power generation chamber may have a temperature distribution. By providing a predetermined margin in this way, it is possible to prevent the temperature of a part of the power generation chamber from exceeding the temperature upper limit value determined from the heat resistant temperature of some members of the SOFC 13 as much as possible. .. In the present embodiment, the margin here is set in the range of about 0.5% or less with respect to the target load (= target output current), for example. If the margin exceeds 0.5% and further exceeds 1%, the current value reached with respect to the target load (= target output current) decreases, which is not preferable because it deviates from the purpose of increasing the output of SOFC13 as much as possible. .. Further, if it is less than 0.1%, it is not preferable because it falls within the control error range of a flow rate control device (mass flow controller, etc.) and does not have a substantial margin.

出力電流指令設定部52は、目標負荷から決まる目標出力電流に基づいて所定の電流変化率で出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する。電流変化率を設けないと、瞬時に電流が変化することになり各制御量の応答追従が出来ず、一時的に燃料ガスが過多もしくは欠乏となり、発電システム10の運転が不安定となる、SOFCカートリッジ203が損傷するなどの可能性がある。ここで電流変化率とは、電流変化量(電流の増加量)の時間当たりの勾配を示す。
具体的には、出力電流指令設定部52は、出力電流指令が電流閾値以下の電流範囲では、第1電流変化率(例えば、定格電流の5%/min)で出力電流指令を設定し、出力電流指令が電流閾値に到達した場合に、ゼロ以上、かつ、第1電流変化率よりも小さな値に設定されている第2電流変化率(例えば、定格電流の0%(0A)/min)を用いて出力電流指令を設定し、更に、出力電流指令が電流閾値に到達してから所定期間経過した後においては、第2電流変化率よりも大きい値に設定されている第3電流変化率(例えば、定格電流の0.5%/min)を用いて出力電流指令を設定する。
The output current command setting unit 52 sets the output current command at a predetermined repetition time interval at a predetermined current change rate based on the target output current determined from the target load. If the current change rate is not provided, the current will change instantaneously, the response of each control amount cannot be followed, the fuel gas will temporarily become excessive or deficient, and the operation of the power generation system 10 will become unstable. SOFC There is a possibility that the cartridge 203 will be damaged. Here, the current change rate indicates the gradient of the current change amount (current increase amount) per hour.
Specifically, the output current command setting unit 52 sets the output current command at the first current change rate (for example, 5% / min of the rated current) in the current range where the output current command is equal to or less than the current threshold, and outputs the output. When the current command reaches the current threshold, the second current change rate (for example, 0% (0A) / min of the rated current) set to zero or more and smaller than the first current change rate is set. The output current command is set by using the third current change rate (3rd current change rate), which is set to a value larger than the second current change rate after a predetermined period of time has elapsed after the output current command reaches the current threshold. For example, the output current command is set using 0.5% / min of the rated current).

上記電流閾値は、第1電流変化率に応じて設定される。具体的には、図9に示すように、第1電流変化率と差分ΔIとが関連付けられた情報を用いて第1電流変化率に対応する差分ΔIを取得する。例えば、第1電流変化率が定格電流の5%/minに設定されている場合、差分αを取得する。そして、目標出力電流からこのαを減算することにより、電流閾値を求める。すなわち、この場合、電流閾値=(目標出力電流−α)に設定される。
また、所定期間は、第1電流変化率で出力電流指令を設定した場合の発電室温度の応答遅れに応じて設定される。
The current threshold value is set according to the first current change rate. Specifically, as shown in FIG. 9, the difference ΔI corresponding to the first current change rate is acquired by using the information associated with the first current change rate and the difference ΔI. For example, when the first current change rate is set to 5% / min of the rated current, the difference α is acquired. Then, the current threshold value is obtained by subtracting this α from the target output current. That is, in this case, the current threshold value = (target output current −α) is set.
Further, the predetermined period is set according to the response delay of the power generation room temperature when the output current command is set at the first current change rate.

制御指令設定部53は、出力電流指令設定部52によって設定される出力電流指令を用いてSOFC13の負荷を変化させるための複数の制御系の制御指令を設定する。ここで指令は、個々の制御指令を出して制御量である発電室温度や出力電流の変化が安定してから次の制御指令を出すのではなく、ほぼ同時に制御指令を出すようにする。例えば、制御指令設定部53は、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量指令を設定する第1燃料ガス流量設定部53a、空気極13Bに供給する空気A1の入口温度指令を設定する入口空気温度設定部53b、MGT出力指令を設定するMGT出力設定部53c、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧指令を設定する差圧設定部53d、再循環ブロワ50の回転数指令を設定する再循環流量設定部53e、及び燃料極13Aに供給する純水の流量指令を設定する純水流量設定部53fを備えている。 The control command setting unit 53 sets a plurality of control system control commands for changing the load of the SOFC 13 by using the output current command set by the output current command setting unit 52. Here, instead of issuing individual control commands and issuing the next control command after the changes in the power generation chamber temperature and output current, which are the control amounts, have stabilized, the control commands are issued almost at the same time. For example, the control command setting unit 53 sets the flow rate command of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A, the first fuel gas flow rate setting unit 53a, and the inlet air for setting the inlet temperature command of the air A1 supplied to the air electrode 13B. Temperature setting unit 53b, MGT output setting unit 53c for setting MGT output command, differential pressure setting unit 53d for setting differential pressure command between fuel electrode 13A and air electrode 13B, recirculation blower 50 for setting rotation rate command It includes a circulation flow rate setting unit 53e and a pure water flow rate setting unit 53f for setting a flow rate command of pure water to be supplied to the fuel electrode 13A.

第1燃料ガス流量設定部53aは、例えば、図10に示すように、出力電流指令と燃料ガスL2の流量とが関連付けられた第1燃料ガス流量情報を有しており、第1燃料ガス流量情報から出力電流指令に対応する燃料ガスL2の流量を取得し、取得した燃料ガスL2の流量を第1燃料ガス流量指令として設定する。
入口空気温度設定部53bは、例えば、図11に示すように、出力電流指令とSOFC13の空気極13Bへの入口空気温度とが関連付けられた入口空気温度情報を有しており、入口空気温度情報から出力電流指令に対応する入口空気温度を取得し、取得した入口空気温度を入口空気温度指令として設定する。
MGT出力設定部53cは、例えば、図12に示すように、出力電流指令とMGT出力とが関連付けられたMGT出力情報を有しており、MGT出力情報から出力電流指令に対応するMGT出力を取得し、取得したMGT出力をMGT出力指令として設定する。ここで、MGT出力情報は、MGT11の圧縮機21に吸気する外気温度に応じてそれぞれ設定されていてもよい。外気温度は例えば外気温度センサ94により計測される。例えば、MGT出力情報は、吸気する外気温度の低下に伴って、同じ出力電流指令に対するMGT出力が高くなるように設定される。これは、外気温度が低いほど、圧縮機21で送風する空気Aの流量が増加し、燃焼器22からの燃焼ガスGの流量が増加させることが可能だからである。
As shown in FIG. 10, for example, the first fuel gas flow rate setting unit 53a has the first fuel gas flow rate information in which the output current command and the flow rate of the fuel gas L2 are associated with each other, and the first fuel gas flow rate. The flow rate of the fuel gas L2 corresponding to the output current command is acquired from the information, and the acquired flow rate of the fuel gas L2 is set as the first fuel gas flow rate command.
As shown in FIG. 11, the inlet air temperature setting unit 53b has inlet air temperature information in which the output current command and the inlet air temperature of the SOFC 13 to the air electrode 13B are associated with each other, and the inlet air temperature information. The inlet air temperature corresponding to the output current command is acquired from, and the acquired inlet air temperature is set as the inlet air temperature command.
As shown in FIG. 12, the MGT output setting unit 53c has MGT output information in which the output current command and the MGT output are associated with each other, and acquires the MGT output corresponding to the output current command from the MGT output information. Then, the acquired MGT output is set as the MGT output command. Here, the MGT output information may be set according to the outside air temperature taken into the compressor 21 of the MGT 11. The outside air temperature is measured by, for example, the outside air temperature sensor 94. For example, the MGT output information is set so that the MGT output for the same output current command increases as the intake outside air temperature decreases. This is because the lower the outside air temperature, the higher the flow rate of the air A blown by the compressor 21, and the more the flow rate of the combustion gas G from the combustor 22 can be increased.

差圧設定部53dは、例えば、図13に示すように、出力電流指令と燃料極13Aと空気極13Bとの間の差圧である燃料空気差圧とが関連付けられた差圧情報を有しており、差圧情報から出力電流指令に対応する燃料空気差圧を取得し、取得した燃料空気差圧を燃料空気差圧指令として設定する。
再循環流量設定部53eは、例えば、図14に示すように、出力電流指令とブロワ回転数とが関連付けられた回転数情報を有しており、ブロワ回転数により燃料ガス再循環ライン49の排燃料ガスL3の一部を再循環させる流量を制御する。回転数情報から出力電流指令に対応するブロワ回転数を取得し、取得したブロワ回転数をブロワ回転数指令として設定する。ここで、回転数情報は、MGTの吸気する外気温度に応じて設定されていてもよい。例えば、図8のように外気温度によりSOFC目標負荷が変わる。外気温度が低くなるとSOFC目標負荷が上昇するので、SOFCへ供給する空気流量が増加し系内圧力が上昇する。それにより再循環ガス密度が上昇するので、外気温度が低い時は、外気温度が高い時と同じ再循環流量とするために必要なブロワ回転数は低くなるよう設定する。
For example, as shown in FIG. 13, the differential pressure setting unit 53d has differential pressure information in which the output current command and the fuel air differential pressure, which is the differential pressure between the fuel pole 13A and the air pole 13B, are associated with each other. The fuel air differential pressure corresponding to the output current command is acquired from the differential pressure information, and the acquired fuel air differential pressure is set as the fuel air differential pressure command.
For example, as shown in FIG. 14, the recirculation flow rate setting unit 53e has rotation speed information associated with the output current command and the blower rotation speed, and discharges the fuel gas recirculation line 49 according to the blower rotation speed. The flow rate for recirculating a part of the fuel gas L3 is controlled. The blower rotation speed corresponding to the output current command is acquired from the rotation speed information, and the acquired blower rotation speed is set as the blower rotation speed command. Here, the rotation speed information may be set according to the outside air temperature taken in by the MGT. For example, as shown in FIG. 8, the SOFC target load changes depending on the outside air temperature. When the outside air temperature becomes low, the SOFC target load rises, so that the air flow rate supplied to the SOFC increases and the pressure inside the system rises. As a result, the recirculation gas density increases, so when the outside air temperature is low, the blower rotation speed required to achieve the same recirculation flow rate as when the outside air temperature is high is set to be low.

純水流量設定部53fは、例えば、図15に示すように、出力電流指令と純水流量とが関連付けられた純水流量情報を有しており、純水流量情報から出力電流指令に対応する純水流量を取得し、取得した純水流量を純水流量指令として設定する。出力電流を増加させる場合、SOFC負荷が増加し、燃料ガス再循環ライン49から供給される水蒸気の供給量も増加する。このため、改質に必要な水蒸気の大部分を燃料ガス再循環ライン49から供給される水蒸気によって賄うことができ、外部から供給が必要な純水流量は減少する。また所定のSOFC負荷となる出力電流以上では、燃料ガス再循環ライン49から改質に必要な全ての蒸気が供給されるので、純水の供給は不要となる。 As shown in FIG. 15, for example, the pure water flow rate setting unit 53f has pure water flow rate information in which the output current command and the pure water flow rate are associated with each other, and corresponds to the output current command from the pure water flow rate information. Acquire the pure water flow rate and set the acquired pure water flow rate as the pure water flow rate command. When the output current is increased, the SOFC load increases, and the amount of water vapor supplied from the fuel gas recirculation line 49 also increases. Therefore, most of the steam required for reforming can be covered by the steam supplied from the fuel gas recirculation line 49, and the flow rate of pure water required to be supplied from the outside is reduced. Further, when the output current is equal to or higher than the predetermined SOFC load, all the steam required for reforming is supplied from the fuel gas recirculation line 49, so that the supply of pure water becomes unnecessary.

制御部54は、第1燃料ガス流量制御部54a、入口空気温度制御部54b、MGT出力制御部54c、差圧制御部54d、再循環流量制御部54e、純水流量制御部54fを備えている。
第1燃料ガス流量制御部54aは、第1燃料ガス流量設定部53aからの第1燃料ガス流量指令に基づいて制御弁42の弁開度を制御することにより、燃料極13Aに供給する燃料ガス量を調整する。
入口空気温度制御部54bは、入口空気温度設定部53bからの入口空気温度指令に基づいて制御弁64、66の弁開度を調整することにより、空気極13Bに供給される空気A1の入口温度を制御する。
MGT出力制御部54cは、MGT出力設定部53cからのMGT出力指令に基づいて、主に制御弁65及び制御弁70の弁開度を調整することにより、MGT出力を制御する。
The control unit 54 includes a first fuel gas flow rate control unit 54a, an inlet air temperature control unit 54b, an MGT output control unit 54c, a differential pressure control unit 54d, a recirculation flow rate control unit 54e, and a pure water flow rate control unit 54f. ..
The first fuel gas flow rate control unit 54a controls the valve opening degree of the control valve 42 based on the first fuel gas flow rate command from the first fuel gas flow rate setting unit 53a, thereby supplying the fuel gas to the fuel electrode 13A. Adjust the amount.
The inlet air temperature control unit 54b adjusts the valve opening degrees of the control valves 64 and 66 based on the inlet air temperature command from the inlet air temperature setting unit 53b, so that the inlet temperature of the air A1 supplied to the air electrode 13B is adjusted. To control.
The MGT output control unit 54c controls the MGT output mainly by adjusting the valve openings of the control valve 65 and the control valve 70 based on the MGT output command from the MGT output setting unit 53c.

差圧制御部54dは、差圧設定部53dからの燃料空気差圧指令に基づいて、排燃料ガス供給ライン45に設けられている制御弁47の弁開度を調整することにより燃料極13A側が空気極13B側より所定の範囲(例えば、0.1〜1kPa)で高くなるように、発電室215の燃料空気差圧を制御する。
再循環流量制御部54eは、再循環流量設定部53eからのブロワ回転数指令に基づいて再循環ブロワ50の回転数を制御することにより、燃料極13Aに供給する排燃料ガス量を制御する。
純水流量制御部54fは、純水流量設定部53fからの純水流量指令に基づいてポンプ48の吐出流量を調整することにより、燃料極13Aに供給する純水量を制御する。
The differential pressure control unit 54d adjusts the valve opening degree of the control valve 47 provided in the exhaust fuel gas supply line 45 based on the fuel air differential pressure command from the differential pressure setting unit 53d, so that the fuel electrode 13A side is set. The fuel air differential pressure in the power generation chamber 215 is controlled so as to be higher in a predetermined range (for example, 0.1 to 1 kPa) from the air electrode 13B side.
The recirculation flow rate control unit 54e controls the amount of exhaust fuel gas supplied to the fuel electrode 13A by controlling the rotation speed of the recirculation blower 50 based on the blower rotation speed command from the recirculation flow rate setting unit 53e.
The pure water flow rate control unit 54f controls the amount of pure water supplied to the fuel electrode 13A by adjusting the discharge flow rate of the pump 48 based on the pure water flow rate command from the pure water flow rate setting unit 53f.

上記第1燃料ガス流量制御部54a、入口空気温度制御部54b、MGT出力制御部54c、差圧制御部54d、再循環流量制御部54e、純水流量制御部54fのうち少なくとも2つの制御系に対しては、ほぼ同時に制御指令が出され、例えば、入力された各指令に基づいてフィードバック制御やフィードフォワード制御を行うことにより、各種制御量を制御指令に一致させる制御を行う。なお、これらの制御については公知の技術を適宜適用すればよいため、詳細な説明は省略する。例えば、各種制御系の制御指令における各種操作量は、事前に図10から図15に示すような特性を用いたシミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいて作成してもよい。このようにすることで、ほぼ同時に複数の制御系に対して制御指令を出しても、各制御量が適切な制御の下に安定して指令値へと近づいてゆき、SOFC13の発電室温度や負荷(出力電流)を目標値へと安定して近づけることが可能となる。 For at least two control systems of the first fuel gas flow rate control unit 54a, inlet air temperature control unit 54b, MGT output control unit 54c, differential pressure control unit 54d, recirculation flow rate control unit 54e, and pure water flow rate control unit 54f. On the other hand, control commands are issued almost at the same time. For example, feedback control and feedforward control are performed based on each input command to control various control amounts to match the control commands. Since known techniques may be appropriately applied to these controls, detailed description thereof will be omitted. For example, various manipulated variables in the control commands of various control systems may be created in advance based on the results of a simulation or an actual machine test using the characteristics shown in FIGS. 10 to 15. By doing so, even if control commands are issued to a plurality of control systems almost at the same time, each control amount stably approaches the command value under appropriate control, and the temperature of the power generation room of SOFC 13 and the like. It is possible to stably approach the load (output current) to the target value.

次に、負荷上昇制御部4によって実行される負荷上昇モード時の制御について、図16を参照して説明する。図16は、負荷上昇モードにおける制御手順を示したフローチャートである。負荷上昇モードは、上述した第2昇温モードにおいて、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達したときに開始される制御モードである。 Next, the control in the load increase mode executed by the load increase control unit 4 will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a flowchart showing a control procedure in the load increase mode. The load increase mode is a control mode that is started when the temperature of the power generation chamber reaches the second temperature threshold value Tth2 in the second temperature rise mode described above.

まず、目標負荷設定部51によって外気温度に基づいて図7に示した目標負荷情報から目標負荷(=目標出力電流)が設定される(ステップSA1)。続いて、出力電流指令設定部52によって、所定の電流変化率を用いて、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令が設定される(ステップSA2)。ここで、所定の電流変化率は、出力電流指令に応じて変化する。具体的には、出力電流指令が上述した電流閾値以下の場合には、第1電流変化率を用いて出力電流指令が設定され、出力電流指令が電流閾値に到達してから所定期間経過するまでは第2電流変化率を用いて出力電流指令が設定され、出力電流指令が電流閾値に到達してから所定期間経過後においては、第3電流変化率を用いて出力電流指令が設定される。ここで所定時間は、発電室温度の応答遅れを考慮して、シミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいて適切な値を設定したものである。 First, the target load setting unit 51 sets the target load (= target output current) from the target load information shown in FIG. 7 based on the outside air temperature (step SA1). Subsequently, the output current command setting unit 52 sets an output current command from the target output current corresponding to the target load using a predetermined current change rate (step SA2). Here, the predetermined current change rate changes according to the output current command. Specifically, when the output current command is equal to or less than the above-mentioned current threshold, the output current command is set using the first current change rate, and until a predetermined period elapses after the output current command reaches the current threshold. The output current command is set using the second current change rate, and the output current command is set using the third current change rate after a predetermined period has elapsed after the output current command reaches the current threshold. Here, the predetermined time is set to an appropriate value based on the result of a simulation or an actual machine test in consideration of the response delay of the temperature of the power generation room.

続いて、制御指令設定部53により、設定された出力電流指令に基づいて各制御系の制御指令が設定される(ステップSA3)。そして、制御部54により、設定された各種制御指令に基づく各制御系の操作量がほぼ同時期に制御される(ステップSA4)。これにより、各種制御系の制御量が目標負荷に向けてほぼ同時期に変化することとなる。続いて、出力電流指令が目標負荷に対応する目標出力電流以上であるか否かを判断する(ステップSA5)。この結果、出力電流指令が目標出力電流未満であれば(ステップSA5において「NO」)、所定時間経過後にステップSA2に戻り、目標負荷に基づく出力電流指令が再度設定され、新たに設定された出力電流指令に基づいて以降のステップが順次行われる。ステップSA5の判断は、所定の繰り返し時間間隔で行われ、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令の設定も、所定の繰り返し時間間隔で行われる。これにより、各種制御系の制御指令が所定の繰り返し時間間隔で適切に行われ、これに基づいて、各制御系の制御をほぼ同時期に行うことができ、各制御量が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。ここで、所定の繰り返し時間間隔とは、ステップSA2からステップSA5までの各処理の制御を実行するのに必要な時間である。 Subsequently, the control command setting unit 53 sets a control command for each control system based on the set output current command (step SA3). Then, the control unit 54 controls the operation amount of each control system based on the set various control commands at substantially the same time (step SA4). As a result, the control amount of various control systems changes toward the target load at about the same time. Subsequently, it is determined whether or not the output current command is equal to or greater than the target output current corresponding to the target load (step SA5). As a result, if the output current command is less than the target output current (“NO” in step SA5), the process returns to step SA2 after a predetermined time elapses, the output current command based on the target load is set again, and the newly set output is output. Subsequent steps are performed sequentially based on the current command. The determination in step SA5 is performed at predetermined repetition time intervals, and the setting of the output current command from the target output current corresponding to the target load is also performed at predetermined repetition time intervals. As a result, control commands of various control systems are appropriately executed at predetermined repetition time intervals, and based on this, control of each control system can be performed at approximately the same time, and time until each control amount stabilizes. Can be shortened. Here, the predetermined repetition time interval is the time required to execute the control of each process from step SA2 to step SA5.

このようにして、ステップSA2〜SA5を繰り返し行うことにより、徐々に出力電流が目標出力電流に向けて変化し、出力電流が目標出力電流に到達すると、ステップSA5において「YES」と判断され、本制御を終了する。出力電流が目標出力電流に到達したのちは、出力電流を目標出力電流で維持するような制御が行われる。 By repeating steps SA2 to SA5 in this way, the output current gradually changes toward the target output current, and when the output current reaches the target output current, it is determined as "YES" in step SA5. End control. After the output current reaches the target output current, control is performed so that the output current is maintained at the target output current.

上述のように、本実施形態に係る負荷上昇制御部4によれば、出力電流指令設定部52が出力電流指令に応じて設定される電流変化率を用いて出力電流指令を設定する。具体的には、図17に示すように、出力電流指令が電流閾値以下の電流範囲の場合には、第1電流変化率を用いて出力電流指令が設定され、出力電流指令が電流閾値に到達してから所定期間経過するまでは第2電流変化率を用いて出力電流指令が設定され、出力電流指令の変化幅として電流閾値に到達してから所定期間経過後においては、第3電流変化率を用いて出力電流指令が設定される。これにより、出力電流指令が電流閾値以下の電流範囲においては、比較的大きな電流変化率を用いて出力電流指令を設定するので、出力電流指令が電流閾値に到達するまでの時間を比較的短くすることができる。また、出力電流指令の変化幅として電流閾値に到達してから所定期間においては、第2電流変化率を用いて出力電流指令を設定することにより、非常に緩やかに、あるいは、出力電流指令の上昇を一旦停止させる。 As described above, according to the load increase control unit 4 according to the present embodiment, the output current command setting unit 52 sets the output current command using the current change rate set according to the output current command. Specifically, as shown in FIG. 17, when the output current command is in the current range equal to or less than the current threshold value, the output current command is set using the first current change rate, and the output current command reaches the current threshold value. The output current command is set using the second current change rate until a predetermined period elapses, and after the predetermined period elapses after reaching the current threshold as the change width of the output current command, the third current change rate The output current command is set using. As a result, in the current range where the output current command is below the current threshold, the output current command is set using a relatively large current change rate, so that the time until the output current command reaches the current threshold is relatively short. be able to. Further, in a predetermined period after reaching the current threshold value as the change width of the output current command, by setting the output current command using the second current change rate, the output current command rises very slowly or. Is temporarily stopped.

これにより、この期間に発電室温度の追従遅れを取り戻すことができる。そして、出力電流指令の変化幅として電流閾値に到達してから所定期間経過後においては、第2電流変化率よりも大きな値に設定されている第3電流変化率を用いて出力電流指令が設定されることにより、目標出力電流に向けて緩やかに出力電流指令を上昇させる。これにより、発電室温度の追従遅れをほぼ解消することができ、細い破線で示した発電室目標温度に収束し、発電室温度のオーバーシュートを抑制および定格負荷到達後に発電室温度が発電室目標温度に安定するまでの時間を短縮することが可能となり、オーバーシュートによる発電室の再冷却が抑制される。このため発電室温度を上昇させるための無駄なエネルギ消費を抑制することができる。図17では、比較用に発電室目標温度になるまで、第2電流変化率と第3電流変化率を用いないで同様な制御のもとで出力電流指令を上昇する制御を継続した場合を破線で示している。このように出力電流指令を上昇させて燃料ガスL2の供給を続けると、発電室温度はオーバーシュートすることになるとともに、目標発電室温度に安定するまでの時間も長く要する。 As a result, it is possible to recover the follow-up delay of the temperature of the power generation chamber during this period. Then, after a predetermined period of time has elapsed from reaching the current threshold value as the change width of the output current command, the output current command is set using the third current change rate set to a value larger than the second current change rate. By doing so, the output current command is gradually increased toward the target output current. As a result, the follow-up delay of the power generation room temperature can be almost eliminated, the temperature converges to the power generation room target temperature shown by the thin broken line, the overshoot of the power generation room temperature is suppressed, and the power generation room temperature becomes the power generation room target after reaching the rated load. It is possible to shorten the time until the temperature stabilizes, and recooling of the power generation chamber due to overshoot is suppressed. Therefore, wasteful energy consumption for raising the temperature of the power generation chamber can be suppressed. In FIG. 17, for comparison, a broken line shows a case where the control for increasing the output current command is continued under the same control without using the second current change rate and the third current change rate until the target temperature of the power generation room is reached. It is shown by. If the output current command is raised in this way and the supply of the fuel gas L2 is continued, the temperature of the power generation chamber will overshoot, and it will take a long time to stabilize at the target power generation chamber temperature.

なお、本実施形態に係る負荷上昇制御部4は、出力電流指令が電流閾値に到達した場合に、第1電流変化率から第2電流変化率に切り替えていたが、これに限定されず、例えば、後述する発電室温度が第2温度閾値Tth2以上発電室目標温度Ttag以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合に、第1電流変化率から第2電流変化率に切り替えることとしてもよい。 The load increase control unit 4 according to the present embodiment switches from the first current change rate to the second current change rate when the output current command reaches the current threshold value, but the present invention is not limited to this, for example. When the power generation room temperature, which will be described later, reaches a predetermined temperature threshold value set to be equal to or lower than the second temperature threshold value Tth2 and equal to or lower than the power generation room target temperature Ttag, the first current change rate may be switched to the second current change rate. ..

次に、SOFC制御装置60aが備える温度上昇制御部5について詳しく説明する。
温度上昇制御部5は、図18に示すように、空気極13B側に供給する空気(酸化剤ガス)A1の流量を制御する空気制御部14と、空気極13B側に供給する燃料ガスL2(可燃性ガス)の流量を制御する燃料ガス制御部15とを備えている。
燃料ガス制御部15は、温度センサ92の計測温度から発電室温度を特定し、発電室温度が上述の第1温度閾値Tth1に到達した場合に、空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を開始する。
Next, the temperature rise control unit 5 included in the SOFC control device 60a will be described in detail.
As shown in FIG. 18, the temperature rise control unit 5 includes an air control unit 14 that controls the flow rate of the air (oxidizing agent gas) A1 supplied to the air electrode 13B side and a fuel gas L2 (fuel gas L2) supplied to the air electrode 13B side. It is provided with a fuel gas control unit 15 that controls the flow rate of the flammable gas).
The fuel gas control unit 15 identifies the power generation chamber temperature from the temperature measured by the temperature sensor 92, and starts supplying the fuel gas L2 to the air electrode 13B when the power generation chamber temperature reaches the above-mentioned first temperature threshold Tth1. To do.

具体的には、燃料ガス制御部15は、発電室温度特定部16、第2燃料ガス流量設定部17、第2燃料ガス流量制御部18を備えている。
発電室温度特定部16は、SOFCカートリッジ203内に備えられた温度センサ92によって計測された複数の温度計測値のうちの最高温度を発電室温度として特定する。なお、本実施形態においては、SOFC13には温度分布があることから、一部の温度が上限温度を越えないようにするために、温度センサ92によって計測された複数の計測温度のうちの最大値を発電室温度として特定するが、これに限定されず、例えば、複数の温度計測値の平均値、あるいは、その他の統計手法を用いて複数の温度計測値から発電室温度を特定することとしてもよい。
Specifically, the fuel gas control unit 15 includes a power generation room temperature specifying unit 16, a second fuel gas flow rate setting unit 17, and a second fuel gas flow rate control unit 18.
The power generation room temperature specifying unit 16 specifies the maximum temperature among the plurality of temperature measurement values measured by the temperature sensor 92 provided in the SOFC cartridge 203 as the power generation room temperature. In the present embodiment, since the SOFC 13 has a temperature distribution, the maximum value among the plurality of measured temperatures measured by the temperature sensor 92 in order to prevent a part of the temperature from exceeding the upper limit temperature. Is specified as the power generation room temperature, but is not limited to this, and for example, the power generation room temperature may be specified from a plurality of temperature measurement values by using an average value of a plurality of temperature measurement values or other statistical methods. Good.

第2燃料ガス流量設定部17は、例えば、図19に示すように、発電室温度と、空気極燃料供給ライン80より空気極13Bでの触媒燃焼用に空気A1に添加する燃料ガスL2の流量とが関連付けられた第2燃料ガス情報を有しており、第2燃料ガス情報から発電室温度特定部16によって特定された発電室温度に対応する燃料ガスL2の流量を取得し、取得した燃料ガスL2の流量を第2燃料ガス流量指令として設定する。 As shown in FIG. 19, the second fuel gas flow rate setting unit 17 is, for example, the temperature of the power generation chamber and the flow rate of the fuel gas L2 added to the air A1 from the air electrode fuel supply line 80 for catalyst combustion at the air electrode 13B. Has the second fuel gas information associated with, and acquires the flow rate of the fuel gas L2 corresponding to the power generation room temperature specified by the power generation room temperature specifying unit 16 from the second fuel gas information, and obtains the acquired fuel. The flow rate of the gas L2 is set as the second fuel gas flow rate command.

ここで、図19に示すように、第2燃料ガス情報は、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達するまでは第2燃料ガス流量が増加する特性とされ、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達した後は第2燃料ガス流量が減少する特性とされている。これは、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達した以降は、負荷上昇モードに移行し、燃料極13Aに発電反応用の燃料ガスL2が供給され、自己発電の発熱により発電室温度が上昇するからである。ここで図19の第2燃料ガス情報は、シミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいて適切な値を設定したものである。 Here, as shown in FIG. 19, the second fuel gas information has a characteristic that the second fuel gas flow rate increases until the power generation chamber temperature reaches the second temperature threshold Tth2, and the power generation chamber temperature is the second temperature. It is said that the second fuel gas flow rate decreases after the threshold value Tth2 is reached. After the power generation chamber temperature reaches the second temperature threshold Tth2, the load rise mode is entered, the fuel gas L2 for the power generation reaction is supplied to the fuel electrode 13A, and the power generation chamber temperature rises due to the heat generated by the self-power generation. Because it does. Here, the second fuel gas information in FIG. 19 is set to an appropriate value based on the result of a simulation or an actual machine test.

また、第2燃料ガス流量設定部17は、発電室温度が供給停止温度Tstopに到達した場合に、空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を停止させる。ここで、供給停止温度Tstopは、第2温度閾値Tth2よりも大きく発電室目標温度Ttag以下に設定されている。このように、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達する前に、空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を停止することにより、発電室温度のオーバーシュートを抑制することが可能となる。一方、図19は、Tstopに到達後も発電室温度に合せて同様な制御のもとに燃料ガスL2を供給し続けた場合を破線で示している。このように燃料ガスL2の供給を続けると、後述の図21のように発電室温度はオーバーシュートすることになるとともに、発電室目標温度に安定するまでの時間も長く要する。 Further, the second fuel gas flow rate setting unit 17 stops the supply of the fuel gas L2 to the air electrode 13B when the power generation chamber temperature reaches the supply stop temperature Tstop. Here, the supply stop temperature Tstop is set to be larger than the second temperature threshold value Tth2 and equal to or lower than the power generation room target temperature Ttag. In this way, by stopping the supply of the fuel gas L2 to the air electrode 13B before the power generation chamber temperature reaches the power generation chamber target temperature Ttag, it is possible to suppress the overshoot of the power generation chamber temperature. On the other hand, FIG. 19 shows a case where the fuel gas L2 is continuously supplied under the same control according to the temperature of the power generation chamber even after reaching Tstop, with a broken line. If the fuel gas L2 is continuously supplied in this way, the temperature of the power generation chamber will overshoot as shown in FIG. 21 described later, and it will take a long time to stabilize at the target temperature of the power generation chamber.

ここで、供給停止温度Tstopは、例えば、上述した出力電流指令設定部52が用いる第1電流変化率、出力電流指令の変化幅、及び出力電流指令のうち、少なくとも一つに応じて設定される。例えば、図20に、供給停止温度の設定手順の一例を示したフローチャートを示す。図20では、第1電流変化率、出力電流指令の変化幅、及び出力電流指令に基づいて供給停止温度を設定する場合について例示している。
図20に示すように、目標負荷に対応する出力電流指令が第1閾値(例えば、第1閾値は、定格電流の25%以上40%以下の電流範囲の値に設定されている)以下の場合には(ステップSB1において「NO」)、SOFCの発電による発熱が小さく、発電室温度がオーバーシュートするおそれが小さいため、供給停止温度Tstopは第1温度(例えば、発電室目標温度Ttagの96%)に設定される(ステップSB2)。一方、目標負荷に対応する出力電流指令が第1閾値よりも大きい場合には(ステップSB1において「YES」)、続いて、電流上昇幅が第2閾値(例えば、第2閾値は、定格電流の50%以上65%以下の電流範囲の値に設定されている)よりも大きいか否かを判定する(ステップSB3)。ここで、電流上昇幅とは、現在の出力電流値と目標負荷に対応する出力電流指令との差分であり、例えば、現在の出力電流値が0Aの場合には、出力電流指令と電流上昇幅とは同じ値をとることとなる。
Here, the supply stop temperature Tstop is set according to, for example, at least one of the first current change rate, the change width of the output current command, and the output current command used by the output current command setting unit 52 described above. .. For example, FIG. 20 shows a flowchart showing an example of a procedure for setting the supply stop temperature. FIG. 20 illustrates a case where the supply stop temperature is set based on the first current change rate, the change width of the output current command, and the output current command.
As shown in FIG. 20, when the output current command corresponding to the target load is equal to or less than the first threshold value (for example, the first threshold value is set to a value in the current range of 25% or more and 40% or less of the rated current). (“NO” in step SB1), the heat generated by the power generation of the SOFC is small, and the risk of overshooting the power generation room temperature is small. Therefore, the supply stop temperature Tstop is 96% of the first temperature (for example, the power generation room target temperature Ttag). ) Is set (step SB2). On the other hand, when the output current command corresponding to the target load is larger than the first threshold value (“YES” in step SB1), then the current increase width is the second threshold value (for example, the second threshold value is the rated current). It is determined whether or not it is larger than (set to a value in the current range of 50% or more and 65% or less) (step SB3). Here, the current increase width is the difference between the current output current value and the output current command corresponding to the target load. For example, when the current output current value is 0A, the output current command and the current increase width are used. Will take the same value as.

ステップSB3において、電流上昇幅が第2閾値以下である場合には(ステップSB3において「NO」)、更に出力電流指令が第3閾値(例えば、第3閾値は、定格電流の50%以上65%以下の電流範囲の値に設定されている)よりも大きいか否かを判定する(ステップSB4)。この結果、出力電流指令が第3閾値以下である場合には(ステップSB4において「NO」)、SOFCの発電による発熱が小さく、発電室温度がオーバーシュートするおそれが小さいため、供給停止温度Tstopは第1温度に設定される(ステップSB2)。一方、ステップSB4において、出力電流指令が第3閾値よりも大きい場合には(ステップSB4において「YES」)、供給停止温度Tstopは第1温度よりも低い第2温度(例えば、発電室目標温度の95%)に設定される(ステップSB5)。 In step SB3, when the current increase width is equal to or less than the second threshold value (“NO” in step SB3), the output current command is further set to the third threshold value (for example, the third threshold value is 50% or more and 65% of the rated current). It is determined whether or not it is larger than (set to the value of the following current range) (step SB4). As a result, when the output current command is equal to or less than the third threshold value (“NO” in step SB4), the heat generated by the SOFC power generation is small and the power generation chamber temperature is unlikely to overshoot, so that the supply stop temperature Tstop is set. It is set to the first temperature (step SB2). On the other hand, in step SB4, when the output current command is larger than the third threshold value (“YES” in step SB4), the supply stop temperature Tstop is the second temperature lower than the first temperature (for example, the target temperature of the power generation room). 95%) (step SB5).

また、ステップSB3において、電流上昇幅が第2閾値よりも大きい場合には(ステップSB3において「YES」)、第1電流変化率が第4閾値(例えば、第4閾値は定格電流の2%/minに設定されている)よりも大きいか否かを判定する(ステップSB6)。この結果、第1電流変化率が第4閾値以下の場合(ステップSB6において「NO」)には、上述のステップSB4に移行する。一方、ステップSB6において、第1電流変化率が第4閾値よりも大きい場合(ステップSB6において「YES」)には、供給停止温度Tstopは第2温度よりも低い第3温度(例えば、発電室目標温度の93%)に設定される(ステップSB7)。 Further, in step SB3, when the current increase width is larger than the second threshold value (“YES” in step SB3), the first current change rate is the fourth threshold value (for example, the fourth threshold value is 2% of the rated current / It is determined whether or not it is larger than (set to min) (step SB6). As a result, when the first current change rate is equal to or less than the fourth threshold value (“NO” in step SB6), the process proceeds to step SB4 described above. On the other hand, in step SB6, when the first current change rate is larger than the fourth threshold value (“YES” in step SB6), the supply stop temperature Tstop is the third temperature lower than the second temperature (for example, the power generation room target). It is set to (93% of temperature) (step SB7).

このように、出力電流指令、電流上昇幅、及び電流変化率が大きく、オーバーシュートしやすい状況にあるほど、供給停止温度Tstopを低い値に設定する。これにより、発電室温度が発電室目標温度に達する前に空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を止めることができ、発電室温度のオーバーシュートを抑制することができる。
なお、上述した供給停止温度Tstopの設定については、例えば、SOFC13の起動開始時、換言すると、上述した第1昇温モードが開始される前に、図20に示した処理を1回実行し、供給停止温度Tstopを設定することとしてもよい。また、出力電流指令は所定の繰り返し時間間隔で設定されるため、再設定された出力電流指令、電流上昇幅、電流変化率によってTstopの再設定を行ってもよい。
In this way, the larger the output current command, the current increase width, and the current change rate, and the easier it is to overshoot, the lower the supply stop temperature Tstop is set. As a result, the supply of the fuel gas L2 to the air electrode 13B can be stopped before the temperature of the power generation chamber reaches the target temperature of the power generation chamber, and overshoot of the temperature of the power generation chamber can be suppressed.
Regarding the setting of the supply stop temperature Tstop described above, for example, at the start of SOFC 13, in other words, before the first temperature rise mode described above is started, the process shown in FIG. 20 is executed once. The supply stop temperature Tstop may be set. Further, since the output current command is set at a predetermined repetition time interval, the Tstop may be reset according to the reset output current command, the current increase width, and the current change rate.

上述のように、本実施形態に係る温度上昇制御部5によれば、図21に示すように燃料ガスL2の流量を発電室温度がオーバーシュートすることを抑制して制御することができる。また、比較用にTstop後も、発電室目標温度になるまで同様な制御のもとに燃料ガスL2を供給し続けた場合を破線で示している。このように燃料ガスL2の供給を続けると、発電室温度はオーバーシュートすることになるとともに、発電室目標温度に安定するまでの時間も長く要する。また、図19及び図21に示すように、発電室温度が予め設定された第1温度閾値Tth1に到達した場合に、空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を開始し、発電室温度が第1温度閾値Tth1よりも大きく発電室目標温度Ttag以下に設定された供給停止温度Tstopに到達したときに空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を停止する。燃料ガスL2の供給を停止した以降は、発電による発熱のみにより発電室温度が上昇することとなる。これにより、発電室をTth2またはTstopまで素早く昇温させた後に、発電室温度を発電室目標温度Ttagまで緩やかに上昇させることができ、オーバーシュートを抑制することが可能となり、オーバーシュートによる発電室の再冷却が抑制される。このため発電室温度を上昇させるための無駄なエネルギ消費を抑制することができる。
また、供給停止温度Tstopは、出力電流指令を設定する際に使用される第1電流変化率、出力電流指令、およびその変化幅に応じて設定されるので、負荷上昇の様子に応じて適切な温度に供給停止温度Tstopを設定することが可能となる。
As described above, according to the temperature rise control unit 5 according to the present embodiment, as shown in FIG. 21, the flow rate of the fuel gas L2 can be controlled by suppressing the overshoot of the power generation chamber temperature. Further, for comparison, the broken line shows the case where the fuel gas L2 is continuously supplied under the same control until the target temperature of the power generation chamber is reached even after Tstop. If the fuel gas L2 is continuously supplied in this way, the temperature of the power generation chamber will overshoot, and it will take a long time to stabilize at the target temperature of the power generation chamber. Further, as shown in FIGS. 19 and 21, when the power generation chamber temperature reaches the preset first temperature threshold Tth1, the supply of the fuel gas L2 to the air electrode 13B is started, and the power generation chamber temperature becomes the first. When the supply stop temperature Tstop set to be larger than the temperature threshold Tth1 and equal to or lower than the target temperature Ttag of the power generation room is reached, the supply of the fuel gas L2 to the air electrode 13B is stopped. After the supply of the fuel gas L2 is stopped, the temperature of the power generation room rises only by the heat generated by the power generation. As a result, after the power generation chamber is quickly raised to Tth2 or Tstop, the temperature of the power generation chamber can be gradually raised to the target temperature Ttag of the power generation chamber, overshoot can be suppressed, and the power generation chamber due to overshoot can be suppressed. Recooling is suppressed. Therefore, wasteful energy consumption for raising the temperature of the power generation chamber can be suppressed.
Further, since the supply stop temperature Tstop is set according to the first current change rate used when setting the output current command, the output current command, and the change width thereof, it is appropriate according to the state of load increase. It is possible to set the supply stop temperature Tstop to the temperature.

以上説明してきたように、燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムによれば、負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを回避しながら目標到達までの時間を短縮することが可能となる。
なお、本実施形態においては、負荷上昇制御部4による電流変化率の切り替えと、温度上昇制御部5による供給停止温度Tstopにおける燃料ガスL2の供給停止の両方を実施する場合について説明したが、いずれか一方の制御を実施することとしてもよい。例えば、負荷上昇制御部4による電流変化率の切り替えを行う場合には、温度上昇制御部5は、供給停止温度Tstopで燃料ガスL2の供給を停止することなく、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達するまで図19に示した第2燃料ガス情報に基づいて燃料ガスL2の供給を継続して行うこととしてもよい。
As described above, according to the fuel cell control device, control method, and power generation system, it is possible to shorten the time to reach the target while avoiding overshoot of the controlled amount when the load increases.
In the present embodiment, the case where the load increase control unit 4 switches the current change rate and the temperature increase control unit 5 stops the supply of the fuel gas L2 at the supply stop temperature Tstop has been described. One of the controls may be performed. For example, when the load increase control unit 4 switches the current change rate, the temperature increase control unit 5 sets the power generation room temperature to the power generation room target temperature without stopping the supply of the fuel gas L2 at the supply stop temperature Tstop. The fuel gas L2 may be continuously supplied based on the second fuel gas information shown in FIG. 19 until the temperature reaches Ttag.

また、温度情報制御部5による供給停止温度Tstopにおける燃料ガスL2の供給停止を実施する場合には、例えば、負荷上昇制御部4は電流変化率の切り替えを行わずに、出力電流指令が目標出力電流に到達するまで、第1電流変化率のみを用いて出力電流指令を設定することとしてもよい。 Further, when the supply stop temperature Tstop of the fuel gas L2 is stopped by the temperature information control unit 5, for example, the load increase control unit 4 does not switch the current change rate, and the output current command outputs the target output. The output current command may be set using only the first current change rate until the current is reached.

4 :負荷上昇制御部
5 :温度上昇制御部
10 :発電システム
11 :MGT(マイクロガスタービン)
12 :発電機
13A :燃料極
13B :空気極
14 :空気制御部
15 :燃料ガス制御部
16 :発電室温度特定部
17 :第2燃料ガス流量設定部
18 :第2燃料ガス流量制御部
51 :目標負荷設定部
52 :出力電流指令設定部
53 :制御指令設定部
53a :第1燃料ガス流量設定部
53b :入口空気温度設定部
53c :MGT出力設定部
53d :差圧設定部
53e :再循環流量設定部
53f :純水流量設定部
54 :制御部
54a :第1燃料ガス流量制御部
54b :入口空気温度制御部
54c :MGT出力制御部
54d :差圧制御部
54e :再循環流量制御部
54f :純水流量制御部
60 :制御装置
60a :SOFC制御装置
60b :MGT制御装置
90 :差圧センサ
92 :温度センサ
94 :外気温度センサ
105 :燃料電池セル
111 :固体電解質
201 :SOFCモジュール
203 :SOFCカートリッジ
215 :発電室
4: Load increase control unit 5: Temperature increase control unit 10: Power generation system 11: MGT (micro gas turbine)
12: Generator 13A: Fuel pole 13B: Air pole 14: Air control unit 15: Fuel gas control unit 16: Power generation room temperature specifying unit 17: Second fuel gas flow rate setting unit 18: Second fuel gas flow rate control unit 51: Target load setting unit 52: Output current command setting unit 53: Control command setting unit 53a: First fuel gas flow rate setting unit 53b: Inlet air temperature setting unit 53c: MGT output setting unit 53d: Differential pressure setting unit 53e: Recirculation flow rate Setting unit 53f: Pure water flow rate setting unit 54: Control unit 54a: First fuel gas flow rate control unit 54b: Inlet air temperature control unit 54c: MGT output control unit 54d: Differential pressure control unit 54e: Recirculation flow rate control unit 54f: Pure water flow control unit 60: Control device 60a: SOFC control device 60b: MGT control device 90: Differential pressure sensor 92: Temperature sensor 94: Outside air temperature sensor 105: Fuel cell cell 111: Solid oxide 201: SOFC module 203: SOFC cartridge 215: Power generation room

Claims (14)

燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
所定の電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定部と、
前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定部と、
発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極への可燃性ガスの供給を開始し、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する可燃性ガス流量制御部と
を備え、
前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される燃料電池の制御装置。
A fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
The target load setting unit that sets the target load and
An output current command setting unit that sets an output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined current change rate, and an output current command setting unit.
A control command setting unit that sets control commands to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell using the output current command, and a control command setting unit.
When the power generation chamber temperature reaches a preset first temperature threshold, the supply of flammable gas to the air electrode is started, and the power generation chamber temperature is larger than the first temperature threshold and equal to or lower than the power generation chamber target temperature. It is provided with a flammable gas flow rate control unit that stops the supply of the flammable gas to the air electrode when the supply stop temperature set in is reached.
The fuel cell control device in which the supply stop temperature is set according to at least one of the predetermined current change rate, the output current command corresponding to the target load, and the change width of the output current command.
燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
所定の第1電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定部と、
前記出力電流指令設定部によって設定された出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定部と、
を備え、
前記出力電流指令設定部は、前記出力電流指令が前記目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された温度閾値に到達した場合に、前記第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定し、
前記電流閾値または前記温度閾値は、前記第1電流変化率に応じて設定される燃料電池の制御装置。
A fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
The target load setting unit that sets the target load and
An output current command setting unit that sets an output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined first current change rate, and an output current command setting unit.
A control command setting unit that sets control commands to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell by using the output current command set by the output current command setting unit.
With
Said output current command setting unit, when the output current command reaches the set current threshold below the target output current corresponding to the target load, or temperature of the generating chamber temperature is set below the generating chamber target temperature When the temperature threshold is reached, the output current command is set using the second current change rate set to a value smaller than the first current change rate.
The fuel cell control device in which the current threshold value or the temperature threshold value is set according to the first current change rate.
前記出力電流指令設定部は、前記出力電流指令が前記電流閾値に達してから所定時間経過した場合、または、前記発電室温度が前記温度閾値に達してから所定時間経過した場合に、前記第2電流変化率よりも大きく設定された第3電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定する請求項2に記載の燃料電池の制御装置。 The output current command setting unit is the second when a predetermined time has elapsed since the output current command reached the current threshold value, or when a predetermined time has elapsed since the temperature of the power generation chamber reached the temperature threshold value. The fuel cell control device according to claim 2, wherein the output current command is set using a third current change rate set larger than the current change rate. 前記第2電流変化率はゼロに設定されている請求項2または請求項3に記載の燃料電池の制御装置。 The fuel cell control device according to claim 2 or 3, wherein the second current change rate is set to zero. 前記目標負荷設定部は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する請求項2から請求項4のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。 The fuel cell control device according to any one of claims 2 to 4, wherein the target load setting unit sets a target load of the fuel cell from the outside air temperature around the fuel cell. 前記発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極への可燃性ガスの供給を開始し、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する可燃性ガス流量制御部を備え、
前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される請求項2から請求項5のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
When the power generation chamber temperature reaches a preset first temperature threshold, the supply of flammable gas to the air electrode is started, and the power generation chamber temperature is larger than the first temperature threshold and the power generation chamber target temperature. A flammable gas flow control unit that stops the supply of the flammable gas to the air electrode when the supply stop temperature set below is reached is provided.
Claims 2 to 5 are set in accordance with at least one of the predetermined current change rate, the output current command corresponding to the target load, and the change width of the output current command. The fuel cell control device according to any one of.
前記供給停止温度は、前記所定の変化率、前記出力電流指令の変化幅、または前記出力電流指令が大きいほど、低い値に設定される請求項1または請求項6に記載の燃料電池の制御装置。 The fuel cell control device according to claim 1 or 6, wherein the supply stop temperature is set to a lower value as the rate of change, the width of change of the output current command, or the output current command is larger. .. 前記目標負荷設定部は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する請求項1に記載の燃料電池の制御装置。 The fuel cell control device according to claim 1, wherein the target load setting unit sets a target load of the fuel cell from the outside air temperature around the fuel cell. 前記複数の制御系は、燃料極への燃料ガス供給流量、燃料電池空気極入口温度、マイクロガスタービン出力、前記燃料極と前記空気極との差圧、再循環ブロワ回転数、及び純水流量のうち2つ以上を含む請求項1から請求項8のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。 The plurality of control systems include fuel gas supply flow rate to the fuel electrode, fuel cell air electrode inlet temperature, micro gas turbine output, differential pressure between the fuel electrode and the air electrode, recirculation blower rotation speed, and pure water flow rate. The fuel cell control device according to any one of claims 1 to 8, which comprises two or more of them. 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項1から請求項9のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。 The fuel cell control device according to any one of claims 1 to 9, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
請求項1から請求項10のいずれかに記載の燃料電池の制御装置を備える発電システム。
A fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A power generation system including the fuel cell control device according to any one of claims 1 to 10.
前記発電室の中央領域に設けられた複数の温度計測部を備え、
前記温度計測部によって計測された複数の計測温度のうちの最高温度が前記発電室温度として用いられる請求項11に記載の発電システム。
A plurality of temperature measuring units provided in the central region of the power generation chamber are provided.
The power generation system according to claim 11, wherein the maximum temperature among the plurality of measured temperatures measured by the temperature measuring unit is used as the power generation room temperature.
燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、
前記発電室内に設けられた所定の測定点の温度を計測する温度計測工程と、
目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、
所定の変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する電流指令設定工程と、
前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定工程と、
前記温度計測工程で計測された計測温度から特定される発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極に可燃性ガスを供給する供給開始工程と、
前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する供給停止工程と
を備え、
前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される燃料電池の制御方法。
A method for controlling a fuel cell having a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A temperature measurement process for measuring the temperature of a predetermined measurement point provided in the power generation chamber, and
The target load setting process for setting the target load and
A current command setting step of setting an output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined rate of change, and a current command setting process.
A control command setting step of setting control commands to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell by using the output current command, and
A supply start step of supplying a flammable gas to the air electrode when the power generation chamber temperature specified from the measured temperature measured in the temperature measurement step reaches a preset first temperature threshold value, and
It is provided with a supply stop step of stopping the supply of the combustible gas to the air electrode when the power generation chamber temperature reaches the supply stop temperature set to be larger than the first temperature threshold value and equal to or lower than the power generation room target temperature. ,
A fuel cell control method in which the supply stop temperature is set according to at least one of the predetermined current change rate, the output current command corresponding to the target load, and the change width of the output current command.
燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、
前記発電室内に設けられた所定の測定点の温度を計測する温度計測工程と、
目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、
所定の第1電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定工程と、
前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定工程と、
を備え、
前記出力電流指令設定工程は、前記出力電流指令が前記目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された温度閾値に到達した場合に、前記第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定し、
前記電流閾値または前記温度閾値は、前記第1電流変化率に応じて設定される燃料電池の制御方法。
A method for controlling a fuel cell having a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A temperature measurement process for measuring the temperature of a predetermined measurement point provided in the power generation chamber, and
The target load setting process for setting the target load and
An output current command setting step of setting an output current command of the fuel cell from the target load using a predetermined first current change rate, and an output current command setting step.
A control command setting step of setting control commands to a plurality of control systems for changing the load of the fuel cell by using the output current command, and
With
Said output current command setting step, when the output current command reaches the set current threshold below the target output current corresponding to the target load, or temperature of the generating chamber temperature is set below the generating chamber target temperature When the temperature threshold is reached, the output current command is set using the second current change rate set to a value smaller than the first current change rate.
The fuel cell control method in which the current threshold value or the temperature threshold value is set according to the first current change rate.
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