JP6834435B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスとしての水素を燃料電池に供給する水素系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池に供給する空気系とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、低温状態で起動する際には、酸化剤ガスとしての空気流量を増加させる制御を行うことにより、発電に伴う生成水が電解質膜を覆うのを抑制して燃料電池を安定的な発電状態とするものとしている。 Conventionally, as this type of fuel cell system, a system including a hydrogen system that supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel cell and an air system that supplies air as an oxidizing agent gas to the fuel cell is known ( For example, see Patent Document 1). In this fuel cell system, when starting in a low temperature state, by controlling to increase the air flow rate as an oxidant gas, it is possible to prevent the generated water generated by power generation from covering the electrolyte membrane and stabilize the fuel cell. It is supposed to be in a typical power generation state.
上述した燃料電池システムでは、空気系が備えるエアブロワなどが低温状態のままで起動するものとなる。低温状態ではエアブロワなどの回転部などに塗布されているグリスの粘性抵抗が高くなるため、エアブロワを目標の回転速度で駆動するのに必要な電流が増えてしまう。また、近年は、燃料電池システムに要求される各種仕様が地域毎に異なることがあり、燃料電池システムに搭載される補機の数が増えて補機消費電力が増加し易い傾向にある。そのような消費電力の増加に対応できるよう燃料電池システムの電源容量を大きくすることも考えられるが、コストアップを招いてしまう。 In the fuel cell system described above, the air blower or the like provided in the air system is started in a low temperature state. In a low temperature state, the viscous resistance of the grease applied to the rotating part of the air blower or the like increases, so that the current required to drive the air blower at the target rotation speed increases. Further, in recent years, various specifications required for a fuel cell system may differ from region to region, and the number of auxiliary machines mounted on the fuel cell system tends to increase, and the power consumption of the auxiliary machines tends to increase. It is conceivable to increase the power supply capacity of the fuel cell system so as to cope with such an increase in power consumption, but this will lead to an increase in cost.
本発明の燃料電池システムは、低温状態での起動時にエアブロワを含む補機の消費電力を抑制することを主目的とする。 The main object of the fuel cell system of the present invention is to suppress the power consumption of an auxiliary machine including an air blower when starting in a low temperature state.
本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The fuel cell system of the present invention has adopted the following means in order to achieve the above-mentioned main object.
本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガスを供給するガス供給装置と、
エアブロワの駆動により前記酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池システムのシステム温度を検出する温度センサと、
前記エアブロワを含むシステムが備える補機に給電可能な補機電源と、
前記燃料電池の起動が要求されたとき、前記温度センサにより検出される前記システム温度が所定温度以下の場合には、前記起動に先立って前記燃料ガスの供給を停止した状態で少なくとも前記エアブロワを駆動する暖機制御を実行する制御装置と、
を備えることを要旨とする。
ことを要旨とする。
The fuel cell system of the present invention
A fuel cell system including a fuel cell that generates electricity based on a fuel gas and an oxidant gas.
The gas supply device that supplies the fuel gas and
An air supply device that supplies air as the oxidant gas by driving an air blower, and
A temperature sensor that detects the system temperature of the fuel cell system and
Auxiliary power supply that can supply power to auxiliary equipment provided in the system including the air blower,
When the start of the fuel cell is requested, if the system temperature detected by the temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, at least the air blower is driven in a state where the supply of the fuel gas is stopped prior to the start. A control device that executes warm-up control and
The gist is to prepare.
The gist is that.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の起動が要求されたとき、温度センサにより検出されるシステム温度が所定温度以下の場合には、起動に先立って燃料ガスの供給を停止した状態で少なくともエアブロワを駆動する暖機制御を実行する。これにより、エアブロワが低温状態のままで起動する場合に比して、エアブロワのブロワモータのコイルや軸受けなどを発熱させてエアブロワに流れる電流を抑えることができるから、起動時にエアブロワを含む補機の消費電力が増大するのを抑制することができる。この結果、補機電源の容量を過剰に大きくする必要がないから、補機電源の小型化や低コスト化を図ることができる。 In the fuel cell system of the present invention, when the start of the fuel cell is requested, if the system temperature detected by the temperature sensor is equal to or lower than the predetermined temperature, at least the air blower is in a state where the supply of fuel gas is stopped prior to the start. Performs warm-up control to drive. As a result, compared to the case where the air blower is started in a low temperature state, the coil and bearing of the blower motor of the air blower can be heated to suppress the current flowing through the air blower, so that the auxiliary equipment including the air blower is consumed at the time of starting. It is possible to suppress the increase in power consumption. As a result, since it is not necessary to excessively increase the capacity of the auxiliary power supply, it is possible to reduce the size and cost of the auxiliary power supply.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記暖機制御では、所定時間に亘って第１のデューティ比で前記エアブロワを駆動してから、前記第１のデューティ比よりも高い第２のデューティ比で前記エアブロワを駆動するものとしてもよい。こうすれば、暖機制御を実行する際に、過大なサージ電流が発生するのを防止することができる。 Further, in the fuel cell system of the present invention, in the warm-up control, the control device drives the air blower at the first duty ratio for a predetermined time, and then has a higher duty ratio than the first duty ratio. The air blower may be driven with a duty ratio of 2. By doing so, it is possible to prevent an excessive surge current from being generated when the warm-up control is executed.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記エアブロワから前記燃料電池への空気の供給を遮断可能な供給遮断弁を備え、前記制御装置は、前記暖機制御では、前記供給遮断弁が開弁した状態で前記エアブロワが駆動を開始するよう前記供給遮断弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、供給遮断弁が閉弁した状態でエアブロワを駆動することによってエアブロワが過負荷となるのを防止することができるから、暖機制御を適切に実行することができる。 Further, the fuel cell system of the present invention includes a supply shutoff valve capable of shutting off the supply of air from the air blower to the fuel cell, and the control device opens the supply shutoff valve in the warm-up control. The supply shutoff valve may be controlled so that the air blower starts driving in the state. By doing so, it is possible to prevent the air blower from being overloaded by driving the air blower with the supply shutoff valve closed, so that warm-up control can be appropriately executed.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記補機として、前記燃料電池システム内を換気する換気ファンと、前記燃料電池システム内への空気の流入または流出を遮断可能な流入出遮断弁と、を備え、前記制御装置は、前記暖機制御では、前記エアブロワに加えて前記換気ファンを駆動するものであって、前記流入出遮断弁が開弁した状態で前記換気ファンが駆動を開始するよう前記流入出遮断弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、エアブロワに加えて換気ファンを暖機することができるから、起動時の補機の消費電力をより低減することができる。また、流入出遮断弁が閉弁した状態で換気ファンを駆動することによって換気ファンが過負荷となるのを防止することができるから、暖機制御を適切に実行することができる。 Further, in the fuel cell system of the present invention, as the auxiliary machine, a ventilation fan for ventilating the inside of the fuel cell system and an inflow / outflow shutoff valve capable of blocking the inflow or outflow of air into the fuel cell system are provided. In the warm-up control, the control device drives the ventilation fan in addition to the air blower, and the ventilation fan starts driving in a state where the inflow / outflow shutoff valve is opened. The inflow / outflow shutoff valve may be controlled. In this way, the ventilation fan can be warmed up in addition to the air blower, so that the power consumption of the auxiliary machine at the time of starting can be further reduced. Further, since it is possible to prevent the ventilation fan from becoming overloaded by driving the ventilation fan in a state where the inflow / outflow shutoff valve is closed, warm-up control can be appropriately executed.
本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。 A mode for carrying out the present invention will be described with reference to examples.
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図であり、図２はパワーコンディショナ７１と電源基板７２を含む電源系の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a fuel cell system 10 as an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a power supply system including a power conditioner 71 and a power supply board 72. is there. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 of the embodiment includes a power generation unit 20 having a fuel cell 36 that generates electricity by being supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing agent gas (air) containing oxygen, and power generation. It includes a hot water supply unit 100 having a hot water storage tank 101 that recovers and supplies hot water generated by the power generation of the unit 20, and a control device 80 that controls the entire system.
発電ユニット２０は、改質水と原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）との供給を受けてこれらを加熱することにより改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガスを予熱する気化器３２と、気化器３２からの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して燃料ガスを生成する改質器３３と、燃料ガスとエア（空気）との供給を受けて発電する燃料電池３６とを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池３６にエアを供給するエア供給装置５０と、気化器３２に改質水を供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。 The power generation unit 20 receives the supply of reformed water and raw fuel gas (for example, natural gas or LP gas) and heats them to evaporate the reformed water to generate steam and preheat the raw fuel gas. The vaporizer 32, the reformer 33 that reforms the raw fuel gas from the vaporizer 32 by a steam reforming reaction to generate fuel gas, and the fuel that receives the supply of the fuel gas and air (air) to generate power. A power generation module 30 including a battery 36, a raw fuel gas supply device 40 for supplying raw fuel gas to the vaporizer 32, an air supply device 50 for supplying air to the fuel cell 36, and reformed water to the vaporizer 32. A reformed water supply device 55 to be supplied and an exhaust heat recovery device 60 for recovering the exhaust heat generated by the power generation module 30 are provided.
この発電ユニット２０は、筐体２２に収容されている。筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが形成されており、吸気口２２ａに設けられる第１換気ファン（吸気ファン）２４と、排気口２２ｂに設けられる第２換気ファン（排気ファン）２６とによって筐体２２の内部が換気される。第１換気ファン２４は、吸気口２２ａから流入したエアをパワーコンディショナ７１内を通して筐体２２内に流入させており、これによりパワーコンディショナ７１の冷却も行う。また、第１換気ファン２４の排出側には、筐体２２内へのエアの流入を遮断する流入遮断弁２４ａが取り付けられている。排気口２２ｂは、発電ユニット２０の筐体２２の外部に設置される煙突２００に接続されており、第２換気ファン２６から排出されるエアは排気口２２ｂおよび煙突２００を介して大気中に排出される。第１，第２換気ファン２４，２６は、図示は省略するが、ケースに収容されたファンと、ファンを回転させるファンモータとを備える。ファンやモータの回転軸を支持する軸受けなどには、摺動抵抗を低減するためのグリス（潤滑剤）が封入されている。 The power generation unit 20 is housed in a housing 22. An intake port 22a and an exhaust port 22b are formed in the housing 22, and a first ventilation fan (intake fan) 24 provided in the intake port 22a and a second ventilation fan (exhaust fan) provided in the exhaust port 22b are formed. ) 26 ventilates the inside of the housing 22. The first ventilation fan 24 causes the air flowing in from the intake port 22a to flow into the housing 22 through the power conditioner 71, thereby cooling the power conditioner 71 as well. Further, an inflow shutoff valve 24a for shutting off the inflow of air into the housing 22 is attached to the discharge side of the first ventilation fan 24. The exhaust port 22b is connected to a chimney 200 installed outside the housing 22 of the power generation unit 20, and the air discharged from the second ventilation fan 26 is discharged to the atmosphere through the exhaust port 22b and the chimney 200. Will be done. Although not shown, the first and second ventilation fans 24 and 26 include a fan housed in a case and a fan motor for rotating the fan. Grease (lubricant) for reducing sliding resistance is sealed in bearings that support the rotating shafts of fans and motors.
気化器３２と改質器３３と燃料電池３６は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池３６の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３４が設けられている。燃焼部３４には燃料電池３６からのアノードオフガス（燃料オフガス）とカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが供給され、これらの混合ガスが点火ヒータ３５により点火されることにより燃焼して燃料電池３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。 The vaporizer 32, the reformer 33, and the fuel cell 36 are housed in a box-shaped module case 31 formed of a heat insulating material. The module case 31 is provided with a combustion unit 34 for starting the fuel cell 36, generating steam in the vaporizer 32, and supplying heat required for the steam reforming reaction in the reformer 33. Anode off gas (fuel off gas) and cathode off gas (oxidizer off gas) from the fuel cell 36 are supplied to the combustion unit 34, and these mixed gases are ignited by the ignition heater 35 and burned to burn the fuel cell 36 and the fuel cell 36. The vaporizer 32 and the reformer 33 are heated.
原燃料ガス供給装置４０は、燃料供給装置１と気化器３２とが原燃料ガス供給管４１により接続され、原燃料ガスポンプ４５の駆動により燃料供給装置１からの原燃料ガスを原燃料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３と脱硫器４６とを介して気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原燃料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁として構成される。脱硫器４６は、原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式などを採用することができる。また、原料ガス供給管４１には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７や原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。 In the raw fuel gas supply device 40, the fuel supply device 1 and the vaporizer 32 are connected by a raw fuel gas supply pipe 41, and the raw fuel gas from the fuel supply device 1 is supplied by the raw fuel gas supply valve 45 by driving the raw fuel gas pump 45. It is supplied to the vaporizer 32 via the (electromagnetic valve) 42, 43 and the desulfurizer 46. The raw material fuel gas supplied to the vaporizer 32 is supplied to the reformer 33 via the vaporizer 32 and reformed into the fuel gas. The raw material fuel gas supply valves 42 and 43 are configured as double valves connected in series. The desulfurization device 46 removes the sulfur content contained in the raw material fuel gas. For example, a room temperature desulfurization method for removing the sulfur compound by adsorbing it on an adsorbent such as zeolite can be adopted. Further, in the raw material gas supply pipe 41, a pressure sensor 47 that detects the pressure of the raw material gas in the raw material gas supply pipe 41 and a flow rate that detects the flow rate of the raw material fuel gas flowing through the raw material gas supply pipe 41 per unit time. A sensor 48 is provided.
エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池３６とがエア供給管５１により接続され、エア供給管５１に設けられたエアブロワ５３の駆動により外気をフィルタ５２を介して燃料電池３６へ供給する。エア供給管５１には、燃料電池３６へのエアの供給を遮断する供給遮断弁５３ａと、エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４とが設けられている。エアブロワ５３は、図示は省略するが、ケースに収容されたファンと、ファンを回転させるブロワモータとを備える。ファンやモータの回転軸を支持する軸受けなどには、摺動抵抗を低減するためのグリス（潤滑剤）が封入されている。 In the air supply device 50, the filter 52 communicating with the outside air and the fuel cell 36 are connected by the air supply pipe 51, and the outside air is driven to the fuel cell 36 via the filter 52 by driving the air blower 53 provided in the air supply pipe 51. Supply. The air supply pipe 51 is provided with a supply shutoff valve 53a that shuts off the supply of air to the fuel cell 36, and a flow rate sensor 54 that detects the flow rate of air flowing through the air supply pipe 51 per unit time. Although not shown, the air blower 53 includes a fan housed in a case and a blower motor for rotating the fan. Grease (lubricant) for reducing sliding resistance is sealed in bearings that support the rotating shafts of fans and motors.
改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とが改質水供給管５６により接続され、改質水供給管５６に設けられた改質水ポンプ５８の駆動により改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製する図示しない水精製器が設けられている。 In the reforming water supply device 55, the reforming water tank 57 for storing the reforming water and the vaporizer 32 are connected by the reforming water supply pipe 56, and the reforming water pump 58 provided in the reforming water supply pipe 56 is provided. The reformed water in the reformed water tank 57 is supplied to the vaporizer 32 by the drive of. The reformed water supplied to the vaporizer 32 is converted into steam by the vaporizer 32 and used for the steam reforming reaction in the reformer 33. The reformed water tank 57 is provided with a water purifier (not shown) for purifying the reformed water to be stored.
排熱回収装置６０は、発電モジュール３０内の燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とが循環配管６１により接続され、循環配管６１に設けられた循環ポンプ６３の駆動により熱交換器６２にて貯湯タンク１０１からの貯湯水が燃焼排ガスとの熱交換により加温されて貯湯タンク１０１に貯湯されるようになっている。熱交換器６２は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して煙突２００に接続される。このため、熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって水蒸気成分が凝縮されて改質水タンク５７に回収されると共に残りの排気ガスが排気ガス排出管６７および煙突２００を介して外気へ排出される。 In the exhaust heat recovery device 60, the heat exchanger 62 to which the combustion exhaust gas in the power generation module 30 is supplied and the hot water storage tank 101 for storing hot water are connected by a circulation pipe 61, and the circulation pump 63 provided in the circulation pipe 61. The hot water stored in the hot water storage tank 101 is heated by heat exchange with the combustion exhaust gas in the heat exchanger 62, and is stored in the hot water storage tank 101. The heat exchanger 62 is connected to the reforming water tank 57 via the condensed water supply pipe 66 and to the chimney 200 via the exhaust gas discharge pipe 67. Therefore, the combustion exhaust gas supplied to the heat exchanger 62 is recovered in the reformed water tank 57 by condensing the steam component by heat exchange with the hot water, and the remaining exhaust gas is collected in the exhaust gas discharge pipe 67 and the chimney. It is exhausted to the outside air via 200.
燃料電池３６は、電解質とこの電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルが複数積層された固体酸化物燃料電池として構成されており、燃料ガス中の水素とエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池３６の出力端子にはインバータとＤＣ／ＤＣコンバータとを含むパワーコンディショナ７１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池３６からの直流電力が交流電力に変換されて商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給できるようになっている。パワーコンディショナ７１から分岐した電力ラインには電源基板７２が接続されている。また、燃料電池３６には、単セルが複数積層されたスタック内（燃料電池３６内）の温度を検出する燃料電池温度センサ３７が設けられている。 The fuel cell 36 is configured as a solid oxide fuel cell in which a plurality of single cells including an electrolyte and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte are laminated, and is composed of hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air. It generates electricity by an electrochemical reaction. A power line 3 from the commercial power source 2 to the load 4 is connected to the output terminal of the fuel cell 36 via a power conditioner 71 including an inverter and a DC / DC converter, and DC power from the fuel cell 36 is AC. It is converted into electric power and added to the AC electric power from the commercial power source 2 so that it can be supplied to the load 4. A power supply board 72 is connected to a power line branched from the power conditioner 71. Further, the fuel cell 36 is provided with a fuel cell temperature sensor 37 that detects the temperature in the stack (inside the fuel cell 36) in which a plurality of single cells are stacked.
本実施例では、原燃料ガス供給装置４０やエア供給装置５０、改質水供給装置５５、排熱回収装置６０などの補機が補機室に収容されている。この補機室内の上部には、補機室内の温度を検出する補機温度センサ５９が設けられている。 In this embodiment, auxiliary equipment such as a raw material fuel gas supply device 40, an air supply device 50, a reforming water supply device 55, and an exhaust heat recovery device 60 are housed in the auxiliary equipment room. An auxiliary machine temperature sensor 59 for detecting the temperature in the auxiliary machine room is provided in the upper part of the auxiliary machine room.
電源基板７２は、第１，第２換気ファン２４，２６や流入遮断弁２４ａ、原燃料ガス供給弁４２，４３、エアブロワ５３、供給遮断弁５３ａ、原燃料ガスポンプ４５、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、燃料電池温度センサ３７、可燃ガスセンサ９１、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４、補機温度センサ５９などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能する。電源基板７２は、スイッチング素子をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御することにより各補機をそれぞれ駆動する駆動回路を介して、各補機と接続されている。図２では、電源基板７２と一部の補機との接続を示しており、第１，第２換気ファン２４，２６と流入遮断弁２４ａとエアブロワ５３と供給遮断弁５３ａとがそれぞれ駆動回路７３ａ〜７３ｅを介して電源基板７２に接続されている。各駆動回路７３ａ〜７３ｅは、制御装置８０からの駆動信号を受信する。各駆動回路７３ａ〜７３ｅは、駆動信号としてＰＷＭ制御におけるデューティ比を受信し、受信したデューティ比に基づいて図示しないスイッチング素子を駆動することで各補機を駆動させる。 The power supply board 72 includes first and second ventilation fans 24 and 26, an inflow shutoff valve 24a, a raw fuel gas supply valve 42, 43, an air blower 53, a supply shutoff valve 53a, a raw fuel gas pump 45, a reformed water pump 58, and a circulation. It functions as a DC power source that supplies DC power to auxiliary equipment such as the pump 63, the fuel cell temperature sensor 37, the combustible gas sensor 91, the pressure sensor 47, the flow rate sensors 48 and 54, and the auxiliary equipment temperature sensor 59. The power supply board 72 is connected to each auxiliary machine via a drive circuit that drives each auxiliary machine by controlling the switching element by pulse width modulation (PWM). FIG. 2 shows the connection between the power supply board 72 and some of the auxiliary machines, and the first and second ventilation fans 24 and 26, the inflow shutoff valve 24a, the air blower 53, and the supply shutoff valve 53a are driven circuits 73a, respectively. It is connected to the power supply board 72 via ~ 73e. Each drive circuit 73a to 73e receives a drive signal from the control device 80. Each drive circuit 73a to 73e receives a duty ratio in PWM control as a drive signal, and drives each auxiliary machine by driving a switching element (not shown) based on the received duty ratio.
制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、時間を計測するタイマ８４と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、燃料電池温度センサ３７や圧力センサ４７、流量センサ４８，５４、補機温度センサ５９、可燃ガスセンサ９１などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、上述した駆動回路７３ａ〜７３ｅへの駆動信号、即ち、第１，第２換気ファン２４，２６の各ファンモータをそれぞれ駆動する駆動回路７３ａ，７３ｂへの駆動信号や流入遮断弁２４ａのソレノイドを駆動する駆動回路７３ｃへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータを駆動する駆動回路７３ｄへの駆動信号、供給遮断弁５３ａのソレノイドを駆動する駆動回路７３ｅへの駆動信号が出力ポートを介して出力されている。その他に、制御装置８０からは、原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７１への制御信号、電源基板７２への制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。 The control device 80 is configured as a microprocessor centered on a CPU 81, and in addition to the CPU 81, a ROM 82 for storing a processing program, a RAM 83 for temporarily storing data, a timer 84 for measuring time, and not shown. It has an input / output port. Various detection signals from the fuel cell temperature sensor 37, the pressure sensor 47, the flow rate sensors 48 and 54, the auxiliary machine temperature sensor 59, the combustible gas sensor 91, and the like are input to the control device 80 via the input port. Further, from the control device 80, the drive signals to the drive circuits 73a to 73e described above, that is, the drive signals to the drive circuits 73a and 73b for driving the fan motors of the first and second ventilation fans 24 and 26, respectively. Outputs a drive signal to the drive circuit 73c that drives the solenoid of the inflow shutoff valve 24a, a drive signal to the drive circuit 73d that drives the blower motor of the air blower 53, and a drive signal to the drive circuit 73e that drives the solenoid of the supply shutoff valve 53a. It is output via the port. In addition, from the control device 80, a drive signal to the solenoids of the raw fuel gas supply valves 42 and 43, a drive signal to the pump motor of the raw fuel gas pump 45, a drive signal to the pump motor of the reforming water pump 58, and circulation. A drive signal to the pump motor of the pump 63, a control signal to the power conditioner 71, a control signal to the power supply board 72, a drive signal to the ignition heater 35, a display signal to the display panel 90, etc. are output via the output port. Has been done.
また、制御装置８０は、負荷４の負荷変動に伴う負荷指令を入力し、入力した負荷指令に応じた流量により原燃料ガスやエア等が供給されるよう原燃料ガス供給装置４０やエア供給装置５０等を制御することで、燃料電池３６の発電出力を制御する発電制御を実行する。ここで、本実施例では、原燃料ガス供給装置４０の制御は、入力した負荷指令に基づいて原燃料ガス供給装置４０が供給すべき目標流量を設定し、設定した目標流量と流量センサ４８により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティ比を設定し、設定したデューティ比に基づいて図示しない駆動回路が原燃料ガスポンプ４５のポンプモータをデューティ制御することにより行なわれる。また、エア供給装置５０の制御は、原燃料ガスの目標流量に対し所定の比（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標流量を設定し、設定した目標流量と流量センサ５４により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティ比を設定し、設定したデューティ比に基づいて駆動回路７３ｄがエアブロワ５３のブロワモータをデューティ制御することにより行なわれる。なお、制御装置８０は、エア供給装置５０が運転している間は、供給遮断弁５３ａを開弁するための駆動信号を駆動回路７３ｅに出力する。また、制御装置８０は、燃料電池システム１０の燃料電池３６が発電制御を実行している間は、第１，第２換気ファン２４，２６により換気が行われるよう、流入遮断弁２４ａを開弁するための駆動信号を駆動回路７３ｃに出力すると共に第１，第２換気ファン２４，２６を駆動させるための駆動信号を駆動回路７３ａ，７３ｂに出力する。なお、燃料電池システム１０の電源がオフされていると、駆動回路７３ｃ，７３ｅに駆動信号が出力されず、流入遮断弁２４ａと供給遮断弁５３ａとがいずれも閉弁されるから、筐体２２内へのエアの流入が遮断され、エア供給管５１から燃料電池３６へのエアの流入が遮断される。 Further, the control device 80 inputs a load command accompanying the load fluctuation of the load 4, and the raw fuel gas supply device 40 and the air supply device so that the raw fuel gas, air, and the like are supplied according to the flow rate according to the input load command. By controlling 50 and the like, power generation control for controlling the power generation output of the fuel cell 36 is executed. Here, in the present embodiment, the control of the raw fuel gas supply device 40 is performed by setting a target flow rate to be supplied by the raw fuel gas supply device 40 based on the input load command, and using the set target flow rate and the flow rate sensor 48. The duty ratio is set by feedback control based on the deviation from the detected flow rate, and a drive circuit (not shown) is performed by duty control of the pump motor of the raw fuel gas pump 45 based on the set duty ratio. Further, in the control of the air supply device 50, the target flow rate to be supplied by the air supply device 50 is set so as to have a predetermined ratio (air-fuel ratio) with respect to the target flow rate of the raw material fuel gas, and the set target flow rate and the flow rate sensor. The duty ratio is set by feedback control based on the deviation from the flow rate detected by 54, and the drive circuit 73d controls the duty of the blower motor of the air blower 53 based on the set duty ratio. The control device 80 outputs a drive signal for opening the supply shutoff valve 53a to the drive circuit 73e while the air supply device 50 is operating. Further, the control device 80 opens the inflow shutoff valve 24a so that ventilation is performed by the first and second ventilation fans 24 and 26 while the fuel cell 36 of the fuel cell system 10 is executing power generation control. The drive signal for driving the first and second ventilation fans 24 and 26 is output to the drive circuits 73c, and the drive signal for driving the first and second ventilation fans 24 and 26 is output to the drive circuits 73a and 73b. When the power of the fuel cell system 10 is turned off, no drive signal is output to the drive circuits 73c and 73e, and both the inflow shutoff valve 24a and the supply shutoff valve 53a are closed. The inflow of air into the inside is blocked, and the inflow of air from the air supply pipe 51 to the fuel cell 36 is blocked.
さらに、制御装置８０は、燃料電池システム１０の起動に際して、対応する補機類を順次制御して、脱硫器４６に燃料成分を吸着させて混合ガスの空燃比ずれを抑制する燃料吸着処理、燃焼部３４のパージ処理、燃焼部３４におけるオフガスの着火処理、水蒸気改質処理等を実行する。これらの処理が実行されることにより、燃料電池システム１０が起動され、燃料電池３６の発電制御や給湯ユニット１００による給湯が可能となる。これらの起動処理は、あくまで一例であり、燃料電池システム１０の構成や補機類の状態等によっては、これらの処理の少なくとも何れかを省略してもよい。 Further, when the fuel cell system 10 is started, the control device 80 sequentially controls the corresponding auxiliary machinery, adsorbs the fuel component to the reformer 46, and suppresses the air-fuel ratio deviation of the mixed gas. The purging process of the unit 34, the off-gas ignition process in the combustion unit 34, the steam reforming process, and the like are executed. By executing these processes, the fuel cell system 10 is activated, and power generation control of the fuel cell 36 and hot water supply by the hot water supply unit 100 become possible. These start-up processes are merely examples, and at least one of these processes may be omitted depending on the configuration of the fuel cell system 10, the state of auxiliary machinery, and the like.
次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作について説明する。図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行されるピーク電力低減制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、例えば、燃料電池システム１０の起動前の処理の一つとして、起動が要求されたときに、原燃料ガス供給装置４０からの原燃料ガスの供給を停止した状態（目標流量に値０を設定した状態）で実行される。また、このルーチンは、後述するように、起動時の補機の消費電力のピークであるピーク電力を抑えるために、補機の暖機を目的として行われるものである。 Next, the operation of the fuel cell system 10 configured in this way will be described. FIG. 3 is a flowchart showing an example of a peak power reduction control routine executed by the CPU 81 of the control device 80. In this routine, for example, as one of the processes before starting the fuel cell system 10, when the start is requested, the supply of the raw fuel gas from the raw fuel gas supply device 40 is stopped (value to the target flow rate). It is executed in the state where 0 is set). Further, as will be described later, this routine is performed for the purpose of warming up the auxiliary machine in order to suppress the peak power which is the peak of the power consumption of the auxiliary machine at the time of starting.
ピーク電力低減制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、燃料電池システム１０のシステム温度ｔを入力する（Ｓ１００）。システム温度ｔは、補機温度センサ５９により検出された温度を入力するものとする。なお、燃料電池温度センサ３７により検出された燃料電池３６の温度を、システム温度ｔとして入力してもよい。次に、ＣＰＵ８１は、入力したシステム温度ｔが所定温度ｔｒｅｆ（例えば５℃）以下であるか否かを判定し（Ｓ１１０）、システム温度ｔが所定温度ｔｒｅｆを超えると判定すると、補機の暖機が不要であると判断して、そのままピーク電力低減制御ルーチンを終了する。 When the peak power reduction control routine is executed, the CPU 81 of the control device 80 first inputs the system temperature t of the fuel cell system 10 (S100). As the system temperature t, the temperature detected by the auxiliary machine temperature sensor 59 shall be input. The temperature of the fuel cell 36 detected by the fuel cell temperature sensor 37 may be input as the system temperature t. Next, the CPU 81 determines whether or not the input system temperature t is equal to or lower than the predetermined temperature tref (for example, 5 ° C.) (S110), and if it is determined that the system temperature t exceeds the predetermined temperature tref, the auxiliary machine is warmed up. Judging that the machine is unnecessary, the peak power reduction control routine is terminated as it is.
一方、ＣＰＵ８１は、システム温度ｔが所定温度ｔｒｅｆ以下であると判定すると、駆動回路７３ｃ，７３ｅに駆動信号を出力して流入遮断弁２４ａと供給遮断弁５３ａとを開弁する（Ｓ１２０）。Ｓ１２０では、ＣＰＵ８１は、デューティ比が例えば１００％の駆動信号を駆動回路７３ｃ，７３ｅに出力する。続いて、ＣＰＵ８１は、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３とを第１のデューティ比Ｄｌｏで駆動するための駆動信号を駆動回路７３ａ，７３ｂ，７３ｄに出力して第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３の駆動を開始する（Ｓ１３０）。なお、ＣＰＵ８１は、第１のデューティ比Ｄｌｏとして比較的低い値（例えば２０％など）の駆動信号を駆動回路７３ａ，７３ｂ，７３ｄに出力する。また、ＣＰＵ８１は、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３の駆動を開始してからの駆動時間Ｔの計測をタイマ８４により開始する（Ｓ１４０）。このように、ピーク電力低減制御ルーチンでは、流入遮断弁２４ａを開弁してから第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とを駆動するため、筐体２２内の正圧の高まりによって第１換気ファン２４に過負荷が生じたり、筐体２２内の負圧の高まりによって第２換気ファン２６に過負荷が生じたりするのを防止することができる。また、供給遮断弁５３ａを開弁してからエアブロワ５３を駆動するため、エア供給管５１内の正圧の高まりによってエアブロワ５３に過負荷が生じるのを防止することができる。 On the other hand, when the CPU 81 determines that the system temperature t is equal to or lower than the predetermined temperature tref, it outputs a drive signal to the drive circuits 73c and 73e to open the inflow shutoff valve 24a and the supply shutoff valve 53a (S120). In S120, the CPU 81 outputs a drive signal having a duty ratio of, for example, 100% to the drive circuits 73c and 73e. Subsequently, the CPU 81 outputs a drive signal for driving the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 with the first duty ratio Dlo to the drive circuits 73a, 73b, and 73d for the first ventilation. The driving of the fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 is started (S130). The CPU 81 outputs a drive signal having a relatively low value (for example, 20%) as the first duty ratio Dlo to the drive circuits 73a, 73b, 73d. Further, the CPU 81 starts the measurement of the drive time T after starting the drive of the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 by the timer 84 (S140). As described above, in the peak power reduction control routine, since the first ventilation fan 24 and the second ventilation fan 26 are driven after the inflow shutoff valve 24a is opened, the first is caused by an increase in the positive pressure in the housing 22. It is possible to prevent the ventilation fan 24 from being overloaded and the second ventilation fan 26 from being overloaded due to an increase in the negative pressure in the housing 22. Further, since the air blower 53 is driven after the supply shutoff valve 53a is opened, it is possible to prevent the air blower 53 from being overloaded due to an increase in the positive pressure in the air supply pipe 51.
こうして第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３の駆動を開始すると、ＣＰＵ８１は計測中の駆動時間Ｔが第１時間（所定時間）Ｔ１以上となるのを待つ（Ｓ１５０）。第１時間Ｔ１は、数秒から数十秒程度の時間（例えば１０秒など）に定められている。ＣＰＵ８１は、計測中の駆動時間Ｔが第１時間Ｔ１以上となると、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３とを第１のデューティＤｌｏよりも高い第２のデューティ比Ｄｈｉで駆動するための駆動信号を駆動回路７３ａ，７３ｂ，７３ｄに出力して第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３の駆動を継続する（Ｓ１６０）。なお、ＣＰＵ８１は、第２のデューティ比Ｄｈｉとして比較的高い値（例えば１００％など）の駆動信号を駆動回路７３ａ，７３ｂ，７３ｄに出力する。 When the driving of the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 is started in this way, the CPU 81 waits for the driving time T during measurement to be T1 or more for the first time (predetermined time) (S150). The first time T1 is set to a time of about several seconds to several tens of seconds (for example, 10 seconds). When the drive time T during measurement becomes the first time T1 or more, the CPU 81 drives the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 with a second duty ratio Dhi higher than the first duty Dlo. The drive signal for driving is output to the drive circuits 73a, 73b, 73d to continue driving the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 (S160). The CPU 81 outputs a drive signal having a relatively high value (for example, 100%) as the second duty ratio Dhi to the drive circuits 73a, 73b, 73d.
ここで、図４は、エアブロワ５３のブロワモータに流れる電流（Ｉ）とデューティ比（Ｄｕｔｙ）との関係の一例を示す説明図である。図４（ａ）が本実施例を示し、図４（ｂ）が比較例を示す。比較例は、ピーク電力低減制御の開始時から比較的高い第２のデューティ比Ｄｈｉでエアブロワ５３を駆動するものである。図４（ｂ）に示すように、比較例では開始時から比較的高いデューティ比でエアブロワ５３を駆動するため、電流Ｉは立ち上がり時のサージ電流が大きなものとなる。これに対して、図４（ａ）に示すように、本実施例では駆動開始から第１時間Ｔ１まで比較的低い第１のデューティ比Ｄｌｏでエアブロワ５３を駆動するから、比較例に比してサージ電流を小さくすることができる。また、第１時間Ｔ１が経過した後は第１のデューティ比Ｄｌｏよりも高い第２のデューティ比Ｄｈｉでエアブロワ５３を駆動するから、エアブロワ５３の回転速度を上げてエアブロワ５３の暖機を速やかに行うことができる。このように、本実施例では、エアブロワ５３に過大なサージ電流が流れるのを防止してピーク電力低減制御を適切に実行することができる。なお、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とにおいても同様に、駆動開始時のサージ電流を抑えつつ、第１時間Ｔ１が経過した後は暖機を速やかに行うことができるものとなる。 Here, FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the current (I) flowing through the blower motor of the air blower 53 and the duty ratio (Duty). FIG. 4A shows this embodiment, and FIG. 4B shows a comparative example. In the comparative example, the air blower 53 is driven with a second duty ratio Dhi, which is relatively high from the start of the peak power reduction control. As shown in FIG. 4B, in the comparative example, since the air blower 53 is driven with a relatively high duty ratio from the start, the current I has a large surge current at the time of rising. On the other hand, as shown in FIG. 4A, in this embodiment, the air blower 53 is driven by the first duty ratio Dlo, which is relatively low from the start of driving to the first time T1, as compared with the comparative example. The surge current can be reduced. Further, after the lapse of the first time T1, the air blower 53 is driven by the second duty ratio Dhi, which is higher than the first duty ratio Dlo. Therefore, the rotation speed of the air blower 53 is increased to quickly warm up the air blower 53. It can be carried out. As described above, in this embodiment, it is possible to prevent an excessive surge current from flowing through the air blower 53 and appropriately execute the peak power reduction control. Similarly, in the first ventilation fan 24 and the second ventilation fan 26, it is possible to quickly warm up after the lapse of the first time T1 while suppressing the surge current at the start of driving. ..
そして、ＣＰＵ８１は、計測中の駆動時間Ｔが、ピーク電力低減制御における暖機に必要な必要時間Ｔｄ以上となるのを待つ（Ｓ１７０）。ＣＰＵ８１は、駆動時間Ｔが必要時間Ｔｄ以上となると、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３の駆動を停止して（Ｓ１８０）、ピーク電力低減制御ルーチンを終了する。必要時間Ｔｄは、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６とエアブロワ５３の暖機に必要な時間として、数分程度の時間（例えば２分など）に定められている。なお、ピーク電力低減制御ルーチンが終了して、他の起動処理も完了すれば、燃料電池システム１０が起動して発電制御を開始することになるから、流入遮断弁２４ａと供給遮断弁５３ａとを開弁したままとすればよい。勿論、流入遮断弁２４ａと供給遮断弁５３ａとを一旦閉弁（遮断）してもよい。 Then, the CPU 81 waits for the drive time T during measurement to be equal to or longer than the required time Td required for warm-up in the peak power reduction control (S170). When the drive time T becomes equal to or longer than the required time Td, the CPU 81 stops driving the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53 (S180), and ends the peak power reduction control routine. The required time Td is set to a time of about several minutes (for example, 2 minutes) as the time required for warming up the first ventilation fan 24, the second ventilation fan 26, and the air blower 53. When the peak power reduction control routine is completed and other start processes are also completed, the fuel cell system 10 is started and power generation control is started. Therefore, the inflow shutoff valve 24a and the supply shutoff valve 53a are used. You can leave the valve open. Of course, the inflow shutoff valve 24a and the supply shutoff valve 53a may be temporarily closed (shut off).
ここで、エアブロワ５３の軸受けなどに封入されたグリスは、低温状態で粘度が高まって回転抵抗（摺動抵抗）を増加させることになる。このため、エアブロワ５３が低温状態のまま発電制御の実行を開始すると、エアブロワ５３を目標の回転速度で回転させるために必要な電流が増加することになる。また、エアブロワ５３のブロワモータのコイルなどに用いられる銅線などの金属線の電気抵抗は、温度が低いほど小さくなる傾向にあるから、同じ電圧に対して温度が低いほど電流値が大きなものとなる。第１換気ファン２４や第２換気ファン２６でも同様のことがいえる。このように、低温状態ではエアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６などの補機を流れる電流が増加する傾向にあるから、起動時に補機が消費する電力のピーク電力が過大なものとなり易い。このため、低温状態のまま起動するには、エアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６などの補機のピーク電力を賄う必要があるから、パワーコンディショナ７１の容量を大きくする必要が生じる。もっとも、起動後の発電制御の実行などに伴ってシステム温度ｔが高くなれば補機のピーク電力も低下するから、パワーコンディショナ７１の容量を低温状態での補機のピーク電力に合わせると、過剰な容量となってしまう。そこで、本実施例では、起動前にシステム温度ｔが所定温度ｔｒｅｆ以下の低温状態の場合には、エアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６を必要時間Ｔｄに亘って駆動するピーク電力低減制御を実行して、ブロワモータやファンモータなどの各モータやソレノイドへの通電による発熱や軸受けの摺動摩擦による発熱などによってエアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６などの補機の温度を意図的に上昇させるのである。これにより、軸受けの発熱によりグリスの粘度を下げて回転抵抗を低下させたり、コイルの発熱により電気抵抗を低下させたりすることができるから、エアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６に流れる電流を抑えることができる。この結果、起動時において、低温状態に起因して補機の消費電力が過大となるのを防止することができるから、パワーコンディショナ７１の容量を過剰に大きくする必要がなく、パワーコンディショナ７１の小型化および低コスト化を図ることができる。 Here, the grease sealed in the bearing of the air blower 53 or the like increases in viscosity in a low temperature state and increases the rotational resistance (sliding resistance). Therefore, when the execution of the power generation control is started while the air blower 53 is in the low temperature state, the current required to rotate the air blower 53 at the target rotation speed increases. Further, since the electric resistance of a metal wire such as a copper wire used for the coil of the blower motor of the air blower 53 tends to decrease as the temperature decreases, the current value increases as the temperature decreases for the same voltage. .. The same can be said for the first ventilation fan 24 and the second ventilation fan 26. In this way, in a low temperature state, the current flowing through the auxiliary equipment such as the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26 tends to increase, so that the peak power of the power consumed by the auxiliary equipment at startup is excessive. It is easy to become. Therefore, in order to start up in a low temperature state, it is necessary to cover the peak power of auxiliary equipment such as the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26, so it is necessary to increase the capacity of the power conditioner 71. Occurs. However, if the system temperature t rises due to the execution of power generation control after startup, the peak power of the auxiliary equipment also decreases. Therefore, if the capacity of the power conditioner 71 is adjusted to the peak power of the auxiliary equipment in the low temperature state, It will be an excessive capacity. Therefore, in this embodiment, when the system temperature t is in a low temperature state of a predetermined temperature treff or less before starting, the peak power for driving the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26 over the required time Td. By executing reduction control, the temperature of auxiliary equipment such as the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26 is generated by the heat generated by energizing each motor such as the blower motor and fan motor and the solenoid and the heat generated by the sliding friction of the bearing. Is intentionally raised. As a result, the viscosity of the grease can be lowered by the heat generated by the bearing to lower the rotational resistance, and the electric resistance can be lowered by the heat generated by the coil. Therefore, the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26 can be used. The flowing current can be suppressed. As a result, it is possible to prevent the power consumption of the auxiliary machine from becoming excessive due to the low temperature state at the time of starting, so that it is not necessary to excessively increase the capacity of the power conditioner 71, and the power conditioner 71 does not need to be excessively increased. It is possible to reduce the size and cost of the product.
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０は、起動前にシステム温度ｔが所定温度ｔｒｅｆ以下の場合には、燃料ガスの供給を停止した状態で少なくともエアブロワ５３を駆動する。これにより、システム温度ｔが所定温度ｔｒｅｆ以下の場合において、起動時にエアブロワ５３などの補機のピーク電力を抑制することができる。このため、パワーコンディショナ７１の容量を過剰に大きくする必要がなく、パワーコンディショナ７１の小型化および低コスト化を図ることができる。 The fuel cell system 10 of the present embodiment described above drives at least the air blower 53 in a state where the supply of fuel gas is stopped when the system temperature t is equal to or lower than the predetermined temperature tref before starting. As a result, when the system temperature t is equal to or lower than the predetermined temperature tref, the peak power of the auxiliary equipment such as the air blower 53 can be suppressed at the time of starting. Therefore, it is not necessary to excessively increase the capacity of the power conditioner 71, and it is possible to reduce the size and cost of the power conditioner 71.
また、本実施例の燃料電池システム１０では、所定時間Ｔ１に亘って第１のデューティ比Ｄｌｏでエアブロワ５３などを駆動してから、第１のデューティ比Ｄｌｏよりも高い第２のデューティ比Ｄｈｉでエアブロワ５３などの駆動を継続するから、過大なサージ電流が発生するのを防止しつつ速やかに暖機することができる。 Further, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, after driving the air blower 53 or the like with the first duty ratio Dlo for a predetermined time T1, the second duty ratio Dhi is higher than the first duty ratio Dlo. Since the driving of the air blower 53 and the like is continued, it is possible to quickly warm up while preventing an excessive surge current from being generated.
また、本実施例の燃料電池システム１０では、エアブロワ５３から燃料電池３６へのエア供給管５１に供給遮断弁５３ａを備え、供給遮断弁５３ａが開弁した状態でエアブロワ５３を駆動開始するから、エアブロワ５３が過負荷となるのを防止することができる。また、供給遮断弁５３ａのソレノイドの発熱によって供給遮断弁５３ａを暖機することができる。 Further, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the supply shutoff valve 53a is provided in the air supply pipe 51 from the air blower 53 to the fuel cell 36, and the air blower 53 is driven in a state where the supply shutoff valve 53a is opened. It is possible to prevent the air blower 53 from being overloaded. Further, the supply shutoff valve 53a can be warmed up by the heat generated by the solenoid of the supply shutoff valve 53a.
また、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池システム１０の筐体２２内を換気する第１，第２換気ファン２４，２６と、燃料電池システム１０の筐体２２内へのエアの流入を遮断可能な流入遮断弁２４ａとを備え、エアブロワ５３に加えて第１，第２換気ファン２４，２６を暖機するから、起動時の補機のピーク電力をより抑制することができる。また、流入遮断弁２４ａが開弁した状態で第１，第２換気ファン２４，２６を駆動開始するから、第１，第２換気ファン２４，２６が過負荷となるのを防止することができる。また、流入遮断弁２４ａのソレノイドの発熱によって流入遮断弁２４ａを暖機することができる。 Further, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the first and second ventilation fans 24 and 26 that ventilate the inside of the housing 22 of the fuel cell system 10 and the inflow of air into the housing 22 of the fuel cell system 10 Since the inflow shutoff valve 24a capable of shutting off the fuel is provided and the first and second ventilation fans 24 and 26 are warmed up in addition to the air blower 53, the peak power of the auxiliary machine at the time of starting can be further suppressed. Further, since the first and second ventilation fans 24 and 26 are started to be driven with the inflow shutoff valve 24a opened, it is possible to prevent the first and second ventilation fans 24 and 26 from being overloaded. .. Further, the inflow shutoff valve 24a can be warmed up by the heat generated by the solenoid of the inflow shutoff valve 24a.
実施例では、第１換気ファン２４の排出側に流入遮断弁２４ａが設けられるものとしたが、これに限られず、第１換気ファン２４の吸入側である吸気口２２ａに流入遮断弁が設けられるものとしてもよい。あるいは、流入を遮断する遮断弁が設けられるものに限られず、第２換気ファン２６や排気口２２ｂに空気の流出を遮断する流出遮断弁が設けられるものしてもよいし、流入遮断弁と流出遮断弁とが両方設けられるものとしてもよい。あるいは、流入遮断弁や流出遮断弁が設けられないものとしてもよく、そのようにする場合、図３のピーク電力低減制御ルーチンのＳ１２０で流入遮断弁２４ａに関する処理を省略すればよい。 In the embodiment, the inflow shutoff valve 24a is provided on the discharge side of the first ventilation fan 24, but the present invention is not limited to this, and the inflow shutoff valve is provided on the intake port 22a on the suction side of the first ventilation fan 24. It may be a thing. Alternatively, the system is not limited to the one provided with a shutoff valve for shutting off the inflow, and the second ventilation fan 26 or the exhaust port 22b may be provided with an outflow shutoff valve for shutting off the outflow of air, or the inflow shutoff valve and the outflow. Both a shutoff valve and a shutoff valve may be provided. Alternatively, the inflow shutoff valve and the outflow shutoff valve may not be provided, and in such a case, the process related to the inflow shutoff valve 24a may be omitted in S120 of the peak power reduction control routine of FIG.
実施例では、第１換気ファン２４と第２換気ファン２６との２つの換気ファンを備えるものとしたが、これに限られず、３以上の複数の換気ファンを備えるものとしてもよいし、１の換気ファンのみを備えるものとしてもよい。あるいは、換気ファンを備えるものに限られず、換気ファンを備えないものとしてもよく、そのようにする場合、図３のピーク電力低減制御ルーチンのＳ１３０，Ｓ１６０，Ｓ１８０で換気ファンに関する処理を省略すればよい。 In the embodiment, two ventilation fans, a first ventilation fan 24 and a second ventilation fan 26, are provided, but the present invention is not limited to this, and a plurality of three or more ventilation fans may be provided. It may be provided with only a ventilation fan. Alternatively, the unit is not limited to the one provided with a ventilation fan, and may not be provided with a ventilation fan. In such a case, if the processing related to the ventilation fan is omitted in the peak power reduction control routines S130, S160, and S180 of FIG. Good.
実施例では、エア供給管５１に供給遮断弁５３ａが設けられるものとしたが、これに限られず、供給遮断弁５３ａが設けられないものとしてもよい。そのようにする場合、図３のピーク電力低減制御ルーチンのＳ１２０で供給遮断弁５３ａに関する処理を省略すればよい。 In the embodiment, the air supply pipe 51 is provided with the supply shutoff valve 53a, but the present invention is not limited to this, and the supply shutoff valve 53a may not be provided. In such a case, the process related to the supply shutoff valve 53a may be omitted in S120 of the peak power reduction control routine of FIG.
実施例では、所定時間Ｔ１に亘って第１のデューティ比Ｄｌｏでエアブロワ５３などを駆動してから、第１のデューティ比Ｄｌｏよりも高い第２のデューティ比Ｄｈｉでエアブロワ５３などの駆動を継続するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、第２のデューティ比Ｄｈｉでエアブロワ５３などの駆動を開始するものとしてもよい。ただし、サージ電流を抑制するために実施例のようにデューティ比を段階的に上げるものが好ましい。なお、デューティ比を第１のデューティ比Ｄｌｏと第２のデューティ比Ｄｈｉとの２段階にステップ状に変化させるものに限られず、３以上の複数段階にステップ状に変化させてもよいし、リニアに変化させてもよい。 In the embodiment, the air blower 53 or the like is driven by the first duty ratio Dlo for a predetermined time T1, and then the air blower 53 or the like is continued to be driven by the second duty ratio Dhi higher than the first duty ratio Dlo. However, it is not limited to this. For example, the drive of the air blower 53 or the like may be started at the second duty ratio Dhi. However, in order to suppress the surge current, it is preferable that the duty ratio is gradually increased as in the embodiment. The duty ratio is not limited to the one in which the duty ratio is changed in steps of the first duty ratio Dlo and the second duty ratio Dhi, and may be changed in steps of three or more steps, or linear. May be changed to.
実施例では、エアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６の駆動時間Ｔが必要時間Ｔｄ以上になるとエアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６の駆動を停止するもの、即ち予め定められた一定時間だけ暖機を行うものとしたが、これに限られるものではない。例えば、システム温度ｔが低いほど長くなる傾向に必要時間Ｔｄを設定するなど、システム温度ｔに基づいて必要時間Ｔｄを設定するものとしてもよい。 In the embodiment, when the driving time T of the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26 exceeds the required time Td, the driving of the air blower 53 and the first and second ventilation fans 24 and 26 is stopped, that is, in advance. It was decided to warm up for a specified period of time, but it is not limited to this. For example, the required time Td may be set based on the system temperature t, for example, the required time Td may be set so that the lower the system temperature t, the longer the required time Td.
実施例では、システム温度ｔとして補機温度センサ５９により検出された温度や燃料電池温度センサ３７により検出された燃料電池３６の温度などを用いるものとしたが、これに限られず、エアブロワ５３や第１，第２換気ファン２４，２６などの補機に温度センサを設けその温度センサにより直接検出した温度を用いてもよい。 In the embodiment, the temperature detected by the auxiliary machine temperature sensor 59, the temperature of the fuel cell 36 detected by the fuel cell temperature sensor 37, and the like are used as the system temperature t, but the system temperature t is not limited to this, and the air blower 53 and the first A temperature sensor may be provided in the auxiliary equipment such as the first and second ventilation fans 24 and 26, and the temperature directly detected by the temperature sensor may be used.
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、原燃料ガス供給装置４０が「ガス供給装置」に相当し、エアブロワ５３が「エアブロワ」に相当し、エア供給装置５０が「空気供給装置」に相当し、補機温度センサ５９（あるいは燃料電池温度センサ３７）が「温度センサ」に相当し、パワーコンディショナ７１が「補機電源」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。また、供給遮断弁５３ａが「供給遮断弁」に相当する。また、第１換気ファン２４および第２換気ファン２６が「換気ファン」に相当し、流入遮断弁２４ａが「流入出遮断弁」に相当する。 The correspondence between the main elements of the examples and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem will be described. In the embodiment, the raw material fuel gas supply device 40 corresponds to the "gas supply device", the air blower 53 corresponds to the "air blower", the air supply device 50 corresponds to the "air supply device", and the auxiliary machine temperature sensor 59 ( Alternatively, the fuel cell temperature sensor 37) corresponds to the "temperature sensor", the power conditioner 71 corresponds to the "auxiliary power supply", and the control device 80 corresponds to the "control device". Further, the supply shutoff valve 53a corresponds to the "supply shutoff valve". Further, the first ventilation fan 24 and the second ventilation fan 26 correspond to the "ventilation fan", and the inflow shutoff valve 24a corresponds to the "inflow / outflow shutoff valve".
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎない。 As for the correspondence between the main elements of the examples and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem, the invention described in the column of means for solving the problem in the examples is carried out. Since it is an example for specifically explaining the form for solving the problem, the elements of the invention described in the column of means for solving the problem are not limited. That is, the interpretation of the invention described in the column of means for solving the problem should be performed based on the description in the column, and the examples are the inventions described in the column of means for solving the problem. It is just a concrete example.
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described above with reference to examples, the present invention is not limited to these examples, and various embodiments are used without departing from the gist of the present invention. Of course, it can be done.
本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。 The present invention can be used in the manufacturing industry of fuel cell systems and the like.
１ 燃料供給装置、２ 商用電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２２ａ 吸気口、２２ｂ 排気口、２４ 第１換気ファン、２４ａ 流入遮断弁、２６ 第２換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 気化器、３３ 改質器、３４ 燃焼部、３５ 点火ヒータ、３６ 燃料電池、３７ 燃料電池温度センサ、４０ 原燃料ガス供給装置、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、４５ 原燃料ガスポンプ、４６ 脱硫器、４７ 圧力センサ、４８ 流量センサ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ フィルタ、５３ エアブロワ、５３ａ 供給遮断弁、５４ 流量センサ、５５ 改質水供給装置、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、５９ 補機温度センサ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気ガス排出管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、７３ａ〜７３ｅ 駆動回路、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、９０ 表示パネル、９１ 可燃ガスセンサ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、２００ 煙突。 1 fuel supply device, 2 commercial power supply, 3 power line, 4 load, 10 fuel cell system, 20 power generation unit, 22 housing, 22a intake port, 22b exhaust port, 24 1st ventilation fan, 24a inflow shutoff valve, 26th 2 Ventilation fan, 30 Power generation module, 31 Module case, 32 Vaporizer, 33 Reformer, 34 Combustor, 35 Ignition heater, 36 Fuel cell, 37 Fuel cell temperature sensor, 40 Raw fuel gas supply device, 41 Raw fuel gas Supply pipe, 42, 43 Raw fuel gas supply valve, 45 Raw fuel gas pump, 46 Smelter, 47 Pressure sensor, 48 Flow sensor, 50 Air supply device, 51 Air supply pipe, 52 Filter, 53 Air blower, 53a Supply shutoff valve, 54 flow sensor, 55 reformed water supply device, 56 reformed water supply pipe, 57 reformed water tank, 58 reformed water pump, 59 auxiliary temperature sensor, 60 exhaust heat recovery device, 61 circulation pipe, 62 heat exchanger , 63 Circulation pump, 66 Condensed water supply pipe, 67 Exhaust gas discharge pipe, 71 Power conditioner, 72 Power supply board, 73a to 73e drive circuit, 80 Control device, 81 CPU, 82 ROM, 83 RAM, 84 timer, 90 display Panel, 91 flammable gas sensor, 100 hot water supply unit, 101 hot water storage tank, 200 chimney.
Claims (3)
前記燃料ガスを供給するガス供給装置と、
エアブロワの駆動により前記酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池システムのシステム温度を検出する温度センサと、
前記エアブロワを含むシステムが備える補機に給電可能な補機電源と、
前記燃料電池の起動が要求されたとき、前記温度センサにより検出される前記システム温度が所定温度以下の場合には、前記起動に先立って前記燃料ガスの供給を停止した状態で少なくとも前記エアブロワを駆動する暖機制御を実行する制御装置と、
前記補機として、前記燃料電池システム内を換気する換気ファンと、
前記燃料電池システム内への空気の流入または流出を遮断可能な流入出遮断弁と、
を備え、
前記制御装置は、前記暖機制御では、前記エアブロワに加えて前記換気ファンを駆動するものであって、前記流入出遮断弁が開弁した状態で前記換気ファンが駆動を開始するよう前記流入出遮断弁を制御する燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell that generates electricity based on a fuel gas and an oxidant gas.
The gas supply device that supplies the fuel gas and
An air supply device that supplies air as the oxidant gas by driving an air blower, and
A temperature sensor that detects the system temperature of the fuel cell system and
Auxiliary power supply that can supply power to auxiliary equipment provided in the system including the air blower,
When the start of the fuel cell is requested, if the system temperature detected by the temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, at least the air blower is driven in a state where the supply of the fuel gas is stopped prior to the start. A control device that executes warm-up control and
As the auxiliary machine, a ventilation fan for ventilating the inside of the fuel cell system and
An inflow / outflow shutoff valve capable of blocking the inflow or outflow of air into the fuel cell system,
Equipped with a,
In the warm-up control, the control device drives the ventilation fan in addition to the air blower, and the inflow / outflow so that the ventilation fan starts driving with the inflow / outflow shutoff valve open. A fuel cell system that controls the shutoff valve.
前記制御装置は、前記暖機制御では、所定時間に亘って第１のデューティ比で前記エアブロワを駆動してから、前記第１のデューティ比よりも高い第２のデューティ比で前記エアブロワを駆動する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1.
In the warm-up control, the control device drives the air blower at a first duty ratio over a predetermined time, and then drives the air blower at a second duty ratio higher than the first duty ratio. Fuel cell system.
前記エアブロワから前記燃料電池への空気の供給を遮断可能な供給遮断弁を備え、
前記制御装置は、前記暖機制御では、前記供給遮断弁が開弁した状態で前記エアブロワが駆動を開始するよう前記供給遮断弁を制御する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2.
A supply shutoff valve capable of shutting off the supply of air from the air blower to the fuel cell is provided.
In the warm-up control, the control device is a fuel cell system that controls the supply shutoff valve so that the air blower starts driving in a state where the supply shutoff valve is open.
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