JP7435181B2

JP7435181B2 - fuel cell system

Info

Publication number: JP7435181B2
Application number: JP2020067639A
Authority: JP
Inventors: 光国太田; 聡遠藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: JP2021163725A

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、原燃料ガスを供給する燃料ガスポンプと、改質水を供給するための水ポンプと、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、改質燃料ガスおよび酸化剤ガス（酸化材）の酸化および還元により発電する燃料電池スタックと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの運転状態が部分負荷運転から定格負荷運転に移行すると、部分負荷運転に比して大きい値を燃料利用率に設定すると共に、部分負荷運転に比して小さい値を改質器におけるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）に設定する。これにより、燃料利用率を大きくすることにより発電効率が向上すると共に、低Ｓ／Ｃの設定により改質燃料ガスに含まれる水分を少なくすることで燃料利用率を大きくしたことによる燃料電池スタックの温度低下が抑制される。 Conventionally, this type of fuel cell system includes a fuel gas pump for supplying raw fuel gas, a water pump for supplying reformed water, a reformer for steam reforming the raw fuel gas, and a reformed fuel gas pump for supplying reformed water. and a fuel cell stack that generates electricity by oxidizing and reducing an oxidant gas (oxidant) (for example, see Patent Document 1). In this fuel cell system, when the operating state of the fuel cell stack shifts from partial load operation to rated load operation, the fuel utilization rate is set to a larger value than in partial load operation, and is set to a smaller value than in partial load operation. Set the value to the steam carbon ratio (S/C) in the reformer. As a result, power generation efficiency is improved by increasing the fuel utilization rate, and the fuel cell stack is improved by increasing the fuel utilization rate by reducing the moisture contained in the reformed fuel gas by setting a low S/C. Temperature drop is suppressed.

特開２０１７－１６２７４６号公報JP2017-162746A

燃料電池システムでは、低Ｓ／Ｃの設定により燃料ガス中の水素分圧が上昇して起電力が上昇することで更なる発電効率の向上を図ることができる。しかしながら、上述した燃料電池システムでは、低Ｓ／Ｃの設定により燃料電池スタックの温度が上昇し続けると、燃料電池スタックの高温化による劣化を招くおそれがある。 In a fuel cell system, by setting a low S/C, the partial pressure of hydrogen in the fuel gas increases and the electromotive force increases, thereby making it possible to further improve power generation efficiency. However, in the above-described fuel cell system, if the temperature of the fuel cell stack continues to rise due to the low S/C setting, there is a risk that the fuel cell stack will deteriorate due to the increased temperature.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の運転状態が安定運転状態になった際に、燃料電池の温度を適正な温度に維持してその耐久性を確保しつつ、スチームカーボン比を低下させることによる発電効率の向上を図ることを主目的とする。 The fuel cell system of the present invention is capable of reducing the steam-carbon ratio while maintaining the temperature of the fuel cell at an appropriate temperature and ensuring its durability when the operating state of the fuel cell reaches a stable operating state. The main purpose is to improve power generation efficiency.

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 employs the following means to achieve the above-mentioned main purpose.

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より発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記蒸発部へ前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池へ前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の温度に相関する温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池の運転状態が安定運転状態になると、前記温度センサにより検出される温度が目標温度となるように前記酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、前記改質部におけるスチームカーボン比の目標比を基準比よりも低下させて前記スチームカーボン比が前記目標比となるように前記改質水供給装置を制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。 The fuel cell system of the present invention includes:
A fuel cell that generates electricity using fuel gas and oxidizing gas;
a reforming section that reformes raw fuel gas using water vapor to generate the fuel gas;
an evaporation section that evaporates reformed water to generate the water vapor;
a reformed water supply device that supplies the reformed water to the evaporation section;
an oxidant gas supply device that supplies the oxidant gas to the fuel cell;
a temperature sensor that detects a temperature that correlates to the temperature of the fuel cell;
When the operating state of the fuel cell reaches a stable operating state, the oxidizing gas supply device is controlled so that the temperature detected by the temperature sensor becomes the target temperature, and the steam carbon ratio in the reforming section is controlled to be the target temperature. a control device that controls the reformed water supply device so that the steam carbon ratio becomes the target ratio by lowering the ratio from the reference ratio;
The purpose is to have the following.

この本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の運転状態が安定運転状態になると、温度センサにより検出される温度（燃料電池の温度に相関する温度）が目標温度となるように酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、改質部におけるスチームカーボン比の目標比を基準比よりも低下させてスチームカーボン比が目標比となるように改質水供給装置を制御する。この本発明の燃料電池システムによれば、安定運転状態中にスチームカーボン比を低下させることで、燃料ガス中の水素分圧の上昇により起電力を上昇させることができ、発電効率を向上させることができる。一方、スチームカーボン比の低下によって燃料電池の温度は上昇するが、温度センサからの温度が目標温度となるように酸化剤ガス供給装置が制御されることで、燃料電池は、スチームカーボン比を低下させることによる温度上昇が抑制されて適正な温度に維持される。この結果、燃料電池の運転状態が安定運転状態になった際に、燃料電池の温度を適正な温度に維持してその耐久性を確保しつつ、スチームカーボン比を低下させることによる発電効率の向上を図ることができる。 In the fuel cell system of the present invention, when the operating state of the fuel cell reaches a stable operating state, the oxidizing gas supply device adjusts the temperature detected by the temperature sensor (temperature correlated with the temperature of the fuel cell) to the target temperature. At the same time, the reforming water supply device is controlled so that the target steam carbon ratio in the reforming section is lower than the reference ratio so that the steam carbon ratio becomes the target ratio. According to the fuel cell system of the present invention, by lowering the steam carbon ratio during stable operation, the electromotive force can be increased by increasing the hydrogen partial pressure in the fuel gas, and power generation efficiency can be improved. Can be done. On the other hand, the temperature of the fuel cell increases due to a decrease in the steam-carbon ratio, but by controlling the oxidizing gas supply device so that the temperature from the temperature sensor becomes the target temperature, the fuel cell can reduce the steam-carbon ratio. The temperature rise caused by this is suppressed and the temperature is maintained at an appropriate level. As a result, when the operating state of the fuel cell reaches a stable operating state, the temperature of the fuel cell is maintained at an appropriate temperature to ensure its durability, and the steam-carbon ratio is lowered to improve power generation efficiency. can be achieved.

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記運転状態が前記安定運転状態になると、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給量が最大供給量を超えない範囲内で前記目標比を前記基準比よりも低下させるものとしてもよい。これにより、酸化剤ガスの供給量が最大供給量に近づいても、燃料電池の温度を適正な温度に維持してその耐久性を確保することができる。この場合、前記制御装置は、前記運転状態が前記安定運転状態になると、前記温度センサにより検出される温度と前記目標温度との偏差に基づくフィードバック制御により目標供給量を設定して酸化剤ガス供給装置を制御し、前記目標供給量が前記最大供給量を超えない範囲内で前記目標比を前記基準比よりも低下させるものとしてもよい。こうすれば、フィードバック制御によって燃料電池の温度をより確実に適正な温度に維持することができると共に当該フィードバック制御が適正に実施される範囲内でスチームカーボン比を低下させるため、耐久性の確保と発電効率の向上とを両立させることができる。これらの場合、前記制御装置は、前記運転状態が前記安定運転状態になると、前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給量が前記最大供給量に近づくほど前記基準比に近づくように前記目標比を設定するものとしてもよい。こうすれば、酸化剤ガスの供給量が最大供給量に近づいている場合には、スチームカーボン比を低下させることよりも酸化剤ガスの供給による燃料電池の冷却を優先し、燃料電池の温度を適正な温度に維持することができる。
In such a fuel cell system of the present invention, when the operating state becomes the stable operating state, the control device controls the oxidizing gas supply amount by the oxidizing gas supply device within a range that does not exceed the maximum supply amount. The target ratio may be lower than the reference ratio. Thereby, even if the supply amount of oxidant gas approaches the maximum supply amount, the temperature of the fuel cell can be maintained at an appropriate temperature and its durability can be ensured. In this case, when the operating state reaches the stable operating state, the control device sets a target supply amount by feedback control based on the deviation between the temperature detected by the temperature sensor and the target temperature, and supplies the oxidizing gas. The device may be controlled to lower the target ratio below the reference ratio within a range in which the target supply amount does not exceed the maximum supply amount. In this way, the temperature of the fuel cell can be more reliably maintained at an appropriate temperature through feedback control, and the steam-carbon ratio can be lowered within the range in which the feedback control is properly implemented, thereby ensuring durability. It is possible to achieve both improvement in power generation efficiency. In these cases, when the operating state reaches the stable operating state , the amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device approaches the reference ratio as it approaches the maximum supply amount. The target ratio may be set as follows. In this way, when the supply amount of oxidant gas is approaching the maximum supply amount, priority is given to cooling the fuel cell by the supply of oxidant gas rather than lowering the steam carbon ratio, and the temperature of the fuel cell is lowered. Can be maintained at an appropriate temperature.

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記安定運転状態は、前記温度センサにより検出される温度、前記燃料電池から出力される電流、前記燃料電池から出力される電圧および前記燃料電池から排出される排ガスの温度がそれぞれ予め定められた所定範囲内に含まれる際に成立するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池の安定運転状態をより適正に判定することができる。 Further, in the fuel cell system of the present invention, the stable operating state includes a temperature detected by the temperature sensor, a current output from the fuel cell, a voltage output from the fuel cell, and a voltage discharged from the fuel cell. It may also be established when the temperature of the exhaust gas is within a predetermined range. In this way, the stable operating state of the fuel cell can be determined more appropriately.

燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system. 定格運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of a rated operation control routine. 目標比設定用マップの一例を示す説明図である。It is an explanatory view showing an example of a map for target ratio setting. 燃料電池スタックの温度を適正温度に維持するためのスチームカーボン比ＳＣとエア流量Ｑａとの関係を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the steam carbon ratio SC and the air flow rate Qa for maintaining the temperature of the fuel cell stack at an appropriate temperature.

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの水蒸気改質に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエア（空気）を供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０で発生した排熱を回収するための排熱回収装置６０と、燃料電池スタック２１の出力端子に接続されると共にリレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されるパワーコンディショナ７０と、を備える。これらは、筐体１２に収容されている。筐体１２には、吸気口１２ａと排気口１２ｂとが形成されており、吸気口１２ａの近傍には、外気を取り込んで筐体１２の内部を換気するための換気ファン１４が設置されている。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 of this embodiment includes a fuel cell stack 21 that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen in an anode gas (fuel gas) and oxygen in a cathode gas (oxidant gas). a power generation module 20 including a power generation module 20; a raw fuel gas supply device 30 that supplies raw fuel gas (for example, natural gas or LP gas) that is a raw material for anode gas to the power generation module 20; A reformed water supply device 40 that supplies reformed water necessary for steam reforming, an air supply device 50 that supplies air as a cathode gas to the power generation module 20 (fuel cell stack 21), and the power generation module 20 and a power conditioner connected to the output terminal of the fuel cell stack 21 and connected to the power line 3 from the power system 2 to the load 4 via a relay. 70. These are housed in a housing 12. The housing 12 is formed with an intake port 12a and an exhaust port 12b, and a ventilation fan 14 is installed near the intake port 12a to take in outside air and ventilate the inside of the housing 12. .

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、２つの改質器２３を含み、これらは、本実施形態の燃料電池ケースとしてのモジュールケース２９に収容されている。本実施形態では、発電モジュール２０は、２つの燃料電池スタック２１を有し、２つの燃料電池スタック２１は、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース２９内に配置されたマニホールド２４上に設置される。 The power generation module 20 includes a fuel cell stack 21, a vaporizer 22, and two reformers 23, which are housed in a module case 29 that serves as the fuel cell case of this embodiment. In this embodiment, the power generation module 20 has two fuel cell stacks 21, and the two fuel cell stacks 21 are installed on a manifold 24 arranged in a module case 29 so as to face each other with a gap between them. be done.

各燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該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それぞれ有すると共に図１中、左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルを有する。各単セルのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルの配列方向に直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルのアノードガス通路は、マニホールド２４に接続され、各単セルのカソードガス通路は、モジュールケース２９内のエア通路に接続される。更に、２つの燃料電池スタック２１の間（近傍）には、両者との距離が同一となるように温度センサ９４が設置されている。温度センサ９４は、各燃料電池スタック２１の温度に相関する温度Ｔ４を検出する。 Each fuel cell stack 21 includes an electrolyte such as zirconium oxide, an anode electrode and a cathode electrode that sandwich the electrolyte, and a plurality of solid oxide monomers arranged in the left-right direction (horizontal direction) in FIG. It has a cell. An anode gas passage (not shown) is formed in the anode electrode of each unit cell so as to extend in a direction perpendicular to the arrangement direction of the unit cells, that is, in a vertical direction. Further, around the cathode electrode of each unit cell, a cathode gas passage (not shown) through which cathode gas flows is formed so as to extend in a direction perpendicular to the arrangement direction of the unit cells, that is, in a vertical direction. The anode gas passage of each single cell is connected to the manifold 24, and the cathode gas passage of each single cell is connected to an air passage within the module case 29. Further, a temperature sensor 94 is installed between (near) the two fuel cell stacks 21 so that the distance therebetween is the same. Temperature sensor 94 detects temperature T4 that correlates with the temperature of each fuel cell stack 21.

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の２つの燃料電池スタック２１の上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタック２１の上方に気化器２２および一方の改質器２３が配置され、他方の燃料電池スタック２１の上方に他方の改質器２３が配置される。更に、一方の燃料電池スタック２１と気化器２２および一方の改質器２３との間、並びに他方の燃料電池スタック２１と他方の改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部２５が画成されている。各燃焼部２５には、着火ヒータ２６が設置されている。 The vaporizer 22 and reformer 23 of the power generation module 20 are arranged above the two fuel cell stacks 21 in the module case 29 with a space therebetween. In this embodiment, a vaporizer 22 and one reformer 23 are arranged above one fuel cell stack 21, and the other reformer 23 is arranged above the other fuel cell stack 21. Further, between the fuel cell stack 21 on one side and the vaporizer 22 and the reformer 23 on the other hand, and between the other fuel cell stack 21 and the other reformer 23, there are , a combustion section 25 that generates the heat necessary for the reaction in the vaporizer 22 and reformer 23 is defined. An ignition heater 26 is installed in each combustion section 25.

気化器２２は、燃焼部２５からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度Ｔ１を検出する温度センサ９１が設置されている。 The vaporizer 22 heats the raw fuel gas from the raw fuel gas supply device 30 and the reformed water from the reformed water supply device 40 using heat from the combustion section 25, preheats the raw fuel gas, and converts the reformed water into evaporates to produce water vapor. The raw fuel gas preheated by the vaporizer 22 is mixed with water vapor, and the mixed gas flows from the vaporizer 22 into the reformer 23 . Furthermore, a temperature sensor 91 is installed in the reformer 23 to detect the temperature T1 of the mixed gas flowing into the reformer 23.

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部２５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、配管やマニホールド２４を介して各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。 The reformer 23 has, for example, a Ru-based or Ni-based reforming catalyst filled therein, and in the presence of heat from the combustion section 25, the reforming catalyst reacts the mixed gas from the vaporizer 22. Hydrogen gas and carbon monoxide are generated by (steam reforming reaction). Furthermore, the reformer 23 generates hydrogen gas and carbon dioxide by a reaction between carbon monoxide generated in the steam reforming reaction and steam (carbon monoxide shift reaction). As a result, the reformer 23 generates an anode gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, unreformed raw fuel gas, and the like. The anode gas generated by the reformer 23 flows into the anode gas passage of each unit cell via piping and the manifold 24, and is supplied to the anode electrode.

また、燃料電池スタック２１の各単セルのカソード電極には、モジュールケース２９内に形成されたエア通路を介してカソードガスとしてのエアが供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂ ^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部２５へと流出する。 Furthermore, air as a cathode gas is supplied to the cathode electrode of each single cell of the fuel cell stack 21 through an air passage formed in the module case 29 . Oxide ions (O ₂ ⁻ ) are generated at the cathode electrode of each unit cell, and the oxide ions pass through the electrolyte and react with hydrogen and carbon monoxide at the anode electrode, thereby obtaining electrical energy. The anode gas (hereinafter referred to as "anode off gas") and cathode gas (hereinafter referred to as "cathode off gas") that are not used for electrochemical reactions (power generation) in each single cell are stored in the anode gas passage and cathode gas of each single cell. It flows out from the passage to the combustion section 25 above.

各単セルから燃焼部２５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルから燃焼部２５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、着火ヒータ２６により点火させられて燃焼部２５でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２５では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼触媒２７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒２７は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。更に、燃焼触媒２７が設けられたガス通路には、燃焼触媒２７を暖機するための触媒ヒータ２８や、燃焼排ガスの温度Ｔ８を検出する温度センサ９８が設置されている。 The anode off-gas that has flowed into the combustion section 25 from each single cell is a flammable gas containing fuel components such as hydrogen and carbon monoxide, and is mixed with the cathode off-gas containing oxygen that has flowed into the combustion section 25 from each single cell. . Hereinafter, the mixed gas of anode offgas and cathode offgas will be referred to as "offgas." Then, when the off-gas (anode off-gas) is ignited by the ignition heater 26 and ignited in the combustion section 25, the combustion of the off-gas causes the operation of the fuel cell stack 21, the preheating of raw fuel gas in the vaporizer 22, and the generation of water vapor. Heat necessary for generation, steam reforming reaction in the reformer 23, etc. will be generated. Further, in the combustion section 25 , combustion exhaust gas containing unburned fuel and water vapor is generated, and the combustion exhaust gas is supplied to the heat exchanger 62 via the combustion catalyst 27 . The combustion catalyst 27 is an oxidation catalyst for reburning unburned fuel in the combustion exhaust gas. Further, in the gas passage where the combustion catalyst 27 is provided, a catalyst heater 28 for warming up the combustion catalyst 27 and a temperature sensor 98 for detecting the temperature T8 of the combustion exhaust gas are installed.

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に組み込まれた開閉弁（２連弁）３２，３３、オリフィス３４、ガスポンプ３５および脱硫器３６とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３５を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３６を介して気化器２２へと圧送（供給）される。脱硫器３６は、例えば常温脱硫式の脱硫器として構成され、モジュールケース２９に接触するように設置されている。また、原燃料ガス供給管３１の開閉弁３３とオリフィス３４との間には、原燃料ガス供給管３１内の圧力を検出する圧力センサ３７や、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｑｇ）を検出する流量センサ３８が設置されている。 The raw fuel gas supply device 30 includes a raw fuel gas supply pipe 31 that connects the raw fuel supply source 1 that supplies raw fuel gas and the vaporizer 22, and an on-off valve (2) built into the raw fuel gas supply pipe 31. (connection valves) 32, 33, an orifice 34, a gas pump 35, and a desulfurizer 36. The raw fuel gas is pumped (supplied) from the raw fuel supply source 1 to the vaporizer 22 via the desulfurizer 36 by operating the gas pump 35 . The desulfurizer 36 is configured, for example, as a desulfurizer of a room temperature desulfurization type, and is installed so as to be in contact with the module case 29 . Further, between the on-off valve 33 and the orifice 34 of the raw fuel gas supply pipe 31, a pressure sensor 37 for detecting the pressure inside the raw fuel gas supply pipe 31 and a pressure sensor 37 for detecting the pressure inside the raw fuel gas supply pipe 31 are installed. A flow rate sensor 38 is installed to detect the flow rate per unit time (gas flow rate Qg).

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に組み込まれた改質水ポンプ４３とを有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。 The reformed water supply device 40 is assembled into a reformed water tank 42 that stores reformed water, a reformed water supply pipe 41 that connects the reformed water tank 42 and the vaporizer 22, and the reformed water supply pipe 41. and a reforming water pump 43. The reformed water in the reformed water tank 42 is pumped (supplied) to the vaporizer 22 by the reformed water pump 43 by operating the reformed water pump 43 .

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に形成されたエア通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアポンプ５３とを有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、モジュールケース２９内のエア通路を経て各燃料電池スタック２１へと圧送（供給）される。 The air supply device 50 includes an air supply pipe 51 connected to an air passage formed in the module case 29, an air filter 52 provided at the entrance of the air supply pipe 51, and an air pump incorporated in the air supply pipe 51. 53. By operating the air pump 53, air as a cathode gas is sucked into the air supply pipe 51 via the air filter 52, and is forcefully sent (supplied) to each fuel cell stack 21 through the air passage in the module case 29. Ru.

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６３と、発電モジュール２０の燃焼部２５で生成された燃焼排ガスと湯水とを熱交換する熱交換器６２と、貯湯タンク６３と熱交換器６２とを接続する循環配管６１と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６４とを有する。貯湯タンク６３内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、熱交換器６２へと導入され、熱交換器６２で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６３へと返送される。熱交換器６２で湯水との熱交換によって燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮し、これにより凝縮水が得られる。 The exhaust heat recovery device 60 includes a hot water storage tank 63 that stores hot water, a heat exchanger 62 that exchanges heat between the combustion exhaust gas generated in the combustion section 25 of the power generation module 20 and the hot water, and the hot water storage tank 63 and the heat exchanger 62. and a circulation pump 64 built into the circulation pipe 61. The hot water stored in the hot water storage tank 63 is introduced into the heat exchanger 62 by operating the circulation pump 64, and after being raised in temperature by heat exchange with combustion exhaust gas in the heat exchanger 62, the hot water is stored in the hot water storage tank 63. It is returned to tank 63. Water vapor in the combustion exhaust gas is condensed by heat exchange with hot water in the heat exchanger 62, thereby obtaining condensed water.

また、排熱回収装置６０の熱交換器６２は、配管６６を介して改質水タンク４２と接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管６６を介して改質水タンク４２内へと導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、燃焼排ガス排出管６７に接続されている。これにより、発電モジュール２０の燃焼部２５から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、燃焼排ガス排出管６７を介して大気中に排出される。 Further, the heat exchanger 62 of the exhaust heat recovery device 60 is connected to the reformed water tank 42 via a pipe 66, and the condensed water obtained by condensing water vapor in the combustion exhaust gas is The reformed water is introduced into the reformed water tank 42 via. Further, the combustion exhaust gas passage of the heat exchanger 62 is connected to a combustion exhaust gas exhaust pipe 67. As a result, the exhaust gas discharged from the combustion section 25 of the power generation module 20 and from which moisture has been removed by the heat exchanger 62 is discharged into the atmosphere via the combustion exhaust gas discharge pipe 67.

パワーコンディショナ７０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電圧を電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。燃料電池スタック２１の出力端子には、当該燃料電池スタック２１から出力される電流Ｉを検出する図示しない電流センサが設けられ、燃料電池スタック２１の出力端子間には、燃料電池スタック２１の端子間電圧を検出する図示しない電圧センサが設けられている。パワーコンディショナ７０は、システムに要求される要求発電電力に応じた電流が燃料電池スタック２１から出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータやインバータが備えるスイッチング素子をスイッチング制御する。 The power conditioner 70 includes a DC/DC converter that converts the DC voltage output from the fuel cell stack 21 into a predetermined voltage (for example, DC 250V to 300V), and an AC converter that can connect the converted DC voltage to the power system 2. It has an inverter that converts the voltage (for example, AC 200V). The output terminal of the fuel cell stack 21 is provided with a current sensor (not shown) that detects the current I output from the fuel cell stack 21. A voltage sensor (not shown) is provided to detect voltage. The power conditioner 70 performs switching control on switching elements included in the DC/DC converter and the inverter so that the fuel cell stack 21 outputs a current corresponding to the required generated power required by the system.

パワーコンディショナ７０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。電源基板７２は、燃料電池スタック２１からの直流電圧や電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して当該補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、換気ファン１４や開閉弁３２，３３、ガスポンプ３５、改質水ポンプ４３、エアポンプ５３、循環ポンプ６４などを挙げることができる。 A power supply board 72 is connected to a power line branched from the power conditioner 70. The power supply board 72 converts the DC voltage from the fuel cell stack 21 and the AC voltage from the power system 2 into a DC voltage suitable for the operation of the auxiliary equipment, and supplies the DC voltage to the auxiliary equipment. In the embodiment, examples of auxiliary equipment include the ventilation fan 14, the on-off valves 32 and 33, the gas pump 35, the reformed water pump 43, the air pump 53, and the circulation pump 64.

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、計時を行なうタイマ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、圧力センサ３７や流量センサ３８、温度センサ９１，９４，９８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、換気ファン１４のファンモータや開閉弁３２，３３のソレノイド、ガスポンプ３５のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、パワーコンディショナ７０のＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、電源基板７２、着火ヒータ２６、触媒ヒータ２８などへの各種制御信号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 around a CPU 81, and includes, in addition to the CPU 81, a ROM 82 for storing processing programs, a RAM 83 for temporarily storing data, a timer 84 for measuring time, and an input device (not shown). An output port. Various detection signals from the pressure sensor 37, flow rate sensor 38, temperature sensors 91, 94, 98, etc. are input to the control device 80 via input ports. The control device 80 also controls the fan motor of the ventilation fan 14, the solenoids of the on-off valves 32 and 33, the pump motor of the gas pump 35, the pump motor of the reformed water pump 43, the pump motor of the air pump 53, and the pump motor of the circulation pump 64. , various control signals to the DC/DC converter and inverter of the power conditioner 70, the power supply board 72, the ignition heater 26, the catalyst heater 28, etc. are outputted via the output port.

次に、こうして構成された本実施形態の燃料電池システム１０の動作、特に、発電モジュール２０が通常運転（部分負荷運転）から定格運転に移行した際の動作について説明する。なお、通常運転では、燃料電池スタック２１の発電電流と燃料利用率Ｕｆとの関係で発電電流が大きくなるにつれて大きくなるように燃料利用率Ｕｆの目標利用率Ｕｆｔａｇを設定する。また、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）の目標比ＳＣｔａｇを予め定められた基準比ＳＣｒｅｆに設定する。そして、燃料利用率Ｕｆが設定した目標利用率Ｕｆｔａｇとなり、スチームカーボン比ＳＣが設定した目標比ＳＣｔａｇとなるように燃料ガス、エアおよび改質水の供給量を制御する。なお、本実施形態において、通常運転では、温度センサ９１により検出される温度Ｔ１が通常取り得る範囲を超えるときには、異常な高温状態を抑制するために、基準比ＳＣｒｅｆよりも高い値を目標比ＳＣｔａｇに設定する。 Next, the operation of the fuel cell system 10 of the present embodiment configured in this manner, particularly the operation when the power generation module 20 shifts from normal operation (partial load operation) to rated operation will be described. Note that in normal operation, the target utilization rate Uftag of the fuel utilization rate Uf is set so that it increases as the generated current increases based on the relationship between the generated current of the fuel cell stack 21 and the fuel utilization rate Uf. In addition, the target ratio SCtag of the steam carbon ratio SC (molar ratio of carbon contained in hydrocarbons in raw fuel gas to steam added for steam reforming) in the reformer 23 is set to a predetermined reference ratio. Set to SCref. Then, the supply amounts of fuel gas, air, and reformed water are controlled so that the fuel utilization rate Uf becomes the set target utilization rate Uftag, and the steam carbon ratio SC becomes the set target ratio SCtag. In this embodiment, in normal operation, when the temperature T1 detected by the temperature sensor 91 exceeds the normal range, the target ratio SCtag is set to a value higher than the reference ratio SCref in order to suppress an abnormally high temperature state. Set to .

図２は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される定格運転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、所定時間毎に繰り返し実行される。 FIG. 2 is a flowchart showing an example of a rated operation control routine executed by the CPU 81 of the control device 80. This routine is repeatedly executed at predetermined time intervals.

定格運転制御ルーチンでは、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、電流センサにより検出される燃料電池スタック２１の電流Ｉや電圧センサにより検出される燃料電池スタック２１の電圧Ｖ、温度センサ９４，９８により検出される温度Ｔ４，Ｔ８などの制御に必要なデータを入力する（ステップＳ１００）。続いて、ＣＰＵ８１は、入力した電流Ｉ、電圧Ｖおよび温度Ｔ４，Ｔ８がそれぞれ予め定められた所定範囲内に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この判定は、燃料電池スタック２１が定格運転状態になったか否かを判定するものである。入力した電流Ｉ、電圧Ｖおよび温度Ｔ４，Ｔ８のいずれかがそれぞれの所定範囲内に含まれていないと判定すると、燃料電池スタック２１は定格運転状態に至っていないと判断し、本ルーチンを終了する。この場合、上述した通常運転における制御が実行される。 In the rated operation control routine, the CPU 81 of the control device 80 first controls the current I of the fuel cell stack 21 detected by the current sensor, the voltage V of the fuel cell stack 21 detected by the voltage sensor, and the temperature detected by the temperature sensors 94 and 98. Data necessary for controlling the temperatures T4, T8, etc. to be controlled is input (step S100). Subsequently, the CPU 81 determines whether the input current I, voltage V, and temperatures T4 and T8 are each included within predetermined ranges (step S110). This determination is to determine whether the fuel cell stack 21 has reached its rated operating state. If it is determined that any of the input current I, voltage V, and temperatures T4 and T8 are not within their respective predetermined ranges, it is determined that the fuel cell stack 21 has not reached its rated operating state, and this routine ends. . In this case, the control in normal operation described above is executed.

一方、入力した電流Ｉ、電圧Ｖおよび温度Ｔ４，Ｔ８のいずれもがそれぞれの所定範囲内に含まれていると判定すると、燃料電池スタック２１は定格運転状態に至ったと判断し、前回に設定した目標利用率（前回Ｕｆｔａｇ）に所定量ΔＵｆを加えた利用率と予め定められた上限利用率Ｕｆｍａｘとのうち小さい方を新たな目標利用率Ｕｆｔａｇに設定する（ステップＳ１３０）。上述したように、このルーチンは所定時間毎に繰り返し実行されるため、目標利用率Ｕｆｔａｇは、上限利用率Ｕｆｍａｘまで所定量ΔＵｆずつ段階的に大きくなるように設定されることになる。そして、燃料電池スタック２１の運転状態（発電電流）に応じた目標ガス流量Ｑｇｔａｇを目標利用率Ｕｆｔａｇに基づいて増加側に補正すると共に、流量センサ３８により検出されるガス流量Ｑｇが補正した目標ガス流量Ｑｇｔａｇに一致するようにフィードバック制御によりガスポンプ３５を制御する（ステップＳ１４０）。これにより、発電モジュール２０の定格運転中に燃料利用率Ｕｆを徐々に大きくして燃料電池スタック２１における発電効率を向上させることができる。 On the other hand, if it is determined that the input current I, voltage V, and temperatures T4 and T8 are all within their respective predetermined ranges, it is determined that the fuel cell stack 21 has reached the rated operating state, and the previously set The smaller of the utilization rate obtained by adding a predetermined amount ΔUf to the target utilization rate (previous Uftag) and the predetermined upper limit utilization rate Ufmax is set as a new target utilization rate Uftag (step S130). As described above, since this routine is repeatedly executed at predetermined time intervals, the target utilization rate Uftag is set to increase stepwise by a predetermined amount ΔUf up to the upper limit utilization rate Ufmax. Then, the target gas flow rate Qgtag corresponding to the operating state (generated current) of the fuel cell stack 21 is corrected to the increasing side based on the target utilization rate Uftag, and the gas flow rate Qg detected by the flow rate sensor 38 is corrected to the target gas flow rate Qgtag. The gas pump 35 is controlled by feedback control so as to match the flow rate Qgtag (step S140). Thereby, the fuel utilization factor Uf can be gradually increased during the rated operation of the power generation module 20, and the power generation efficiency in the fuel cell stack 21 can be improved.

続いて、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇ（例えば、６６０℃前後の温度）に一致するように目標温度Ｔ４ｔａｇと温度Ｔ４との偏差に基づいてフィードバック制御（例えば、比例積分制御や比例積分微分制御）により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定し（ステップＳ１５０）、設定した目標エア流量Ｑａｔａｇでエアが供給されるようエアポンプ５３を制御する（ステップＳ１６０）。次に、エアポンプ５３から燃料電池スタック２１へ供給されるエア流量Ｑａを取得する（ステップＳ１７０）。本実施形態の燃料電池システム１０では、エア供給装置５０には、エア供給管５１を流れるエアの流量を検出する流量センサを備えていないため、ステップＳ１７０の処理は、ステップＳ１５０で設定した目標エア流量Ｑａｔａｇをエア流量Ｑａとして取得することにより行なう。勿論、エア供給装置５０に流量センサを備えている場合には、当該流量センサにより検出される流量をエア流量Ｑａとして取得してもよい。 Next, feedback control (for example, proportional-integral control) is performed based on the deviation between the target temperature T4tag and the temperature T4 so that the temperature T4 detected by the temperature sensor 94 matches the target temperature T4tag (for example, a temperature around 660° C.). A target air flow rate Qatag is set (step S150) using a proportional-integral-derivative control (proportional-integral-derivative control), and the air pump 53 is controlled so that air is supplied at the set target air flow rate Qatag (step S160). Next, the air flow rate Qa supplied from the air pump 53 to the fuel cell stack 21 is obtained (step S170). In the fuel cell system 10 of this embodiment, the air supply device 50 is not equipped with a flow rate sensor that detects the flow rate of air flowing through the air supply pipe 51. This is done by acquiring the flow rate Qatag as the air flow rate Qa. Of course, if the air supply device 50 is equipped with a flow rate sensor, the flow rate detected by the flow rate sensor may be obtained as the air flow rate Qa.

エア流量Ｑａを取得すると、取得したエア流量Ｑａに基づいて改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣの目標比ＳＣｔａｇを設定する（ステップＳ１８０）。目標比ＳＣｔａｇの設定は、図３に例示する目標比設定用マップを用いて行なわれる。図示するように、定格運転時におけるスチームカーボン比ＳＣの目標比ＳＣｔａｇは、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆを超えるまでは、所定の下限比ＳＣｍｉｎに設定され、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆを超えると、エア流量Ｑａがエアポンプ５３の性能等により定まる最大流量Ｑａｍａｘに近づくにつれて下限比ＳＣｍｉｎから基準比ＳＣｒｅｆに近づくように設定される。そして、スチームカーボン比ＳＣが目標比ＳＣｔａｇとなるように流量センサ３８により検出される原燃料ガスの流量（ガス流量Ｑｇ）に基づいて目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定し（ステップＳ１９０）、設定した目標改質水流量Ｑｗｔａｇで改質水が供給されるよう改質水ポンプ４３を制御して（ステップＳ２００）、本ルーチンを終了する。このように、スチームカーボン比ＳＣを基準比ＳＣｒｅｆよりも低下させることにより、燃料ガス中の水素分圧が上昇して起電力が上昇することで、発電効率の向上を図ることができる。 After acquiring the air flow rate Qa, a target ratio SCtag of the steam carbon ratio SC in the reformer 23 is set based on the acquired air flow rate Qa (step S180). Setting of the target ratio SCtag is performed using a target ratio setting map illustrated in FIG. 3 . As shown in the figure, the target ratio SCtag of the steam carbon ratio SC during rated operation is set to a predetermined lower limit ratio SCmin until the air flow rate Qa exceeds the predetermined flow rate Qaref, and when the air flow rate Qa exceeds the predetermined flow rate Qaref. , is set so that as the air flow rate Qa approaches the maximum flow rate Qamax determined by the performance of the air pump 53, etc., the lower limit ratio SCmin approaches the reference ratio SCref. Then, a target reforming water flow rate Qwtag is set based on the raw fuel gas flow rate (gas flow rate Qg) detected by the flow rate sensor 38 so that the steam carbon ratio SC becomes the target ratio SCtag (step S190). The reforming water pump 43 is controlled so that reforming water is supplied at the target reforming water flow rate Qwtag (step S200), and this routine ends. In this way, by lowering the steam carbon ratio SC than the reference ratio SCref, the hydrogen partial pressure in the fuel gas increases and the electromotive force increases, thereby improving power generation efficiency.

図４は、スチームカーボン比ＳＣとエア流量Ｑａとの関係を示す説明図である。なお、図中、太線（実線）は、燃料電池スタック２１の温度が適正温度Ｔｓｔ１（例えば、７６０度前後の温度）に維持されるスチームカーボン比ＳＣとエア流量Ｑａとの関係を示す。燃料電池スタック２１は、スチームカーボン比ＳＣが小さくなるほど気化器２２における水蒸気の生成に必要なエネルギ消費が減少することで温度上昇が促進される一方、エア流量Ｑａが大きくなるほど冷却に用いられる空気の量が増量することで温度上昇が抑制される。したがって、図４（ａ）に示すように、スチームカーボン比ＳＣを基準比ＳＣｒｅｆから下限比ＳＣｍｉｎへ低下させつつ、燃料電池スタック２１へのエア流量Ｑａを流量Ｑａ１から流量Ｑａ２へ増量させることで、燃料電池スタック２１の温度を適正温度Ｔｓｔ１に維持したままスチームカーボン比ＳＣを低下させることができ、発電効率を向上させることができる。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、エア流量Ｑａ（流量Ｑａ３）が最大流量Ｑａｍａｘに近づいている状態では、スチームカーボン比ＳＣを基準比ＳＣｒｅｆから下限比ＳＣｍｉｎへ低下させると共にエア流量Ｑａを流量Ｑａ３から増量しようとすると、最大流量Ｑａｍａｘの制限にかかり、燃料電池スタック２１の温度を適正温度Ｔｓｔ１に維持するために必要な流量Ｑａ４まで増量することができない。本実施形態では、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようにフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇが設定されるため、フィードバック制御が適正に実施されなくなってしまう。この場合、燃料電池スタック２１の冷却に必要なエア流量Ｑａが不足し、燃料電池スタック２１の温度はスチームカーボン比ＳＣの低下によって適正範囲を超える温度Ｔｓｔ２まで上昇し、燃料電池スタック２１の劣化を招くおそれがある。本実施形態では、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇとなるように目標エア流量Ｑａｔａｇを設定する場合において、エア流量Ｑａ（目標エア流量Ｑａｔａｇ）が最大流量Ｑａｍａｘを超えないようエア流量Ｑａが最大流量Ｑａｍａｘに近づくにつれて下限比ＳＣｍｉｎから基準比ＳＣｒｅｆに近づくように目標比ＳＣｔａｇを設定するため、燃料電池スタック２１の温度を適正な温度に維持しつつ、スチームカーボン比ＳＣを基準比ＳＣｒｅｆよりも低下させて発電効率を向上させることができる。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the steam carbon ratio SC and the air flow rate Qa. Note that in the figure, the thick line (solid line) indicates the relationship between the steam carbon ratio SC and the air flow rate Qa at which the temperature of the fuel cell stack 21 is maintained at the appropriate temperature Tst1 (for example, a temperature around 760 degrees). In the fuel cell stack 21, the smaller the steam carbon ratio SC, the lower the energy consumption required to generate water vapor in the vaporizer 22, promoting a temperature rise, while the larger the air flow rate Qa, the more By increasing the amount, temperature rise is suppressed. Therefore, as shown in FIG. 4(a), by increasing the air flow rate Qa to the fuel cell stack 21 from the flow rate Qa1 to the flow rate Qa2 while decreasing the steam carbon ratio SC from the reference ratio SCref to the lower limit ratio SCmin, The steam-carbon ratio SC can be lowered while maintaining the temperature of the fuel cell stack 21 at the appropriate temperature Tst1, and power generation efficiency can be improved. However, as shown in FIG. 4(b), when the air flow rate Qa (flow rate Qa3) approaches the maximum flow rate Qamax, the steam carbon ratio SC is decreased from the reference ratio SCref to the lower limit ratio SCmin, and the air flow rate Qa is If an attempt is made to increase the flow rate from Qa3, the maximum flow rate Qamax is limited, and the flow rate cannot be increased to the flow rate Qa4 required to maintain the temperature of the fuel cell stack 21 at the appropriate temperature Tst1. In this embodiment, the target air flow rate Qatag is set by feedback control so that the temperature T4 detected by the temperature sensor 94 matches the target temperature T4tag, so the feedback control is not properly performed. In this case, the air flow rate Qa necessary for cooling the fuel cell stack 21 is insufficient, and the temperature of the fuel cell stack 21 rises to a temperature Tst2 exceeding the appropriate range due to a decrease in the steam carbon ratio SC, causing deterioration of the fuel cell stack 21. There is a risk of inviting In the present embodiment, when setting the target air flow rate Qatag so that the temperature T4 detected by the temperature sensor 94 becomes the target temperature T4tag, the air flow rate Qa (target air flow rate Qatag) is set so that the air flow rate Qa (target air flow rate Qatag) does not exceed the maximum flow rate Qamax. The target ratio SCtag is set so that as the flow rate Qa approaches the maximum flow rate Qamax, the lower limit ratio SCmin approaches the reference ratio SCref. Therefore, while maintaining the temperature of the fuel cell stack 21 at an appropriate temperature, the steam carbon ratio SC is adjusted to the reference ratio. It is possible to improve the power generation efficiency by lowering it below SCref.

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック２１の運転状態が安定運転状態になると、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇとなるようにエアポンプ５３を制御すると共に、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣの目標比ＳＣｔａｇを基準比ＳＣｒｅｆよりも低下させてスチームカーボン比ＳＣが目標比ＳＣｔａｇとなるように改質水ポンプ４３を制御する。これにより、安定運転状態中にスチームカーボン比ＳＣを低下させることで、燃料ガス中の水素分圧の上昇により起電力を上昇させることができ、発電効率を向上させることができる。一方で、温度センサ９４からの温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇとなるようにエアポンプ５３が制御されることで、燃料電池スタック２１は、スチームカーボン比ＳＣを低下させることによる温度上昇が抑制され、適正な温度に維持される。この結果、燃料電池スタック２１の運転状態が安定運転状態になった際に、燃料電池スタック２１の温度を適正な温度に維持してその耐久性を確保しつつ、スチームカーボン比ＳＣを低下させることによる発電効率の向上を図ることができる。 In the fuel cell system 10 of the present embodiment described above, when the operating state of the fuel cell stack 21 becomes a stable operating state, the air pump 53 is controlled so that the temperature T4 detected by the temperature sensor 94 becomes the target temperature T4tag. , the reforming water pump 43 is controlled so that the target ratio SCtag of the steam carbon ratio SC in the reformer 23 is lowered than the reference ratio SCref so that the steam carbon ratio SC becomes the target ratio SCtag. Thereby, by lowering the steam carbon ratio SC during a stable operating state, the electromotive force can be increased by increasing the hydrogen partial pressure in the fuel gas, and power generation efficiency can be improved. On the other hand, by controlling the air pump 53 so that the temperature T4 from the temperature sensor 94 becomes the target temperature T4tag, the temperature increase in the fuel cell stack 21 due to lowering the steam carbon ratio SC is suppressed, and the fuel cell stack 21 maintains an appropriate temperature. maintained at temperature. As a result, when the operating state of the fuel cell stack 21 reaches a stable operating state, the steam carbon ratio SC can be lowered while maintaining the temperature of the fuel cell stack 21 at an appropriate temperature and ensuring its durability. It is possible to improve the power generation efficiency.

また、燃料電池スタック２１の運転状態が安定運転状態になると、エアポンプ５３のエア流量Ｑａが最大流量Ｑａｍａｘを超えない範囲内で目標比ＳＣｔａｇを基準比ＳＣｒｅｆよりも低下させるから、燃料電池スタック２１の温度を適正な温度に維持するために必要な必要流量に対してエアの供給量に不足が生じないようにしつつ、スチームカーボン比ＳＣを低下させて発電効率を向上させることができる。更に、エアポンプ５３は、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定すると共に、目標エア流量Ｑａｔａｇが最大流量Ｑａｍａｘを超えない範囲内でスチームカーボン比ＳＣの目標比ＳＣｔａｇを基準比ＳＣｒｅｆよりも低下させる。これにより、フィードバック制御によって燃料電池スタック２１の温度をより確実に適正な温度に維持することができると共に当該フィードバック制御が適正に実施される範囲内でスチームカーボン比ＳＣを低下させるため、耐久性の確保と発電効率の向上とを両立させることができる。更に、エア流量Ｑａ（目標エア流量Ｑａｔａｇ）が最大流量Ｑａｍａｘに近づくほど基準比ＳＣｒｅｆに近づくように目標比ＳＣｔａｇを設定するため、エア流量Ｑａが最大流量Ｑａｍａｘに近づいている場合には、目標比ＳＣｔａｇを低下させるよりもエアによる燃料電池スタック２１の冷却を優先して、燃料電池スタック２１の温度を適正な温度に維持することができる。 Furthermore, when the operating state of the fuel cell stack 21 reaches a stable operating state, the target ratio SCtag is lowered than the reference ratio SCref within a range where the air flow rate Qa of the air pump 53 does not exceed the maximum flow rate Qamax. Power generation efficiency can be improved by lowering the steam-carbon ratio SC while ensuring that the amount of air supplied is not insufficient for the required flow rate necessary to maintain the temperature at an appropriate temperature. Furthermore, the air pump 53 sets the target air flow rate Qatag by feedback control so that the temperature T4 detected by the temperature sensor 94 matches the target temperature T4tag, and also controls the steam flow within a range where the target air flow rate Qatag does not exceed the maximum flow rate Qamax. The target ratio SCtag of the carbon ratio SC is lowered than the reference ratio SCref. As a result, the temperature of the fuel cell stack 21 can be more reliably maintained at an appropriate temperature through feedback control, and the steam-carbon ratio SC can be lowered within a range in which the feedback control is properly implemented, so that durability can be improved. It is possible to achieve both security and improvement of power generation efficiency. Furthermore, the target ratio SCtag is set so that the closer the air flow rate Qa (target air flow rate Qatag) is to the maximum flow rate Qamax, the closer it is to the reference ratio SCref. The temperature of the fuel cell stack 21 can be maintained at an appropriate temperature by giving priority to cooling the fuel cell stack 21 with air rather than lowering the SCtag.

上述した実施形態では、発電モジュール２０の運転状態が安定運転状態になると、燃料利用率Ｕｆを調整（上昇）するものとしたが、燃料利用率Ｕｆの調整が省略されてもよい。 In the embodiment described above, when the operating state of the power generation module 20 becomes a stable operating state, the fuel utilization rate Uf is adjusted (increased), but the adjustment of the fuel utilization rate Uf may be omitted.

実施形態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。実施形態では、燃料電池スタック２１が「燃料電池」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、気化器２２が「蒸発部」に相当し、改質水供給装置４０が「改質水供給装置」に相当し、エア供給装置５０が「酸化剤ガス供給装置」に相当し、温度センサ９４が「温度センサ」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。 The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the section of means for solving the problems will be explained. In the embodiment, the fuel cell stack 21 corresponds to a "fuel cell", the reformer 23 corresponds to a "reforming section", the vaporizer 22 corresponds to an "evaporation section", and the reformed water supply device 40 corresponds to a "reforming section". It corresponds to a "reformed water supply device," the air supply device 50 corresponds to an "oxidizing gas supply device," the temperature sensor 94 corresponds to a "temperature sensor," and the control device 80 corresponds to a "control device." .

なお、実施形態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、実施形態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、実施形態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ものである。 The correspondence relationship between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem is that the embodiment implements the invention described in the column of means for solving the problem. Since this is an example for specifically explaining a form for solving the problem, it is not intended to limit the elements of the invention described in the column of means for solving the problems. In other words, the interpretation of the invention described in the column of means for solving the problem should be made based on the description in that column, and the embodiments should be based on the description of the invention described in the column of means for solving the problem. This is just one specific example.

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態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 mode for implementing the present invention has been described above using the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments in any way, and may be modified in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course, it can be implemented.

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。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for the manufacturing industry of a fuel cell system, etc.

１原燃料供給源、２電力系統、３電力ライン、４負荷、１０燃料電池システム、１２筐体、１２ａ吸気口、１２ｂ排気口、１４換気ファン、２０発電モジュール、２１燃料電池スタック、２２気化器、２３改質器、２４マニホールド、２５燃焼部、２６着火ヒータ、２７燃焼触媒、２８触媒ヒータ、２９モジュールケース、３０原燃料ガス供給装置、３１原燃料ガス供給管、３２，３３開閉弁、３４オリフィス、３５ガスポンプ、３６脱硫器、３７圧力センサ、３８流量センサ、４０改質水供給装置、４１改質水供給管、４２改質水タンク、４３改質水ポンプ、５０エア供給装置、５１エア供給管、５２エアフィルタ、５３エアポンプ、６０排熱回収装置、６１循環配管、６２熱交換器、６３貯湯タンク、６４循環ポンプ、６６配管、６７燃焼排ガス排出管、７０パワーコンディショナ、７２電源基板、８０制御装置、８１ＣＰＵ、８２ＲＯＭ、８３ＲＡＭ、８４タイマ、９１，９４，９８温度センサ。 1 raw fuel supply source, 2 power system, 3 power line, 4 load, 10 fuel cell system, 12 housing, 12a intake port, 12b exhaust port, 14 ventilation fan, 20 power generation module, 21 fuel cell stack, 22 vaporizer , 23 reformer, 24 manifold, 25 combustion section, 26 ignition heater, 27 combustion catalyst, 28 catalyst heater, 29 module case, 30 raw fuel gas supply device, 31 raw fuel gas supply pipe, 32, 33 on-off valve, 34 Orifice, 35 gas pump, 36 desulfurizer, 37 pressure sensor, 38 flow rate sensor, 40 reformed water supply device, 41 reformed water supply pipe, 42 reformed water tank, 43 reformed water pump, 50 air supply device, 51 air Supply pipe, 52 Air filter, 53 Air pump, 60 Exhaust heat recovery device, 61 Circulation piping, 62 Heat exchanger, 63 Hot water storage tank, 64 Circulation pump, 66 Piping, 67 Combustion exhaust gas discharge pipe, 70 Power conditioner, 72 Power supply board , 80 control device, 81 CPU, 82 ROM, 83 RAM, 84 timer, 91, 94, 98 temperature sensor.

Claims

A fuel cell that generates electricity using fuel gas and oxidizing gas;
a reforming section that reformes raw fuel gas using water vapor to generate the fuel gas;
an evaporation section that evaporates reformed water to generate the water vapor;
a reformed water supply device that supplies the reformed water to the evaporation section;
an oxidant gas supply device that supplies the oxidant gas to the fuel cell;
a temperature sensor that detects a temperature that correlates to the temperature of the fuel cell;
When the operating state of the fuel cell reaches a stable operating state, the oxidizing gas supply device is controlled so that the temperature detected by the temperature sensor becomes the target temperature, and the steam carbon ratio in the reforming section is controlled to be the target temperature. a control device that controls the reformed water supply device so that the steam carbon ratio becomes the target ratio by lowering the ratio from the reference ratio;
A fuel cell system equipped with

The fuel cell system according to claim 1,
The control device is configured to reduce the target ratio below the reference ratio within a range in which the supply amount of the oxidizing gas by the oxidizing gas supply device does not exceed a maximum supply amount when the operating state reaches the stable operating state. let,
fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 2,
When the operating state reaches the stable operating state, the control device controls the oxidizing gas supply device by setting a target supply amount through feedback control based on a deviation between the temperature detected by the temperature sensor and the target temperature. and lowering the target ratio below the reference ratio within a range where the target supply amount does not exceed the maximum supply amount;
fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 2 or 3,
The control device controls the target ratio so that the supply amount of the oxidizing gas from the oxidizing gas supply device approaches the reference ratio as the amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device approaches the maximum supply amount when the operating state becomes the stable operating state. set the ratio,
fuel cell system.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The stable operating state is such that the temperature detected by the temperature sensor, the current output from the fuel cell, the voltage output from the fuel cell, and the temperature of exhaust gas discharged from the fuel cell are each set to predetermined values. It is true when it is included in the range,
fuel cell system.