JP2019009066A - Power generation device, control device, and control program - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、発電装置、制御装置及び制御プログラムに関する。より詳細には、本開示は、燃料電池を備える発電装置、このような発電装置の制御装置、及び、このような制御装置に実行させる制御プログラムに関する。 The present disclosure relates to a power generation device, a control device, and a control program. More specifically, the present disclosure relates to a power generation device including a fuel cell, a control device for such a power generation device, and a control program executed by such a control device.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell(以下、「SOFC」と記す))のような燃料電池を備える発電装置は、燃料ガス等を用いた電気化学反応によって発電する。このような発電装置では、燃料電池の発電を停止させた後、燃料電池内に燃料ガス等が残留してしまうことがある。燃料電池内に残留した燃料ガス等は、燃料電池が再び運転を開始したときに、燃料電池の運転に不具合を生じさせることがある。 A power generation apparatus including a fuel cell such as a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) generates power by an electrochemical reaction using fuel gas or the like. In such a power generator, fuel gas or the like may remain in the fuel cell after power generation of the fuel cell is stopped. The fuel gas remaining in the fuel cell may cause a malfunction in the operation of the fuel cell when the fuel cell starts operation again.
そこで、残留している燃料ガス等を燃料電池の外へ排出するために、燃料電池の発電を停止させた後、燃料電池内を換気する発電装置が知られている(例えば、特許文献1)。 Therefore, a power generation device that ventilates the inside of the fuel cell after stopping the power generation of the fuel cell in order to discharge the remaining fuel gas or the like outside the fuel cell is known (for example, Patent Document 1). .
ところで、発電装置では、燃料電池を起動させる際に、燃料電池内を換気することもできる。燃料電池を起動させる際の燃料電池内を換気する方法を改善することによって、燃料電池をより良好に運転させることができる。 By the way, in a power generator, when starting a fuel cell, the inside of a fuel cell can also be ventilated. By improving the method of ventilating the inside of the fuel cell when starting the fuel cell, the fuel cell can be operated better.
本開示の目的は、燃料電池をより良好に運転させる、発電装置、制御装置及び制御プログラムを提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a power generation device, a control device, and a control program that allow a fuel cell to operate better.
一実施形態に係る発電装置は、燃料電池を含む発電部と、前記発電部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、制御部とを備える。前記制御部は、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量を制御する。前記制御部は、前記燃料電池において着火前に換気する際、前記発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、前記温度が前記所定範囲外にある場合とで、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が異なるように制御する。 A power generation apparatus according to an embodiment includes a power generation unit including a fuel cell, an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the power generation unit, and a control unit. The control unit controls the supply amount of the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply unit to the power generation unit. The control unit supplies the oxygen-containing gas when the temperature related to the power generation unit is within a predetermined range and when the temperature is outside the predetermined range when ventilating before ignition in the fuel cell. The control is performed so that the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the power generation unit is different.
一実施形態に係る制御装置は、燃料電池を含む発電部と、前記発電部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部とを備える発電装置を制御する。前記制御装置は、前記燃料電池において着火前に換気する際、前記発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、前記温度が前記所定範囲外にある場合とで、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が異なるように制御する。 A control device according to an embodiment controls a power generation device including a power generation unit including a fuel cell and an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the power generation unit. The control device supplies the oxygen-containing gas when the temperature related to the power generation unit is within a predetermined range and when the temperature is outside the predetermined range when ventilating before ignition in the fuel cell. The control is performed so that the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the power generation unit is different.
一実施形態に係る制御プログラムは、燃料電池を含む発電部と、前記発電部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部とを備える発電装置を制御する制御装置の制御プログラムである。前記制御プログラムは、前記制御装置に、前記燃料電池において着火前に換気する際、前記発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、前記温度が所定範囲外にある場合とで、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が異なるように制御するステップを実行させる。 The control program which concerns on one Embodiment is a control program of the control apparatus which controls an electric power generating apparatus provided with the electric power generation part containing a fuel cell and the oxygen-containing gas supply part which supplies oxygen-containing gas to the said electric power generation part. In the control program, when the fuel cell is ventilated before ignition in the fuel cell, the temperature related to the power generation unit is within a predetermined range and the temperature is outside the predetermined range. A step of controlling the supply amount of the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply unit to the power generation unit is executed.
一実施形態に係る発電装置、制御装置及び制御プログラムよれば、燃料電池をより良好に運転させることができる。 According to the power generation device, the control device, and the control program according to the embodiment, the fuel cell can be operated more favorably.
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。まず、本開示の一実施形態に係る発電装置の構成を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. First, a configuration of a power generation device according to an embodiment of the present disclosure will be described.
図1は、本開示の一実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図2は、本開示の一実施形態に係る発電装置の構成の一部をより詳細に示す機能ブロック図である。 FIG. 1 is a functional block diagram schematically illustrating a configuration of a power generation device according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a functional block diagram illustrating a part of the configuration of the power generation device according to the embodiment of the present disclosure in more detail.
図1に示すように、本開示の一実施形態に係る発電装置1は、貯湯タンク60と、負荷100と、商用電源(grid)200とに接続される。また、図1に示すように、発電装置1には、外部からガス、水及び酸素含有ガスが供給される。なお、酸素含有ガスとしては、例えば空気を例示できる。以下、酸素含有ガスは、空気であるものとして説明する。発電装置1は、供給されたガス、水及び空気によって発電する。発電装置1は、発電した電力を負荷100等に供給する。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、発電装置1は、制御部10と、記憶部12と、燃料電池モジュール20と、ガス供給部32と、空気供給部34と、改質水供給部36と、インバータ40と、排熱回収処理部50と、循環水処理部52とを備える。
As shown in FIG. 1, the
発電装置1は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、制御部10として少なくとも1つのプロセッサを含む。種々の実施形態によれば、少なくとも1つのプロセッサは、単一の集積回路(IC)として、又は、複数の通信可能に接続された集積回路IC及び/又はディスクリート回路として実装されてもよい。少なくとも1つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実装されてもよい。
The
ある実施形態において、プロセッサは、1以上のデータ計算手続又は処理を実行するために構成された、1以上の回路又はユニットを含む。例えば、プロセッサは、1以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、又は、他の既知のデバイス若しくは構成の組み合わせを含むことによって、以下に説明する機能を実行してもよい。 In certain embodiments, the processor includes one or more circuits or units configured to perform one or more data computation procedures or processes. For example, a processor may be one or more processors, controllers, microprocessors, microcontrollers, application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors, programmable logic devices, field programmable gate arrays, or any combination of these devices or configurations. Alternatively, the functions described below may be performed by including other known devices or combinations of configurations.
制御部10は、記憶部12と、燃料電池モジュール20と、ガス供給部32と、酸素含有ガス供給部34(以下、「空気供給部34」と記載する)と、改質水供給部36とに接続され、これらの各機能部をはじめとして発電装置1の全体を制御及び管理する。制御部10は、記憶部12に記憶されているプログラムを取得し、このプログラムを実行することにより、発電装置1の各部に係る種々の機能を実現する。制御部10から他の機能部に制御信号又は各種の情報等が送信される場合、制御部10と他の機能部とは、有線又は無線により接続されてもよい。制御部10が行う本実施形態における特徴的な制御については、さらに後述する。
The
記憶部12は、制御部10から取得した情報を記憶部する。また、記憶部12は、制御部10によって実行されるプログラム等を記憶する。その他、記憶部12は、例えば制御部10による演算結果等の、各種データも記憶する。さらに、記憶部12は、制御部10が動作する際のワークメモリ等も含むことができるものとして、以下説明する。記憶部12は、例えば、半導体メモリ又は磁気ディスク等により構成されてもよい。これらに限定されず、記憶部12は、任意の記憶装置であってもよい。例えば、記憶部12は、光ディスクのような光学記憶装置であってもよいし、光磁気ディスク等であってもよい。
The
燃料電池モジュール20は、図2により詳細に示すように、改質器22A,22Bと、セルスタック24A,24Bとを備える。図2には、図1に示す発電装置1において、制御部10、燃料電池モジュール20及び空気供給部34のみを示す。図2に示す燃料電池モジュール20は、2つの改質器22A及び改質器22Bと、2つのセルスタック24A及び24Bとを備える。しかしながら、燃料電池モジュール20が備える改質器及びセルスタックの数は、これに限定されず、例えば、それぞれ1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。以下、改質器22Aと改質器22Bとを特に区別しない場合、単に「改質器22」と記載する。同様に、セルスタック24Aとセルスタック24Bとを特に区別しない場合、単に「セルスタック24」と記載する。本開示において、実際に発電を行う燃料電池を含むセルスタック24を、適宜、「発電部」と記す。また、本開示において、「発電部」とは、発電を行う各種の機能部であってもよい。例えば、「発電部」は、燃料電池モジュール20であってもよいし、単体のセルであってもよい。本実施形態では、セルスタック24Aを第1発電部とし、セルスタック24Bを第2発電部とする。すなわち、本実施形態に係る発電装置1は、燃料電池を含む第1発電部(セルスタック24A)と、燃料電池を含む第2発電部(セルスタック24B)とを備える。燃料電池モジュール20内で発電した直流電力は、インバータ40に出力される。燃料電池モジュール20は、ホットモジュールとも呼ばれる。
As shown in more detail in FIG. 2, the
改質器22は、ガス供給部32から供給されるガス及び改質水供給部36から供給される改質水を用いて、水素及び/又は一酸化炭素を生成する。例えば、改質器22は、改質供給部36から供給された改質水を用いて水蒸気を生成する。さらに、改質器22は、生成した水蒸気を用いた水蒸気改質により、ガス供給部32から供給されるガスを用いて、水素及び/又は一酸化炭素を生成する。セルスタック24は、改質器22で生成された水素及び/又は一酸化炭素と、空気供給部34から供給される空気中の酸素とを反応させることにより、発電する。すなわち、本実施形態において、燃料電池のセルスタック24は、電気化学反応により発電する。なお、改質器としては、前述の水蒸気改質を行う改質器を例示しているが、これに限定されない。他の改質器として、酸素を含む空気等を用いて水素を生成する部分酸化改質(Partial Oxidation(POX))を行う改質器等であってよい。
The
以下、セルスタック24は、SOFC(固体酸化物形燃料電池)であるものとして説明する。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック24は、SOFCに限定されない。本実施形態に係るセルスタック24は、例えば、固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell(PEFC))、リン酸形燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell(PAFC))及び溶融炭酸塩形燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell(MCFC))等のような燃料電池で構成されてもよい。また、本実施形態において、燃料電池モジュール20は、例えば、単体で700W程度の発電ができるセルスタックを4つ備えてもよい。この場合、燃料電池モジュール20は、全体として3kW程度の電力を出力することができる。
Hereinafter, the cell stack 24 will be described as being an SOFC (solid oxide fuel cell). However, the cell stack 24 according to the present embodiment is not limited to the SOFC. The cell stack 24 according to the present embodiment includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell (PAFC). A fuel cell such as Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) may be used. In the present embodiment, the
本実施形態に係る燃料電池モジュール20及びセルスタック24は、上述のような構成に限定されない。種々の構成を、燃料電池モジュール20及びセルスタック24に採用することができる。例えば、発電装置1は、発電部として、セルスタック24ではなく、単に、燃料電池のセル1つのみを備えるものであってよい。また、例えば、発電部は、例えばPEFCのように、SOFCの場合と異なり、改質器を有しないモジュール(ケース)に含まれるる燃料電池であってよい。
The
図1に示すガス供給部32は、図2に示す燃料電池モジュール20の改質器22にガスを供給する。このとき、ガス供給部32は、制御部10からの制御信号に基づいて、改質器22に供給するガスの量を制御する。本実施形態において、ガス供給部32は、例えば、ガスラインによって構成されてもよい。また、ガス供給部32は、ガスの脱硫処理を行ってもよいし、ガスを予備的に加熱してもよい。ガスを加熱する熱源として、セルスタック24の排熱が利用されてもよい。ガスは、例えば、都市ガス又はLPG等であるが、これに限定されない。例えば、ガスは、燃料電池に応じて、天然ガス又は石炭ガス等であってもよい。本実施形態において、ガス供給部32は、セルスタック24が発電する際の電気化学反応に用いられる燃料ガスを供給する。
The
図1に示す空気供給部34は、燃料電池モジュール20のセルスタック24に空気を供給する。このとき、空気供給部34は、制御部10からの制御信号に基づいて、セルスタック24に供給する空気の量を制御する。本実施形態において、空気供給部34は、例えば、空気ラインによって構成されてもよい。また、空気供給部34は、外部から取り込んだ空気を予備的に加熱して、セルスタック24に供給してもよい。本実施形態において、空気供給部34は、セルスタック24が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する。
The
図2に示すように、空気供給部34は、空気ブロワ92A,92Bと、流量計94A,94Bとを備える。空気供給部34は、図2に示すように、制御部10と有線又は無線により通信可能に接続される。図2に示す空気供給部34は、2つの空気ブロワ92A及び空気ブロワ92Bと、2つの流量計94A及び流量計94Bとを備える。しかしながら、空気供給部34が備える空気ブロワ及び流量計の数は、これに限定されず、例えば、それぞれ1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。以下、空気ブロワ92Aと空気ブロワ92Bとを特に区別しない場合、単に「空気ブロワ92」と記載する。同様に、流量計94Aと流量計94Bとを特に区別しない場合、単に「流量計94」と記載する。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、空気供給部34に供給される空気は、1つの供給源から2つの経路に分岐されて、空気ブロワ92Aと、空気ブロワ92Bとにそれぞれ供給される。しかしながら、例えば、空気ブロワ92A及び空気ブロワ92Bに、それぞれ別個の供給源から空気が供給されるようにしてもよい。
As shown in FIG. 2, the air supplied to the
空気ブロワ92Aは、流量計94Aに接続される。空気ブロワ92A(第1空気供給部)は、空気供給部34に供給された空気を、流量計94Aを経て、セルスタック24A(第1発電部)に送出する。空気ブロワ92Bは、流量計94Bに接続される。空気ブロワ92B(第2空気供給部)は、空気供給部34に供給された空気を、流量計94Bを経て、セルスタック24B(第2発電部)に送出する。なお、セルスタック24に空気を送出可能なものであれば、任意のものを、空気ブロワ92に採用することができる。
The
流量計94Aは、流量計94Aを経て流れる空気の流量を測定する。同様に、流量計94Bは、流量計94Bを経て流れる空気の流量を測定する。ここで、流量計94が測定する空気の流量とは、例えば、単位時間あたりに空気が流量計94を経て移動する量であってよい。空気の流量を測定可能なものであれば、任意のものを、流量計94に採用することができる。
The
流量計94が計測した空気の流量の情報は、制御部10に送信される。これにより、制御部10は、流量計94が計測した空気の流量を把握することができる。また、制御部10は、空気ブロワ92がセルスタック94に送出する空気の流量を調整(増減)することができる。従って、本実施形態において、制御部10は、セルスタック24に供給される空気の流量を調整することができる。
Information on the air flow rate measured by the flow meter 94 is transmitted to the
図1に示す改質水供給部36は、改質水を、図2に示す燃料電池モジュール20の改質器22に供給する。このとき、改質水供給部36は、制御部10からの制御信号に基づいて、改質器22に供給する改質水の量を制御する。本実施形態において、改質水供給部36は、例えば、改質水ラインによって構成されてもよい。改質水供給部36は、セルスタック24の排気から回収された水を原料として改質水を生成してもよい。改質水を生成する熱源として、セルスタック24の排熱が利用されてもよい。
The reforming
インバータ40は、燃料電池モジュール20に接続される。インバータ40は、セルスタック24が発電した直流電力を、交流電力に変換する。インバータ40から出力される交流電力は、分電盤等を介して、負荷100に供給される。負荷100は、分電盤等を介して、インバータ40から出力された電力を受電する。図1には、負荷100は、1つの部材として図示してある。しかしながら、負荷100は、負荷を構成する任意の個数の各種電気機器であってよい。また、負荷100は、分電盤等を介して、商用電源200から受電することもできる。
The
排熱回収処理部50は、セルスタック24の発電により生じる排気から、排熱を回収する。排熱回収処理部50は、例えば、熱交換器等で構成されてもよい。排熱回収処理部50は、循環水処理部52及び貯湯タンク60に接続される。
The exhaust heat
循環水処理部52は、貯湯タンク60から排熱回収処理部50へ水を循環させる。排熱回収処理部50に供給された水は、排熱回収処理部50で回収された熱によって加熱された後、貯湯タンク60に戻る。排熱回収処理部50は、排熱を回収した排気を外部に排出する。また、上述のように、排熱回収処理部50で回収された熱は、ガス、空気又は改質水の加熱等に用いられてもよい。
The circulating
貯湯タンク60は、排熱回収処理部50及び循環水処理部52に接続される。貯湯タンク60は、燃料電池モジュール20のセルスタック24等から回収された排熱を利用して湯を生成することができる。貯湯タンク60は、生成した湯を貯めることができる。
The hot
また、図2に示すように、発電装置1は、温度センサ80A,80Bをさらに備える。温度センサ80Aは、改質器22A(第1改質部)の近傍に設置される。温度センサ80Bは、改質器22B(第2改質部)の近傍に設置される。以下、温度センサ80Aと温度センサ80Bとを特に区別しない場合、単に「温度センサ80」と記載する。
Moreover, as shown in FIG. 2, the electric
温度センサ80は、改質器22に関連する温度(以下、「改質部に関連する温度」とも記載する)を検出する。温度センサ80は、図2に示すように、改質器22の近傍に設置することができる。ここで、温度センサ80が温度を検出する改質器22の近傍は、発電装置1において改質器22に関連する温度の測定に好適な位置であってよく、例えば、改質器22に発生する熱が適度に伝導する位置であってよい。例えば、温度センサ80が温度を検出する改質器22の近傍は、改質器22から燃料ガスが送出される出口(以下、「改質出口」と記載する)の近傍であってよい。また、本実施形態において、温度センサ80が検出する温度は、例えば、改質器22の内部の温度であってもよいし、改質器22の全体の温度であってもよい。以下、温度センサ80が検出する温度は、改質出口の温度(以下、「改質出口温度」と記載する)であるものとする。
The temperature sensor 80 detects a temperature related to the reformer 22 (hereinafter also referred to as “temperature related to the reforming unit”). The temperature sensor 80 can be installed in the vicinity of the
温度センサ80は、例えば、熱電対等で構成されてもよい。この場合、改質出口の付近に、熱電対が挿入されてもよい。一方、温度センサ80を構成する素材に起因して、温度センサ80が過度の高熱を計測できない場合も想定される。この場合、温度センサ80は、例えば、改質器22から離れている位置の温度であるが、改質器22に発生する熱が伝導する位置の温度を検出してもよい。
The temperature sensor 80 may be configured with, for example, a thermocouple. In this case, a thermocouple may be inserted near the reforming outlet. On the other hand, it may be assumed that the temperature sensor 80 cannot measure excessive high heat due to the material constituting the temperature sensor 80. In this case, the temperature sensor 80 is, for example, the temperature at a position away from the
温度センサ80は、熱電対に限定されない。温度を測定可能な部材であれば、任意の部材を温度センサ80に採用することができる。例えば、温度センサ80は、サーミスタ又は白金測温抵抗体であってよい。温度センサ80は、制御部10に接続される。温度センサ80は、検出した温度に基づく信号を制御部10に送信する。この信号を受信することによって、制御部10は、改質出口温度を把握することができる。
The temperature sensor 80 is not limited to a thermocouple. Any member that can measure temperature can be used for the temperature sensor 80. For example, the temperature sensor 80 may be a thermistor or a platinum resistance temperature detector. The temperature sensor 80 is connected to the
また、図2に示すように、発電装置1は、温度センサ82A,82Bをさらに備える。温度センサ82は、セルスタック24Aの上方においてガスが燃焼する部分(以下、「燃焼部」と記載する)の温度を検出する。温度センサ82Aは、セルスタック24Aの付近、例えば、セルスタック24Aの上方に設置される。温度センサ82Bは、セルスタック24Bの燃焼部の温度を検出する。温度センサ82Bは、セルスタック24Bの付近、例えば、セルスタック24Bの上方に設置される。以下、温度センサ82Aと温度センサ82Bとを特に区別しない場合、単に「温度センサ82」と記載する。
Moreover, as shown in FIG. 2, the electric
温度センサ82は、検出した燃焼部の温度を、制御部10に出力する。制御部10は、温度センサ82が検出する温度に基づいて、燃焼部が失火したと判定することができる。例えば、制御部10は、温度センサ82が検出する温度が所定値を下回るとき、燃焼部が失火したと判定する。
The temperature sensor 82 outputs the detected temperature of the combustion unit to the
図2に示すように、発電装置1は、着火ヒータ84A,84Bをさらに備える。着火ヒータ84Aは、制御部10からの制御信号に基づいて、セルスタック24Aを構成する各セルの開口から漏れ出る未反応燃料に着火する。同様に、着火ヒータ84Bは、制御部10からの制御信号に基づいて、セルスタック24Bを構成する各セルの開口から漏れ出る未反応燃料に着火する。以下、着火ヒータ84Aと着火ヒータ84Bとを特に区別しない場合、単に「着火ヒータ84」と記載する。
As shown in FIG. 2, the
着火ヒータ84は、制御部10からの制御信号に基づいて、発電装置1を起動させる際に、すなわち未反応燃料が燃焼していないときに、当該未反応燃料に着火する。着火ヒータ84が未反応燃料に一旦着火すれば、その後は、セルスタック24から僅かずつ漏れ出る未反応燃料が燃料し続けることによって、セルスタック24の温度が高温に維持され得る。
The ignition heater 84 ignites the unreacted fuel when the
次に、本実施形態に係る発電装置1の動作を説明する。
Next, operation | movement of the electric
制御部10は、発電装置1が停止状態にあるときに、例えば外部から運転開始の指示を受けると、発電装置1を起動させる。
When the
発電装置1の起動時、燃料電池モジュール20の主要機器の温度が比較的低い場合がある(いわゆるコールドスタート)。本実施形態において、例えば、発電装置1の起動時、改質部に関連する温度(改質出口温度)が200度未満であるとき、燃料電池モジュール20の主要機器の温度が比較的低い場合としてもよい。この場合、セルスタック24の燃焼部に着火を起こす前に、着火ヒータ84を予熱する時間を、比較的長く(例えば、30秒程度)してもよい。
When the
一方、発電装置1の起動時、燃料電池モジュール20の主要機器の温度が比較的高い場合もある(いわゆるホットスタート)。本実施形態において、例えば、発電装置1の起動時、改質部に関連する温度(改質出口温度)が200度以上であるとき、燃料電池モジュール20の主要機器の温度が比較的高い場合としてもよい。この場合、セルスタック24の燃焼部に着火を起こす前に、着火ヒータ84を予熱する時間を、比較的短く(例えば、10秒程度)してもよい。
On the other hand, when the
以下、発電に関連する温度において、燃料電池モジュール20の主要機器の温度が比較的低い場合と比較的高い場合の境界となる温度を「基準温度」と記載する。
Hereinafter, the temperature that is a boundary between the case where the temperature of the main device of the
本実施形態に係る制御部10は、発電装置1の起動処理において、着火ヒータ84を動作させる前、空気供給部34を動作させて燃料電池モジュール20内を換気する。このような制御によって、燃料電池モジュール20内に残留している燃料ガス等が燃料電池モジュール20の外へ排出される。なお、燃料電池モジュール20には、図2に示すように、残留している燃料ガス等を外部に排出するための排気口26が設けられていてもよい。
The
換気処理において、制御部10は、発電部に関連する温度に応じて、空気供給部34が発電部に供給する空気の供給量を変える。具体的には、制御部10は、発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、発電部に関連する温度が所定範囲外にある場合とで、空気の供給量が異なるように制御する。発電部に関連する温度は、改質部に関連する温度(例えば、改質出口温度)であってもよいし、改質部から発電部に燃料ガスが供給される経路において検出される温度(例えば、燃焼部に関連する温度)であってもよい。この制御の詳細を、図3を参照して説明する。
In the ventilation process, the
図3は、本開示の一実施形態に係る温度範囲と空気の供給量との関係を示す図である。図3に示す温度Tは、発電部に関連する温度である。図3では、上述の所定範囲は、第1温度を下限、かつ第2温度を上限とする範囲(第1温度以上かつ第2温度未満の範囲)であるものとする。 FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a temperature range and an air supply amount according to an embodiment of the present disclosure. A temperature T shown in FIG. 3 is a temperature related to the power generation unit. In FIG. 3, the above-described predetermined range is a range in which the first temperature is the lower limit and the second temperature is the upper limit (a range that is equal to or higher than the first temperature and lower than the second temperature).
制御部10は、温度Tが第1温度を下回る場合、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に送出する空気の供給量が、第1供給量になるように制御する。第1温度は、発電装置1を起動させる際の発電部に関連する温度に基づいて定められてよい。第1温度は、例えば、上述の基準温度であってよい。この場合、温度Tが改質出口温度であれば、第1温度は、例えば、200度である。また、第1供給量は、燃料電池モジュール20内に残留している燃料ガス等を燃料電池モジュール20の外へ排出するために用いられる空気の供給量であってよい。例えば、第1供給量は、発電装置1をコールドスタートで起動させる際に、燃料電池モジュール20を換気するために標準的に用いられる空気の供給量であってよい。このような制御によって、燃料電池モジュール20内に残留している燃料ガス等を、燃料電池モジュール20の外に排出することができる。残留している燃料ガス等を外部に排出することによって、セルスタック24が発電を開始した際、燃料ガス等が残留している状態で温度を上げたときに発生する場合がある異常な燃焼を低減することができる。
When the temperature T is lower than the first temperature, the
制御部10は、温度Tが所定範囲内である場合(温度Tが第1温度以上かつ第2温度未満である場合)、温度Tが第1温度を下回る場合よりも、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に送出する空気の供給量が多くなるように制御する。制御部10は、空気の供給量が、第1供給量よりも多い第2供給量になるように制御する。
When the temperature T is within a predetermined range (when the temperature T is equal to or higher than the first temperature and lower than the second temperature), the
温度Tが所定範囲内にある場合は、例えば発電装置1が停止してから時間がそれほど経過しないうちに、発電装置1を起動させた場合等に相当する。このような場合では、燃料電池モジュール20内に燃料ガスが残留していることに加えて、燃料電池モジュール20内の断熱材等に水蒸気が残留していることが想定される。燃料電池モジュール20内の断熱材に水蒸気が残留している状態では、次の処理において燃焼部で良好に着火できないことが想定される。
The case where the temperature T is within the predetermined range corresponds to, for example, the case where the
そこで、制御部10は、温度Tが所定範囲にある場合、第1供給量よりも多い第2供給量で燃料電池モジュール20を換気する。第2供給量は、上述の第1供給量に、燃料電池モジュール20の断熱材の容積及び材質を考慮して算出される値を加えた値であってよい。又は、第2供給量は、発電装置1の起動処理において、換気処理に費やせる最大限の時間を考慮して設定されてもよい。この場合、第2供給量は、換気処理に費やせる最大限の時間と、空気ブロワ92の任意の流量とを乗算させた値であってよい。このような制御によって、燃料電池モジュール20内に残留している燃料ガスに加えて、燃料電池モジュール20の断熱材に残留している水蒸気も、燃料電池モジュール20の外に排出することができる。従って、本実施形態では、次の処理で、燃焼部を良好に着火することができる。
Therefore, when the temperature T is within the predetermined range, the
制御部10は、温度Tが第2温度以上である場合、温度Tが第2温度を下回る場合よりも、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に送出する空気の供給量が少なくなるように制御する。制御部10は、空気の供給量が、第1供給量よりも少ない第3供給量になるように制御する。第2温度は、発電部に関連する温度と当該温度に起因する着火前のダメージとの関係に基づいて定められてよい。例えば、セルスタック24は、発電していない状態で、ある程度高い温度に維持され続けると、ダメージを受けることがある。この場合、第2温度は、セルスタック24が発電していないときのセルスタック24の温度に依拠するセルスタック24のダメージを考慮して設定されてよい。第2温度は、セルスタック24の構造及び材料等に依拠するが、例えば、400度から500度である。
When the temperature T is equal to or higher than the second temperature, the
温度Tが第2温度以上である状態は、セルスタック24が発電していない状態でその温度に維持され続けると、セルスタック24がダメージを受けると懸念される状態である。 The state in which the temperature T is equal to or higher than the second temperature is a state in which the cell stack 24 is likely to be damaged if the cell stack 24 is kept at that temperature without generating power.
そこで、制御部10は、温度Tが第2温度以上である場合、セルスタック24の発電を早く開始するために、第1供給量よりも少ない第3供給量で燃料電池モジュール20を換気する。第3供給量は、空気ブロワ92において設定可能な最小の送出時間に基づいて設定されてもよい。この場合、第3供給量は、空気ブロワ92において設定可能な最小の送出時間と、空気ブロワ92の任意の流量とを乗算して算出される値であってよい。
Therefore, when the temperature T is equal to or higher than the second temperature, the
ここで、制御部10は、空気ブロワ92が送出する空気の流量を一定にしつつ、空気ブロワ92が燃料電池モジュール20に空気を供給する時間(換気時間)のみを調整することによって、空気供給部34から燃料電池モジュール20への空気の供給量を制御してもよい。また、空気ブロワ92の流量によって空気ブロワ92の消費電力が大きく変動する場合、空気ブロワ92の流量は、空気ブロワ92の消費電力に基づいて決定されてもよい。図3に示すように、制御部10は、空気ブロワ92の流量を80[NL/min]と一定にしつつ、換気時間を60[s]、600[s]及び1[s]にすることで、空気の供給量が、それぞれ、第1供給量、第2供給量及び第3供給量となるようにしてもよい。空気ブロワ92の換気時間のみを調整することによって、空気供給部34による空気の供給量の制御を、より簡易化することができる。
Here, the
図4は、本開示の一実施形態に係る発電装置1の動作を示すフローチャートである。図4に示す処理は、発電装置1の起動処理において、燃料電池モジュール20を換気する処理である。以下では、発電部に関連する温度Tは、改質出口温度であるものとする。
FIG. 4 is a flowchart illustrating an operation of the
制御部10は、温度センサ80から、温度Tを取得する(ステップS11)。制御部10は、温度Tが第1温度を下回るか否か判定する(ステップS12)。制御部10は、温度Tが第1温度を下回ると判定したとき(ステップS12:Yes)、ステップS14の処理に進む。一方、制御部10は、温度Tが第1温度以上であると判定したとき(ステップS12:No)、ステップS13の処理に進む。
The
ステップS13の処理では、制御部10は、温度Tが第2温度を下回るか否か判定する。制御部10は、温度Tが第2温度以上であると判定したとき(ステップS13:No)、ステップS16の処理に進む。制御部10は、温度Tが第2温度を下回ると判定したとき(ステップS13:Yes)、ステップS15の処理に進む。
In the process of step S13, the
ステップS14の処理では、制御部10は、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に送出する空気の供給量を、第1供給量に決定する。このように、温度Tが第1温度を下回る場合、空気の供給量は第1供給量に決定される。
In the process of step S <b> 14, the
ステップS15の処理では、制御部10は、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に送出する空気の供給量を、第2供給量に決定する。このように、温度Tが所定範囲内にある場合(温度Tが第1温度以上かつ第2温度未満である場合)、空気の供給量は、第1供給量よりも多い第2供給量に決定される。
In the process of step S15, the
ステップS16の処理では、制御部10は、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に送出する空気の供給量を、第3供給量に決定する。このように、温度Tが第2温度以上である場合、空気の供給量は、第1供給量よりも少ない第3供給量に決定される。
In the process of step S <b> 16, the
ステップS17の処理では、制御部10は、決定した空気の供給量に基づいて、空気供給部34によって燃料電池モジュール20に空気を送出する。
In the process of step S <b> 17, the
以上のように、本実施形態では、制御部10は、燃料電池において着火前に換気する際、発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、当該温度が所定範囲外にある場合とで、空気供給部34が燃料電池モジュール20に供給する空気の供給量が異なるように制御する。
As described above, in the present embodiment, when the
例えば、制御部10は、図3に示すように、温度Tが所定範囲内にある場合の第2供給量が、温度Tが第1温度を下回る場合の第1供給量よりも、多くなるように制御する。このような制御によって、発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合、燃料電池モジュール20内に残留している燃料ガスに加えて、燃料電池モジュール20の断熱材に残留している水蒸気も、燃料電池モジュール20の外に排出することができる。これにより、本実施形態では、次の処理で、燃焼部を良好に着火することができる。
For example, as shown in FIG. 3, the
例えば、制御部10は、図3に示すように、温度Tが第2温度以上となる場合の第3供給量が、温度Tが第1温度を下回る場合の第1供給量よりも、少なくなるように制御する。このような制御によって、セルスタック24の劣化が進むと懸念される状態である場合、セルスタック24の発電を早く開始するために、第1供給量よりも少ない第3供給量で燃料電池モジュール20内が換気される。これにより、本実施形態では、セルスタック24の劣化の度合いを低減することができる。
For example, as illustrated in FIG. 3, the
従って、本実施形態によれば、燃料電池をより良好に運転させる発電装置1が提供され得る。
Therefore, according to this embodiment, the electric
本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部及びステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。 Although the present disclosure has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various variations and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each functional unit, each means, each step, etc. can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of functional units, steps, etc. are combined or divided into one. It is possible. In addition, each of the embodiments of the present invention described above is not limited to being performed faithfully to each of the embodiments described above, and is implemented by appropriately combining the features or omitting some of the features. You can also.
例えば、制御部10は、第1空気供給部(空気ブロワ92A)と第2空気供給部(空気ブロワ92B)とをそれぞれ別個に制御してもよい。つまり、制御部10は、第1発電部に供給する空気の供給量と、第2発電部に供給する空気の供給量とをそれぞれ別個に制御してもよい。
For example, the
例えば、空気供給部34が備える空気ブロワ及び流量計の数は、それぞれ、1つであってもよい。この場合、制御部10は、第1発電部に関連する温度及び第2発電部に関連する温度の両方が所定範囲内にあるとき、空気供給部34がセルスタック24A及びセルスタック24Bのそれぞれに供給する空気の供給量が第2供給量になるように制御してもよい。また、この場合、制御部10は、第1発電部に関連する温度及び第2発電部に関連する温度の少なくとも一方が所定範囲を上回るとき、空気供給部34がセルスタック24A及びセルスタック24Bのそれぞれに供給する空気の供給量が第3供給量になるように制御してもよい。
For example, the number of air blowers and flow meters provided in the
例えば、本開示の実施形態は、燃料電池を備えずに、燃料電池を外部から制御する、制御装置として実現することもできる。このような実施形態の一例を、図5に示す。図5に示すように、本実施形態に係る制御装置2は、例えば、制御部10と、記憶部12とを含んで構成される。制御装置2は、燃料電池を備える外部の発電装置1を制御する。すなわち、本実施形態に係る制御装置2は、燃料電池において着火前に換気する際、発電部に関連する温度が所定範囲内に場合と、当該温度が所定範囲外にある場合とで、空気供給部34が発電部に供給する空気の供給量が異なるように制御する。
For example, the embodiment of the present disclosure can be realized as a control device that controls a fuel cell from the outside without including the fuel cell. An example of such an embodiment is shown in FIG. As illustrated in FIG. 5, the
さらに、本開示の実施形態は、例えば、上述したような制御装置2に実行させる制御プログラムとして実現することもできる。すなわち、本実施形態に係る制御プログラムは、制御装置2に、燃料電池において着火前に換気する際、発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、当該温度が所定範囲外にある場合とで、空気供給部34が発電部に供給する空気の供給量が異なるように制御するステップを実行させる。
Furthermore, the embodiment of the present disclosure can also be realized as a control program executed by the
1 発電装置
2 制御装置
10 制御部
12 記憶部
20 燃料電池モジュール
22,22A,22B 改質器(改質部)
24,24A,24B セルスタック
26 排気口
32 ガス供給部
34 空気供給部(酸素含有ガス供給部)
36 改質水供給部
40 インバータ
50 排熱回収処理部
52 循環水処理部
60 貯湯タンク
80,80A,80B 温度センサ
82,82A,82B 温度センサ
84,84A,84B 着火ヒータ
92,92A,92B 空気ブロワ
94,94A,94B 流量計
100 付加
200 商用電源
DESCRIPTION OF
24, 24A,
36 Reformed
Claims (13)
前記発電部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、
前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、
を備える発電装置であって、
前記制御部は、前記燃料電池において着火前に換気する際、前記発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、前記温度が前記所定範囲外にある場合とで、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が異なるように制御する、発電装置。 A power generation unit including a fuel cell;
An oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the power generation unit;
A control unit that controls the supply amount of the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply unit to the power generation unit;
A power generator comprising:
The control unit supplies the oxygen-containing gas when the temperature related to the power generation unit is within a predetermined range and when the temperature is outside the predetermined range when ventilating before ignition in the fuel cell. A power generation device that controls the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the power generation unit to be different from each other.
前記所定範囲は、第1温度を下限とする範囲であり、
前記制御部は、前記発電部に関連する温度が前記所定範囲内である場合、前記温度が前記第1温度を下回る場合よりも、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が多くなるように制御する、発電装置。 The power generation device according to claim 1,
The predetermined range is a range having the first temperature as a lower limit,
When the temperature related to the power generation unit is within the predetermined range, the control unit supplies the oxygen-containing gas that the oxygen-containing gas supply unit supplies to the power generation unit than when the temperature is lower than the first temperature. A power generation device that controls the supply amount of the battery to increase.
前記所定範囲は、第2温度を上限とする範囲であり、
前記制御部は、前記温度が前記第2温度以上である場合、前記温度が前記第2温度を下回る場合よりも、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が少なくなるように制御する、発電装置。 The power generation device according to claim 1 or 2,
The predetermined range is a range with the second temperature as an upper limit,
When the temperature is equal to or higher than the second temperature, the control unit has a supply amount of the oxygen-containing gas that the oxygen-containing gas supply unit supplies to the power generation unit as compared with a case where the temperature is lower than the second temperature. A power generation device that controls to reduce the amount.
前記第1温度は、前記発電装置を起動させる際の前記発電部に関連する温度に基づいて定められる、発電装置。 The power generation device according to claim 2,
The first temperature is determined based on a temperature related to the power generation unit when starting the power generation device.
前記第2温度は、前記発電部に関連する温度と当該温度に起因する前記発電部における着火前のダメージとの関係に基づいて定められる、発電装置。 The power generation device according to claim 3,
The second temperature is determined based on a relationship between a temperature related to the power generation unit and damage before ignition in the power generation unit due to the temperature.
前記発電部に接続される改質部を備え、
前記発電部に関連する温度は、前記改質部に関連する温度である、発電装置。 The power generator according to any one of claims 1 to 5,
A reforming unit connected to the power generation unit;
The temperature related to the power generation unit is a power generation device which is a temperature related to the reforming unit.
前記発電部に接続される改質部を備え、
前記発電部に関連する温度は、前記改質部から前記発電部に燃料ガスが供給される経路において検出される温度である、発電装置。 The power generator according to any one of claims 1 to 5,
A reforming unit connected to the power generation unit;
The temperature related to the power generation unit is a power generation device that is detected in a path through which fuel gas is supplied from the reforming unit to the power generation unit.
前記発電部は、第1発電部及び第2発電部を含み、
前記制御部は、前記第1発電部に関連する温度及び前記第2発電部に関連する温度の両方が前記所定範囲内にある場合、前記第1発電部に関連する温度及び前記第2発電部に関連する温度の少なくとも一方が前記第1温度を下回る場合よりも、前記酸素含有ガス供給部が前記第1発電部及び前記第2発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が多くなるように制御する、発電装置。 The power generation device according to claim 2,
The power generation unit includes a first power generation unit and a second power generation unit,
When both the temperature related to the first power generation unit and the temperature related to the second power generation unit are within the predetermined range, the control unit detects the temperature related to the first power generation unit and the second power generation unit. The oxygen-containing gas supply unit supplies more oxygen-containing gas to the first power generation unit and the second power generation unit than when at least one of the temperatures related to is lower than the first temperature. The power generator to control.
前記発電部は、第1発電部及び第2発電部を含み、
前記制御部は、前記第1発電部に関連する温度及び前記第2発電部に関連する温度の少なくとも一方が前記第2温度を上回る場合、前記第1発電部に関連する温度及び前記第2発電部に関連する温度の両方が前記第2温度以下となる場合よりも、前記酸素含有ガス供給部が前記第1発電部及び前記第2発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が少なくなるように制御する、発電装置。 The power generation device according to claim 3,
The power generation unit includes a first power generation unit and a second power generation unit,
When at least one of a temperature related to the first power generation unit and a temperature related to the second power generation unit exceeds the second temperature, the control unit controls the temperature related to the first power generation unit and the second power generation. The supply amount of the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply unit to the first power generation unit and the second power generation unit is smaller than when both the temperatures related to the unit are equal to or lower than the second temperature. To control the power generator.
前記発電部は、第1発電部及び第2発電部を含み、
前記酸素含有ガス供給部は、前記第1発電部に酸素含有ガスを供給する第1酸素含有ガス供給部、及び、前記第2発電部に酸素含有ガスを供給する第2酸素含有ガス供給部を含み、
前記制御部は、前記第1酸素含有ガス供給部及び前記第2酸素含有ガス供給部を制御する、発電装置。 A power generator according to any one of claims 1 to 9,
The power generation unit includes a first power generation unit and a second power generation unit,
The oxygen-containing gas supply unit includes: a first oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the first power generation unit; and a second oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the second power generation unit. Including
The control unit is a power generation device that controls the first oxygen-containing gas supply unit and the second oxygen-containing gas supply unit.
前記制御部は、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの流量を一定にしつつ、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に酸素含有ガスを供給する時間を制御する、発電装置。 A power generator according to any one of claims 1 to 10,
The control unit controls the time during which the oxygen-containing gas supply unit supplies the oxygen-containing gas to the power generation unit while keeping the flow rate of the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply unit to the power generation unit constant. Power generation device.
前記燃料電池において着火前に換気する際、前記発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、前記温度が前記所定範囲外にある場合とで、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が異なるように制御する、発電装置。 A control device that controls a power generation device including a power generation unit including a fuel cell and an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the power generation unit,
When ventilating before ignition in the fuel cell, when the temperature related to the power generation unit is within a predetermined range and when the temperature is outside the predetermined range, the oxygen-containing gas supply unit is the power generation unit The power generation device that controls the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the battery to be different.
前記燃料電池において着火前に換気する際、前記発電部に関連する温度が所定範囲内にある場合と、前記温度が前記所定範囲外にある場合とで、前記酸素含有ガス供給部が前記発電部に供給する酸素含有ガスの供給量が異なるように制御するステップ
を実行させる、制御プログラム。 A control device that controls a power generation device including a power generation unit including a fuel cell and an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the power generation unit,
When ventilating before ignition in the fuel cell, when the temperature related to the power generation unit is within a predetermined range and when the temperature is outside the predetermined range, the oxygen-containing gas supply unit is the power generation unit The control program which performs the step which controls so that the supply amount of the oxygen containing gas supplied to may differ.
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