JP2009238623A - Solid oxide fuel cell power generation system and its operation control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転制御方法に係り、特に排ガスエネルギーを利用した改質器を有するシステムの高効率発電特性の維持を可能にする固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system and an operation control method thereof, and more particularly to a solid oxide fuel cell power generation system capable of maintaining high-efficiency power generation characteristics of a system having a reformer using exhaust gas energy and the operation thereof. It relates to a control method.
近年、クリーンで高効率な分散電源の一つとして燃料電池発電システムが注目されている。なかでも、高温作動可能な固体酸化物形燃料電池発電システムは業務用から産業用など適用範囲が広く、将来の電源、あるいは電熱併給システムとして多分野で期待されている。しかしながら、このような適用分野においては一般に出力変動が激しく、システムに対して高頻度(数10回〜数100回/月)、且つ大幅な出力変更(定格出力の20〜50%幅)が要求される。このような固体酸化物形燃料電池発電システムは通常、900℃前後の高温で作動する多数のセルが集合体(モジュール)として使用される。そのため、上記のように出力変更される場合においても、システムの耐久性を維持する上でセル温度を安定に保つことは極めて重要な課題となっている。また、これはセル性能を高く維持するためにも重要である。 In recent years, fuel cell power generation systems have attracted attention as one of clean and highly efficient distributed power sources. Among them, the solid oxide fuel cell power generation system capable of operating at a high temperature has a wide range of applications from business use to industrial use, and is expected in many fields as a future power source or a combined electric and heat supply system. However, in such application fields, output fluctuations are generally severe, requiring a high frequency (several tens to several hundreds of times / month) for the system and a large output change (20 to 50% of the rated output). Is done. In such a solid oxide fuel cell power generation system, a large number of cells operating at a high temperature of about 900 ° C. are usually used as an assembly (module). Therefore, even when the output is changed as described above, keeping the cell temperature stable is an extremely important issue in maintaining the durability of the system. This is also important for maintaining high cell performance.
固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料電池のセルにおけるカソード側に供給された空気中の酸素がイオン化され電解質を透過してアノードに達し、アノード側に供給された水素と反応することで起電力を発生する仕組みを利用したものである。この場合、アノードに直接水素を供給しても良いが、通常、都市ガス、LNG、灯油など炭化水素系燃料に蒸気を混合した原料を予め改質器に通すことで水素リッチな改質ガスに転換し、これを燃料として使用する方法が一般的である。出力変動時はセル自身の発熱量が変動するのみでなく、アノードから排出される未反応燃料ガスの燃焼エネルギーも変動する。通常、上記改質器はこの熱エネルギーを使用するため、システム全体としては複雑な温度変動を呈する。 The solid oxide fuel cell power generation system is started by oxygen in the air supplied to the cathode side of the fuel cell, ionized, permeates the electrolyte, reaches the anode, and reacts with hydrogen supplied to the anode side. It uses a mechanism to generate electricity. In this case, hydrogen may be supplied directly to the anode. Usually, however, a raw material obtained by mixing steam with a hydrocarbon-based fuel such as city gas, LNG, or kerosene is passed through a reformer in advance to form a hydrogen-rich reformed gas. The method of converting and using this as fuel is common. When the output fluctuates, not only the calorific value of the cell itself fluctuates, but also the combustion energy of the unreacted fuel gas discharged from the anode fluctuates. Usually, the reformer uses this thermal energy, and therefore the entire system exhibits complicated temperature fluctuations.
また、カソード側に供給する空気も空気予熱器により上記燃焼エネルギーの一部を利用して予熱されるため、出力変動は空気温度にも影響する。 Further, since the air supplied to the cathode side is also preheated by using an air preheater using a part of the combustion energy, the output fluctuation also affects the air temperature.
また、固体酸化物形燃料電池においては、セル内部での改質能力も有するが、改質反応は吸熱を伴うため、セル温度をある程度高く保つために、予め前記の改質器により改質を進めておく方法が一般的に採用されている。通常、改質器での改質率は50%前後で運転される。しかしながら、システムの温度変動により改質器温度が変動すると、この改質率も変動し、セル温度も変動させるという現象が発生する。例えば、改質率が上昇すると、セルに供給された燃料の改質による吸熱量が減るため、セル温度が上昇する。この逆もあり得る。したがって、過度の改質率変動はセルの過熱や温度低下により耐久性や発電性能が低下するという問題を引き起す。 In addition, the solid oxide fuel cell also has a reforming capability inside the cell, but the reforming reaction involves endotherm. Therefore, in order to keep the cell temperature high to some extent, the reforming is performed in advance by the reformer. The method of proceeding is generally adopted. Usually, the reforming rate in the reformer is operated at around 50%. However, when the reformer temperature fluctuates due to system temperature fluctuation, the reforming rate fluctuates and the cell temperature fluctuates. For example, when the reforming rate increases, the endothermic amount due to reforming of the fuel supplied to the cell decreases, and the cell temperature increases. The reverse is also possible. Therefore, an excessive change in the reforming rate causes a problem that durability and power generation performance are deteriorated due to overheating of the cell and a decrease in temperature.
以上、述べたように、システムの温度変動は出力変動時に起き易く、種々の問題を引き起す要因となるため、温度安定化は運転制御上、最も重要な課題のひとつとされている。 As described above, system temperature fluctuations are likely to occur during output fluctuations and cause various problems. Therefore, temperature stabilization is considered to be one of the most important issues in operation control.
固体酸化物形燃料電池発電システムの制御方法に係わる、第1の従来例として、特許文献1に記載された方法がある。本方法は、セル温度の安定化を目的として、計測した電流値に基づいてカソードに供給する空気の温度を調整することで間接的にセル温度を制御する方法が採られている。
As a first conventional example relating to a control method of a solid oxide fuel cell power generation system, there is a method described in
また、第2の従来例として、特許文献2に記載された方法がある。本方法は、セル温度の安定化を目的として、計測したセル温度に基づいてカソードに供給する空気流量若しくは空気温度を調整する方法が採られている。
As a second conventional example, there is a method described in
特許文献1の方法では、電流値、空気温度からセル温度を望ましい値に維持できるとしているが、セルとこれを支持する構造材は大きな熱容量をもつため必ずしもセル温度を安定に制御できるとは限らない。
In the method of
また、特許文献2の方法では、排ガスによる空気予熱器の上流に位置する空気加熱による空気温度調整若しくは空気供給装置による空気流量調整によりセル温度を望ましい値に維持できるとしている。しかし、排ガスエネルギーを利用した改質器を有するシステムに適用した場合のセル温度安定化を保証することはできない。
In the method of
本発明が解決しようとする課題は、排ガスエネルギーを利用した改質器を有するシステムにおけるセル温度の安定化を実現することである。 The problem to be solved by the present invention is to realize stabilization of cell temperature in a system having a reformer using exhaust gas energy.
本発明はその一面において、燃料電池のセル温度またはその変動の計測,推定または予測に基づいて主空気の供給温度を調整するセル温度制御と、改質温度またはその変動の計測,推定または予測に基づいて改質器の作動温度を制御する改質温度制御を行い、前記セル温度制御における制御量に関連して前記改質温度制御に作用する改質温度の補正を行うことを特徴とする。 In one aspect of the present invention, cell temperature control for adjusting the supply temperature of the main air based on measurement, estimation or prediction of the cell temperature of the fuel cell or its variation, and measurement, estimation or prediction of the reforming temperature or its variation. The reforming temperature control for controlling the operating temperature of the reformer is performed on the basis thereof, and the reforming temperature acting on the reforming temperature control is corrected in relation to the control amount in the cell temperature control.
本発明の望ましい実施態様においては、燃料電池からの排ガスは、空気予熱器を通った後で改質器を通るように構成され、空気予熱器の出口空気(主空気)に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整手段と、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて空気予熱器に供給する主空気流量制御手段を備えている。 In a preferred embodiment of the present invention, the exhaust gas from the fuel cell is configured to pass through the reformer after passing through the air preheater, and is added to the air preheater outlet air (main air). And a main air flow rate control means for subtracting the cooling air flow rate from the air flow rate command and supplying it to the air preheater.
また、本発明の望ましい実施態様においては、セルの温度またはその変動の計測,推定または予測温度が高いときは改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セルの温度またはその変動の計測,推定または予測温度が低いときは改質温度目標を上げるように構成される。 In a preferred embodiment of the present invention, when the temperature of the cell or its variation is measured, estimated or predicted temperature is high, the reforming temperature target in the reforming temperature control means is lowered to measure the temperature of the cell or its variation. The reforming temperature target is raised when the estimated or predicted temperature is low.
本発明の具体的な実施形態においては、燃料電池のセルの温度またはその変動を計測,推定または予測し、前記セル温度の判定に基づいて空気予熱器の出口空気(主空気)に添加する冷却用空気の流量を調整し、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する空気流量を制御し、記改質器の出口燃料温度を測定し、前記燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御し、前記セル温度の判定に基づいて、セル温度が高いときは前記改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セル温度が低いときは改質温度目標を上げるように改質温度を補正する。 In a specific embodiment of the present invention, the temperature of the fuel cell or its variation is measured, estimated or predicted, and is added to the outlet air (main air) of the air preheater based on the determination of the cell temperature. Adjusting the flow rate of the air, subtracting the flow rate of the cooling air from the air flow command to control the flow rate of air supplied to the air preheater, measuring the outlet fuel temperature of the reformer, Based on the measurement, the operating temperature of the reformer is controlled, and based on the determination of the cell temperature, when the cell temperature is high, the reforming temperature target in the reforming temperature control means is lowered, and when the cell temperature is low Corrects the reforming temperature to raise the reforming temperature target.
本発明の望ましい実施態様によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムのセル温度を安定化できるためシステムの耐久性を向上させ、発電性能を長期間維持することが可能となる。そのため、システムの固定費と運用費を大幅に低減することができる。 According to a preferred embodiment of the present invention, since the cell temperature of the solid oxide fuel cell power generation system can be stabilized, the durability of the system can be improved and the power generation performance can be maintained for a long time. Therefore, the fixed cost and operating cost of the system can be greatly reduced.
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。 Other objects and features of the present invention will be clarified in the embodiments described below.
最初に、図1を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムの構成について説明する。なお、燃料電池のセル構造としては、主として円筒型と平板型が提案されているが、両者とも基本的な動作原理は同じであり、以下の実施形態では、円筒型を例にして説明する。また、以下では簡単のため固体酸化物形燃料電池発電システムを単に燃料電池発電システムと呼ぶ。 First, the configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, as the cell structure of the fuel cell, a cylindrical type and a flat plate type are mainly proposed, but both have the same basic operation principle. In the following embodiments, a cylindrical type will be described as an example. In the following, for simplicity, the solid oxide fuel cell power generation system is simply referred to as a fuel cell power generation system.
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池発電システムの機能を説明する全体構成図である。最初に、本実施形態の燃料電池発電システムのうち、制御装置200を除く破線で示す燃料電池機器本体100の働きについて説明する。 FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating functions of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. First, the operation of the fuel cell device main body 100 indicated by a broken line excluding the control device 200 in the fuel cell power generation system of the present embodiment will be described.
まず、燃料1である都市ガス若しくは灯油(以下、単に燃料と呼ぶ)は燃料流量調整弁16により改質器6に送られるが、改質器6に投入される前に蒸発器4で発生した蒸気と合流する。この蒸気は給水ポンプ17により給水3が蒸発器4に送られて蒸発したものである。この燃料と蒸気は改質器6にて水素リッチで高温の改質ガス8に転換され燃料電池9のアノード側に送入される。一方、空気ブロア18により大気から取り込まれた空気2は空気予熱器7にて予熱される。予熱された空気は後述の冷却用空気Aが添加されたのち燃料電池9の空気ヘッダ12に供給される。
First, city gas or kerosene (hereinafter simply referred to as fuel) as
本実施例の燃料電池9は、複数の円筒型セル10で構成され、セルの外側がアノード、内側がカソードになっている。改質ガス8は燃料電池9の下方から送入されアノードに沿って上昇し、上部の燃焼室11に排出される。また、空気ヘッダ12に送入された空気は複数に分流し、各セルの内部に配置された円筒状の空気導入管13の内部で予熱されながら下降し、下端部を出たのちセル内側のカソードに沿って上昇し、上記燃焼室11に抜ける。燃焼室11に抜けた空気は、ここでアノードを通過した残存燃料ガスの燃焼に寄与する。
The
上記アノードとカソードの間には解質膜があり、カソード側を通過する空気中の酸素は解質膜の働きでイオン化され電解質を透過してアノードに達し、アノードに供給される改質ガス8に含まれる水素または一酸化炭素と反応することで起電力を発生する。発生した直流電力LCは電力変換器14により交流電力LAに変換され、負荷15に供給される。尚、本図では明示していないが、通常、複数のセルは並列接続と直列接続の組合せで必要な電圧と電流を得ることができるように構成されている。したがって、端子電圧は直列接続セル数に依存し、端子電流は並列接続セル数に依存する。
There is a denatured membrane between the anode and the cathode, and oxygen in the air passing through the cathode side is ionized by the function of the denatured membrane, permeates the electrolyte and reaches the anode, and the reformed
負荷15が直流電力を要求するものであれば、電力変換器14としては直流から交流への変換機能は不要であるが、端子電圧VCは出力により変化するため、電圧変換機能が必要となる。また、負荷に供給する出力電力LAは電力変換器14における変換損失だけ端子電力LCよりも小さくなる。
If the
燃料1、給水3及び空気2の各流量は、それぞれ燃料流量調整弁16の開度、給水ポンプ17及び空気ブロア18の速度により調整される。改質ガス8はセル間を通過しながら発電に寄与することで燃料濃度が低下するが、ある程度の燃料は残存する。
The flow rates of the
燃焼室11に排出された空気もある程度の酸素が残存するので、残存燃料と空気は燃焼により再び高温ガスとなり、この高温ガスは空気ヘッダ12に供給された空気を加熱する。燃焼室11から排出された高温排ガスは、前述の空気予熱器7に送られる。この空気予熱器7において、高温排ガスのエネルギーにより前記空気が予熱され、空気ヘッダ12に送入される。さらに、空気予熱器7からの排出ガスも後述の冷却用空気Bが添加されたのち前述の改質器6に導かれて燃料の改質と、前述の蒸発器での給水蒸発に利用されたのち、排ガスブロア20によりシステム外に排出される。
Since some amount of oxygen also remains in the air discharged into the
上記の冷却用空気Aは空気ブロア22により主空気に添加され、冷却用空気Bは空気ブロア24により空気予熱器出口すなわち改質器6の入口で排ガスに添加される。
The cooling air A is added to the main air by the
次に、本発明の実施形態における制御装置200の働きについて説明する。図1の二点鎖線で囲んだ制御装置200において、太線で示す制御要素が本発明の実施形態に係るもので、細線で示す制御要素は従来システムと共通するものである。但し、ここでは制御装置の働きを理解し易くするために制御構成部100と200をブロックで分割して示したが、実際には、燃料電池機器本体100と同一パッケージ内、若しくはその傍等に配置されたコントローラで実現されている。 Next, the operation of the control device 200 in the embodiment of the present invention will be described. In the control device 200 surrounded by the two-dot chain line in FIG. 1, the control elements indicated by the thick lines are those according to the embodiment of the present invention, and the control elements indicated by the thin lines are common to the conventional system. However, here, the control components 100 and 200 are shown divided into blocks in order to make the operation of the control device easier to understand, but actually, in the same package as the fuel cell device main body 100 or in the vicinity thereof. It is realized with the arranged controller.
まず、従来要素の働きについて説明する。制御装置200において目標出力設定手段26から目標出力指令値LR0が発せられると、この目標出力指令値LR0に対応して空気流量指令手段29では空気流量指令値FAR0、燃料流量指令手段28では燃料流量指令値FFR、給水流量指令手段30では給水流量指令値FWRが出力される。これら3つの指令値FAR0、FFR、FWRは、静特性的に設計条件に合致するバランス条件であり、定常運転時に出力LR0を得るのに必要な値である。尚、空気流量指令値FAR0については冷却用空気Aが添加されても総合空気流量に影響しないよう、前記冷却用空気A流量指令値FCARだけ差引かれて実際の主空気流量指令値FARとする。これらの指令値FAR、FFR、FWRは、それぞれ、空気ブロア18、燃料流量調整弁16、及び給水ポンプ17の各流量制御装置(図示しない)に渡され、指令値を満足するよう制御される。
First, the function of the conventional element will be described. From the target output setting means 26 when the target output command value L R0 is issued in the control device 200, an air flow rate instruction means 29 in the air flow rate command value F AR0 corresponding to the target output command value L R0, the fuel flow rate instruction means 28 Then, the fuel flow rate command value F FR is output, and the feed water flow rate command means 30 outputs the feed water flow rate command value F WR . These three command values F AR0 , F FR , and F WR are balance conditions that statically match the design conditions, and are values necessary to obtain the output L R0 during steady operation. Incidentally, as the air flow rate command value F AR0 do not affect be added cooling air A comprehensive air flow, the only cooling air A flow rate command value F CAR subtracted by the actual main air flow rate command value F AR And These command values F AR , F FR , and F WR are respectively transferred to flow control devices (not shown) of the
本発明の一実施形態によるセル温度安定化制御手段300では、セル温度検出器25にて計測されたセル温度TCと、温度計23にて検出された改質器出口燃料温度TFを取り込む。そして、このセル温度TCと改質器出口燃料温度TFに応じて、冷却用空気A流量指令値FCARと、冷却用空気B流量指令値FCBRが出力される。ここで、温度計25の設置は、セルの軸方向で最も温度が高くなる位置に設置するのが望ましく、この正確な設置はシステムの設計条件により適宜決定すればよい。本実施例では、最も温度が高なりやすい中部に設置した。また、温度計23の設置は、できるだけ改質ガス温度に近い温度を計測できる位置に設置するのが望ましく、この場合の設置位置もシステムの設計条件により適宜決定すればよい。本実施例では、改質器出口部に設置した。
In the cell temperature stabilization control means 300 according to an embodiment of the present invention, incorporating a cell temperature T C which is measured at a
図2は、本発明の一実施形態によるセル温度安定化制御手段300を具体的に示すものである。本セル温度安定化制御手段300は、さらにセル温度制御手段320、改質温度制御手段340及び改質温度補正手段360の3つの制御手段で構成されている。以下、これらの働きについて順を追って説明する。 FIG. 2 specifically shows a cell temperature stabilization control means 300 according to an embodiment of the present invention. The cell temperature stabilization control means 300 is further composed of three control means: a cell temperature control means 320, a reforming temperature control means 340, and a reforming temperature correction means 360. Hereinafter, these functions will be described in order.
セル温度制御手段320においては、まず、予め設定された基準セル温度TCRに対して、減算手段32aでは前述の温度計25で検出されたセル温度TCとの偏差ΔTCを求める。次に、比例積分微分演算手段33aにより、前記偏差ΔTCを比例積分微分演算(PID演算)し、その演算結果として前記の冷却用空気A流量指令値FCARを得る。このようにして、セル温度TCは、設定値である基準セル温度TCRに一致するよう制御される。
In the cell temperature control means 320, first, with respect to a predetermined reference cell temperature T CR, a deviation [Delta] T C of the cell temperature T C detected by the
改質温度制御手段340においては、まず、予め設定された基準改質器出口燃料温度TFRに対して、加算手段32cでは後述する改質温度補正手段360から算出される改質温度補正値ΔTFMを加算して補正後改質器出口燃料温度設定値TFMを求める。この補正後改質器出口燃料温度設定値TFMに対して、減算手段32bでは、前述の温度計23で検出された改質器出口燃料温度TFとの偏差ΔTFを求める。次に、比例積分微分演算手段33bにより前記偏差ΔTFを比例積分微分演算(PID演算)し、その演算結果として前記の冷却用空気B流量指令値FCBRを得る。このようにして、改質器出口燃料温度TFは設定値である基準改質器出口燃料温度TFRに、改質温度補正値ΔTFMを加算した温度TFM(=TFR+ΔTFM)に一致するよう制御される。
In reforming temperature control means 340, first, with respect to the preset reference reformer outlet fuel temperature T FR, the reforming temperature correction value ΔT calculated from the reforming temperature correction means 360 to be described later in addition means 32c The corrected reformer outlet fuel temperature set value TFM is obtained by adding FM . The relative corrected reformer outlet fuel temperature setpoint T FM, the subtraction means 32b, a deviation [Delta] T F between the detected reformer outlet fuel temperature T F at a
改質温度補正手段360においては、前記セル温度制御手段320の減算手段32aで算出された偏差ΔTCに対して、乗算手段35cで補正ゲインKCを掛けることで、上記改質温度補正値ΔTFMを得る。即ち、本改質温度補正手段360は、セル温度制御手段320の制御量である前記偏差ΔTCのKC倍に相当する改質温度補正値ΔTFMをもって、改質出口燃料温度TFを補正する働きをする。例えば、セル温度が上昇してその偏差ΔTCが2℃となった場合は、KC=−5とすれば、改質温度補正値TFMは、−10℃となり、改質器出口燃料温度TFは基準改質器出口燃料温度TFRよりも10℃だけ低い値に制御される。ここで、補正ゲインKCを負値とする理由は、セル温度が上昇した場合は改質器出口燃料温度を下げることで改質率が低下した燃料をセルに送り込み、セル内部での改質反応に伴う吸熱量を増加させて、セル温度の上昇を抑えるためである。
In reforming temperature correction means 360, the relative cell temperature control means 320 subtracting means 32a deviations [Delta] T C is calculated in the, by multiplying the correction gain K C by multiplying
ここで、比例積分微分演算手段33a及び33bにおけるKP1及びKP2は比例ゲイン、KI1及びKI2は積分ゲイン、KD1及びKD2は微分ゲインを表わしている。 Here, in the proportional integral derivative calculating means 33a and 33b, K P1 and K P2 represent proportional gains, K I1 and K I2 represent integral gains, and K D1 and K D2 represent differential gains.
次に、図3〜9を用いて、セル温度TCが前記基準セル温度TCRに対して上昇傾向を示した場合の上記セル温度安定化制御手段300によるセル温度安定化の効果を説明する。 Next, with reference to FIG 3-9, the cell temperature T C will be described the effect of cell temperature stabilization by the cell temperature stabilization control means 300 of the case shown an upward trend with respect to the reference cell temperature T CR .
まず、図3に示す冷却用空気Aによるセル温度制御手段320のみを使用した場合のプロセス動特性を図4に示す。本図4では、セルの上部、中部、下部の3点に着目した軸方向温度と改質器出口燃料温度TFの時間応答を示す。本実施形態では、セル温度TCとしてセル中部の温度を使用する。本図から分かるように、セル温度TCが上昇傾向を示すと冷却空気A流量が増加して、セル上部から冷却効果が現れ中部セル温度も一旦安定化するかに見えるが、その後、再び上昇傾向を示している。この現象は次のように説明できる。まず、セル温度TCが上昇すると冷却用空気A流量FCAが増加し始めるが、前述のようにこの増加分に相当する主空気流量FAを削減されるため、空気予熱器7での熱吸収量が低下し、空気予熱器7の排ガス温度(改質器6の入口排ガス温度)が上昇する。その結果、改質器6による燃料ガスの改質率が上昇し、セル内部改質による吸熱量が減少してセル温度上昇を助長する。セル温度がさらに上昇すると空気ブロア22の容量限界に達し、セル温度は更に上昇する。即ち、冷却空気Aの増加によるセルの冷却効果よりも、改質率上昇による吸熱量低下の影響が大きいためセル温度上昇の抑制が困難となっている。しかも、軸方向温度差(中部温度−上部温度)も拡大し、セル耐久性維持の観点からも好ましい現象とはいえない。
First, FIG. 4 shows process dynamic characteristics when only the cell temperature control means 320 using the cooling air A shown in FIG. 3 is used. FIG. 4 shows the time response of the axial temperature and the reformer outlet fuel temperature TF focusing on the three points of the upper, middle, and lower parts of the cell. In the present embodiment, a temperature of the cell middle as the cell temperature T C. As can be seen from this figure, the increase in the cooling air A flow cell temperature T C indicates a rising trend, but visible from the cell top to whether the cooling effect is once stabilized even middle cell temperature appears, then rising again It shows a trend. This phenomenon can be explained as follows. First, the cooling air A flow rate F CA and the cell temperature T C is increased begins to increase, to be reduced primary air flow F A corresponding to this increment, as described above, heat in the
図5に示す冷却用空気Bによる改質温度制御手段340のみを使用した場合のプロセス動特性を図6に示す。本図から分かるように、セル温度が上昇しても改質器出口燃料温度TFはかなり遅れて上昇傾向を示すため、改質温度制御が利く前にセル温度が大幅に上昇している。やがて、改質温度制御の効果がでて改質器出口燃料温度TFが基準値(設定値)に整定するが、セル温度は非制御のため必ずしも基準値(設定値)に整定するとは限らない。即ち、大きなオフセットが残る可能性がある。また、セル温度制御手段320が作動していないため、大きな冷却用空気B流量が必要となる。 FIG. 6 shows process dynamic characteristics when only the reforming temperature control means 340 using the cooling air B shown in FIG. 5 is used. As can be seen from this figure, even when the cell temperature rises, the reformer outlet fuel temperature TF tends to rise with a considerable delay, so the cell temperature rises significantly before the reforming temperature control works. Eventually, the reforming temperature control effect is achieved, and the reformer outlet fuel temperature TF is set to the reference value (set value). However, the cell temperature is not always controlled to the reference value (set value) because it is not controlled. Absent. That is, a large offset may remain. Further, since the cell temperature control means 320 is not operated, a large cooling air B flow rate is required.
図7に示す冷却用空気Aによるセル温度制御手段320と、冷却用空気Bによる改質温度制御手段340の両者を使用した場合のプロセス動特性を図8に示す。この場合は、図8から分かるように、冷却用空気Aによるセル上部の冷却と冷却用空気Bによるセル下部の冷却が相乗効果となり、大幅なセル温度を回避できている。しかしながら、図6の場合と同様に改質温度制御手段340による制御効果が現れるのが遅いため、セル下部温度の上昇幅がセル上部のそれと比較して、なお大きい。また、冷却用空気A、Bとも大きな流量が必要となる。 FIG. 8 shows process dynamic characteristics when both the cell temperature control means 320 using the cooling air A and the reforming temperature control means 340 using the cooling air B shown in FIG. 7 are used. In this case, as can be seen from FIG. 8, the cooling of the upper part of the cell by the cooling air A and the cooling of the lower part of the cell by the cooling air B have a synergistic effect, and a significant cell temperature can be avoided. However, since the control effect by the reforming temperature control means 340 appears late as in the case of FIG. 6, the increase in the cell lower temperature is still larger than that in the upper cell. Further, both the cooling airs A and B require a large flow rate.
本発明の望ましい一実施例により、図2に示したように、冷却用空気Aによるセル温度制御手段320と冷却用空気Bによる改質温度制御手段340の両者を使用するとともに、改質温度補正手段360を動作させた場合は、図9に示すプロセス動特性となる。 According to a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, both the cell temperature control means 320 by the cooling air A and the reforming temperature control means 340 by the cooling air B are used, and the reforming temperature correction is performed. When the means 360 is operated, the process dynamic characteristics shown in FIG. 9 are obtained.
この場合は、改質温度補正手段360の長所が活かされている。即ち、セル温度が上がり始めると同時に、改質温度補正が過渡的に働いて冷却用空気Bが速やかに投入されている。そのため、改質器の冷却効果がいち早く現れて改質器出口燃料温度TFが低下し始めるため、セル下部温度の上昇を効果的に抑えている。 In this case, the advantages of the reforming temperature correction means 360 are utilized. That is, at the same time as the cell temperature starts to rise, the reforming temperature correction works transiently, and the cooling air B is quickly supplied. For this reason, the cooling effect of the reformer appears quickly and the reformer outlet fuel temperature TF starts to decrease, so that the increase in the cell lower temperature is effectively suppressed.
以上により、セル温度は格段に安定化し、オフセットを残すことも無く、速やかに設定値に整定している。また、セル温度が設定値に整定するにつれ、改質温度補正値ΔTFMも“零”に近づくため改質器出口燃料温度TFも設定値に整定している。さらに、過渡時において、多量の冷却用空気を投入することなくセル温度は安定化している。 As described above, the cell temperature is remarkably stabilized, and the set temperature is quickly set without leaving any offset. Further, as the cell temperature is set to the set value, the reforming temperature correction value ΔT FM approaches “zero”, so that the reformer outlet fuel temperature TF is also set to the set value. Furthermore, the cell temperature is stabilized during the transition without introducing a large amount of cooling air.
このように、本発明の望ましい一実施形態によると、固体酸化物形燃料電池発電システムのセル温度を安定化できるため、システムの耐久性と、発電性能の維持が可能となる。また、冷却用空気も少量で済むため、空気ブロアも小型化できる。そのため、システムの固定費と運用費を大幅に低減することが可能となる。 Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, since the cell temperature of the solid oxide fuel cell power generation system can be stabilized, the durability of the system and the power generation performance can be maintained. In addition, since only a small amount of cooling air is required, the air blower can be reduced in size. As a result, the fixed cost and operating cost of the system can be greatly reduced.
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる実施形態においても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can apply, without changing the essence in the embodiment described below.
まず、本発明の一実施形態では、セル温度制御に比例積分微分演算手段33aを用いているが、必ずしも比例積分微分演算とする必要はない。例えば、セル温度に若干のオフセットを許容する場合は、図10に示すようにセル温度制御手段320における比例積分微分演算手段33aの代わりに、比例演算手段35aを用いた比例制御としてもよい。ここでは、比例演算手段35aとして比例ゲインKCAを、セル温度偏差ΔTCに乗じることで冷却用空気A流量指令値FCARを得ている。 First, in one embodiment of the present invention, the proportional integral derivative calculating means 33a is used for the cell temperature control. However, the proportional integral derivative calculating is not necessarily required. For example, when a slight offset is allowed in the cell temperature, proportional control using the proportional calculation means 35a may be used instead of the proportional integral differential calculation means 33a in the cell temperature control means 320 as shown in FIG. Here, the proportional gain K CA as proportional operation means 35a, to obtain a cooling air A flow rate command value F CAR by multiplying the cell temperature deviation [Delta] T C.
この場合の制御結果は図11に示すように、セル温度としては、積分演算による制御動作を含まないため若干のオフセットが残るが、安定に整定させることができる。また、上記セル温度のオフセット量をKC倍した値が改質温度補正値ΔTFMとなり、このΔTFMが改質器出口燃料温度TFのオフセットとして残るが、これも安定に整定している。実は、これらオフセットを許容することで、冷却用空気A及びBの流量を削減できている。 As shown in FIG. 11, the control result in this case does not include the control operation based on the integral calculation because the cell temperature does not include a slight offset, but can be stabilized stably. Further, a value obtained by multiplying the offset amount of the cell temperature by K C becomes a reforming temperature correction value ΔT FM , and this ΔT FM remains as an offset of the reformer outlet fuel temperature TF , which is also stably settled. . Actually, by allowing these offsets, the flow rates of the cooling air A and B can be reduced.
さらに、セル温度TCのオフセット拡大を許容する場合は、図12に示すように改質温度制御手段340における比例積分微分演算手段33bの代わりに比例演算手段35bを用いた比例制御としてもよい。ここでは、比例演算手段35bとして比例ゲインKCBを改質器出口燃料温度偏差ΔTFに乗じることで、冷却用空気B流量指令値FCBRを得ている。 Furthermore, where allowed offset expansion of the cell temperature T C may be a proportional control using a proportional operation means 35b, instead of a proportional integral derivative calculation means 33b in the reforming temperature control means 340 as shown in FIG. 12. Here, the proportional gain K CB to by multiplying the reformer outlet fuel temperature deviation [Delta] T F, to obtain the cooling air B flow rate command value F CBR as a proportional calculation means 35b.
この場合の制御結果は図13に示すように、積分演算による制御動作を含まないため、偏差ΔTFは“零”にはならないので改質器出口燃料温度TFは、図11の場合と比較して若干高くなる。その分、冷却用空気B流量は少なくて済むが、逆に、冷却用空気A流量は多くなる。即ち、冷却用空気Bによる改質器出口燃料温度の低下幅が縮小した分、逆にセル温度のオフセットが拡大し、これを抑えるために冷却用空気A流量が増加する。ここで、セル温度のオフセットが拡大すると、改質温度補正値ΔTFMが拡大して改質器出口燃料温度を下げるように作用するが、比例演算手段35bによるためセル温度のオフセット拡大を解消するには至らない。 The control result is as shown in FIG. 13 when, for without the control operation by the integral calculation, the deviation [Delta] T F reformer outlet fuel temperature T F does not become a "zero" is, compared with the case of FIG. 11 And it will be slightly higher Accordingly, the flow rate of the cooling air B can be reduced, but conversely, the flow rate of the cooling air A is increased. That is, the amount of decrease in the reformer outlet fuel temperature due to the cooling air B is reduced, and conversely, the cell temperature offset is increased, and the cooling air A flow rate is increased to suppress this. Here, when the cell temperature offset increases, the reforming temperature correction value ΔT FM increases to lower the reformer outlet fuel temperature. However, since the proportional calculation means 35b is used, the cell temperature offset increase is eliminated. It does not lead to.
しかしながら、図11の場合と比較して、制御特性の差異は僅かである。 However, compared with the case of FIG. 11, the difference in control characteristics is slight.
また、本発明の一実施形態では、セル温度安定化制御のための冷却用空気Bを改質器6の入口の排ガスに投入する方法としたが、必ずしもこの位置に投入する必要はない。例えば、図14に示すように、空気予熱器7の入口に投入する方法としてもよく、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。この場合、冷却用空気Bにより空気予熱器7が冷やされたのち改質器6が冷やされるため、セル下部からの冷却効果は弱まるが上部からの冷却効果が増すことで、セル温度安定化を目的とする本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。
In the embodiment of the present invention, the cooling air B for cell temperature stabilization control is input to the exhaust gas at the inlet of the
また、本発明の一実施形態では、セル温度安定化制御のために排ガスに冷却用空気Bを投入する方法とした。しかし、必ずしも空気を投入する必要は無く、水若しくは蒸気、或いは窒素など、要するに環境に無害で排ガス温度を下げる効果があるものを投入するもののほか、セル温度制御手段を持つものであれば、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。 Moreover, in one Embodiment of this invention, it was set as the method of throwing in the cooling air B to waste gas for cell temperature stabilization control. However, it is not always necessary to supply air. In addition to water, steam, nitrogen, or the like that is not harmful to the environment and has the effect of lowering the exhaust gas temperature, this can be used if it has cell temperature control means. The present invention can be applied without changing the essence of the invention.
また、本発明の一実施形態では、セル温度TCとして、セルで最高温度となる部位での計測が望ましく、例えば最高温度になりやすい中央部での計測として述べた。しかしながら、最高温度位置は出力変化に応じて移動するため、必ずしも位置を厳密に規定する意味はなく、例えば、複数個所での計測値の最高値若しくは平均値などの代表値を使用する方式としても、本発明の本質を何ら変えるものではない。 Further, in one embodiment of the present invention, as the cell temperature T C, the measurement at the site to be the maximum temperature in the cell desirably, for example, described as the measurement in prone central portion to the maximum temperature. However, since the maximum temperature position moves according to the output change, there is no need to strictly define the position. For example, a method using a representative value such as the maximum value or the average value of the measured values at a plurality of locations may be used. The essence of the present invention is not changed at all.
また、本発明の一実施形態では、改質器出口燃料温度TFとして、できるだけ改質器に近い部位での計測が望ましく、改質器の燃料排出部での計測とした。しかしながら、燃料排出部は燃料温度に分布を持ちやすいため、燃料を燃料電池に導く配管内の燃料温度を計測して使用する方式としても、本発明の本質を何ら変えるものではない。 In one embodiment of the present invention, the reformer outlet fuel temperature TF is desirably measured at a position as close to the reformer as possible, and measured at the fuel discharge portion of the reformer. However, since the fuel discharge part tends to have a distribution in the fuel temperature, the essence of the present invention is not changed at all even when the fuel temperature in the pipe for guiding the fuel to the fuel cell is measured and used.
また、セル温度TCとして、例えば絶縁耐火物を介してセル表面に接した熱伝型温度計を使用した直接計測が望ましが、セル自体の発電性能の観点からはアノード空間燃料ガス温度やセル間電極温度など、システムの設計条件や構造上の特徴を考慮したセル近傍の温度を計測することで代用することもできる。 Further, as the cell temperature T C, for example, Shi desirable directly measured using a thermocouple-type thermometer in contact with the cell surface via the insulating refractories, the anode space the fuel gas temperature Ya from the viewpoint of power generation performance of the cell itself It can be substituted by measuring the temperature in the vicinity of the cell in consideration of system design conditions and structural features such as the inter-cell electrode temperature.
さらに、本発明の一実施形態では、排ガスが空気予熱器、改質器、蒸発器の順次に供給されるシステム構成としているが、必ずしもこの構成とする必要はなく、例えば、排ガスが改質器を通過してから空気予熱器に供給されたり、燃料予熱器を別途配置されたりしたシステム構成であっても、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。 Further, in one embodiment of the present invention, the exhaust gas is supplied to the air preheater, the reformer, and the evaporator in this order, but this configuration is not necessarily required. Even if it is a system configuration in which the air preheater is supplied after passing through or the fuel preheater is separately arranged, the present invention can be applied without changing the essence of the present invention.
100…燃料電池機器本体、200…制御装置、300…セル温度安定化制御手段、320…セル温度制御手段、340…改質温度制御手段、360…改質温度補正手段、28…燃料流量指令手段、29…空気流量指令手段、30…給水流量指令手段、1…燃料、2…空気、3…給水、4…蒸発器、6…改質器、7…空気予熱器、8…改質ガス、9…燃料電池、10…セル、11…燃焼室、12…空気ヘッダ、13…空気導入管、14…電力変換器、15…負荷、16…燃料流量調整弁、17…給水ポンプ、18…空気ブロア、20…排ガスブロア、22…空気ブロア、23…温度計、24…空気ブロア、26…目標出力設定手段、27…電力変換器制御手段、25…温度計、31…減算手段、32a…減算手段、32b…減算手段、32c…加算手段、33a…比例積分微分演算手段、33b…比例積分微分演算手段、35a…比例演算手段、35b…比例演算手段、35c…乗算手段。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell apparatus main body, 200 ... Control apparatus, 300 ... Cell temperature stabilization control means, 320 ... Cell temperature control means, 340 ... Reform temperature control means, 360 ... Reform temperature correction means, 28 ... Fuel flow rate command means 29 ... Air flow rate command means, 30 ... Feed water flow rate command means, 1 ... Fuel, 2 ... Air, 3 ... Feed water, 4 ... Evaporator, 6 ... Reformer, 7 ... Air preheater, 8 ... Reformed gas, DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記燃料電池のセルの温度またはその変動の計測,推定または予測に基づいて前記主空気の供給温度を調整するセル温度制御手段と、前記改質器の温度またはその変動の計測,推定または予測に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御手段と、前記セル温度制御手段における制御量に関連して前記改質温度制御手段に作用する改質温度補正手段とを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。 A fuel cell that is an assembly of cells, a reformer that uses thermal energy of exhaust gas from the fuel cell, and preheat main air that is supplied to the fuel cell using thermal energy of exhaust gas from the fuel cell In a solid oxide fuel cell power generation system equipped with an air preheater,
Cell temperature control means for adjusting the supply temperature of the main air based on measurement, estimation or prediction of the temperature of the fuel cell or its variation, and measurement, estimation or prediction of the temperature of the reformer or variation thereof Based on the reforming temperature control means for controlling the operating temperature of the reformer based on the above, and the reforming temperature correction means acting on the reforming temperature control means in relation to the control amount in the cell temperature control means. A solid oxide fuel cell power generation system.
前記燃料電池のセルの温度またはその変動の計測,推定または予測に基づいて前記空気予熱器の出口空気(主空気)に添加する冷却用空気の流量を調整するセル温度制御手段と、前記改質器の温度またはその変動の計測,推定または予測に基づいて前記改質器の入口排ガスに添加する冷却用空気の流量を調整する改質温度制御手段と、前記セル温度制御手段における調整量に関連して前記改質温度制御手段に作用する改質温度補正手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。 A fuel cell that is an assembly of cells, a reformer that uses thermal energy of exhaust gas from the fuel cell, and preheat main air that is supplied to the fuel cell using thermal energy of exhaust gas from the fuel cell A fuel cell power generation system, and a control device that adjusts a flow rate of fuel supplied to the reformer and a flow rate of main air supplied to the air preheater. Target output setting means for generating an output command value, fuel flow rate command means for determining a fuel flow rate to be supplied to the reformer based on the target output command value, and the air preheater based on the target output command value In a solid oxide fuel cell power generation system having air flow rate command means for determining a main air flow rate to be supplied to
Cell temperature control means for adjusting the flow rate of cooling air to be added to the outlet air (main air) of the air preheater based on measurement, estimation or prediction of the temperature of the fuel cell or its variation, and the reforming Reforming temperature control means for adjusting the flow rate of cooling air added to the exhaust gas at the inlet of the reformer based on measurement, estimation or prediction of the reactor temperature or its variation, and the adjustment amount in the cell temperature control means A solid oxide fuel cell power generation system comprising a reforming temperature correcting means acting on the reforming temperature control means.
前記燃料電池のセルの温度またはその変動の計測,推定または予測するセル温度判定手段と、前記セル温度の判定に基づいて前記空気予熱器の出口空気(主空気)に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整手段と、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する空気流量を制御する主空気流量制御手段と、前記改質器の出口燃料温度を測定する燃料温度測定手段と、前記燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御手段と、前記セル温度判定手段での判定に基づいて、セル温度が高いときは前記改質温度制御手段における改質温度目標を下げ、前記セル温度が低いときは改質温度目標を上げるように補正する改質温度補正手段とを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。 A fuel cell that is an assembly of cells, an air preheater that preheats main air supplied to the fuel cell using thermal energy of exhaust gas from the fuel cell, and the air preheater from the fuel cell In a solid oxide fuel cell power generation system equipped with a reformer that uses the thermal energy of the exhaust gas later,
Cell temperature determination means for measuring, estimating or predicting the temperature of the fuel cell or its variation, and the flow rate of cooling air added to the outlet air (main air) of the air preheater based on the determination of the cell temperature Cooling air flow rate adjusting means for adjusting the flow rate, main air flow rate control means for subtracting the flow rate of the cooling air from the air flow rate command to control the air flow rate supplied to the air preheater, and outlet fuel temperature of the reformer The cell temperature is high based on the determination at the fuel temperature measuring means for measuring the fuel temperature, the reforming temperature control means for controlling the operating temperature of the reformer based on the measurement of the fuel temperature, and the determination at the cell temperature determining means And a reforming temperature correcting means for correcting to lower the reforming temperature target in the reforming temperature control means and to increase the reforming temperature target when the cell temperature is low. Fuel cell power generation system.
前記燃料電池のセルの温度またはその変動を計測,推定または予測するセル温度判定ステップと、前記セル温度の判定に基づいて前記主空気の供給温度を調整するセル温度制御ステップと、前記改質器の出口燃料温度を測定する燃料温度測定ステップと、前記改質器出口燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御ステップと、前記セル温度制御ステップにおける制御量に関連して前記改質温度制御ステップによる制御量を補正する改質温度補正ステップとを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法。 A fuel cell that is an assembly of cells, a reformer that uses thermal energy of exhaust gas from the fuel cell, and preheat main air that is supplied to the fuel cell using thermal energy of exhaust gas from the fuel cell In an operation control method of a solid oxide fuel cell power generation system equipped with an air preheater,
A cell temperature determining step for measuring, estimating or predicting a cell temperature of the fuel cell or its variation; a cell temperature control step for adjusting a supply temperature of the main air based on the determination of the cell temperature; and the reformer A fuel temperature measuring step for measuring the outlet fuel temperature of the fuel cell, a reforming temperature control step for controlling the operating temperature of the reformer based on the measurement of the reformer outlet fuel temperature, and a control amount in the cell temperature control step And a reforming temperature correction step for correcting a control amount by the reforming temperature control step. A method for controlling the operation of a solid oxide fuel cell power generation system, comprising:
前記燃料電池のセルの温度またはその変動を計測,推定または予測するセル温度判定ステップと、前記セル温度の判定に基づいて前記空気予熱器の出口空気(主空気)に添加する冷却用空気の流量を調整する冷却空気流量調整ステップと、空気流量指令から前記冷却用空気の流量を差し引いて前記空気予熱器に供給する主空気流量制御ステップと、前記改質器の出口燃料温度を測定する燃料温度測定ステップと、前記燃料温度の測定に基づいて前記改質器の作動温度を制御する改質温度制御ステップと、前記セル温度判定ステップでの判定に基づいて、セル温度が高いときは前記改質温度制御ステップにおける改質温度目標を下げ、セル温度が低いときは改質温度目標を上げるように補正する改質温度補正ステップとを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法。 A fuel cell that is an assembly of cells, an air preheater that preheats main air supplied to the fuel cell using thermal energy of exhaust gas from the fuel cell, and the air preheater from the fuel cell In the operation control method of the solid oxide fuel cell power generation system equipped with a reformer that uses the thermal energy of the exhaust gas later,
A cell temperature determination step for measuring, estimating or predicting the temperature of the fuel cell or its variation, and a flow rate of cooling air added to the outlet air (main air) of the air preheater based on the determination of the cell temperature A cooling air flow rate adjustment step for adjusting the flow rate, a main air flow rate control step for subtracting the flow rate of the cooling air from the air flow rate command and supplying it to the air preheater, and a fuel temperature for measuring the outlet fuel temperature of the reformer A reforming temperature control step for controlling an operating temperature of the reformer based on the measurement of the fuel temperature, and a reforming when the cell temperature is high based on the determination in the cell temperature determining step. A reforming temperature correcting step for reducing the reforming temperature target in the temperature control step and correcting the reforming temperature target to be raised when the cell temperature is low. Operation control method of the solid oxide fuel cell power generation system.
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