JP7484351B2 - Fuel Cell Systems - 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、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガスおよび空気(酸化材)の電気化学反応によって発電する燃料電池(固体酸化物形燃料電池)と、空気を燃料電池に送給する送風手段と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の作動温度が制限温度を超えないように送風手段を制御するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このシステムでは、燃料電池の作動温度が制限温度を超えないようにすることで、燃料電池の劣化の進行を抑制し、燃料電池の寿命を延ばすことができるとしている。 Conventionally, this type of fuel cell system includes a reformer that reforms raw fuel gas with steam, a fuel cell (solid oxide fuel cell) that generates electricity through an electrochemical reaction between the reformed fuel gas reformed in the reformer and air (oxidant), and a blower means that supplies air to the fuel cell, and the blower means is controlled so that the operating temperature of the fuel cell does not exceed a limit temperature (see, for example, Patent Document 1). In this system, by preventing the operating temperature of the fuel cell from exceeding the limit temperature, it is possible to suppress the progression of deterioration of the fuel cell and extend the life of the fuel cell.
また、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、燃料電池の排ガス中の水蒸気から水(凝縮水)を回収する凝縮器と、凝縮水を貯める水タンクと、を備え、水タンク内の水を改質用水蒸気に再利用する燃料電池システムにおいて、水タンクの水位が予め定めた設定水位よりも低いときには、燃料電池のカソードへの空気の供給量を減らし、水タンクの水位が設定水位よりも高いときには、カソードへの空気の供給量を増やすものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。このシステムでは、水タンクの水位が設定水位未満になったときには、空気の供給量を規定値よりも減少させることで、空気利用率を大きくし、燃料電池からの排気ガス量を少なくする。これにより、水タンクに回収される水量を増やして、水タンクの水位を上昇させることができ、外部からの水を補給しない運転(水自立運転)を安定して継続することができるとしている。 Also, a fuel cell system has been proposed that includes a reformer that steam-reforms raw fuel gas, a condenser that recovers water (condensed water) from the steam in the exhaust gas of the fuel cell, and a water tank that stores the condensed water, and reuses the water in the water tank as steam for reforming. When the water level in the water tank is lower than a predetermined set water level, the amount of air supplied to the cathode of the fuel cell is reduced, and when the water level in the water tank is higher than the set water level, the amount of air supplied to the cathode is increased (see, for example, Patent Document 2). In this system, when the water level in the water tank falls below the set water level, the amount of air supplied is reduced below a specified value, thereby increasing the air utilization rate and reducing the amount of exhaust gas from the fuel cell. This increases the amount of water recovered in the water tank, raising the water level in the water tank, and it is said that operation without replenishing water from the outside (water-independent operation) can be stably continued.
特許文献1記載の燃料電池システムでは、燃料電池の温度を低下させるために燃料電池に供給する空気を増やすと、燃料電池からの排気ガス量が増えるため、水タンクに回収される水量が少なくなり、水自立運転を継続することができなくなるおそれが生じる。一方、特許文献2記載の燃料電池システムでは、水タンクの水位が設定水位よりも低いときに、燃料電池(カソード)に供給する空気の供給量を減らすため、水タンクに回収される水量は増えて水自立運転の継続は可能となるものの、燃料電池の温度上昇を招き、燃料電池の劣化を進行させるおそれが生じる。
In the fuel cell system described in Patent Document 1, when the amount of air supplied to the fuel cell is increased to lower the temperature of the fuel cell, the amount of exhaust gas from the fuel cell increases, which reduces the amount of water collected in the water tank and may make it impossible to continue water-independent operation. On the other hand, in the fuel cell system described in
本発明の燃料電池システムは、水自立運転を継続しつつ、燃料電池の高温化による劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。 The main objective of the fuel cell system of the present invention is to provide a fuel cell system that can continue to operate independently of water while suppressing deterioration due to high temperatures of the fuel cell.
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 objective.
本発明の第1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、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第1所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記酸化剤ガスの供給量が所定量以上となるまでは、前記酸化剤ガスの供給量が増量し、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記改質水の供給量が増量するよう前記酸化剤ガス供給装置と前記改質水供給装置とを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。
The first fuel cell system of the present invention comprises:
a fuel cell that generates electricity using a fuel gas and an oxidant gas;
a reforming unit that reforms a raw fuel gas using steam to generate the fuel gas;
an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor;
a reforming water supply device that supplies reforming water stored in a water tank to the evaporator;
an oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
a condensation unit that condenses moisture from exhaust gas generated in conjunction with power generation of the fuel cell to generate condensed water and supplies the generated condensed water to the water tank;
a control device that controls the oxidant gas supply device and the reforming water supply device so that, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a first predetermined temperature and the amount of reforming water stored in the water tank is less than a predetermined amount, the power generation output of the fuel cell is reduced, the amount of the oxidant gas supply is increased until the amount of the oxidant gas supply becomes equal to or higher than a predetermined amount, and when the amount of the oxidant gas supply becomes equal to or higher than the predetermined amount, the amount of the reforming water supply is increased;
The gist of the project is to provide the following:
この本発明の第1の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が第1所定温度以上であり且つ水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、燃料電池の発電出力を下げ、酸化剤ガスの供給量が所定量以上となるまでは、酸化剤ガスの供給量が増量し、酸化剤ガスの供給量が所定量以上となると、改質水の供給量が増量するよう酸化剤ガス供給装置と改質水供給装置とを制御する。すなわち、まず、酸化剤ガスの供給量の増量(発電に寄与しない余剰の酸化剤ガスの供給)により燃料電池の温度上昇を抑制しつつ、酸化剤ガスの供給量が所定量以上となって、水自立運転の継続が困難となると、改質水の供給量を増量し、蒸発部において改質水が蒸発する際の気化潜熱により燃料電池の温度上昇を抑制するのである。この結果、水自立運転を継続しつつ、燃料電池の高温化による劣化を抑制することができる燃料電池システムとすることができる。 In the first fuel cell system of the present invention, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a first predetermined temperature and the amount of reforming water stored in the water tank is less than a predetermined amount, the power generation output of the fuel cell is reduced, and the amount of oxidant gas supplied is increased until the amount of oxidant gas supplied reaches a predetermined amount or more, and when the amount of oxidant gas supplied reaches the predetermined amount or more, the amount of reforming water supplied is increased by controlling the oxidant gas supply device and the reforming water supply device. That is, first, the amount of oxidant gas supplied is increased (supply of excess oxidant gas that does not contribute to power generation) to suppress the temperature rise of the fuel cell, and when the amount of oxidant gas supplied reaches the predetermined amount or more and it becomes difficult to continue water-independent operation, the amount of reforming water supplied is increased, and the latent heat of vaporization when the reforming water evaporates in the evaporation section suppresses the temperature rise of the fuel cell. As a result, a fuel cell system can be obtained that can suppress deterioration due to high temperatures of the fuel cell while continuing water-independent operation.
こうした本発明の第1の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記蒸発部の温度が第2所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまで、前記改質水の供給量が増量するよう前記改質水供給装置を制御するものとしてもよい。こうすれば、蒸発部において水蒸気が適正に生成される範囲内で改質水の供給量を増量させることができる。すなわち、蒸発部において改質水を蒸発させるための熱量が不足することにより十分な水蒸気が生成されず、水蒸気改質が適正に行なわれなくなったり、水蒸気が過剰に生成されることにより水蒸気分圧が過大となることで燃料電池が劣化したりするのを抑制することができる。 In the first fuel cell system of the present invention, the control device may control the reforming water supply device to increase the amount of the reforming water supplied when the amount of the oxidant gas supplied becomes equal to or greater than the predetermined amount, until the temperature of the evaporator becomes less than a second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio in the reformer becomes greater than a predetermined ratio. In this way, the amount of the reforming water supplied can be increased within a range in which steam is properly generated in the evaporator. In other words, it is possible to prevent a situation in which the amount of heat required to evaporate the reforming water in the evaporator is insufficient to generate sufficient steam, preventing steam reforming from being performed properly, or a situation in which excessive steam is generated, causing the partial pressure of the steam to become excessive, thereby deteriorating the fuel cell.
本発明の第2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、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第1所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記蒸発部の温度が第2所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまでは、前記改質水の供給量が増量し、前記蒸発部の温度が前記第2所定温度未満となるか前記スチームカーボン比が前記所定比よりも大きくなると、前記酸化剤ガスの供給量が増量するよう前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。
The second fuel cell system of the present invention comprises:
a fuel cell that generates electricity using a fuel gas and an oxidant gas;
a reforming unit that reforms a raw fuel gas using steam to generate the fuel gas;
an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor;
a reforming water supply device that supplies reforming water stored in a water tank to the evaporator;
an oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
a condensation unit that condenses moisture from exhaust gas generated in conjunction with power generation of the fuel cell to generate condensed water and supplies the generated condensed water to the water tank;
a control device which controls the reforming water supply device and the oxidant gas supply device so as to reduce the power output of the fuel cell when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a first predetermined temperature and the amount of reforming water stored in the water tank is less than a predetermined amount, increase the amount of the reforming water supplied until the temperature of the evaporation section becomes less than a second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio in the reforming section becomes greater than a predetermined ratio, and increase the amount of the oxidant gas supplied when the temperature of the evaporation section becomes less than the second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio becomes greater than the predetermined ratio;
The gist of the project is to provide the following:
この本発明の第2の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が第1所定温度以上であり且つ水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、燃料電池の発電出力を下げ、蒸発部の温度が第2所定温度未満となるか改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまでは、改質水の供給量が増量し、蒸発部の温度が第2所定温度未満となるかスチームカーボン比が所定比よりも大きくなると、酸化剤ガスの供給量が増量するよう改質水供給装置と酸化剤ガス供給装置とを制御する。すなわち、まず、蒸発部において水蒸気が適正に生成される範囲内で改質水の供給量を増量して燃料電池の温度上昇を抑制し、適正範囲での改質水の供給が困難となると、酸化剤ガスの供給量を増量(発電に寄与しない余剰の酸化剤ガスの供給)させることで燃料電池の温度上昇を抑制するのである。この結果、水自立運転を継続しつつ、燃料電池の高温化による劣化を抑制することができる燃料電池システムとすることができる。 In the second fuel cell system of the present invention, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a first predetermined temperature and the amount of reforming water stored in the water tank is less than a predetermined amount, the power output of the fuel cell is reduced, and the amount of reforming water supplied is increased until the temperature of the evaporator falls below a second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio in the reformer exceeds a predetermined ratio. When the temperature of the evaporator falls below the second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio exceeds a predetermined ratio, the amount of oxidant gas supplied is increased by controlling the reforming water supply device and the oxidant gas supply device. That is, first, the amount of reforming water supplied is increased within a range in which water vapor is appropriately generated in the evaporator to suppress the temperature rise of the fuel cell, and when it becomes difficult to supply reforming water within the appropriate range, the amount of oxidant gas supplied is increased (supply of surplus oxidant gas that does not contribute to power generation) to suppress the temperature rise of the fuel cell. As a result, a fuel cell system can be obtained that can suppress deterioration due to high temperatures of the fuel cell while continuing water-independent operation.
本発明の第1または第2の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記蒸発部への改質水の供給量を増量するに際して、所定時間ごとに所定量ずつ増量するものとしてもよい。こうすれば、改質水の増量によって燃料電池が温度低下するまでの応答遅れを考慮して、改質水を増量することができる。 In the first or second fuel cell system of the present invention, the control device may increase the amount of reforming water supplied to the evaporation section by a predetermined amount at each predetermined time. In this way, the amount of reforming water can be increased taking into account the response delay until the temperature of the fuel cell drops due to the increase in the amount of reforming water.
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。 The embodiment of 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。
1 is a schematic diagram of a fuel cell system. As shown in FIG. 1, the
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
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
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
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
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
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。
Air is supplied as a cathode gas to the cathode electrode of each unit cell of the
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 offgas that flows into the
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 has a raw fuel
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。改質水タンク42内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。また、改質水タンク42には、貯留されている改質水の水位を検出するための水位センサ44(例えば、フロートスイッチ)が設置されている。
The reforming
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
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。また、排熱回収装置60は、図示しないが、循環配管61に組み込まれたラジエータと、ラジエータに空気を送り込むラジエータファン(電動ファン)と、発電モジュール30からの余剰の電力を消費して循環配管61内の湯水を加熱する電気ヒータ(例えば、セラミックヒータ)と、電気ヒータにより加熱された湯水の温度を検出するサーミスタ(温度センサ)も有する。
The exhaust
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、湯水との熱交換によ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。
The
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
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
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、水位センサ44、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
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の動作について説明する。本実施形態では、システムに要求される要求発電出力に応じた目標電流Itagが燃料電池スタック21から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエア(空気)の供給量を制御する。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Itagに応じたガス流量を燃料利用率Ufに基づいて増加側に補正した目標ガス流量Qgtagを設定し、流量センサ38により検出されるガス流量Qgが設定した目標ガス流量Qgtagに一致するようガスポンプ35を制御することにより行なわれる。改質水の供給量の制御は、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)が予め定められた目標比SCtagに一致するよう目標改質水流量Qwtagを設定し、設定した目標改質水流量Qwtagの改質水が供給されるよう改質水ポンプ43を制御することにより行なわれる。エアの供給量の制御は、温度センサ94により検出される温度T4が予め定められた目標温度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を設定し、設定した目標エア流量Qatagのエアが供給されるようエアポンプ53を制御することにより行なわれる。
Next, the operation of the
次に、燃料電池スタック21の温度を適正範囲内に維持(調整)する際の動作について説明する。図2は、制御装置80のCPU81により実行される電池温度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。
Next, the operation for maintaining (adjusting) the temperature of the
電池温度制御ルーチンが実行されると、制御装置80のCPU81は、まず、温度センサ94からの水温T4や、水位センサ44からの水位Lw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、実行フラグFが値0であるか否かを判定する(ステップS110)。ここで、実行フラグFは、後述する供給切替処理が実行中であるか否かを示すものであり、値0であれば供給切替処理が実行中でないことを示し、値1であれば供給切替処理が実行中であることを示す。実行フラグFが値0であると判定すると、温度T4が所定温度Tref(例えば、目標温度T4tagよりも若干高い温度)以上であるか否か(ステップS120)、水位Lwが所定水位Lref(例えば、改質水タンク42の上限水位よりも若干低い水位)未満であるか否か(ステップS130)、をそれぞれ判定する。すなわち、燃料電池スタック21の温度が上がり、改質水タンク42内の改質水の水量が減ってきているかを判定する。温度T4が所定温度Tref以上でないと判定すると、そのまま電池温度制御ルーチンを終了し、温度T4が所定温度Tref以上であると判定すると共に水位Lwが所定水位Lref未満でないと判定すると、燃料電池スタック21の温度上昇がエア(空気)により抑制されるよう燃料電池スタック21へのエアの供給量を増量して(ステップS140)、電池温度制御ルーチンを終了する。本実施形態では、エアの供給量の制御は、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を設定することにより行なわれるため、温度T4が所定温度Tref以上であるときには、当該フィードバック制御が作用することでエアの供給量が増量されることになる。
When the battery temperature control routine is executed, the
一方、温度T4が所定温度Terf以上であると判定すると共に水位Lwが所定水位Lref未満であると判定すると、燃料電池スタック21の発熱量を減らすために燃料電池スタック21の発電出力を低下させ(ステップS150)、実行フラグFに値1を設定すると共に(ステップS160)、外部から改質水タンク42に水を補給することなく運転する水自立運転を維持しつつ燃料電池スタック21の温度上昇が抑制されるよう改質水の供給とエアの供給とを切り替える供給切替処理を実行して(ステップS170)、電池温度制御ルーチンを終了する。
On the other hand, if it is determined that the temperature T4 is equal to or higher than the predetermined temperature Terf and the water level Lw is lower than the predetermined water level Lref, the power generation output of the
ここで、燃料電池スタック21へのエアの供給量が増量されると、燃焼部25において生成される燃料排ガスも増量し、排ガス(湿度100%のガス)として大気中に持ち去られる水量が増えることで、投入した改質水の水量よりも大気中に持ち去られる水量の方が多くなり、改質水タンク42内の改質水の水量は低下する。このため、燃料電池スタック21の温度を所定温度Tref未満とするためにエアの供給量の増量を長時間に亘って継続すると、改質水タンク42内の改質水が不足し、水自立運転が継続できなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、温度T4が所定温度Terf以上であり且つ水位Lwが所定水位Lref未満であるときには、燃料電池スタック21の発電出力を低下させてその発熱量を減らした上で、それでも燃料電池スタック21の温度が高くなる場合には、供給切替処理を実行することにより、水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック21の温度上昇を抑制するものとした。供給切替処理の詳細については後述する。
Here, when the amount of air supplied to the
供給切替処理を実行した後、次の制御周期において電池温度制御ルーチンが実行されると、ステップS110において実行フラグFが値1であると判定されるため、温度T4が所定温度Tref未満であるか否か(ステップS180)、水位Lwが所定水位Lref以上であるか否か(ステップS190)、をそれぞれ判定する。すなわち、燃料電池スタック21の温度が下がり、改質水タンク42内の改質水の水量が回復したか否かを判定する。なお、ステップS180で用いる所定温度は、ステップS120で用いる所定温度よりも低い温度に定められてもよい。温度T4が所定温度Tref未満でないと判定したり、水位Lwが所定水位Lref以上でないと判定すると、供給切替処理を継続して(ステップS170)、電池温度制御ルーチンを終了する。一方、温度T4が所定温度Tref未満であると判定すると共に水位Lwが所定水位Lref以上であると判定すると、その状態が所定時間継続したか否かをタイマ84により判定し(ステップS210)、所定時間継続していなければ、供給切替処理を継続して(ステップS170)、電池温度制御ルーチンを終了し、所定時間継続したと判定すると、燃料電池スタック21の発電出力を復帰させると共に(ステップS210)、実行フラグFに値0を設定して(ステップS220)、電池温度制御ルーチンを終了する。
After the supply switching process is executed, when the battery temperature control routine is executed in the next control cycle, it is determined in step S110 that the execution flag F is set to a value of 1, and it is then determined whether the temperature T4 is less than the predetermined temperature Tref (step S180) and whether the water level Lw is equal to or greater than the predetermined water level Lref (step S190). In other words, it is determined whether the temperature of the
図3は、第1実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。第1実施形態の供給切替処理では、CPU81は、まず、エアポンプ53から供給されるエアの流量(エア流量Qa)を入力する(ステップS300)。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S300の処理は、エアポンプ53の目標エア流量Qatagをエア流量Qaとして入力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として入力してもよい。
Figure 3 is a flowchart showing an example of the supply switching process of the first embodiment. In the supply switching process of the first embodiment, the
続いて、入力したエア流量Qaが所定流量Qaref以上であるか否かを判定する(ステップS310)。ここで、所定流量Qarefは、排ガスとして大気中に持ち去られる水量が投入される改質水の水量以上となるか否かを判定するための閾値であり、予め実験的に求めた流量が定められる。したがって、ステップS310の判定は、これ以上、エアの供給量を増量した状態を継続すると、水自立運転の継続が困難となるか否かを判定するものと言える。エア流量Qaが所定流量Qaerf以上でないと判定すると、エアの供給量を増量して(ステップS320)、供給切替処理を終了する。なお、エアの供給量の増量は、上述した電池温度制御ルーチンのステップS140と同様に、温度センサ94により検出される温度T4を目標温度T4tagに一致させるためのフィードバック制御の作用による。供給切替処理を終了すると、電池温度制御ルーチンに戻り、電池温度制御ルーチンを終了する。
Next, it is determined whether the input air flow rate Qa is equal to or greater than a predetermined flow rate Qaref (step S310). Here, the predetermined flow rate Qaref is a threshold value for determining whether the amount of water carried away into the atmosphere as exhaust gas is equal to or greater than the amount of reforming water input, and a flow rate determined in advance through experiments is set. Therefore, the determination in step S310 can be said to be a determination as to whether or not it will be difficult to continue water-independent operation if the state in which the amount of air supply is increased further is continued. If it is determined that the air flow rate Qa is not equal to or greater than the predetermined flow rate Qaerf, the amount of air supply is increased (step S320) and the supply switching process is terminated. Note that the increase in the amount of air supply is due to the action of feedback control for matching the temperature T4 detected by the
一方、エア流量Qaが所定流量Qaref以上であると判定すると、改質水の供給量の増量が初回である(前回に実行された供給切替処理のステップS310においてエア流量Qaが所定流量Qaref以上でないと判定された)か否かを判定し(ステップS330)、初回であれば、改質水の供給量を所定量だけ増量して(ステップS350)、供給切替処理を終了する。改質水の供給量の増量は、前回の目標改質水流量Qwtagに予め定められた所定量ΔQwを加えることで新たな目標改質水流量Qwtagを設定し、設定した新たな目標改質水流量Qwtagで改質水ポンプ43を制御することにより行なわれる。これにより、燃料電池スタック21は、気化器22において改質水が気化する際の気化潜熱によって温度上昇が抑制されることになる。供給切替処理を終了すると、電池温度制御ルーチンに戻り、電池温度制御ルーチンを終了する。そして、次の制御周期で実行される電池温度制御ルーチンにおいて引き続き供給切替処理が実行されると、ステップS330において初回でないと判定され、次に、前回の増量から所定時間が経過したか否かをタイマ84により判定する(ステップS340)。前回の増量から所定時間が経過していないと判定すると、そのまま供給切替処理を終了し、前回の増量から所定時間が経過したと判定すると、再度、改質水の流量を所定量だけ増量して(ステップS350)、供給切替処理を終了する。すなわち、第1実施形態では、エア流量Qaが所定流量Qaref以上であるときに、改質水の供給量を所定時間が経過する度に所定量ずつ増量する。こうするのは、改質水の供給量を増量してから燃料電池スタック21が温度低下するまでに比較的長い応答遅れが生じるから、この応答遅れ時間を考慮したものである。
On the other hand, if it is determined that the air flow rate Qa is equal to or greater than the predetermined flow rate Qaref, it is determined whether the increase in the amount of reforming water supply is the first time (in step S310 of the previously executed supply switching process, it was determined that the air flow rate Qa is not equal to or greater than the predetermined flow rate Qaref) (step S330), and if it is the first time, the amount of reforming water supply is increased by a predetermined amount (step S350), and the supply switching process is terminated. The increase in the amount of reforming water supply is performed by setting a new target reforming water flow rate Qwtag by adding a predetermined amount ΔQw to the previous target reforming water flow rate Qwtag, and controlling the reforming
このように、第1実施形態では、温度T4が所定温度Terf以上であり且つ水位Lwが所定水位Lref未満であるときには、燃料電池スタック21の発電出力を下げた上で、エア流量Qaが所定流量Qaref以上となるまでは、エアの供給量を増量し、エア流量Qaが所定流量Qaref以上となった後は、改質水の供給量を増量する。これにより、エアの供給と改質水の供給とを切り替えることで水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック21の温度上昇を抑制することができる。また、水自立運転を継続することができるよう改質水タンク42の水位を管理することで、熱交換器62にて燃焼排ガス中の水蒸気の凝縮を促進させるためのラジエータやラジエータファンをより小型化することもできる。
In this way, in the first embodiment, when the temperature T4 is equal to or higher than the predetermined temperature Terf and the water level Lw is lower than the predetermined water level Lref, the power generation output of the
図4は、第2実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。第2実施形態の供給切替処理では、CPU81は、まず、温度センサ91により検出される温度T1(気化器22の温度)を入力し(ステップS400)、入力した温度T1が所定温度T1ref以上であるか否か(ステップS410)、現在のスチームカーボン比SC(目標比SCtag)が所定比SCref以下であるか否か(ステップS420)、をそれぞれ判定する。ここで、所定温度T1refは、気化器22において改質水を適正に気化させることができる温度範囲における下限温度近傍に定められる。また、所定比SCrefは、改質器23において水蒸気改質を適正に行なうことができるスチームカーボン比の範囲における上限比近傍に定められる。温度T1が所定温度T1ref以上であると判定すると共に現在のスチームカーボン比SCが所定比SCref以下であると判定すると、改質水の増量が初回であるか否かを判定し(ステップS430)、初回であれば、改質水の供給量を所定量だけ増量して(ステップS450)、供給切替処理を終了する。一方、初回でなければ、前回の増量から所定時間が経過したか否かを判定し(ステップS440)、所定時間が経過していないと判定すると、そのまま供給切替処理を終了し、所定時間が経過したと判定すると、再度、改質水の供給量を所定量だけ増量して(ステップS450)、供給切替処理を終了する。すなわち、第2実施形態では、温度T1が所定温度T1ref以上であり且つスチームカーボン比SCが所定比SCref以下であるときに、改質水の供給量を所定時間が経過する度に所定量ずつ増量する。
Figure 4 is a flowchart showing an example of the supply switching process of the second embodiment. In the supply switching process of the second embodiment, the
一方、温度T1が所定温度T1ref以上でないときには、これ以上改質水を増量すると、気化器22において改質水を適正に気化させることができず、現在のスチームカーボン比SCが所定比SCref以下でないときには、これ以上改質水を増量すると、気化器22において水蒸気が過剰に生成され水蒸気分圧が過大となることで燃料電池スタック21を劣化させるおそれがあると判断し、改質水の供給に代えてエアの供給によって燃料電池スタック21の温度上昇が抑制されるようにエアの供給量を増量して(ステップS460)、供給切替処理を終了する。なお、エアの供給量の増量は、上述した電池温度制御ルーチンのステップS140と同様に、温度センサ94により検出される温度T4を目標温度T4tagに一致させるためのフィードバック制御の作用による。
On the other hand, if the temperature T1 is not equal to or higher than the predetermined temperature T1ref, the reforming water cannot be properly vaporized in the
このように、第2実施形態では、温度T4が所定温度Terf以上であり且つ水位Lwが所定水位Lref未満であるときには、燃料電池スタック21の発電出力を下げた上で、温度T1が所定温度T1ref未満となるかスチームカーボン比SC(目標比SCtag)が所定比SCrefよりも大きくなるまでは、改質水の供給量を増量し、温度T1が所定温度T1ref未満となったりスチームカーボン比SC(目標比SCtag)が所定比SCrefよりも大きくなったりした後は、エアの供給量を増量する。これにより、エアの供給と改質水の供給とを切り替えることで水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック21の温度上昇を抑制することができる。
In this way, in the second embodiment, when the temperature T4 is equal to or higher than the predetermined temperature Terf and the water level Lw is less than the predetermined water level Lref, the power generation output of the
図5は、第3実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。第3実施形態の供給切替処理では、CPU81は、まず、エアポンプ53から供給されるエアの流量(エア流量Qa)と温度センサ91により検出される温度T1とを入力する(ステップS500)。続いて、入力したエア流量Qaが所定流量Qaref以上であるか否かを判定する(ステップS510)。なお、所定流量Qarefについては上述した。エア流量Qaが所定流量Qaerf以上でないと判定すると、エアの供給量を増量して(ステップS520)、供給切替処理を終了する。なお、エアの供給量の増量は、上述した電池温度制御ルーチンのステップS140と同様に、温度センサ94により検出される温度T4を目標温度T4tagに一致させるためのフィードバック制御の作用による。供給切替処理を終了すると、電池温度制御ルーチンに戻り、電池温度制御ルーチンを終了する。
Figure 5 is a flowchart showing an example of the supply switching process of the third embodiment. In the supply switching process of the third embodiment, the
一方、エア流量Qaが所定流量Qaref以上であると判定すると、入力した温度T1が所定温度T1ref以上であるか否か(ステップS530)、現在のスチームカーボン比SC(目標比SCtag)が所定比SCref以下であるか否か(ステップS540)、をそれぞれ判定する。なお、所定温度T1refや所定比SCrefについては上述した。温度T1が所定温度T1ref以上であると判定すると共に現在のスチームカーボン比SCが所定比SCref以下であると判定すると、改質水の増量が初回であるか否かを判定し(ステップS550)、初回であれば、改質水の供給量を所定量だけ増量して(ステップS570)、供給切替処理を終了する。一方、初回でなければ、前回の増量から所定時間が経過したか否かを判定し(ステップS560)、所定時間が経過していないと判定すると、そのまま供給切替処理を終了し、所定時間が経過したと判定すると、再度、改質水の供給量を所定量だけ増量して(ステップS570)、供給切替処理を終了する。 On the other hand, if it is determined that the air flow rate Qa is equal to or greater than the predetermined flow rate Qaref, it is determined whether the input temperature T1 is equal to or greater than the predetermined temperature T1ref (step S530), and whether the current steam carbon ratio SC (target ratio SCtag) is equal to or less than the predetermined ratio SCref (step S540). The predetermined temperature T1ref and the predetermined ratio SCref have been described above. If it is determined that the temperature T1 is equal to or greater than the predetermined temperature T1ref and that the current steam carbon ratio SC is equal to or less than the predetermined ratio SCref, it is determined whether the increase in the amount of reforming water is the first time (step S550). If it is the first time, the supply amount of reforming water is increased by a predetermined amount (step S570), and the supply switching process is terminated. On the other hand, if it is not the first time, it is determined whether a predetermined time has passed since the previous increase (step S560). If it is determined that the predetermined time has not passed, the supply switching process is terminated as it is, and if it is determined that the predetermined time has passed, the supply amount of reforming water is increased by a predetermined amount again (step S570), and the supply switching process is terminated.
このように、第3実施形態では、温度T4が所定温度Terf以上であり且つ水位Lwが所定水位Lref未満であるときには、燃料電池スタック21の発電出力を下げた上で、エア流量Qaが所定流量Qaref以上となるまでは、エアの供給量を増量し、エア流量Qaが所定流量Qaref以上となった後は、温度T1が所定温度T1ref未満となるかスチームカーボン比SC(目標比SCtag)が所定比SCrefよりも大きくなるまで改質水の供給量を増量する。これにより、エアの供給と改質水の供給とを切り替えることで水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック21の温度上昇を抑制することができる。
In this way, in the third embodiment, when the temperature T4 is equal to or higher than the predetermined temperature Terf and the water level Lw is lower than the predetermined water level Lref, the power generation output of the
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、熱交換器62が「凝縮部」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 on means for solving the problem will be explained. In the embodiment, the
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 between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the Means for Solving the Problem column does not limit the elements of the invention described in the Means for Solving the Problem column, since the embodiment is an example for specifically explaining the form for implementing the invention described in the Means for Solving the Problem column. In other words, the interpretation of the invention described in the Means for Solving the Problem column should be based on the description in that column, and the embodiment is merely a specific example of the invention described in the Means for Solving the Problem column.
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。 The above describes the form for carrying out the present invention using an embodiment, but the present invention is not limited to such an embodiment in any way, and it goes without saying that the present invention can be carried out in various forms without departing from the spirit of the present invention.
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 fuel cell system manufacturing industry, 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、81 CPU、82 ROM、83 RAM、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 catalytic heater, 29 module case, 30 raw fuel gas supply device, 31 raw fuel gas supply pipe, 32, 33 opening and closing valve, 34 orifice, 35 gas pump, 36 desulfurizer, 37 pressure sensor, 38 flow sensor, 40 reforming water supply device, 41 reforming water supply pipe, 42 reforming water tank, 43 reforming 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 tank, 64 circulation pump, 66 piping, 67 combustion exhaust gas exhaust 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 (4)
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、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第1所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記酸化剤ガスの供給量が所定量以上となるまでは、前記酸化剤ガスの供給量が増量し、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記改質水の供給量が増量するよう前記酸化剤ガス供給装置と前記改質水供給装置とを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記蒸発部への改質水の供給量を増量するに際して、所定時間ごとに所定量ずつ増量する燃料電池システム。 a fuel cell that generates electricity using a fuel gas and an oxidant gas;
a reforming unit that reforms a raw fuel gas using steam to generate the fuel gas;
an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor;
a reforming water supply device that supplies reforming water stored in a water tank to the evaporator;
an oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
a condensation unit that condenses moisture from exhaust gas generated in conjunction with power generation of the fuel cell to generate condensed water and supplies the generated condensed water to the water tank;
a control device that controls the oxidant gas supply device and the reforming water supply device so that, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a first predetermined temperature and the amount of reforming water stored in the water tank is less than a predetermined amount, the power generation output of the fuel cell is reduced, the amount of the oxidant gas supply is increased until the amount of the oxidant gas supply becomes equal to or higher than a predetermined amount, and when the amount of the oxidant gas supply becomes equal to or higher than the predetermined amount, the amount of the reforming water supply is increased;
Equipped with
The control device increases the amount of reforming water supplied to the evaporation section by a predetermined amount at every predetermined time .
前記制御装置は、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記蒸発部の温度が第2所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまで、前記改質水の供給量が増量するよう前記改質水供給装置を制御する、
燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1,
when the supply amount of the oxidant gas becomes equal to or greater than the predetermined amount, the control device controls the reforming water supply device to increase the supply amount of the reforming water until the temperature of the evaporator section becomes lower than a second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio in the reforming section becomes greater than a predetermined ratio.
Fuel cell system.
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、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第1所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記蒸発部の温度が第2所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまでは、前記改質水の供給量が増量し、前記蒸発部の温度が前記第2所定温度未満となるか前記スチームカーボン比が前記所定比よりも大きくなると、前記酸化剤ガスの供給量が増量するよう前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システム。 a fuel cell that generates electricity using a fuel gas and an oxidant gas;
a reforming unit that reforms a raw fuel gas using steam to generate the fuel gas;
an evaporation section that evaporates reforming water to generate the water vapor;
a reforming water supply device that supplies reforming water stored in a water tank to the evaporator;
an oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
a condensation unit that condenses moisture from exhaust gas generated in conjunction with power generation of the fuel cell to generate condensed water and supplies the generated condensed water to the water tank;
a control device which controls the reforming water supply device and the oxidant gas supply device so as to reduce the power output of the fuel cell when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a first predetermined temperature and the amount of reforming water stored in the water tank is less than a predetermined amount, increase the amount of the reforming water supplied until the temperature of the evaporation section becomes less than a second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio in the reforming section becomes greater than a predetermined ratio, and increase the amount of the oxidant gas supplied when the temperature of the evaporation section becomes less than the second predetermined temperature or the steam-to-carbon ratio becomes greater than the predetermined ratio;
A fuel cell system comprising:
前記制御装置は、前記蒸発部への改質水の供給量を増量するに際して、所定時間ごとに所定量ずつ増量する、
燃料電池システム。
4. The fuel cell system according to claim 3 ,
When increasing the amount of reforming water supplied to the evaporation section, the control device increases the amount by a predetermined amount at every predetermined time.
Fuel cell system.
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