JP2013077531A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料を水蒸気改質する改質器を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system including a reformer for steam reforming fuel.
燃料ガスを水蒸気と反応させて水素ガスを生成する水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池（固体電解質形燃料電池：ＳＯＦＣ）では、蒸発器で水が気化され、改質器へ供給されるように構成されている。この水蒸気改質に用いられる水の供給量は、毎分数ミリリットルといった僅かな量であるため、厳密な流量制御が求められる。特に水が不足状態になってしまうと、改質触媒表面に炭素が析出し改質器を劣化させるだけではなく、未改質のガスが大量にセルに供給され、燃料電池システムの性能を著しく低下させてしまうという問題があった。 In a fuel cell (solid oxide fuel cell: SOFC) equipped with a reformer that performs steam reforming, which generates hydrogen gas by reacting fuel gas with steam, water is vaporized by the evaporator and supplied to the reformer. It is configured to be. Since the amount of water used for this steam reforming is a small amount such as several milliliters per minute, strict flow rate control is required. In particular, when water becomes insufficient, not only carbon is deposited on the surface of the reforming catalyst and the reformer is deteriorated, but a large amount of unreformed gas is supplied to the cell, which significantly improves the performance of the fuel cell system. There was a problem of lowering.
この問題に対し、特開２００８−１３５２７０号公報（特許文献１）では、燃料電池システムの運転制御において、改質反応に用いる水が所定流量を下回ったときに、水の不足と判定し、改質器の故障を防止する制御を行うように構成されている。 In response to this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-135270 (Patent Document 1) determines that water is insufficient when the water used for the reforming reaction falls below a predetermined flow rate in the operation control of the fuel cell system. Control is performed to prevent a malfunction of the mass device.
しかし、特許文献１のような制御を行う場合には、改質する量に応じて必要な最低限の水の量に関わらず予め定められた一定の検知閾流量を下回ったときに水の不足を検知するため、改質する量が少なく水の量がそもそも少ない場合も、改質する量が多く、水が多く必要な場合も、同じ判定基準で判断をすることになる。例えば、一定の検知閾流量よりも多く流れるが、改質に必要な水よりも少ない範囲の流量しか流れることができない状態に陥ったときには、水不足を検知することなく、実際には必要な水量よりも少ない流量で運転を続けることになるので、水と反応することができなかった炭素が改質触媒表面に析出して改質器の改質性能が劣化し、改質しきれなかった未改質のガスが大量にセルに供給されることによってセル内部の酸化膨張による膜剥離が発生し、燃料電池システムの性能を著しく低下させてしまう虞があった。
However, in the case of performing control as in
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、水不足をより精度よく検知することによって、未改質のガスが大量にセルに供給されて燃料電池システムの性能を著しく低下させてしまうことを防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and by detecting water shortage more accurately, a large amount of unreformed gas is supplied to the cell, which significantly reduces the performance of the fuel cell system. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of preventing the occurrence of the failure.
上述した課題を解決するために、本発明は、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、供給された燃料により発電するモジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、上記燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、上記燃料と酸化剤ガスや水蒸気を化学反応させる改質反応によって水素を生成する改質器と、上記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、検知閾値に基づいて上記改質用の水の供給不足を検知する水不足判定手段とを有し、上記水不足判定手段の検知閾値は上記燃料の目標流量に基づいて算出された上記水の目標流量に対して所定量だけ少ない量に設定することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell that generates variable generated power according to demand power, a module that generates power using supplied fuel, and a fuel cell module. Hydrogen is supplied by a fuel supply means for supplying fuel, an oxidant gas supply means for power generation for supplying an oxidant gas for power generation to the fuel cell module, and a reforming reaction that chemically reacts the fuel with the oxidant gas and water vapor. A reformer to be generated, a water supply means for supplying the reforming water to the reformer, and a water shortage determining means for detecting a shortage of supply of the reforming water based on a detection threshold, The detection threshold of the water shortage determining means is characterized in that it is set to an amount smaller by a predetermined amount than the target flow rate of water calculated based on the target flow rate of the fuel.
このように構成された本発明においては、水不足をより精度よく検知することによって、未改質のガスが大量にセルに供給されて燃料電池システムの性能を著しく低下させてしまうことを防止することが可能となる。
In the present invention configured as described above, it is possible to prevent the performance of the fuel cell system from being significantly deteriorated by supplying a large amount of unreformed gas to the cell by detecting water shortage more accurately. Is possible.
本発明において、好ましくは、さらに上記燃料電池モジュール内の温度を検知する温度検出手段を備え、上記所定量は上記燃料電池モジュールの温度に応じて調整される可変値であることを特徴とする。 In the present invention, it is preferable that temperature detecting means for detecting the temperature in the fuel cell module is further provided, and the predetermined amount is a variable value adjusted according to the temperature of the fuel cell module.
閾値算出の際に考慮する所定量を上記燃料電池モジュールの温度に応じて調整される可変値としたので、より厳密に水の流量を管理でき、燃料電池システムの性能低下を防止することが可能となる。 Since the predetermined amount to be considered when calculating the threshold value is a variable value that is adjusted according to the temperature of the fuel cell module, it is possible to manage the flow rate of water more strictly and prevent the performance of the fuel cell system from being degraded. It becomes.
本発明において、好ましくは、さらに上記所定量は、上記燃料電池モジュールの温度が高いほど大きくなり、低いほど小さくなることを特徴としている。 In the present invention, it is preferable that the predetermined amount further increases as the temperature of the fuel cell module increases and decreases as the temperature decreases.
所定量は、上記燃料電池モジュールの温度が高いほど大きくなり、低いほど小さくなることを特徴としているため、改質器温度が低い側においては水不足判定閾値を改質率低下分だけ厳しく設定することが出来、燃料電池モジュールの性能低下を抑制することができる。また、温度が高い側においては、閾値を改質率上昇分だけ閾値管理を緩和することによって不要な水不足判定を防止することができる。 The predetermined amount is characterized by increasing as the temperature of the fuel cell module increases and decreases as the temperature decreases. Therefore, the threshold for determining the water shortage should be set strictly for the reduction in the reforming rate on the low reformer temperature side. It is possible to suppress the performance degradation of the fuel cell module. On the higher temperature side, unnecessary water shortage determination can be prevented by relaxing the threshold management by the amount corresponding to the reforming rate increase.
本発明によれば、水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池システムにおいて、水不足をより精度よく検知することによって、未改質のガスが大量にセルに供給されて燃料電池システムの性能を著しく低下させてしまうことを防止できる。 According to the present invention, in a fuel cell system equipped with a reformer that performs steam reforming, the performance of the fuel cell system is improved by detecting a shortage of water more accurately so that a large amount of unreformed gas is supplied to the cell. Can be prevented from being significantly reduced.
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
A
Further, a
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
Next, the auxiliary unit 4 stores a
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
Next, a hot
The
Furthermore, the
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
Next, the internal structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. .
As shown in FIGS. 2 and 3, in the sealed
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
The
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
A fuel
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
A
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
Next, an
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the
An
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
Next, an
As shown in FIG. 2, an
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
Next, the
As shown in FIG. 4, the
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
Since the
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。 The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。 The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
Next, the
As shown in FIG. 5, the
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
Furthermore, a current collector 102 and an
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
Further, the
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the
First, the combustible
The
The hot water storage
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power
The power generation air flow
The reforming
The
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water
The
The
The
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation
The combustion
The exhaust gas
The
The outside
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the
次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a time chart showing the operation at the start-up of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
Next, the
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （１）
C m H n + xO 2 →
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
When the
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
When the
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２＋ｙＨ２Ｏ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （２）
ＣｍＨｎ＋ｘＨ２Ｏ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （３）
C m H n + xO 2 + yH 2
C m H n + xH 2 O →
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
In this way, after the
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the fuel cell 84 are supplied, and combustion in the
次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
Next, the operation when the operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
As shown in FIG. 8, when the operation of the
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
Further, when the operation of the
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
As described above, in the present embodiment, when the operation of the
次に、図９乃至図２３を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図９は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。図１０は、固体酸化物型燃料電池１における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
Next, control of the solid
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the output current and the fuel supply amount in the solid
まず、図９の実線に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１は、需要電力に応じて、出力を定格出力電力である７００Ｗ（出力電流７Ａ）以下で可変できるように構成されている。所要の電力を出力するために必要とされる燃料供給量（Ｌ／ｍｉｎ）は、図９に実線で示すように設定されている。なお、図９に示す燃料供給量は、後述する、断熱材７に蓄積された熱量の利用を行わない場合のものである。制御手段である制御部１１０は、需要電力検出手段である電力状態検出センサ１２６によって検出された需要電力と、推定された蓄熱量に応じて燃料供給量を決定し、これに基づいて燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御するように構成されている。
First, as shown by the solid line in FIG. 9, the solid
発電に必要な燃料の量は出力電力（出力電流）に比例するが、図９に実線で示すように、設定されている燃料供給量は、出力電流に比例していない。これは、出力電力に比例して燃料供給量を低下させてしまうと、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルユニット１６を発電可能な温度に維持することができなくなるためである。このため、図９に示す例では、出力電流７Ａ付近の大発電電力時には燃料利用率約７０％に設定され、出力電流２Ａ程度の小発電電力時には燃料利用率約５０％に設定されている。このように、小発電電力領域における燃料利用率を低下させ、発電に利用されずに残った燃料を燃焼させて改質器２０等の加熱に使用することにより、燃料電池セルユニット１６の温度低下を抑制し、燃料電池モジュール２内を発電可能な温度に維持している。
The amount of fuel required for power generation is proportional to the output power (output current), but as shown by the solid line in FIG. 9, the set fuel supply amount is not proportional to the output current. This is because if the fuel supply amount is reduced in proportion to the output power, the
しかしながら、燃料利用率を低下させることにより、発電に寄与しない燃料を増加させることになるので、小発電電力領域における固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率が低下する。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、制御部１１０に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ａ（図６）により蓄熱量を推定し、推定された蓄熱量が大きい場合には、燃料利用率を高くした残存熱量利用制御を実行する。残存熱量利用制御により、図９に実線で示す燃料供給量が変更・補正され、図９の破線に一例を示すように減少される。これにより、小発電電力領域における燃料利用率が上昇され、固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率が向上される。
However, since the fuel that does not contribute to power generation is increased by reducing the fuel utilization rate, the energy efficiency of the solid
図１０は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１において、残存熱量の利用を行わずに燃料を供給した場合における出力電流と、供給された燃料の熱量との関係を模式的に示すグラフである。図１０に一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール２を熱的に自立させ、安定に運転するために必要な熱量は、出力電流の増加と共に単調に増加する。図１０に実線で示すグラフは、残存熱量の利用を行わずに燃料が供給された場合における熱量を示している。本実施形態では、中発電電力に相当する出力電流５Ａよりも低い領域では、一点鎖線で示す必要な熱量と、実線で示す基本的な燃料供給量の熱量がほぼ一致している。
FIG. 10 is a graph schematically showing the relationship between the output current when the fuel is supplied without using the remaining heat amount and the heat amount of the supplied fuel in the solid
さらに、出力電流５Ａよりも高い領域では、実線で示す基本的な燃料供給量の熱量は、熱自立するために最低限必要な一点鎖線で示す熱量を上回っている。この実線と破線の間の余剰熱量は、燃料電池モジュール２に設けられた蓄熱材である断熱材７に蓄積される。また、固体酸化物型燃料電池１からの出力電流と、この電流を定常的に出力している場合における燃料電池モジュール２内の燃料電池セルユニット１６の温度とは相関があり、出力電流を大きくするためには燃料電池セルユニット１６の温度を高くする必要があることから、出力電流が大きい状態では燃料電池セルユニット１６の温度は高い状態にある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１では、出力電流５Ａ以上の場合において、より多くの熱量が断熱材７に蓄積される。
Further, in a region higher than the output current 5A, the heat amount of the basic fuel supply amount indicated by the solid line exceeds the heat amount indicated by the one-dot chain line that is at least necessary for heat self-sustainment. The surplus heat amount between the solid line and the broken line is accumulated in the
本実施形態においては、後述するように、断熱材７に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、燃料供給量を減少させるように補正して、燃料利用率を向上させる。一方、燃料供給量を減少させたことにより不足する熱量は、燃料電池モジュール２の断熱材７に蓄積された熱量を利用して補充している。なお、本実施形態においては、断熱材７の熱容量が非常に大きいため、燃料電池モジュール２が大発電電力で所定時間運転された後、発電電力が小さい領域で運転される場合には、断熱材７に蓄積された熱量を２時間以上に亘って利用することができ、この間の燃料供給量を減じる補正を行うことにより燃料利用率が向上される。
In the present embodiment, as will be described later, when the amount of heat that can be used in the
次に、図１１及び図１２を参照して、負荷追従に伴う断熱材７への熱量の蓄積を説明する。
図１１は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュール２から実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。図１２は、発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュール２から実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。
Next, with reference to FIG.11 and FIG.12, accumulation | storage of the calorie | heat amount to the
FIG. 11 is a graph schematically showing the relationship between the change in demand power, the fuel supply amount, and the current actually taken out from the
図１１に示すように、燃料電池モジュール２は、図１１の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御部１１０は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図１１の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは最大定格電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。
As shown in FIG. 11, the
制御部１１０は、図１１の３段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御して、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図１１のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、後述するように、実際には本実施形態においても燃料利用率は一定ではない。
As shown in the third graph of FIG. 11, the
さらに、図１１の最下段のグラフに示すように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給される。ここで、図１１に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図１１の時刻ｔ１０においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ１２においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。このように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせることにより、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０等を通って燃料電池セルスタック１４に到達するまでの時間遅れや、燃料が電池セルスタック１４に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。
Further, as shown in the lowermost graph of FIG. 11, the
図１２は、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量の変化と、取出可能電流Ｉｉｎｖの関係をより詳細に示したものである。なお、図１２に示されている発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量のグラフは、何れも、各供給量に対応する電流値に換算されている。即ち、供給された発電用空気、水、及び燃料が余ることなく全て発電に使用される供給量に設定されているとすれば、各供給量のグラフが取出可能電流Ｉｉｎｖのグラフと重なるように換算されている。従って、各供給量のグラフの、取出可能電流Ｉｉｎｖに対するずれ量は、各供給量の余剰分に対応する。発電に使用されずに残った残余燃料は、燃料電池セルスタック１４上方の燃焼部である燃焼室１８において燃焼され、燃料電池モジュール２内の加熱に利用される。
FIG. 12 shows in more detail the relationship between the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount, and the extractable current Iinv. Note that the graphs of the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount shown in FIG. 12 are all converted into current values corresponding to the respective supply amounts. That is, if the supplied power generation air, water, and fuel are all set to supply amounts that are used for power generation, the graphs of the respective supply amounts overlap the graph of the extractable current Iinv. It has been converted. Therefore, the amount of deviation of each supply amount graph with respect to the extractable current Iinv corresponds to the surplus of each supply amount. The remaining fuel that is not used for power generation is burned in the
図１２に示すように、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量は、常に、取出可能電流Ｉｉｎｖを上回っており、各供給量によって生成可能な電流を上回る電流が燃料電池モジュール２から取り出され、燃料枯れ、空気枯れ等によって燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを防止している。また、取出可能電流Ｉｉｎｖを上回って供給されている燃料供給量に対し、水供給量は、供給された燃料の全てを水蒸気改質可能な供給量に設定されている。即ち、供給された燃料の全てが水蒸気改質されるように、水供給量は、水蒸気改質に必要な水蒸気の量と、燃料中に含まれる炭素の量との比であるＳ／Ｃを考慮して設定されている。これにより、改質器内における炭素析出を防止している。また、需要電力の増加に伴って取出可能電流Ｉｉｎｖも増加傾向にある、図１２の領域Ａ、領域Ｃにおいては、取出可能電流Ｉｉｎｖが横這いである領域Ｂよりも、燃料供給量等の余裕量が大きく（燃料利用率が低く）設定されている。また、発電電力を増加させる場合には、制御部１１０に内蔵された電力取出遅延手段（図示せず）により、燃料電池モジュール２に供給する燃料供給量を増加させた後、遅れて、燃料電池モジュール２から出力させる発電電力が増加される。即ち、需要電力の変化に応じて燃料供給量が変化された後、遅れて、燃料電池モジュール２から実際に出力させる電力が変化される。さらに、需要電力の低下に応じて取出可能電流Ｉｉｎｖを急激に低下させた場合（領域Ｃ、領域Ｄの初期）には、各供給量は、取出可能電流Ｉｉｎｖの低下よりも所定時間遅れて低下される。従って、取出可能電流Ｉｉｎｖが急激に低下した後の所定時間の間には、非常に多くの残余燃料が発生する。このような取出可能電流Ｉｉｎｖの急激な低下は、需要電力が急激に低下した場合において、電流の逆潮流を防止するために行われる。このように、発電電力を増加させる際、及び発電電力を低下させる際には、発電電力が一定である場合よりも多くの残余燃料が発生し、この残余燃料が燃料電池モジュール２の加熱に使用されることになる。このため、燃料電池モジュール２を高発電電力で長時間運転した場合ばかりでなく、発電電力を頻繁に増減させた場合にも燃料電池モジュール２は強く加熱され、断熱材７に多くの熱量が蓄積される。
As shown in FIG. 12, the air supply amount for power generation, the water supply amount, and the fuel supply amount always exceed the extractable current Iinv, and the current exceeding the current that can be generated by each supply amount is greater than the
本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、高発電電力で長時間運転した後、発電電力が少なくなった場合に蓄熱を利用するばかりでなく、発電電力の増減等によって蓄積されつつある熱量が、状況に応じて逐次利用される。 In the solid oxide fuel cell of this embodiment, after operating for a long time with high generated power, not only the heat storage is used when the generated power decreases, but also the amount of heat that is being accumulated due to the increase or decrease of the generated power, etc. Are used sequentially depending on the situation.
次に、図１３乃至２０を参照して、検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
図１３は、検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図１４は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック１４の温度を示すグラフである。図１５は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図１６は、各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。図１７は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図１８は、各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。図１９は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。図２０は、発電電流に対する適正な燃料電池モジュール２の発電電圧を示すグラフである。
Next, a procedure for determining the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td will be described with reference to FIGS.
FIG. 13 is a flowchart showing a procedure for determining the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td. FIG. 14 is a graph showing the proper temperature of the
図１４に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２によって生成すべき電流に対して、適正な燃料電池セルスタック１４の温度Ｔｓ（Ｉ）が規定されている。制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の温度が、適正な温度Ｔｓ（Ｉ）に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部１１０は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が高い場合（燃料電池セルスタック１４の温度が図１４の一点鎖線よりも上にある場合）には、燃料利用率を高め、断熱材７等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Ｔｄのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Ｔｄ等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ａにより計算される。
As indicated by a one-dot chain line in FIG. 14, in the present embodiment, an appropriate temperature Ts (I) of the
図１３に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって検出された検出温度Ｔｄ等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。
The flowchart shown in FIG. 13 determines the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td and the like detected by the power generation
まず、図１３のステップＳ３１においては、検出温度Ｔｄ及び図１４に基づいて、第１加減算値Ｍ１が計算される。まず、検出温度Ｔｄが、燃料電池セルスタック１４の適正温度Ｔｓ（Ｉ）に対して、所定の温度範囲内（図１４の２本の実線の間）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は０にされる。
即ち、検出温度Ｔｄが、
Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ≦Ｔｄ≦Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ
の範囲内にある場合には、第１加減算値Ｍ１＝０にされる。ここで、Ｔｅは第１加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第１加減算値閾値温度Ｔｅは３℃である。
First, in step S31 of FIG. 13, the first addition / subtraction value M1 is calculated based on the detected temperature Td and FIG. First, when the detected temperature Td is within a predetermined temperature range (between the two solid lines in FIG. 14) with respect to the appropriate temperature Ts (I) of the
That is, the detected temperature Td is
Ts (I) −Te ≦ Td ≦ Ts (I) + Te
Is within the range, the first addition / subtraction value M1 = 0. Here, Te is the first addition / subtraction value threshold temperature. In the present embodiment, the first addition / subtraction value threshold temperature Te is 3 ° C.
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、
Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ （４）
の範囲内（図１４における下側の実線よりも下）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）） （５）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、負の値（減算値）となる。なお、Ｋｉは、所定の比例定数である。
Further, the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I),
Td <Ts (I) −Te (4)
Is within the range (below the lower solid line in FIG. 14), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) −Te)) (5)
Calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a negative value (subtraction value). Ki is a predetermined proportionality constant.
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、
Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ （６）
の範囲内（図１４における上側の実線よりも上）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）） （７）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、正の値（加算値）となる。このように、第１加減算値Ｍ１は、検出温度Ｔｄの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ｔｓ（Ｉ）は、発電電流（電力）に応じて異なるように設定され、この適正温度Ｔｓ（Ｉ）に基づいて決定される（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）の値、及び（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）の値に基づいて、第１加減算値Ｍ１が正又は負の値に決定される。
Further, the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I),
Td> Ts (I) + Te (6)
Is within the range (above the upper solid line in FIG. 14), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) + Te)) (7)
Calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a positive value (addition value). As described above, the first addition / subtraction value M1 is determined based on the generated current in addition to the detected temperature Td, and the heat storage amount is estimated by integrating the value. That is, the appropriate temperature Ts (I) is set to be different depending on the generated current (electric power), and the value of (Ts (I) + Te) determined based on the appropriate temperature Ts (I) and (Ts Based on the value of (I) −Te), the first addition / subtraction value M1 is determined as a positive or negative value.
なお、検出温度Ｔｄが（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えると、第１加減算値Ｍ１は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第１加減算値Ｍ１等の積算値Ｎ１ｉｄが０まで低下した時点となる。このため、検出温度Ｔｄが燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）よりも低下した後も、暫時、積算値Ｎ１ｉｄは０よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。 If the detected temperature Td exceeds (Ts (I) + Te), the first addition / subtraction value M1 becomes a positive value, and the fuel supply amount is changed to increase the fuel utilization rate as will be described later. In the document, the temperature (Ts (I) + Te) for each generated power is referred to as the fuel utilization rate change temperature. Moreover, after the fuel utilization rate change temperature (Ts (I) + Te) is exceeded, after shifting to the high efficiency control in which the fuel utilization rate is increased, the target temperature range in which the amount of heat accumulated from the high efficiency control is not consumed. As will be described later, the timing for returning to control is when the integrated value N1id such as the first addition / subtraction value M1 has decreased to zero. For this reason, even after the detected temperature Td falls below the fuel utilization rate changing temperature (Ts (I) + Te), the integrated value N1id is maintained at a value larger than 0 for a while, and high efficiency control is performed.
次に、図１３のステップＳ３２においては、最新の検出温度Ｔｄ、及び１分前に検出された検出温度Ｔｄｂに基づいて、第２加減算値Ｍ２が計算される。まず、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は０にされる。なお、本実施形態においては、第２加減算値閾値温度は１℃である。 Next, in step S32 of FIG. 13, the second addition / subtraction value M2 is calculated based on the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb detected one minute ago. First, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is set to zero. In the present embodiment, the second addition / subtraction value threshold temperature is 1 ° C.
また、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差である変化温度差が所定の第２加減算値閾値温度以上の場合には、第２加減算値Ｍ２は、
Ｍ２＝Ｋｄ×（Ｔｄ−Ｔｄｂ） （８）
によって計算される。この第２加減算値Ｍ２は、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合には正の値（加算値）となり、検出温度Ｔｄが低下傾向にある場合には負の値（減算値）となる。なお、Ｋｄは、所定の比例定数である。従って、検出温度Ｔｄが上昇している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第２加減算値Ｍ２が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第２加減算値Ｍ２は大きく減少される。
When the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is equal to or higher than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is:
M2 = Kd × (Td−Tdb) (8)
Calculated by The second addition / subtraction value M2 becomes a positive value (addition value) when the detected temperature Td tends to increase, and becomes a negative value (subtraction value) when the detected temperature Td tends to decrease. Kd is a predetermined proportional constant. Therefore, when the detected temperature Td is increasing, the second addition / subtraction value M2, which is the quick response estimated value, is greatly increased in the region where the change temperature difference (Td−Tdb) is large compared to the region where the change temperature difference is small. Is done. On the other hand, when the detected temperature is low, the second addition / subtraction value M2 is greatly reduced in the region where the absolute value of the change temperature difference (Td−Tdb) is large than in the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Is done.
なお、本実施形態においては、比例定数Ｋｄは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Ｋｄを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Ｋｄの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Ｋｄの変更を組み合わせることもできる。 In the present embodiment, the proportionality constant Kd is a constant value, but as a modification, different proportionality constants Kd can be used depending on whether the change temperature difference is positive or negative. For example, the proportionality constant Kd can be set large when the change temperature difference is negative. As a result, when the detected temperature is lowered, the estimated quick response value is changed more rapidly with respect to the change temperature difference than when the detected temperature is increased. Alternatively, as a modification, the proportionality constant Kd can be set larger in the region where the absolute value of the change temperature difference is large than in the small region. As a result, in the region where the absolute value of the change temperature difference is large, the estimated quick response value is changed more rapidly than the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Further, the change of the proportional constant Kd based on the sign of the change temperature difference and the change of the proportional constant Kd based on the magnitude of the absolute value of the change temperature difference can be combined.
次いで、図１３のステップＳ３３においては、ステップＳ３１で計算された第１加減算値Ｍ１、及びステップＳ３２で計算された第２加減算値Ｍ２を、第１積算値Ｎ１ｉｄに積算する。第１積算値Ｎ１ｉｄには、第１加減算値Ｍ１により、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第２加減算値Ｍ２により、直近の検出温度Ｔｄの変化が反映される。即ち、第１積算値Ｎ１ｉｄは、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図１３のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに、第１加減算値Ｍ１及び第２加減算値Ｍ２が加算又は減算され、新たな第１積算値Ｎ１ｉｄに更新される。第１積算値Ｎ１ｉｄは、０〜４の間の値をとるように制限されており、第１積算値Ｎ１ｉｄが４に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで４に保持され、第１積算値Ｎ１ｉｄが０まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで０に保持される。
Next, in step S33 of FIG. 13, the first addition / subtraction value M1 calculated in step S31 and the second addition / subtraction value M2 calculated in step S32 are integrated into the first integration value N1id. In the first integrated value N1id, the available heat storage amount accumulated in the
なお、ステップＳ３３においては、第１積算値Ｎ１ｉｄに加え、第２積算値Ｎ２ｉｄの値も計算する。第２積算値Ｎ２ｉｄは、燃料電池モジュール２に電圧降下が発生していない場合には、第１積算値Ｎ１ｉｄと全く同様に計算され、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値を取る。また、燃料電池モジュール２に電圧降下が発生した場合には、第１積算値Ｎ１ｉｄの積算が停止され、第１積算値Ｎ１ｉｄと第２積算値Ｎ２ｉｄは異なる値を取るようになる。第１、第２積算値については後述する。
In step S33, in addition to the first integrated value N1id, the value of the second integrated value N2id is also calculated. The second integrated value N2id is calculated in the same manner as the first integrated value N1id when no voltage drop occurs in the
なお、上記のように、本実施形態においては、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の和を第１積算値Ｎ１ｉｄに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｍ１＋Ｍ２ （９）
により、第１積算値Ｎ１ｉｄを計算している。ここで、変形例として、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第１積算値Ｎ１ｉｄは、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｋｍ×Ｍ１×Ｍ２ （１０）
により計算される。ここで、Ｋｍは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は１にされる。
As described above, in the present embodiment, the integrated value is calculated by integrating the sum of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2 to the first integration value N1id. That is,
N1id = N1id + M1 + M2 (9)
Thus, the first integrated value N1id is calculated. Here, as a modification, the integrated value may be calculated by integrating the product of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2. That is, in this modification, the first integrated value N1id is
N1id = N1id + Km × M1 × M2 (10)
Is calculated by Here, Km is a variable coefficient that is changed according to a predetermined condition. In this modified example, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is 1. Is done.
さらに、図１３のステップＳ３４においては、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、図１５及び図１６のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図１５は、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに対する燃料利用率Ｕｆの設定値を示すグラフである。図１５に示すように、第１積算値Ｎ１ｉｄが０である場合には、燃料利用率Ｕｆは最小値である最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎに設定される。また、第１積算値Ｎ１ｉｄの増加と共に燃料利用率Ｕｆも増加し、第１積算値Ｎ１ｉｄ＝１において最大値である最大燃料利用率Ｕｆｍａｘとなる。この間、燃料利用率Ｕｆは、第１積算値Ｎ１ｉｄが小さい領域では傾きが小さく、第１積算値Ｎ１ｉｄが１に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ｕｆが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ｕｆを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第１積算値Ｎ１ｉｄが１よりも大きい場合には、燃料利用率Ｕｆは最大燃料利用率Ｕｆｍａｘに固定される。これらの最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体的な値は、発電電流に基づいて、図１６に示すグラフにより決定される。このように、断熱材７等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。
Furthermore, in step S34 of FIG. 13, the fuel utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 15 and 16 based on the calculated first integrated value N1id.
FIG. 15 is a graph showing a set value of the fuel utilization rate Uf with respect to the calculated first integrated value N1id. As shown in FIG. 15, when the first integrated value N1id is 0, the fuel utilization rate Uf is set to the minimum fuel utilization rate Ufmin, which is the minimum value. Further, as the first integrated value N1id increases, the fuel utilization rate Uf also increases, and becomes the maximum fuel utilization rate Ufmax that is the maximum value at the first integrated value N1id = 1. During this time, the fuel utilization rate Uf has a small slope in the region where the first integrated value N1id is small, and the slope increases as the first integrated value N1id approaches 1. That is, in the region where the estimated heat storage amount is large, the fuel utilization rate Uf is significantly changed with respect to the change in the estimated heat storage amount, compared to the region where the estimated heat storage amount is small. In other words, the fuel supply amount is decreased so that the fuel utilization rate Uf is significantly increased as the estimated heat storage amount is larger. Further, when the first integrated value N1id is larger than 1, the fuel usage rate Uf is fixed to the maximum fuel usage rate Ufmax. Specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined by the graph shown in FIG. 16 based on the generated current. Thus, when it is estimated that the amount of heat that can be used is accumulated in the
図１６は、各発電電流に対し、燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕｆの最大値及び最小値が示されている。図１６に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの直線は、図９における実線に対応するものであり、この直線上の燃料利用率に設定された場合には、断熱材７等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール２は熱的に自立することができる。
FIG. 16 is a graph showing a range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Uf for each generated current. As shown in FIG. 16, the minimum fuel utilization rate Ufmin for each generated current is set so as to increase as the generated current increases. That is, the fuel utilization rate is set high when the generated power is large, and the fuel utilization rate is set low when the generated power is small. The straight line of the minimum fuel utilization rate Ufmin corresponds to the solid line in FIG. 9, and when set to the fuel utilization rate on this straight line, the amount of heat accumulated in the
一方、最大燃料利用率Ｕｆｍａｘは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲（最大燃料利用率Ｕｆｍａｘと最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの差）は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ｕｆを高める（燃料供給量を減じる）余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ｕｆを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。 On the other hand, the maximum fuel utilization rate Ufmax is set so as to change in a polygonal line with respect to each generated current. Here, the range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current (the difference between the maximum fuel utilization rate Ufmax and the minimum fuel utilization rate Ufmin) is the narrowest at the maximum generated current, and as the generated current decreases. Become wider. This is because, in the vicinity of the maximum generated current, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is high, and there is little room for increasing the fuel utilization rate Uf (reducing the fuel supply amount) even when using heat storage. Furthermore, since the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally self-sustained decreases as the generated current decreases, there is room for reducing the amount of fuel supplied by using heat storage, and when there is a large amount of heat storage, fuel use The rate Uf can be significantly increased. For this reason, in the region where the generated power is small, the fuel utilization rate is changed in a wider range than in the region where the generated power is large.
また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール２内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ｕｆを改善し、断熱材７等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール２内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール２の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。
Further, in a region where the generated current is very small and is less than or equal to the predetermined utilization rate suppressed power generation amount IU, the range of possible values of the fuel utilization rate Uf is set to be narrower as the generated power is reduced. This is because in the region where the generated current is small, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is low, and there is much room for improvement. However, in the region where the generated current is small, the temperature in the
本実施形態においては、制御部１１０に内蔵された燃料供給量変更手段（図示せず）により、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎに対して燃料利用率Ｕｆが高くなるように燃料供給量が減少される。この燃料供給量変更手段（図示せず）は、ベースとなる燃料供給量を変更して燃料利用率を高めるように作用する。
In the present embodiment, the fuel supply amount is reduced by the fuel supply amount changing means (not shown) built in the
図１３のステップＳ３４においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体値を、図１６のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘを図１５のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、燃料利用率Ｕｆを決定する。 In step S34 of FIG. 13, specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined based on the generated current, using the graph of FIG. Next, the determined minimum fuel utilization rate Ufmin and maximum fuel utilization rate Ufmax are applied to the graph of FIG. 15, and the fuel utilization rate Uf is determined based on the first integrated value N1id calculated in step S33.
次に、図１３のステップＳ３５においては、第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、図１７及び図１８のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図１７は、計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに対する空気利用率Ｕａの設定値を示すグラフである。図１７に示すように、第２積算値Ｎ２ｉｄが０乃至１である場合には、空気利用率Ｕａは最大値である最大空気利用率Ｕａｍａｘに設定される。さらに、第２積算値Ｎ２ｉｄが１を超えて増加すると共に空気利用率Ｕａは低下し、第２積算値Ｎ２ｉｄ＝４において最小値である最小空気利用率Ｕａｍｉｎとなる。このように、空気利用率Ｕａを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図１７に示す空気利用率Ｕａの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体的な値は、発電電流に基づいて、図１８に示すグラフにより決定される。
Next, in step S35 of FIG. 13, the air utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 17 and 18 based on the second integrated value N2id.
FIG. 17 is a graph showing a set value of the air utilization rate Ua with respect to the calculated second integrated value N2id. As shown in FIG. 17, when the second integrated value N2id is 0 to 1, the air utilization rate Ua is set to the maximum air utilization rate Uamax that is the maximum value. Further, as the second integrated value N2id increases beyond 1, the air utilization rate Ua decreases, and becomes the minimum air utilization rate Uamin that is the minimum value at the second integrated value N2id = 4. Thus, since the increased amount of air due to the reduction in the air utilization rate Ua acts as a cooling fluid, the setting of the air utilization rate Ua shown in FIG. 17 acts as a forced cooling means. Specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined by the graph shown in FIG. 18 based on the generated current.
図１８は、各発電電流に対し、空気利用率Ｕａがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕａの最大値及び最小値が示されている。図１８に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Ｕａｍａｘは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Ｕａｍｉｎは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Ｕａを、最大空気利用率Ｕａｍａｘよりも低下させる（空気供給量を増大させる）ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール２内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール２内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Ｕａを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Ｕａｍｉｎを低下（空気供給量を増加）させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Ｕａｍｉｎに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Ｕａｍｉｎが図１８において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図１７のグラフによって設定された空気利用率Ｕａを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Ｕａに関わらず、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Ｕａは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図１８に破線で示された部分の最小空気利用率Ｕａｍｉｎを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Ｕａを、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎと記載する。
FIG. 18 is a graph showing a range of values that the air utilization rate Ua can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Ua for each generated current. As shown in FIG. 18, the maximum air utilization rate Uamax for each generated current is set to be slightly increased with an increase in the generated current. On the other hand, the minimum air utilization rate Uamin decreases as the generated current increases. Reducing the air utilization rate Ua below the maximum air utilization rate Uamax (increasing the air supply amount) introduces more air into the
図１３のステップＳ３５においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体値を、図１８のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘを図１７のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、空気利用率Ｕａを決定する。 In step S35 of FIG. 13, based on the generated current, specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined using the graph of FIG. Next, the determined minimum air utilization rate Uamin and maximum air utilization rate Uamax are applied to the graph of FIG. 17, and the air utilization rate Ua is determined based on the second integrated value N2id calculated in step S33.
次に、図１３のステップＳ３６においては、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａに基づき、図１９を使用して水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃを決定する。
図１９は、横軸を空気利用率Ｕａ、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比Ｓ／Ｃとしたグラフである。
Next, in step S36 of FIG. 13, based on the air utilization rate Ua determined in step S35, S / C which is the ratio of the water vapor amount and the carbon amount is determined using FIG.
FIG. 19 is a graph in which the horizontal axis represents the air utilization rate Ua, and the vertical axis represents the ratio S / C between the amount of supplied water vapor and the amount of carbon contained in the fuel.
まず、ステップＳ３５において設定された空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域（図１９におけるＵａｍａｘ〜ＵＬａｍｉｎ間）では、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃの値は、２．５に固定される。なお、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝１とは、供給された燃料に含まれる炭素の全量が、供給された水（水蒸気）により化学的に過不足なく水蒸気改質される状態を意味する。従って、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５とは、燃料を水蒸気改質するために化学的に必要最小限の水蒸気量の２．５倍の水蒸気（水）が供給されている状態を意味する。実際には、Ｓ／Ｃ＝１となる水蒸気量では改質器２０内において炭素析出が発生してしまうため、Ｓ／Ｃ＝２．５程度となる水蒸気量が燃料を水蒸気改質するための適量である。
First, in the region of the power generation current (between Uamax and ULamin in FIG. 19) where the air utilization rate Ua set in step S35 is not defined by the maximum air supply amount of the power generation air flow
次に、ステップＳ３５において設定される空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図１９のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃが決定される。図１９において、横軸は空気利用率Ｕａであり、空気利用率Ｕａが大きく、最大空気利用率Ｕａｍａｘに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Ｕａを低下させ、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ（図１８における破線）に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Ｕａは限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎになる。図１９に示すように、空気利用率Ｕａが限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも大きい（空気供給量が少ない）場合には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５に設定される。さらに、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも小さい（空気供給量が多い）場合（図１９におけるＵａｍｉｎ〜ＵＬａｍｉｎ間）には、空気利用率Ｕａの減少と共に水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃは増大され、最小空気利用率Ｕａｍｉｎにおいて、Ｓ／Ｃ＝３．５に設定される。即ち、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎにより実現できない場合（空気利用率Ｕａが図１８の斜線の範囲内に決定された場合）には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器２０から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Ｕａを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水（水蒸気）は、冷却用の流体として作用するので、図１９に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。
Next, in the region of the generated current in which the air utilization rate Ua set in step S35 is limited by the maximum air supply amount of the power generation air flow
ステップＳ３７においては、ステップＳ３４、Ｓ３５、及びＳ３６において決定された燃料利用率Ｕｆ、空気利用率Ｕａ、及び水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ｕｆで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Ｕａで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップＳ３６において決定された水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃに基づいて、水供給量を計算する。 In step S37, specific fuel supply is performed based on the fuel utilization rate Uf, air utilization rate Ua, the ratio S / C of water vapor amount and carbon amount determined in steps S34, S35, and S36, and the generated current. Determine the volume, air supply, and water supply. That is, the actual fuel supply amount is calculated by dividing the fuel supply amount when the total amount is used for power generation by the determined fuel utilization rate Uf, and the total amount is used for power generation. The actual air supply amount is calculated by dividing the air supply amount by the determined air utilization rate Ua. Further, the water supply amount is calculated based on the calculated fuel supply amount and the ratio S / C of the water vapor amount and the carbon amount determined in step S36.
次いで、ステップＳ３８において、水流量不足の判定を行なうサブルーチン（図２１）を実行する。後述するように、図２１に示すサブルーチンでは、所定の条件に応じて水流量不足の閾値が決定される。制御部１１０は、水流量センサが検出した水流量に対しステップＳ３８において行なわれる水流量不足判定処理を実行し、図１３のフローチャートの１回の処理を終了する。
Next, in step S38, a subroutine (FIG. 21) for determining whether the water flow rate is insufficient is executed. As will be described later, in the subroutine shown in FIG. 21, a threshold for insufficient water flow is determined according to a predetermined condition. The
次に、図１３のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図１３のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、０．５秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その２倍の１秒、４倍の２秒、８倍の４秒毎に実行される。これにより、第１及び第２加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第１又は第２積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段１１０ａは、出力電流（発電電力）が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。 Next, the time interval for executing the flowchart of FIG. 13 will be described. In the present embodiment, when the output current is large, the flowchart of FIG. 13 is executed every 0.5 seconds. As the output current decreases, it is doubled for 1 second, 4 times for 2 seconds, and 8 times. It is executed every 4 seconds. Thus, when the first and second addition / subtraction values are constant values, the change in the first or second integrated value per time becomes gentler as the output current is smaller. That is, the heat storage amount estimation means 110a changes the estimated value of the heat storage amount rapidly with respect to time as the output current (generated power) increases. Thereby, the estimation of the heat storage amount by the integrated value well reflects the actual heat storage amount.
次に、図２０を参照して、燃料電池セルスタック１４の出力電圧が低下した場合における、燃料供給量、空気供給量、及び水供給量の決定手順を説明する。図２０は、燃料電池モジュール２による発電電流に対する発電電圧を示す図である。一般に、燃料電池セルスタック１４には、内部抵抗が存在するため、図２０に示すように、燃料電池モジュール２から出力される電流が増大すると、電圧は低下する。図２０に示す一点鎖線は、燃料電池モジュール２が適正に運転されている場合における発電電流と発電電圧の関係を示している。また、燃料電池モジュール２の運転状態によっては、一時的に、一点鎖線に示されている発電電流と発電電圧の関係よりも発電電圧が低下する。或いは、燃料電池モジュール２に劣化が生じている場合には、燃料電池セルスタック１４の内部抵抗が増大するため、同一の発電電流に対する発電電圧が恒常的に低下する。
Next, a procedure for determining the fuel supply amount, the air supply amount, and the water supply amount when the output voltage of the
本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、初期の発電電圧に対して、発電電圧が１０％以上低下し、発電電圧が図２０の実線よりも下の領域に入ると、この発電電圧の低下に対応した処理により燃料供給量、空気供給量、及び水供給量を決定している。 In the solid oxide fuel cell of the present embodiment, when the generated voltage decreases by 10% or more with respect to the initial generated voltage, and the generated voltage enters a region below the solid line in FIG. The fuel supply amount, the air supply amount, and the water supply amount are determined by processing corresponding to the decrease.
即ち、発電電圧が図２０の実線よりも下の領域にある場合には、図１３のステップＳ３３において、第１積算値Ｎ１ｉｄの積算を停止させ、第２積算値Ｎ２ｉｄの積算のみが継続される。これにより、燃料利用率Ｕｆを決定するための図１５のグラフを参照する際に使用される第１積算値Ｎ１ｉｄの値は、一定値に固定される。これにより、燃料利用率Ｕｆは、発電電圧が図２０の実線よりも下の領域から脱するまで固定される。このように、燃料電池モジュール２の発電電圧に大きな電圧降下が発生している場合には、燃料利用率Ｕｆを高める変更が少なくされる。一方、空気利用率Ｕａを決定するための図１７のグラフを参照する際に使用される第２積算値Ｎ２ｉｄの値は、従前の通り増減され、空気利用率Ｕａの増減は継続される。このように、燃料利用率Ｕｆは、推定蓄熱量に対応した第１、第２積算値、需要電力の他に、燃料電池モジュール２の出力電圧に基づいて変更される。
That is, when the generated voltage is in a region below the solid line in FIG. 20, in step S33 in FIG. 13, the integration of the first integrated value N1id is stopped and only the integration of the second integrated value N2id is continued. . Accordingly, the value of the first integrated value N1id used when referring to the graph of FIG. 15 for determining the fuel utilization rate Uf is fixed to a constant value. As a result, the fuel utilization rate Uf is fixed until the generated voltage deviates from the region below the solid line in FIG. As described above, when a large voltage drop is generated in the power generation voltage of the
次に、図２１乃至図２４を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図２１は、図１３のステップＳ３８において呼び出される、水流量不足を判定するためのサブルーチンのフローチャートである。図２２は、改質器温度と改質率の関係を示すグラフである。図２３は、発電電流と改質器温度の関係を示すグラフである。図２４は、発電電流とＳ／Ｃの関係を示すグラフである。
Next, control of the solid
FIG. 21 is a flowchart of a subroutine for determining whether the water flow rate is insufficient, which is called in step S38 of FIG. FIG. 22 is a graph showing the relationship between the reformer temperature and the reforming rate. FIG. 23 is a graph showing the relationship between the generated current and the reformer temperature. FIG. 24 is a graph showing the relationship between the generated current and S / C.
まずステップＳ４１において、図１３に基づいて決定されたＵｆ、Ｕａ、Ｓ／Ｃ、発電電流、燃料供給量、空気供給量、水供給量を読み込む。 First, in step S41, Uf, Ua, S / C, power generation current, fuel supply amount, air supply amount, and water supply amount determined based on FIG. 13 are read.
次にステップＳ４２において、図１３ステップＳ３７に基づいて決定された、燃料を水蒸気改質するための化学的な必要最小限な水供給量（補正前水供給量Ａｑ１）にたいして補正を行うことで実際にモジュールに供給する水量（補正後水供給量Ａｑ２）を決定する。
補正後水供給量Ａｑ２を決定するため、まず補正前水供給量Ａｑ１に対して、水調整ユニット２８の指示量に対する実際に供給される流量との誤差や水流量センサ１３４の取り込み誤差、各セルに供給される燃料流量のばらつきを考慮した補正量ｅｒを加える。
次に改質器の温度による改質率変動を考慮した補正量（（Ａｑ２−ｅｒ）−（Ａｑ１＋ｅｒ）に相当する）を加える。
改質率変動とは、改質器２０の温度に応じて改質器２０内で行なわれる改質反応の確度（改質率）が変化することであり、図２２に示すように、改質器２０の温度が高いときには改質器２０内の触媒活性が活発化して改質率は向上する。すなわち、少ない水の流量でも炭素析出せず水蒸気改質が可能となる。逆に改質器２０の温度が低いときには改質率は低下する。
図２２のように改質器の温度により改質率は変化し、改質器温度が大きいほど改質率は上昇し、少ない水量でも炭素析出せず、十分な改質反応が可能となる。図２４におけるＡｑ２−ｅｒとは、モジュールの取りうる最低温度における改質率において十分に改質反応を行なうために必要な水の供給量であり、Ａｑ１＋ｅｒは、モジュールの取りうる最高温度における改質率において十分に改質反応を行なうために必要な水の供給量である。Ａｑ２−ｅｒは、モジュールの取りうる最低温度における改質率において十分に改質反応を行なうために必要な水の供給量である。
つまり、改質率変化を考慮した補正量（（Ａｑ２−ｅｒ）−（Ａｑ１＋ｅｒ））とは、モジュールのとり得る最高温度と最低温度とにおいてそれぞれ必要な水の供給量の差であり、燃料電池モジュール２が取りうる温度範囲に応じた改質率変動によるものといえる。
そして、これらを合わせた値にさらに上述した水調整ユニット２８の誤差や水流量センサ１３４の誤差、各セルに供給される燃料流量のばらつきを考慮した補正量ｅｒを加えた値（Ａｑ２）が実際にモジュールに供給する水量（補正後水供給量）となる。
Next, in step S42, the correction is made to the chemical minimum water supply amount (pre-correction water supply amount Aq1) determined based on step S37 in FIG. The amount of water supplied to the module (corrected water supply amount Aq2) is determined.
In order to determine the post-correction water supply amount Aq2, first, an error between the pre-correction water supply amount Aq1 and the actually supplied flow rate with respect to the instruction amount of the
Next, a correction amount (corresponding to (Aq2-er) − (Aq1 + er)) in consideration of the reforming rate variation due to the reformer temperature is added.
The reforming rate fluctuation is a change in the accuracy (reforming rate) of the reforming reaction performed in the
As shown in FIG. 22, the reforming rate varies depending on the temperature of the reformer. The higher the reformer temperature, the higher the reforming rate. Even with a small amount of water, carbon does not precipitate and a sufficient reforming reaction is possible. Aq2-er in FIG. 24 is a supply amount of water necessary for sufficiently performing the reforming reaction at the reforming rate at the lowest temperature that the module can take, and Aq1 + er is the reforming at the highest temperature that the module can take. This is the amount of water required to perform the reforming reaction sufficiently at a high rate. Aq2-er is the supply amount of water necessary to sufficiently perform the reforming reaction at the reforming rate at the lowest temperature that the module can take.
In other words, the correction amount ((Aq2-er) − (Aq1 + er)) taking into account the reforming rate change is the difference in the required water supply amount between the maximum temperature and the minimum temperature that the module can take. It can be said that this is due to the change in the reforming rate according to the temperature range that the
Further, a value (Aq2) obtained by adding the correction amount er considering the error of the
続いてステップＳ４３において、ステップＳ４２で決定した補正後水供給量Ａｑ２から所定量差し引いて水不足判定閾値基本値Ａｑｅｒ‘を決定する。
水不足判定閾値基本値Ａｑｅｒ‘を決定するにあたっては、まず、補正後水供給量Ａｑ２から補正量ｅｒを差し引く。そうすることにより、この範囲において、水が正常に供給できているにもかかわらず、水不足であると誤って判定することを防止することが出来る。
さらに、補正後水供給量Ａｑ２を求める際に加算した水量のうち、炭素析出させないために必要な水量より多い、余剰分の水量を差し引く。
図２３のようにセルスタック温度Ｔｓ（Ｉ）が、電流が増加する程改質器温度が上昇するようなモジュールの構造であった場合、改質器目標温度Ｔｉｄ（Ｉ）も同様の増加傾向を示すため、改質器目標温度Ｔｉｄ（Ｉ）が高いほど、改質率が向上し、少ない流量でも十分に改質反応を行なうことが可能となる。
モジュールの運転温度は、燃料利用率制御により、図２３に示した改質器目標温度Ｔｉｄ（Ｉ）に近づくように運転されているので、改質器目標温度Ｔｉｄ（Ｉ）における改質率を求め、その改質率において炭素析出を行なわず十分に改質反応させるために必要な水の流量を水不足判定閾値の基本値Ａｑｅｒ’とした。このときＡｑｅｒは図２４のように右肩下がりとなり、Ａｑ２−ｅｒにおける必要な水供給量とＡｑｅｒ‘における必要な水供給量との差分が余剰分に相当する。
Subsequently, in step S43, a water shortage determination threshold basic value Aquer 'is determined by subtracting a predetermined amount from the corrected water supply amount Aq2 determined in step S42.
In determining the water shortage determination threshold basic value Aquer ', first, the correction amount er is subtracted from the corrected water supply amount Aq2. By doing so, in this range, it is possible to prevent erroneous determination that water is insufficient even though water can be normally supplied.
Further, of the amount of water added when determining the corrected water supply amount Aq2, the excess amount of water that is necessary to prevent carbon deposition is subtracted.
As shown in FIG. 23, when the cell stack temperature Ts (I) has a module structure in which the reformer temperature rises as the current increases, the reformer target temperature Tid (I) also increases similarly. Therefore, the higher the reformer target temperature Tid (I), the higher the reforming rate, and the reforming reaction can be sufficiently performed even with a small flow rate.
The operating temperature of the module is operated so as to approach the reformer target temperature Tid (I) shown in FIG. 23 by the fuel utilization rate control, so the reforming rate at the reformer target temperature Tid (I) is The flow rate of water required to cause a sufficient reforming reaction without performing carbon deposition at the reforming rate was defined as the basic value Aquer ′ of the water shortage determination threshold. At this time, Aqer is slanting as shown in FIG. 24, and the difference between the required water supply amount in Aq2-er and the required water supply amount in Aquer 'corresponds to the surplus.
つまり、水不足判定閾値基本値Ａｑｅｒ‘を決定するために補正後水供給量Ａｑ２から差し引く所定量とは、補正量ｅｒと、余剰分の水量とをあわせた量であり、改質器の温度によって変化する改質率変動を考慮して調整される量である。 That is, the predetermined amount to be subtracted from the corrected water supply amount Aq2 to determine the water shortage determination threshold basic value Aquer ′ is a sum of the correction amount er and the excess water amount, and depends on the temperature of the reformer. The amount is adjusted in consideration of the changing reforming rate fluctuation.
ステップＳ４４では、現時点の発電電流に対する改質器の目標温度Ｔｉｄと、現時点で検出している改質器温度Ｔｒの差を考慮して算出した補正量をステップＳ４３で求めた水不足判定閾値Ａｑｅｒ‘の基本値に加え、水不足検知の判定閾値Ａｑｅｒを決定する。目標温度に対する現時点での温度乖離は過渡的なものであり、燃料利用率制御によって目標温度に制御されるため、ここで加える補正量は、これまでの温度履歴を考慮して補正量を決定することが望ましい。
In step S44, the water shortage determination threshold Aquer ′ obtained in step S43 is obtained as a correction amount calculated in consideration of the difference between the reformer target temperature Tid with respect to the current generated current and the reformer temperature Tr currently detected. In addition to the basic value, a determination threshold Aquer for water shortage detection is determined. Since the current temperature divergence with respect to the target temperature is transient and is controlled to the target temperature by the fuel utilization rate control, the correction amount to be added here is determined in consideration of the temperature history so far. It is desirable.
次に、図１３及び図２４のフローチャートによって実現される固体酸化物型燃料電池の作用を説明する。
まず、ステップＳ３３において計算される第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０である場合には、ステップＳ３４において決定される燃料利用率Ｕｆが、その発電電流における最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ（燃料供給量最大）に設定される。これにより、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０であり、断熱材７等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール２が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップＳ３３において計算される第２積算値Ｎ２ｉｄの値が、第１積算値Ｎ１ｉｄと同様に０である場合には、ステップＳ３５において決定される空気利用率Ｕａが、その発電電流における最大空気利用率Ｕａｆｍａｘ（空気供給量最小）に設定される。このため、燃料電池モジュール２に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック１４が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック１４の温度を上昇傾向にすることができる。
Next, the operation of the solid oxide fuel cell realized by the flowcharts of FIGS. 13 and 24 will be described.
First, when the value of the first integrated value N1id calculated in step S33 is 0, the fuel utilization rate Uf determined in step S34 is the minimum fuel utilization rate Ufmin (maximum fuel supply amount) in the generated current. Set to As a result, even when the value of the first integrated value N1id is 0 and the amount of heat accumulated in the
次に、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は正値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０よりも大きくなる。これにより、図１５において、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎよりも高い燃料利用率Ｕｆが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ｕｆは、燃料供給量変更手段１１０ａにより、推定蓄熱量に対応した第１積算値Ｎ１ｉｄの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ｕｆが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材７等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材７等に蓄積された熱量が利用されるので、燃料供給量変更手段１１０ａは、発電を継続しながら燃料電池モジュール２内の温度上昇を抑制する。Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で運転が継続されると、正値の第１加減算値Ｍ１の積算が繰り返され、第１積算値Ｎ１ｉｄの値も増大する。第１積算値Ｎ１ｉｄが１に達すると、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に設定される。このように、燃料電池モジュール２に供給される燃料は、断熱材７等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Ｔｄの過去の履歴に基づいて決定される。
Next, when the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I) and the
第１積算値Ｎ１ｉｄが更に増大し、１を超えた場合においても、図１５に示すように、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に維持される。一方、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値をとる第２積算値Ｎ２ｉｄの値（燃料電池モジュール２の出力電圧が低下していない場合）も１を超えるので、図１７に基づいて、空気利用率Ｕａが低下（空気供給量増加）される。これにより、燃料電池モジュール２内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。
Even when the first integrated value N1id further increases and exceeds 1, the fuel utilization rate Uf is maintained at the maximum fuel utilization rate Uafmax (minimum fuel supply amount) as shown in FIG. On the other hand, since the value of the second integrated value N2id that takes the same value as the first integrated value N1id (when the output voltage of the
これに対して、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は負値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値は減少される。これにより、燃料利用率Ｕｆは、維持（第１積算値Ｎ１ｉｄ＞１）又は低下（第１積算値Ｎ１ｉｄ≦１）される。また、空気利用率Ｕａは、増大（第２積算値Ｎ２ｉｄ＞１）又は維持（第２積算値Ｎ２ｉｄ≦１）される。これにより、燃料電池モジュール２内の温度を上昇傾向にすることができる。
On the other hand, when the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I) and the
以上は、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される第１加減算値Ｍ１のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第１積算値Ｎ１ｉｄ及び第２積算値Ｎ２ｉｄは、第２加減算値Ｍ２によっても影響を受ける。燃料電池モジュール２、特に、燃料電池セルスタック１４は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Ｔｄの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Ｔｄが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Ｔｄが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Ｔｄに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第１、第２積算値を修正する必要がある。
The above is the operation of the solid oxide fuel cell focusing only on the first addition / subtraction value M1 calculated based on the history of the detected temperature Td. The first integrated value N1id and the second integrated value N2id are It is also affected by the addition / subtraction value M2. The
即ち、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上高い場合には、第２加減算値Ｍ２が正の値となり、第１、第２積算値が増大される。これにより、検出温度Ｔｄが上昇傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上低い場合には、第２加減算値Ｍ２が負の値となり、第１、第２積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ１４２により検出された最新の検出温度Ｔｄと、過去の検出温度Ｔｄｂとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第２加減算値Ｍ２が計算される。従って、検出温度Ｔｄが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域では最大燃料利用率Ｕｆｍａｘも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Ｔｄが低下傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Ｔｄに基づいて決定された第１加減算値Ｍ１の積算値、及び新しく検出された検出温度Ｔｄと過去に検出された検出温度Ｔｄｂの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される基本推定値である第１加減算値Ｍ１の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Ｔｄの変化率に基づいて計算される速応推定値である第２加減算値Ｍ２に基づいて、蓄熱量推定手段１１０ｂにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。
That is, when the latest detected temperature Td is higher than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 becomes a positive value, and the first and second integrated values increase. Is done. Thereby, it can reflect in the 1st, 2nd integrated value that the detected temperature Td entered into the upward tendency. Similarly, when the latest detected temperature Td is lower than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is a negative value, and the first and second integrated values are Will be reduced. In other words, the second addition / subtraction value M2, which is a rapid response estimated value, is calculated based on the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td detected by the power generation
なお、燃料電池モジュール２の温度変化は、検出温度ＴｄとＴｄｂを検出する間隔である１分に比して極めて緩慢であるため、第２加減算値Ｍ２は０である場合が多い。このため、第１、第２積算値は、主に第１加減算値Ｍ１によって支配され、検出温度Ｔｄの上昇又は低下傾向が現れたとき、第２加減算値Ｍ２が、第１、第２積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第２加減算値Ｍ２によって直近の検出温度Ｔｄの変化が加味される。このため、直近の検出温度Ｔｄの変化が大きい（第２加減算値閾値温度以上の変化）場合には、第２加減算値Ｍ２が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ｕｆが大幅に変更される。
Note that the temperature change of the
このように、図１３に示すフローチャートにより実現される残存熱量利用制御は、断熱材７に蓄積された熱量が多い場合には燃料利用率を高めることにより燃料電池モジュール２内の温度を低下させ、蓄積された熱量が少ない場合には燃料利用率を低下させることにより燃料電池モジュール２内の温度を上昇させることにより、燃料電池モジュール２内の温度を適正範囲に維持するので、適正温度制御として機能する。
As described above, the residual heat amount utilization control realized by the flowchart shown in FIG. 13 reduces the temperature in the
また、図１３のフローチャートから呼び出される図２１に示すフローチャートにより実現される本発明の水不足判定閾値制御は、水不足判定手段の検知閾値は、上記燃料の目標流量に基づいて算出された上記水の目標流量に対して、所定量だけ少ない量に設定することによって、水蒸気改質を行う改質器を備えた燃料電池システムにおいて、水不足をより精度よく検知することによって、未改質のガスが大量にセルに供給されて燃料電池システムの性能を著しく低下させてしまうことを防止できる。
さらに、上記所定量は燃料電池モジュールの温度に応じて調整される可変値であるため、より厳密に水の流量を管理でき、燃料電池システムの性能低下を防止することが可能となる。
さらに、所定量は、上記燃料電池モジュールの温度が高いほど大きくなり、低いほど小さくなるよう設定したため、改質器温度による改質率変化を考慮して判定閾値を設定するため、改質器温度が低い側においては水不足判定閾値を改質率低下分だけ厳しく設定することが出来、燃料電池モジュールの性能低下を抑制することができる。また、温度が高い側においては、閾値を改質率上昇分だけ閾値管理を緩和することによって不要な水不足判定を防止することができる。
Further, the water shortage determination threshold control of the present invention realized by the flowchart shown in FIG. 21 called from the flowchart of FIG. 13 is that the detection threshold of the water shortage determination means is the water target calculated based on the target flow rate of the fuel. In a fuel cell system equipped with a reformer that performs steam reforming by setting a predetermined amount smaller than the flow rate, a large amount of unreformed gas can be detected by more accurately detecting water shortage. It is possible to prevent the performance of the fuel cell system from being deteriorated by being supplied to the cell.
Further, since the predetermined amount is a variable value that is adjusted according to the temperature of the fuel cell module, the flow rate of water can be managed more strictly, and the performance degradation of the fuel cell system can be prevented.
Furthermore, since the predetermined amount is set so as to increase as the temperature of the fuel cell module increases and decreases as the temperature decreases, the determination threshold is set in consideration of a change in the reforming rate due to the reformer temperature. On the low side, the water shortage determination threshold can be set stricter by the reduction in the reforming rate, and the performance degradation of the fuel cell module can be suppressed. On the higher temperature side, unnecessary water shortage determination can be prevented by relaxing the threshold management by the amount corresponding to the reforming rate increase.
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。
特に、上述した実施形態においては、余熱による燃料利用率制御を行うことを前提としてＳ／Ｃの算出および水不足判定閾値の算出を実施していたが、変形例として、余熱による燃料利用率制御を行なわないような簡潔な制御、すなわち、燃料ガス流量、空気流量を発電電流に対して一意に定めるような制御方法においても実施することが可能である。また、上述した実施形態においては、改質器温度を直接測定して温度による水不足判定閾値の補正を行なっていたが、改質器温度と他の測定点（例えば発電室温度）との相関が把握出来ていれば、他の測定点で代用することも可能である。
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above.
In particular, in the above-described embodiment, the calculation of S / C and the calculation of the water shortage determination threshold are performed on the assumption that the fuel utilization rate control by the residual heat is performed, but as a modification, the fuel utilization rate control by the residual heat is performed. It is also possible to implement a simple control that is not performed, that is, a control method that uniquely determines the fuel gas flow rate and the air flow rate with respect to the generated current. In the above-described embodiment, the reformer temperature is directly measured and the water shortage determination threshold value is corrected based on the temperature. However, there is a correlation between the reformer temperature and other measurement points (for example, the power generation chamber temperature). If it can be grasped, other measurement points can be substituted.
１ 固体酸化物型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材（蓄熱材）
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット（固体酸化物型燃料電池セル）
１８ 燃焼室（燃焼部）
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット（水供給手段）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御手段）
１１０ａ 蓄熱量推定手段
１１０ｂ 排気ガス状態判定手段
１１０ｃ 排気ガス適正化手段
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４０ 排気温度センサ（温度検出手段）
１４２ 発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８ 改質器温度センサ（温度検出手段）
１５０ 外気温度センサ
DESCRIPTION OF
8 Sealed
18 Combustion chamber (combustion section)
20
30
40
46
110a Heat storage amount estimation means 110b Exhaust gas state determination means 110c Exhaust gas optimization means 112 Operating device 114 Display device 116
132 Fuel flow sensor (fuel supply detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
140 Exhaust temperature sensor (temperature detection means)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer temperature sensor (temperature detection means)
150 Outside temperature sensor
Claims (3)
供給された燃料により発電するモジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料と酸化剤ガスや水蒸気を化学反応させる改質反応によって水素を生成する改質器と、
上記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、
検知閾値に基づいて上記改質用の水の供給不足を検知する水不足判定手段とを有し、
上記水不足判定手段の検知閾値は、上記燃料の目標流量に基づいて算出された上記水の目標流量に対して、所定量だけ少ない量に設定することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 A solid oxide fuel cell that generates variable generation power according to demand power,
A module for generating electricity with the supplied fuel;
Fuel supply means for supplying fuel to the fuel cell module;
Power generation oxidant gas supply means for supplying power generation oxidant gas to the fuel cell module;
A reformer that generates hydrogen by a reforming reaction that chemically reacts the fuel with an oxidant gas or water vapor;
Water supply means for supplying water for reforming to the reformer;
Water shortage determining means for detecting a shortage of supply of the reforming water based on a detection threshold;
The detection threshold value of the water shortage determination means is set to an amount smaller by a predetermined amount than the target flow rate of water calculated based on the target flow rate of the fuel.
上記固体酸化物型燃料電池はさらに上記燃料電池モジュール内の温度を検知する温度検出手段を備え、
上記所定量は上記燃料電池モジュールの温度に応じて調整される可変値であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The solid oxide fuel cell further includes temperature detecting means for detecting the temperature in the fuel cell module,
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the predetermined amount is a variable value adjusted according to the temperature of the fuel cell module.
上記所定量は、上記燃料電池モジュールの温度が高いほど大きくなり、低いほど小さくなることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein
The solid oxide fuel cell, wherein the predetermined amount increases as the temperature of the fuel cell module increases and decreases as the temperature decreases.
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|---|---|---|---|
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| JP2013077531A true JP2013077531A (en) | 2013-04-25 |
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013077531A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015011885A (en) * | 2013-06-28 | 2015-01-19 | 株式会社デンソー | Fuel cell system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10275625A (en) * | 1997-03-28 | 1998-10-13 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Fuel cell generator |
| JP2006273619A (en) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Aisin Seiki Co Ltd | Reformer |
| JP2008135270A (en) * | 2006-11-28 | 2008-06-12 | Kyocera Corp | Fuel cell system |
| US20100304242A1 (en) * | 2009-05-28 | 2010-12-02 | Katsuhisa Tsuchiya | Fuel cell device |
| JP2011018603A (en) * | 2009-07-10 | 2011-01-27 | Toto Ltd | Fuel cell system |
-
2011
- 2011-09-30 JP JP2011218338A patent/JP2013077531A/en active Pending
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