JP7002389B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料供給手段によって原燃料ガスを所定の流量で改質部に供給し、改質部で生成された燃料ガスを用いてセルスタックで発電する発電運転を行う燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system in which raw fuel gas is supplied to a reforming unit at a predetermined flow rate by a fuel supply means, and power generation operation is performed in a cell stack using the fuel gas generated in the reforming unit.
燃料電池発電システムに用いられる固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、酸素イオンを伝導する固体電解質の両側に燃料ガス及び酸化剤ガス中の酸素をそれぞれ酸化、還元する機能を有する電極を取り付けたものであり、電解質の材料としては一般的にイットリアをドープしたジルコニアが用いられている。そして、当該固体酸化物形燃料電池は、およそ700℃から1000℃の高温化で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。この固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、他の燃料電池を用いた発電システムやガスエンジン等に比べて、特に高い効率で発電が可能なことから、有望な発電技術として盛んに研究開発が行われている。 Solid oxide fuel cells (SOFCs) used in fuel cell power generation systems are equipped with electrodes on both sides of a solid electrolyte that conducts oxygen ions, which have the function of oxidizing and reducing oxygen in the fuel gas and oxidant gas, respectively. As a material for the electrolyte, zirconia doped with itria is generally used. Then, the solid oxide fuel cell generates electricity by electrochemically reacting hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbon and oxygen in the fuel gas at a high temperature of about 700 ° C to 1000 ° C. This fuel cell power generation system using a solid oxide fuel cell is prosperous as a promising power generation technology because it can generate power with particularly high efficiency compared to other fuel cell power generation systems and gas engines. Research and development is being carried out in.
ところで、燃料電池発電システムにおいては、その発電効率を向上させる手段の一つに、改質部で生成された燃料ガス中の発電に使用される燃料割合(燃料利用率)を向上させる手段が知られており、燃料利用率を向上させることで、投入する原燃料ガスの量を減らすことができ、発電効率が向上する。 By the way, in a fuel cell power generation system, one of the means for improving the power generation efficiency is known as a means for improving the fuel ratio (fuel utilization rate) used for power generation in the fuel gas generated in the reforming section. By improving the fuel utilization rate, the amount of raw fuel gas to be input can be reduced and the power generation efficiency can be improved.
また、原燃料ガスとしては、ガス事業者が供給する都市ガスが用いられることが多い。通常、ガス事業者は都市ガスの熱量を例えば45MJなどの値に調整した上で消費者に供給し、その熱量の原燃料ガスが改質部に供給される。そして、改質部には、その熱量の原燃料ガスの流量に応じて決定される所定流量の改質用水を供給することで、最適なS/C値(スチーム/カーボン比率)の下で原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。尚、S/C値が小さくなり過ぎるとカーボン析出などによりセルスタックの耐久性が低下し、S/C値が大きくなり過ぎると発電効率が低下するという問題がある。 In addition, as the raw material and fuel gas, city gas supplied by a gas company is often used. Normally, the gas company adjusts the calorific value of the city gas to a value such as 45 MJ and then supplies it to the consumer, and the raw material fuel gas of the calorific value is supplied to the reforming section. Then, by supplying the reforming portion with a predetermined flow rate of reforming water determined according to the flow rate of the raw fuel gas having the calorific value, the reforming unit is supplied under the optimum S / C value (steam / carbon ratio). Steam reforming of fuel gas is performed. If the S / C value is too small, the durability of the cell stack is lowered due to carbon precipitation or the like, and if the S / C value is too large, the power generation efficiency is lowered.
そのような問題を解決するものの一つして、例えば、特許文献1に開示された燃料電池システムが提案されている。特許文献1に開示された燃料電池システムは、原燃料ガスの組成変動に伴う熱量の変動によって、燃料利用率やS/C比が変動し、上述したような問題が生じることに鑑みてなされたものであって、原燃料ガスの熱量を検知するための熱量検知手段を備えており、熱量検知手段が検知した原燃料ガスの熱量に応じて、原燃料ガスの流量の制御を行い、燃料利用率やS/C値の変動を抑えて一定に維持するものである。
As one of the solutions to such a problem, for example, a fuel cell system disclosed in
ところで、燃料電池発電システムの原燃料ガスの流量を計測するガス流量計などに使用される補器類には、製造時のバラつき等があり、このような補器類のバラつき等に起因して、原燃料ガスの実ガス流量のバラつきが発生する。具体的に言うと、ガス流量計により計測されたガス流量と目標とするガス流量とが見かけ上一致しているものの、実際のガス流量は計測ガス流量よりも多い又は小さい側に誤差が生じた状態となる。 By the way, the auxiliary equipment used for the gas flow meter that measures the flow rate of the raw fuel gas of the fuel cell power generation system has variations during manufacturing, etc., due to such variations in the auxiliary equipment. , The actual gas flow rate of raw material and fuel gas varies. Specifically, although the gas flow rate measured by the gas flow meter and the target gas flow rate seem to match, the actual gas flow rate has an error on the side larger or smaller than the measured gas flow rate. It becomes a state.
したがって、ガス流量計の製造時のバラつき等を考慮すると、原燃料ガスの流量制御は、ある程度の安全マージンを持った流量となるように制御することが必要となるため、燃料利用率の向上に限界がある。 Therefore, considering the variation during manufacturing of the gas flow meter, it is necessary to control the flow rate of the raw material and fuel gas so that the flow rate has a certain safety margin, which improves the fuel utilization rate. There is a limit.
また、ガス流量計の製造時のバラつき等に起因して、計測ガス流量と実ガス流量との間に誤差がある状態で燃料電池発電システムの運転を長時間継続すると、改質用水の供給量に対して原燃料ガスの供給量が超過又は不足した状態となり、セルスタックの劣化や故障が発生したり、過剰な原燃料ガスが消費されることにより、発電コストが上昇したりするという問題がある。 In addition, if the fuel cell power generation system is operated for a long time with an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate due to variations in the manufacturing of the gas flow meter, the amount of reforming water supplied. On the other hand, there are problems that the supply amount of raw material and fuel gas becomes excessive or insufficient, the cell stack deteriorates or fails, and the power generation cost rises due to the excessive consumption of raw material and fuel gas. be.
しかしながら、上記特許文献1の燃料電池システムでは、ガス流量計の製造時のバラつき等による計測ガス流量と実ガス流量との誤差を考慮しておらず、上記問題を解決することができない。
However, the fuel cell system of
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであり、ガス流量計の製造時のバラつき等に起因した計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正することができ、原燃料ガスを適切な流量で供給することができる燃料電池発電システムを提供することを、その目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to correct an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate due to variations in the manufacturing of the gas flow meter, and the raw fuel gas is appropriate. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation system that can be supplied by a flow rate.
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池発電システムの特徴構成は、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックとを容器の内部に備え、
前記原燃料ガスを前記改質部に供給する燃料供給手段と、
前記容器内の所定部位の温度を測定する内部温度センサと、
前記燃料供給手段の動作を制御する制御装置とを備え、
前記燃料供給手段は、ガス流量計測部と、該ガス流量計測部で計測された流量を基に、前記制御装置により動作が制御されるガス供給部とを有し、
前記制御装置は、前記容器内の温度が所定の昇温目標温度まで上昇した状態で、前記ガス流量計測部で計測される計測ガス流量を基に、前記ガス供給部の動作を制御し、前記原燃料ガスを所定の流量で供給して、前記セルスタックで発電する発電運転を行う燃料電池発電システムであって、
前記制御装置は、
前記発電運転を行う前に、前記ガス流量計測部の計測ガス流量が所定の基準ガス流量に見かけ上一致した状態で一定となるように、前記ガス供給部の動作を制御し、前記内部温度センサの測定温度を前記昇温目標温度まで上昇させる昇温工程を実施して、前記昇温工程中の所定温度範囲における温度上昇速度を算出し、
前記算出した温度上昇速度を用いて、前記ガス流量計測部の計測ガス流量と実際のガス流量との誤差を補正するための流量補正係数を決定し、
前記ガス流量計測部の計測ガス流量に前記流量補正係数を乗じた補正ガス流量を基に、前記ガス供給部の動作を制御する点にある。
The characteristic configuration of the fuel cell power generation system according to the present invention for achieving the above object is a reforming section for steam reforming raw fuel gas to generate fuel gas, and a fuel gas generated by the reforming section. A cell stack with multiple fuel cell cells to generate power using is provided inside the container.
A fuel supply means for supplying the raw material and fuel gas to the reforming unit,
An internal temperature sensor that measures the temperature of a predetermined part in the container,
A control device for controlling the operation of the fuel supply means is provided.
The fuel supply means includes a gas flow rate measuring unit and a gas supply unit whose operation is controlled by the control device based on the flow rate measured by the gas flow rate measuring unit.
The control device controls the operation of the gas supply unit based on the measured gas flow rate measured by the gas flow rate measuring unit in a state where the temperature inside the container has risen to a predetermined temperature rise target temperature. A fuel cell power generation system that supplies raw fuel gas at a predetermined flow rate and performs power generation operation to generate power in the cell stack.
The control device is
Before performing the power generation operation, the operation of the gas supply unit is controlled so that the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit becomes constant in a state of apparently matching a predetermined reference gas flow rate, and the internal temperature sensor is used. A temperature rise step of raising the measured temperature of the above temperature to the temperature rise target temperature is carried out, and the temperature rise rate in a predetermined temperature range during the temperature rise step is calculated.
Using the calculated temperature rise rate, a flow rate correction coefficient for correcting an error between the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit and the actual gas flow rate is determined.
The point is to control the operation of the gas supply unit based on the corrected gas flow rate obtained by multiplying the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit by the flow rate correction coefficient.
ガス流量計測部の製造時のバラつき等に起因する計測ガス流量と実ガス流量との間の誤差の有無や大小は、温度上昇速度の違いとして現れる。即ち、計測ガス流量が基準ガス流量と見かけ上一致した状態で一定となるように原燃料ガスを供給したとしても、計測ガス流量と実ガス流量との誤差がない場合と比較すると、計測ガス流量が実ガス流量よりも小さいほど、容器内の所定部位の温度が昇温目標温度に上昇するまでに要する時間が短くなって温度上昇速度は速くなり、一方、計測ガス流量が実ガス流量よりも大きいほど、容器内の所定部位の温度が昇温目標温度に上昇するまでに要する時間が長くなって温度上昇速度は遅くなる。 The presence or absence of an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate due to variations in the manufacturing of the gas flow rate measuring unit and the magnitude of the error appear as a difference in the temperature rise rate. That is, even if the raw fuel gas is supplied so that the measured gas flow rate is in a state of apparently matching with the reference gas flow rate and is constant, the measured gas flow rate is compared with the case where there is no error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate. Is smaller than the actual gas flow rate, the time required for the temperature of a predetermined part in the container to rise to the temperature rise target temperature becomes shorter and the temperature rise rate becomes faster, while the measured gas flow rate is higher than the actual gas flow rate. The larger the value, the longer it takes for the temperature of a predetermined portion in the container to rise to the temperature rise target temperature, and the slower the temperature rise rate.
上記特徴構成によれば、計測ガス流量と実ガス流量との間の誤差の有無や大小によって変化する温度上昇速度を用いて流量補正係数を決定し、ガス流量計測部の計測ガス流量に流量補正係数を乗じて、実ガス流量との間の誤差を補正した補正ガス流量を算出し、補正ガス流量を基に制御装置がガス供給部の動作を制御する。即ち、ガス流量計測部を構成する補機類に製造時のバラつき等があり、計測ガス流量と実ガス流量との間に誤差があっても、この誤差を補正した流量を基に制御装置がガス供給部の動作を制御することができるため、原燃料ガスを適切な流量で改質部に供給することができる。したがって、燃料利用率をより向上させることができ、また、燃料ガスの過不足に起因するセルスタックの劣化や故障の発生、発電コストの増加を抑えることができる。 According to the above characteristic configuration, the flow rate correction coefficient is determined using the presence or absence of an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate and the temperature rise rate that changes depending on the magnitude, and the flow rate is corrected to the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit. The corrected gas flow rate is calculated by multiplying by the coefficient and corrected for the error between the actual gas flow rate, and the control device controls the operation of the gas supply unit based on the corrected gas flow rate. That is, even if there are variations in the auxiliary machinery that make up the gas flow rate measuring unit during manufacturing and there is an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate, the control device can use the flow rate corrected for this error. Since the operation of the gas supply unit can be controlled, the raw fuel gas can be supplied to the reforming unit at an appropriate flow rate. Therefore, the fuel utilization rate can be further improved, and deterioration of the cell stack, occurrence of failure, and increase in power generation cost due to excess or deficiency of fuel gas can be suppressed.
また、本発明に係る燃料電池発電システムの更なる特徴構成は、記憶装置を更に備え、
前記制御装置は、
前記算出した温度上昇速度と、前記記憶装置に予め記憶され、前記原燃料ガスを前記基準ガス流量で供給した場合に前記内部温度センサの測定温度が前記昇温目標温度まで上昇する際の基準温度上昇速度との温度上昇速度差を算出し、
前記記憶装置に予め記憶され、前記温度上昇速度差と前記流量補正係数との関係を規定した流量補正係数マップを参照し、前記算出した温度上昇速度差に応じた前記流量補正係数を決定する点にある。
Further, a further characteristic configuration of the fuel cell power generation system according to the present invention further includes a storage device.
The control device is
The calculated temperature rise rate and the reference temperature stored in advance in the storage device and when the measured temperature of the internal temperature sensor rises to the temperature rise target temperature when the raw material fuel gas is supplied at the reference gas flow rate. Calculate the temperature rise rate difference from the rise rate,
A point of determining the flow rate correction coefficient according to the calculated temperature rise rate difference by referring to a flow rate correction coefficient map stored in advance in the storage device and defining the relationship between the temperature rise rate difference and the flow rate correction coefficient. It is in.
上記特徴構成において、基準温度上昇速度とは、原燃料ガスを基準ガス流量で供給した場合に内部温度センサの測定温度が昇温目標温度まで上昇する際の速度であり、原燃料ガスを基準ガス流量で供給した場合とは、計測ガス流量と実ガス流量とが一致している(誤差がない)場合に相当する。即ち、基準温度上昇速度と温度上昇速度との差(温度上昇速度差)は、計測ガス流量と実ガス流量との間の誤差に対応するものである。 In the above characteristic configuration, the reference temperature rise rate is the rate at which the measurement temperature of the internal temperature sensor rises to the temperature rise target temperature when the raw fuel gas is supplied at the reference gas flow rate, and the raw fuel gas is used as the reference gas. The case where the gas is supplied at the flow rate corresponds to the case where the measured gas flow rate and the actual gas flow rate match (there is no error). That is, the difference between the reference temperature rise rate and the temperature rise rate (temperature rise rate difference) corresponds to the error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate.
したがって、上記特徴構成によれば、計測ガス流量と実ガス流量との誤差に対応する温度上昇速度差と流量補正係数との関係を規定した流量補正係数マップを予め作成して記憶装置に記憶しておき、算出した温度上昇速度差に応じた流量補正係数を決定して、これを計測ガス流量に乗じて実ガス流量との間の誤差を補正した補正ガス流量を算出し、補正ガス流量を基に制御装置がガス供給部の動作を制御する。したがって、上記と同様に、計測ガス流量と実ガス流量との間に誤差があっても、この誤差を補正した流量を基に制御装置がガス供給部の動作を制御することができるため、原燃料ガスを適切な流量で改質部に供給することができ、燃料利用率をより向上させることができるとともに、燃料ガスの過不足に起因するセルスタックの劣化や故障の発生、発電コストの増加を抑えることができる。 Therefore, according to the above feature configuration, a flow rate correction coefficient map that defines the relationship between the temperature rise rate difference corresponding to the error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate and the flow rate correction coefficient is created in advance and stored in the storage device. Then, determine the flow rate correction coefficient according to the calculated temperature rise rate difference, multiply this by the measured gas flow rate, calculate the corrected gas flow rate that corrects the error with the actual gas flow rate, and calculate the corrected gas flow rate. Based on this, the control device controls the operation of the gas supply unit. Therefore, similarly to the above, even if there is an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate, the control device can control the operation of the gas supply unit based on the flow rate corrected for this error. Fuel gas can be supplied to the reforming section at an appropriate flow rate, the fuel utilization rate can be further improved, cell stack deterioration and failure occur due to excess and deficiency of fuel gas, and power generation cost increases. Can be suppressed.
また、本発明に係る燃料電池発電システムの更なる特徴構成は、前記昇温工程中の所定温度範囲は、前記昇温目標温度の50~90%である点にある。 Further, a further characteristic configuration of the fuel cell power generation system according to the present invention is that the predetermined temperature range during the temperature rise step is 50 to 90% of the temperature rise target temperature.
ここで、容器内の温度が、容器外の温度(外気温度)と同程度である時点から所定温度昇温するまでの間の速度を温度上昇速度とした場合、当該温度上昇速度は、計測ガス流量と実ガス流量との誤差に加え、外気温度の影響が加味されたものとなる。したがって、計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正するという観点からすると、温度上昇速度は、外気温度の影響が極めて小さいものとなるように、容器内の温度が外気温度よりも十分高くなった時点から所定温度まで上昇する範囲の速度であることが好ましい。 Here, when the speed from the time when the temperature inside the container is about the same as the temperature outside the container (outside air temperature) to the temperature rise to a predetermined temperature is defined as the temperature rise rate, the temperature rise rate is the measured gas. In addition to the error between the flow rate and the actual gas flow rate, the influence of the outside air temperature is taken into consideration. Therefore, from the viewpoint of correcting the error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate, the temperature inside the container is sufficiently higher than the outside air temperature so that the influence of the outside air temperature is extremely small at the temperature rise rate. It is preferable that the speed is in the range of rising from the point in time to a predetermined temperature.
昇温目標温度は発電運転可能な温度(例えば、700~1000℃)である。上記特徴構成によれば、内部温度センサの測定温度(容器内の所定部位の温度)が外気温度よりも十分に高い温度から所定温度まで上昇する際の速度が温度上昇速度となり、当該温度上昇速度が外気温度の影響が極めて小さいものとなる。したがって、温度上昇速度を用いて決定した流量補正係数によれば、計測ガス流量と実ガス流量との誤差をより正確に補正することができる。 The temperature rise target temperature is a temperature at which power generation operation is possible (for example, 700 to 1000 ° C.). According to the above characteristic configuration, the temperature at which the measured temperature of the internal temperature sensor (the temperature of a predetermined part in the container) rises from a temperature sufficiently higher than the outside air temperature to a predetermined temperature is the temperature rise rate, and the temperature rise rate is the same. However, the influence of the outside air temperature becomes extremely small. Therefore, according to the flow rate correction coefficient determined by using the temperature rise rate, the error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate can be corrected more accurately.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照して第1実施形態に係る燃料電池発電システム1について説明する。図1は、固体酸化物形燃料電池を利用した燃料電池発電システムの概略的な構成図である。同図に示すように、燃料電池発電システム1は、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部2と、改質部2に接続した気化部3と、改質部2で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルFを有するセルスタック4と、セルスタック4からのオフガスを燃焼する燃焼部7とを高温容器10内に備えるとともに、気化部3に原燃料ガスを所定流量で供給する燃料供給手段11と、気化部3に改質用水を供給する改質用水供給手段15と、高温容器10内に空気を所定流量で供給する空気供給手段20と、セルスタック4で発生した電力を所望の電圧、周波数、位相の電力に変換する電力変換部25と、動作を制御する制御装置30とを備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, the fuel cell
気化部3には、原燃料ガスが原燃料ガス流路L1を通して供給され、改質部2での水蒸気改質に用いられる改質用水が改質用水流路L2を通して供給されるようになっており、当該気化部3は、供給される改質用水を燃焼部7から伝えられる燃焼熱を用いて加熱して蒸発する。また、気化部3では、生成された水蒸気と原燃料ガスとの混合も行われ、その混合ガスは混合ガス流路L3を通して改質部2に供給される。
The raw fuel gas is supplied to the
原燃料ガス流路L1の途中には、燃料供給手段11としてのガス流量計12やガスブロア13、制御弁(図示せず)が設けられている。ガス流量計12には、原燃料の熱拡散作用を利用して計測を行う熱式質量流量計を用いている。また、ガスブロア13の下流側の原燃料ガス流路L1には、例えば、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を取り除くための脱硫器(図示せず)を設けている。ガスブロア13及び制御弁の動作により、原燃料ガスが原燃料ガス流路L1を通して気化部3内に供給される。ガス流量計12は、気化部3に供給される原燃料ガスの単位時間当たりのガス流量を計測し、その計測結果は、制御装置30に送信され、記憶装置31に記憶される。また、ガスブロア13及び制御弁の動作は制御装置30が制御する。尚、本実施形態において、ガス流量計12が「ガス流量計測部」に相当し、ガスブロア13及び制御弁が「ガス供給部」に相当する。
A
改質用水流路L2の途中には、改質用水供給手段15としての改質用水ポンプ16と改質用水タンク17が設けられており、改質用水ポンプ16が動作することで、改質用水タンク17に貯えられている改質用水が改質用水流路L2を流通して気化部3内に供給される。尚、改質用水ポンプ16の動作は制御装置30が制御する。
A reforming
改質部2には、気化部3で得られた原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。そして、改質部2では、原燃料ガスの水蒸気改質が行われて、水素を主成分とする燃料ガスが生成される。また、改質部2にも、後述する燃焼部7で発生した燃焼熱が伝達され、その熱によって改質反応が促進される。改質部2で生成された燃料ガスは、燃料ガス流路L4を通って後述するセルスタック4のマニホールド5に供給される。
A mixed gas of the raw material fuel gas and steam obtained in the
セルスタック4は、改質部2で生成された燃料ガスが通流する燃料通流部(図示せず)と、空気(即ち、酸化剤(酸素))が通流する空気通流部とを備えた複数の固体酸化物形の燃料電池セルFを電気的に直列接続した状態で備えている。図示は省略するが、燃料電池セルFは、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セルFでは、燃料通流部を燃料ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に燃料ガスが供給され、空気通流部を空気が上向きに通流することで空気極の全体に空気が供給される。
The
加えて、セルスタック4の下部には、改質部2から燃料ガス流路L4を通して供給される燃料ガスを受け入れるマニホールド5が設けられている。複数の燃料電池セルFは、マニホールド5の上方側に並ぶ状態で配置され、マニホールド5と複数の燃料電池セルFにおける燃料通流部の下端のガス導入口(図示せず)とが連通接続されている。そして、マニホールド5に供給された燃料ガスが複数の燃料電池セルFのそれぞれの燃料通流部に対して下端のガス導入口から供給され、各燃料通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後、排出燃料ガスは、上端の燃料ガス排出口(図示せず)から排出される。
In addition, a
高温容器10には、空気導入部6が設けられており、当該空気導入部6には、空気が流通する空気供給流路L5が接続されている。空気供給流路L5の途中には、空気供給手段20としてのエアフィルタ21、エアブロア22及びエア流量計23が設けられており、エアブロア22の動作により、空気が空気供給流路L5を通して高温容器10内に供給される。エアフィルタ21は、エアブロア22によって空気供給流路L5に吸い込まれた空気中の塵などの異物を捕え、高温容器10内への異物の侵入を防ぐために設けられている。また、エア流量計23は、高温容器10内に供給される単位時間当たりの流量を計測し、エア流量計23の計測結果は制御装置30に送信され、記憶装置31に記憶される。尚、エアブロア22の動作は制御装置30が制御する。
The
尚、複数の燃料電池セルFのそれぞれにおける空気流通部の下端部近傍には、高温容器10内と空気流通部とを連通する空気供給孔(図示せず)が設けられており、空気流通部には、高温容器10内の空気が空気供給孔を通して供給され、各空気流通部を下方側に通流して発電反応に供される。そして、発電反応に供された後の排空気は、上端の空気排出口(図示せず)から排出される。
In the vicinity of the lower end of the air flow section in each of the plurality of fuel cell Fs, an air supply hole (not shown) for communicating the inside of the
また、高温容器10内のセルスタック4の上方には、オフガス(即ち、各燃料電池セルFの燃料通流部から排出される排燃料ガスと空気流通部から排出される排空気(即ち、酸素))を燃料させる燃焼空間(即ち、燃焼部7)が形成される。つまり、セルスタック4により燃焼部7が実現される。また、この燃焼空間(燃焼部7)には、点火器8も設けられる。加えて、気化部3及び改質部2は、セルスタック4の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、上述したように、燃焼部7で発生する燃焼熱によって、気化部3、改質部2及びセルスタック4が加熱される。
Further, above the
更に、高温容器10には、燃焼部7にて発生した燃焼排ガスを外部に排出させる排気部9が下面部等に形成されており、また、排気部9から外部に排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素ガス等を除去するための燃焼触媒部9a(例えば、白金系触媒)が設けられている。
Further, the
高温容器10内には、高温容器10内の所定部位の温度を測定する内部温度センサとしての3つの温度センサT1,T2,T3が設けられており、これらの温度センサT1,T2,T3による測定結果は制御装置30に送信され、記憶装置31に記憶される。温度センサT1は、燃焼部7近傍の温度を測定し、その測定結果は、燃焼部7での燃焼が適正に行われているか否かの判定などに用いられる。また、温度センサT2は、高温容器10内部の温度、例えば、セルスタック4の側方の温度を測定する。更に、温度センサT3は、改質部2の温度(例えば、改質触媒の温度)を測定し、その測定結果は、改質部2の温度が適正か否かの判定などに用いられる。
In the
電力変換部25は、セルスタック4に電気的に接続されたインバータなどである。そして、電力変換部25に接続される電力線26を介して、セルスタック4で発電された電力が様々な電力負荷装置や電力系統などに供給される。
The
制御装置30は、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理機能を有する電気回路部を用いて構成される装置であり、半導体メモリなどの情報記憶機能を有する電気回路部を用いて構成された記憶装置31と適宜データをやりとりして、所定の処理を実行するものである。
The
以上の構成を備えた燃料電池発電システム1によれば、制御装置30は、改質部2(気化部3)に単位時間当たりの流量が一定となるように原燃料ガスを供給するとともに、原燃料ガスの供給量に見合った改質用水を改質部2(気化部3)に供給し、燃料ガスの燃焼によって高温容器10内を所定の目標温度まで昇温する昇温工程を行った後、セルスタック4で電気化学反応を利用した発電運転を行う。
According to the fuel cell
ところで、発電運転時においては、燃料利用率の向上や燃料ガスの過不足によるセルスタック4の劣化等防止を図る上で、改質部2(気化部3)に供給する原燃料ガスの流量を可能な限り厳密に制御することが重要であり、燃料電池発電システム1では、ガス流量計12により原燃料ガスの流量を計測し、その計測結果を基に、原燃料ガスの流量が適時所定の流量となるようにガスブロア13及び制御弁の動作を制御装置30が制御している。
By the way, during power generation operation, in order to improve the fuel utilization rate and prevent deterioration of the
しかしながら、ガス流量計12などの補機類には製造時のバラつき等が生じるため、このバラつき等が基になって、ガス流量計12で計測したガス流量(計測ガス流量)と実際のガス流量(実ガス流量)との間に誤差が生じる。具体的に言うと、ガス流量計12により計測したガス流量が所定の目標ガス流量と見かけ上一致していても、実際のガス流量は、計測ガス流量よりも多くなる又は少なくなる場合がある。そのため、計測ガス流量を基にガスブロア13及び制御弁の動作を制御すると、本来必要なガス流量に対する実ガス流量の過不足が生じる。
However, since accessories such as the
そこで、本実施形態に係る燃料電池発電システム1においては、ガス流量計12の製造時のバラつき等に起因した計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正しながら発電運転を行うために、以下に示す処理を行う。
Therefore, in the fuel cell
具体的には、まず、計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正するための流量補正係数を決定する処理を行う。図2は、流量補正係数決定処理を説明するフローチャートである。流量補正係数決定処理では、まず、上述したように、発電運転の実施に際して、制御装置30は、ガス流量計12の計測ガス流量が所定の基準ガス流量と一致した状態で一定となるように、ガスブロア13及び制御弁の動作を制御する昇温工程を実施する(工程#1)。そして、制御装置30は、温度センサT2により測定される温度(高温容器10内の温度)が所定の昇温目標温度に到達したか否かを判定し(工程#2)、昇温目標温度に到達したと判定した場合には、工程#3に移行する。尚、昇温目標温度に到達したと判定するまでは、工程#2を繰り返す。また、昇温工程における高温容器10内の温度及び経過時間は、記憶装置31に逐次記憶される。
Specifically, first, a process of determining a flow rate correction coefficient for correcting an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate is performed. FIG. 2 is a flowchart illustrating a flow rate correction coefficient determination process. In the flow rate correction coefficient determination process, first, as described above, when the power generation operation is performed, the
ここで、上述したように、計測ガス流量と実ガス流量との間に誤差が生じている場合がある。その場合、計測ガス流量を基にガスブロア13及び制御弁の動作を制御しても、上記誤差の影響によって高温容器10内が所定温度上昇するまでの時間が変化する。これについて、図3を参照しつつ、具体的に説明する。図3は、異なる3つのガス流量計12(個体A,B,C)の計測ガス流量が所定の基準ガス流量と見かけ上一致した状態で一定となるようにガスブロア13及び制御弁の動作を制御し、高温容器10内の温度を350℃~700℃まで昇温させた場合の時間と温度との関係を示したグラフである。尚、個体Aにより計測したガス流量は実ガス流量との間に誤差がなく、個体Bにより計測したガス流量は実ガス流量よりも小さく、個体Cにより計測したガス流量は実ガス流量よりも大きいものとする。
Here, as described above, there may be an error between the measured gas flow rate and the actual gas flow rate. In that case, even if the operations of the
この場合、各ガス流量計12の計測ガス流量が基準ガス流量と見かけ上一致した状態であっても、実ガス流量はそれぞれ異なったものになる。図3に示すように、個体Bを用いた場合、計測ガス流量が実ガス流量よりも小さいため、計測ガス流量と実ガス流量とが一致する個体Aを用いた場合よりも実ガス流量が多くなり温度上昇速度が速くなる。これに対して、個体Cを用いた場合、計測ガス流量は実ガス流量よりも大きいため、個体Aを用いた場合よりも実ガス流量は小さくなり温度上昇速度が遅くなる。
In this case, even if the measured gas flow rate of each
このように、ガス流量計12による計測ガス流量と実ガス流量との誤差は、温度上昇速度の差として現れる。そこで、本実施形態の燃料電池発電システム1では、工程#3において、制御装置30は、記憶装置31に記憶された高温容器10内の温度及び経過時間に関する情報を基に、高温容器10内の温度が昇温目標温度に上昇するまでの所定温度範囲における速度(温度上昇速度)を算出して記憶装置31に記憶し、工程#4へ移行する。
As described above, the error between the gas flow rate measured by the
尚、高温容器10内の温度が、高温容器10外の温度(外気温度)と同程度である時点から所定温度昇温するまでの間の速度を温度上昇速度とした場合、当該温度上昇速度は、計測ガス流量と実ガス流量との誤差だけでなく、外気温度の影響が加味されたものとなる。したがって、計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正するという観点からすると、温度上昇速度は、外気温度の影響が極めて小さいものとなるように、高温容器10内の温度が外気温度よりも十分高くなった時点から所定温度まで上昇する範囲の温度上昇値と温度上昇に要した時間とを基に算出することが好ましい。そこで、本実施形態において、温度上昇速度は、外気温度よりも十分に高い昇温目標温度(700℃)の50%から90%まで昇温した場合の温度上昇値と温度上昇に要した時間とを基に算出する。尚、昇温目標温度の50%から90%の範囲内であれば、必ずしも50%から90%まで昇温した場合の温度上昇速度を用いる必要はなく、例えば、70%から80%まで上昇する間の温度上昇速度を計測して用いることもできる。
When the temperature from the time when the temperature inside the
そして、工程#4において、制御装置30は、記憶装置31に記憶された基準温度上昇速度を上記温度上昇速度から減じた温度上昇速度差を算出し、工程#5へ移行する。尚、基準温度上昇速度は、原燃料ガスを基準ガス流量で正確に供給した場合に、高温容器10内の温度が所定温度から前記昇温目標温度まで上昇する際の速度であり、燃料電池発電システム1の製造段階等で予め記憶装置31に記憶させたものである。本実施形態においては、ガス流量を極めて正確に測定することができる石鹸膜式流量計を用い、高温容器10内の温度が350℃から昇温目標温度である700℃まで上昇した場合の温度上昇値と温度上昇に要した時間を基に算出した温度上昇速度を基準温度上昇速度として用いる。また、表1には、上述した3つの異なるガス流量計12(個体A,B,C)を用いた場合を例にとって、温度上昇速度Vta,Vtb,Vtc、基準温度上昇速度Vt及び温度上昇速度差ΔVta,ΔVtb,ΔVtcを示した。
工程#5において、制御装置30は、図4に示す流量補正係数マップ(温度上昇速度差と流量補正係数との関係を規定したグラフ)を参照し、算出した温度上昇速度差に応じた流量補正係数を決定し、記憶装置31に記憶する。尚、流量補正係数マップは、実験データや計算結果等を基に予め作成したものが記憶装置31に記憶されている。
In
例えば、上述した3つの異なるガス流量計(個体A,B,C)を用いた場合を例にとって図4を参照して説明すると、計測ガス流量と実ガス流量とが一致する個体Aについては、温度上昇速度差ΔVtaが0であり、実質的には計測ガス流量を補正する必要がないため、流量補正係数が1となっている。これに対して、計測ガス流量が実ガス流量よりも小さい個体Bについては、温度上昇速度差ΔVtbが正であり(即ち、温度上昇速度Vtbの方が基準温度上昇速度Vtよりも速い)、計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正するための流量補正係数は1未満となる。また、計測ガス流量が実ガス流量よりも大きい個体Cについては、温度上昇速度ΔVtcが負であり(即ち、温度上昇速度Vtcの方が基準温度上昇速度Vtよりも遅い)、計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正するための流量補正係数が1を超えるものとなる。 For example, when the above-mentioned three different gas flow meters (individuals A, B, and C) are used as an example and described with reference to FIG. 4, the individual A in which the measured gas flow rate and the actual gas flow rate match will be described. Since the temperature rise rate difference ΔVta is 0 and it is not necessary to substantially correct the measured gas flow rate, the flow rate correction coefficient is 1. On the other hand, for the individual B whose measured gas flow rate is smaller than the actual gas flow rate, the temperature rise rate difference ΔVtb is positive (that is, the temperature rise rate Vtb is faster than the reference temperature rise rate Vt), and the measurement is performed. The flow rate correction coefficient for correcting the error between the gas flow rate and the actual gas flow rate is less than 1. Further, for the individual C whose measured gas flow rate is larger than the actual gas flow rate, the temperature rise rate ΔVtc is negative (that is, the temperature rise rate Vtc is slower than the reference temperature rise rate Vt), and the measured gas flow rate and the actual gas flow rate. The flow rate correction coefficient for correcting the error with the gas flow rate exceeds 1.
そして、制御装置30は、発電運転において、ガス流量計12の計測ガス流量に記憶装置31に記憶された流量補正係数を乗じた補正ガス流量を基に、ガスブロア13及び制御弁の動作を制御する。
Then, in the power generation operation, the
以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム1によれば、流量補正係数決定処理を行うことで、ガス流量計12で計測したガス流量と実ガス流量との誤差を補正するための流量補正係数を決定することができ、制御装置30は、ガス流量計12の計測ガス流量に流量補正係数を乗じた補正ガス流量を基にガスブロア13を制御する。即ち、ガス流量計12を構成する補機類に製造時のバラつき等があり、計測ガス流量と実ガス流量との間に誤差があっても、この誤差を補正した流量を基に制御装置30がガスブロア13及び制御弁の動作を制御することができるため、原燃料ガスを適切な流量で改質部2(気化部3)に供給することができる。したがって、燃料利用率を高めることができ、また、燃料ガスの過不足に起因するセルスタック4の劣化や故障の発生を抑えることができる。
As described above, according to the fuel cell
〔別実施形態〕
〔1〕上記実施形態では、燃料電池発電システム1の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、温度上昇速度は、昇温目標温度の50%から90%まで上昇する範囲の温度上昇値と温度上昇に要した時間とを基に算出する態様としたが、これに限られるものではない。即ち、温度が一次関数的に上昇する任意の温度範囲における温度上昇値と温度上昇に要した時間とを基に算出するようにしても良い。
[Another Embodiment]
[1] In the above embodiment, the configuration of the fuel cell
〔2〕また、上記実施形態では、温度センサT2の測定温度(高温容器10内の温度)の温度上昇速度を利用して流量補正係数を決定するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、温度センサT1の測定温度(燃焼部7近傍の温度)や温度センサT3の測定温度(改質部2の温度)も高温容器10内の温度に相当するものであって、ガス流量計12の計測ガス流量と実ガス流量との誤差に影響を受けるため、これら各温度センサT1,T2の測定温度の温度上昇速度を利用して流量補正係数を決定するようにしても良い。
[2] Further, in the above embodiment, the flow rate correction coefficient is determined by using the temperature rise rate of the measured temperature (temperature in the high temperature container 10) of the temperature sensor T2, but the present invention is not limited to this. .. For example, the measured temperature of the temperature sensor T1 (the temperature near the combustion unit 7) and the measured temperature of the temperature sensor T3 (the temperature of the reforming unit 2) also correspond to the temperature inside the
〔3〕更に、上記実施形態における流量補正係数決定処理は、任意のタイミングで行うことができる。例えば、燃料電池発電システム1を起動させる度に行うようにしても良いし、最後に流量補正係数決定処理を行ってから所定の起動時間が経過した後に最初に起動させる際に行う、或いは、最後に流量補正係数決定処理を行ってからの起動回数が所定の回数となったときに行うようにしても良い。
[3] Further, the flow rate correction coefficient determination process in the above embodiment can be performed at any timing. For example, it may be performed every time the fuel cell
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction. The embodiments disclosed in the present specification are examples, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明は、ガス流量計の製造時のバラつき等に起因した計測ガス流量と実ガス流量との誤差を補正することができ、原燃料ガスを適切な流量で供給することができる燃料電池発電システムに利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a fuel cell power generation system capable of correcting an error between a measured gas flow rate and an actual gas flow rate due to variations during manufacturing of a gas flow meter and supplying raw fuel gas at an appropriate flow rate. Can be used for.
1 燃料電池発電システム
2 改質部
4 セルスタック
7 燃焼部
10 高温容器
11 燃料供給手段
12 ガス流量系
13 ガスブロア
30 制御装置
C 燃料電池セル
T1,T2,T3 温度センサ
1 Fuel cell
Claims (3)
前記原燃料ガスを前記改質部に供給する燃料供給手段と、
前記容器内の所定部位の温度を測定する内部温度センサと、
前記燃料供給手段の動作を制御する制御装置とを備え、
前記燃料供給手段は、ガス流量計測部と、該ガス流量計測部で計測された流量を基に、前記制御装置により動作が制御されるガス供給部とを有し、
前記制御装置は、前記容器内の温度が所定の昇温目標温度まで上昇した状態で、前記ガス流量計測部で計測される計測ガス流量を基に、前記ガス供給部の動作を制御し、前記原燃料ガスを所定の流量で供給して、前記セルスタックで発電する発電運転を行う燃料電池発電システムであって、
前記制御装置は、
前記発電運転を行う前に、前記ガス流量計測部の計測ガス流量が所定の基準ガス流量に見かけ上一致した状態で一定となるように、前記ガス供給部の動作を制御し、前記内部温度センサの測定温度を前記昇温目標温度まで上昇させる昇温工程を実施して、前記昇温工程中の所定温度範囲における温度上昇速度を算出し、
前記算出した温度上昇速度を用いて、前記ガス流量計測部の計測ガス流量と実際のガス流量との誤差を補正するための流量補正係数を決定し、
前記ガス流量計測部の計測ガス流量に前記流量補正係数を乗じた補正ガス流量を基に、前記ガス供給部の動作を制御する燃料電池発電システム。 A reforming unit that steam reforms the raw fuel gas to generate fuel gas and a cell stack having a plurality of fuel cell cells that generate power using the fuel gas generated by the reforming unit are provided inside the container. ,
A fuel supply means for supplying the raw material and fuel gas to the reforming unit,
An internal temperature sensor that measures the temperature of a predetermined part in the container,
A control device for controlling the operation of the fuel supply means is provided.
The fuel supply means includes a gas flow rate measuring unit and a gas supply unit whose operation is controlled by the control device based on the flow rate measured by the gas flow rate measuring unit.
The control device controls the operation of the gas supply unit based on the measured gas flow rate measured by the gas flow rate measuring unit in a state where the temperature inside the container has risen to a predetermined temperature rise target temperature. A fuel cell power generation system that supplies raw fuel gas at a predetermined flow rate and performs power generation operation to generate power in the cell stack.
The control device is
Before performing the power generation operation, the operation of the gas supply unit is controlled so that the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit becomes constant in a state of apparently matching a predetermined reference gas flow rate, and the internal temperature sensor is used. A temperature rise step of raising the measured temperature of the above temperature to the temperature rise target temperature is carried out, and the temperature rise rate in a predetermined temperature range during the temperature rise step is calculated.
Using the calculated temperature rise rate, a flow rate correction coefficient for correcting an error between the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit and the actual gas flow rate is determined.
A fuel cell power generation system that controls the operation of the gas supply unit based on the corrected gas flow rate obtained by multiplying the measured gas flow rate of the gas flow rate measuring unit by the flow rate correction coefficient.
前記制御装置は、
前記算出した温度上昇速度と、前記記憶装置に予め記憶され、前記原燃料ガスを前記基準ガス流量で供給した場合に前記内部温度センサの測定温度が前記昇温目標温度まで上昇する際の基準温度上昇速度との温度上昇速度差を算出し、
前記記憶装置に予め記憶され、前記温度上昇速度差と前記流量補正係数との関係を規定した流量補正係数マップを参照し、前記算出した温度上昇速度差に応じた前記流量補正係数を決定する請求項1に記載の燃料電池発電システム。 With more storage
The control device is
The calculated temperature rise rate and the reference temperature stored in advance in the storage device and when the measured temperature of the internal temperature sensor rises to the temperature rise target temperature when the raw material fuel gas is supplied at the reference gas flow rate. Calculate the temperature rise rate difference from the rise rate,
A request for determining the flow rate correction coefficient according to the calculated temperature rise rate difference by referring to a flow rate correction coefficient map stored in advance in the storage device and defining the relationship between the temperature rise rate difference and the flow rate correction coefficient. Item 1. The fuel cell power generation system according to Item 1.
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