JP5101360B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、原燃料を改質した改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system that generates power by oxidation and reduction of a reformed fuel gas and an oxidizing material obtained by reforming raw fuel.
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池セルを収納容器内に収納してなる固体酸化物型燃料電池が知られている。この固体酸化物型燃料電池セルでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の一方側には燃料ガスを酸化するための燃料電極が設けられ、その他方側には空気（酸化材）中の酸素を還元するための酸素電極が設けられている（例えば、特許文献１参照）。固体酸化物型燃料電池（セル）の作動温度は約７００〜１０００℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。 Conventionally, there is known a solid oxide fuel cell in which a solid oxide fuel cell using a solid electrolyte as a membrane for conducting oxide ions is accommodated in a storage container. In this solid oxide fuel cell, zirconia doped with yttria is generally used as a solid electrolyte, and a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte. An oxygen electrode for reducing oxygen in the air (oxidant) is provided on the side (see, for example, Patent Document 1). The operating temperature of a solid oxide fuel cell (cell) is relatively high at about 700 to 1000 ° C. Under such a high temperature, hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons in fuel gas and oxygen in the air are electrically connected. Electricity is generated by causing a chemical reaction.
近年、このような固体酸化物型燃料電池を用いた固体酸化物型燃料電池システムが注目されている。この固体酸化物型燃料電池システムでは、原燃料ガスを改質するための改質器が設けられている。この改質器には原燃料ガス及び水蒸気が供給され、原燃料ガスの一部と水蒸気とが改質反応して改質され、改質された改質燃料ガスが固体酸化物型燃料電池の燃料電極側に送給される。また、一般的に、固体酸化物型燃料電池は作動温度が高いと発電性能は向上するが、作動温度が高くなるに伴って劣化速度も増大する傾向にある。それ故に、固体酸化物型燃料電池の設定上限温度が設定されており、固体酸化物型燃料電池の温度がこの設定上限温度を超えると、酸素電極側に送給される空気の量を増大させることにより、固体酸化物型燃料電池が冷却されて設定上限温度を超える温度上昇が抑制される。 In recent years, attention has been paid to a solid oxide fuel cell system using such a solid oxide fuel cell. In this solid oxide fuel cell system, a reformer for reforming raw fuel gas is provided. The reformer is supplied with raw fuel gas and water vapor, a part of the raw fuel gas and water vapor are reformed and reformed, and the reformed reformed fuel gas is supplied to the solid oxide fuel cell. It is fed to the fuel electrode side. In general, the power generation performance of a solid oxide fuel cell is improved when the operating temperature is high, but the deterioration rate tends to increase as the operating temperature increases. Therefore, the set upper limit temperature of the solid oxide fuel cell is set, and when the temperature of the solid oxide fuel cell exceeds the set upper limit temperature, the amount of air supplied to the oxygen electrode side is increased. Thus, the solid oxide fuel cell is cooled, and the temperature rise exceeding the set upper limit temperature is suppressed.
しかしながら、上述のような従来の固体酸化物型燃料電池システムでは、改質器に供給する水蒸気として例えば水道水を用いる場合には、水道水を供給するための大がかりな水供給施設を設置することが必要となり、固体酸化物型燃料電池システムの構成が複雑化してしまうという問題がある。 However, in the conventional solid oxide fuel cell system as described above, when, for example, tap water is used as water vapor to be supplied to the reformer, a large water supply facility for supplying tap water should be installed. There is a problem that the configuration of the solid oxide fuel cell system becomes complicated.
本発明の目的は、構成の簡素化を図ることができる固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of simplifying the configuration.
本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、原燃料を水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、酸化材を前記固体酸化物型燃料電池に送給するための送風装置と、前記固体酸化物型燃料電池及び前記送風装置の動作を制御するための制御手段と、前記固体酸化物型燃料電池からの燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段と、凝縮回収された凝縮水を前記改質器に送給するための凝縮水送給手段と、を備え、
前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が設定上限温度を超えると、前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の周囲の環境パラメータに基づいて、前記凝縮回収手段により凝縮回収される凝縮水の量が前記改質器における原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定し、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いと判定したときには、前記送風装置の送風量を増大させて前記固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制し、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より少ないと判定したときには、前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を低下させて前記固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制することを特徴とする。
In a solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention, a reformer for steam reforming raw fuel, a reformed fuel gas reformed by the reformer, and an oxidizing material A solid oxide fuel cell that generates power by oxidation and reduction, a blower for supplying an oxidant to the solid oxide fuel cell, and controls the operations of the solid oxide fuel cell and the blower Control means for condensing, condensation recovery means for condensing and recovering water vapor contained in the combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell, and supplying condensed water recovered by condensation to the reformer A condensed water supply means for
When the operating temperature of the solid oxide fuel cell exceeds a set upper limit temperature, the control means condensate water condensed and recovered by the condensation recovery means based on an environmental parameter around the solid oxide fuel cell. Is determined to be greater than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel in the reformer, and the amount of condensed water collected and recovered is the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel. When it is determined that the amount is larger, the amount of air blown from the blower is increased to suppress the temperature rise of the solid oxide fuel cell, and the amount of condensed water collected and recovered is condensed water required for reforming the raw fuel. When it is determined that the amount of the solid oxide fuel cell is smaller, the power generation output of the solid oxide fuel cell is reduced to suppress the temperature rise of the solid oxide fuel cell.
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記環境パラメータは前記固体酸化物型燃料電池の周囲の環境温度であり、前記固体酸化物型燃料電池の周囲の環境温度を検知するための環境温度検知手段が設けられており、
前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が前記設定上限温度を超えると、前記制御手段は、前記環境温度検知手段により検知された検知環境温度と設定判定温度とを比較し、前記検知環境温度が前記設定判定温度よりも低いと、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量よりも多いと判定し、また前記検知環境温度が前記設定判定温度よりも高いと、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量よりも少ないと判定することを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the environmental parameter is an ambient temperature around the solid oxide fuel cell, and an environment around the solid oxide fuel cell. Environmental temperature detection means for detecting temperature is provided,
When the operating temperature of the solid oxide fuel cell exceeds the set upper limit temperature, the control means compares the detected environmental temperature detected by the environmental temperature detecting means with a set determination temperature, and the detected environmental temperature is When the temperature is lower than the set determination temperature, it is determined that the amount of condensed water to be condensed and recovered is larger than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel, and the detected environment temperature is higher than the set determination temperature. And determining that the amount of condensed water collected and recovered is less than the amount of condensed water required for reforming the raw fuel.
さらに、本発明の請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記環境パラメータと、原燃料の改質に必要な凝縮水の量に対する凝縮回収される凝縮水の量の過不足との関係を示す判定マップデータが記憶された記憶手段を有し、前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が前記設定上限温度を超えると、前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された判定マップデータに基づいて、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定することを特徴とする。 Furthermore, in the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the control means includes condensed water that is condensed and recovered with respect to the environmental parameter and the amount of condensed water required for reforming the raw fuel. A storage unit storing determination map data indicating a relationship between the amount of excess and deficiency, and when the operating temperature of the solid oxide fuel cell exceeds the set upper limit temperature, the control unit stores in the storage unit Based on the stored determination map data, it is determined whether or not the amount of condensed water to be condensed and recovered is larger than the amount of condensed water required for reforming the raw fuel.
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記凝縮回収手段は、前記固体酸化物型燃料電池からの燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する熱交換器と、凝縮された凝縮水を回収して貯めるための凝縮水回収タンクと、を備え、前記熱交換器において、貯湯タンクを通して循環される循環水と前記固体酸化物型燃料電池からの燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、
前記環境パラメータは、前記貯湯タンクを通して循環される循環水の温度、外気温度及び外気湿度のうち少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。
In the solid oxide fuel cell system according to
The environmental parameter includes at least one of a temperature of circulating water circulated through the hot water storage tank, an outside air temperature, and an outside air humidity.
本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、固体酸化物型燃料電池からの燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮回収し、凝縮回収された凝縮水を改質器に送給するので、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を改質器における水蒸気改質に利用することができる。従って、従来のように水道水などを供給するための大がかりな水供給施設の設置を省略することができ、システム内において凝縮回収された凝縮水を改質器に送給する凝縮水の自立運転を行うことができ、システムの構成の簡略化を図ることができる。また、制御手段は、環境パラメータに基づいて、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定し、その結果に基づき、送風装置の送風量もしくは固体酸化物型燃料電池の発電出力を制御するので、改質器へ送給される凝縮水の量を確保して凝縮水の自立運転を効率良く行うとともに、固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制することができる。 According to the solid oxide fuel cell system of claim 1 of the present invention, the water vapor contained in the combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell is condensed and recovered, and the condensed water recovered and condensed is used as a reformer. Since it is fed, the steam contained in the combustion exhaust gas can be used for steam reforming in the reformer. Therefore, the installation of a large-scale water supply facility for supplying tap water or the like as in the past can be omitted, and self-contained operation of condensed water that supplies condensed water collected and recovered in the system to the reformer It is possible to simplify the configuration of the system. Further, the control means determines whether or not the amount of condensed water to be condensed and recovered is larger than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel based on the environmental parameter, and based on the result, Since the amount of blown air or the power generation output of the solid oxide fuel cell is controlled, the amount of condensed water fed to the reformer is ensured and the self-supporting operation of the condensed water is efficiently performed, and the solid oxide fuel cell Temperature rise can be suppressed.
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、制御手段は、検知環境温度が設定判定温度よりも低いと、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量よりも多いと判定し、また検知環境温度が設定判定温度よりも高いと、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量よりも少ないと判定するので、改質に必要な凝縮水の量を確保しながら、固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制することができる。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, when the detected environmental temperature is lower than the set determination temperature, the control means reduces the amount of condensed water collected and recovered as the raw fuel. If it is determined that the amount of condensate required for reforming is greater than that and the detected environmental temperature is higher than the set judgment temperature, the amount of condensate collected and recovered is the amount of condensate required for reforming the raw fuel. Therefore, the temperature rise of the solid oxide fuel cell can be suppressed while securing the amount of condensed water necessary for reforming.
さらに、本発明の請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、制御手段は、判定マップデータに基づいて、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定するので、環境パラメータの種々の条件に対応して凝縮水の量の過不足を正確に判定することができ、凝縮水の自立運転をより効率良く行うことができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the control means requires the amount of condensed water condensed and recovered based on the determination map data to be necessary for reforming the raw fuel. Since it is determined whether or not the amount of condensed water is larger, it is possible to accurately determine whether the amount of condensed water is excessive or insufficient in accordance with various conditions of the environmental parameters, and to perform self-contained operation of condensed water more efficiently. be able to.
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、環境パラメータは、循環水の温度、外気温度及び外気湿度のうち少なくとも１つを含んでいるので、これら環境パラメータに基づいて、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いか否かをより正確に判定することができる。 According to the solid oxide fuel cell system of the fourth aspect of the present invention, the environmental parameter includes at least one of the temperature of the circulating water, the outside air temperature and the outside air humidity. Based on the above, it is possible to more accurately determine whether or not the amount of condensed water condensed and recovered is larger than the amount of condensed water required for reforming the raw fuel.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの一実施形態について説明する。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システムの構成を示すブロック図であり、図２は、図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図３は、図１の固体酸化物型燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャートであり、図４は、固体酸化物型燃料電池の発電出力と作動温度との関係を示す波形図であり、図５は、循環水の温度と燃焼排ガスの温度との関係を示す波形図であり、図６は、燃焼排ガスの温度と凝縮水の過不足量との関係を示す波形図である。 Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the solid oxide fuel cell system of FIG. 3 is a flowchart showing the control flow of the solid oxide fuel cell system of FIG. 1, and FIG. 4 is a waveform diagram showing the relationship between the power generation output and the operating temperature of the solid oxide fuel cell. FIG. 5 is a waveform diagram showing the relationship between the temperature of the circulating water and the temperature of the combustion exhaust gas, and FIG. 6 is a waveform diagram showing the relationship between the temperature of the combustion exhaust gas and the excess / deficiency of the condensed water.
図１及び図２を参照して、図示の固体酸化物型燃料電池システム２は、原燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池６と、空気を固体酸化物型燃料電池６に送給するための送風装置８と、固体酸化物型燃料電池６及び送風装置８の動作を制御するための制御手段１０と、を備えている。
1 and 2, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 includes a
固体酸化物型燃料電池６は、燃料電池本体１２と、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物型燃料電池セルを配列してなる燃料電池スタック１４とから構成されている。燃料電池本体１２は遮蔽壁１６を備え、遮蔽壁１６の内部には高温空間１８が規定されており、この高温空間１８に燃料電池スタック１４が配設されている。固体酸化物型燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質２０と、固体電解質２０の一方側に設けられた燃料電極（図示せず）と、固体電解質２０の他方側に設けられた酸素電極（図示せず）と、を備えており、固体電解質２０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。また、固体酸化物型燃料電池６（セル）の作動温度を検知するための作動温度検知手段２２と、固体酸化物型燃料電池６（セル）の発電出力を計測するための電力計測手段２４とが設けられている。
The solid
燃料電池スタック１４の燃料電極側２６の導入側は、改質燃料ガス送給ライン２８を介して改質器４に接続され、この改質器４は、原燃料ガス供給ライン３０を介して原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給源３２（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されている。原燃料ガス供給ライン３０には、原燃料ガスの供給量を制御するための流量制御弁３４が配設されている。また、燃料電池スタック１４の酸素電極側３６の導入側は、空気送給ライン３８を介して空気を予熱するための空気予熱器４０に接続され、この空気予熱器４０は、空気供給ライン４２を介して送風装置８に接続されている。
The introduction side of the
燃料電池スタック１４の燃料電極側２６及び酸素電極側３６の各排出側には燃焼室４４が設けられ、燃料電極側２６から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）と酸素電極側３６から排出された空気（酸素を含む）とがそれぞれこの燃焼室４４に送給されて燃焼される。この燃焼室４４は燃焼排ガス送給ライン４６を介して空気予熱器４０に接続され、この空気予熱器４０には燃焼排ガス排出ライン４８が接続されている。
A
更に、この固体酸化物型燃料電池システム２では、燃焼室４４からの燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段５０と、凝縮回収された凝縮水を改質器４に送給するための凝縮水送給手段５２と、を備えている。凝縮回収手段５０は、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮される熱交換器５４と、凝縮された凝縮水を回収して貯めるための凝縮水回収タンク５６と、を備えている。熱交換器５４は燃焼排ガス排出ライン４８に配設され、この熱交換器５４には凝縮水回収ライン５８を介して凝縮水回収タンク５６が接続されている。
Further, in this solid oxide fuel cell system 2, the condensation recovery means 50 for condensing and recovering water vapor contained in the combustion exhaust gas from the
また、熱交換器５４には貯湯タンク６４からの循環ライン６６が接続されており、この循環ライン６６には、貯湯タンク６４に貯められた水を循環ライン６６を通して循環させるための循環ポンプ６８と、循環ライン６６を通して循環される水（循環水）の温度を検知するための循環水温度検知手段７０とが配設されている。本実施形態では、固体酸化物型燃料電池６の周囲の環境パラメータとして、循環ライン６６を通して循環される循環水の温度が周囲の環境温度として用いられ、この循環水の温度を検知する循環水温度検知手段７０が環境温度検知手段を構成する。貯湯タンク６４は、固体酸化物型燃料電池６の稼動により発生した熱を温水として蓄熱するためのものである。貯湯タンク６４には水供給ライン７２が接続され、この水供給ライン７２には水（水道水）の供給を制御するための開閉弁７４が配設されている。貯湯タンク６４に貯められた温水は、温水給湯ライン７６を通して出湯される。なお、循環水温度検知手段７０は、熱交換器５４と貯湯タンク６４の間に接続されており、熱交換器５４の入口温度を測定するものとし、以下循環水の温度という場合には、熱交換器５４の入口温度を意味するものとする。
A
また、凝縮水送給手段５２は、凝縮水を改質器４に送給するための凝縮水送給ライン７８を備え、この凝縮水送給ライン７８には不純物除去手段６２及び送給ポンプ８０が配設されている。不純物除去手段６２は例えばイオン交換膜などから構成され、凝縮水に含まれる不純物を除去する。
The condensed water feeding means 52 includes a condensed
制御手段１０は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、作動制御手段８２、記憶手段８４及び判定手段８６を含んでいる。作動制御手段８２は、後述するようにして固体酸化物型燃料電池６や送風装置８などの動作を制御する。記憶手段８４には、固体酸化物型燃料電池６の作動温度の上限温度、即ち設定上限温度に関する設定上限温度データ（例えば、約８００℃）と、固体酸化物型燃料電池６の上限発電出力、即ち定格発電出力に関する定格発電出力データ（例えば、１ｋＷ）と、後述するように凝縮回収される凝縮水の量の過不足を判定する際に用いられる設定判定温度データ（例えば、約３０℃）とが記憶されている。判定手段８６は、循環水温度検知手段７０により検知された検知循環水温度（検知環境温度を構成する）と記憶手段８４に記憶された設定判定温度とを比較し、その比較結果に基づき、凝縮回収される凝縮水の量が改質器４における原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを後述するようにして判定する。
The control means 10 is composed of, for example, a microprocessor and includes an operation control means 82, a storage means 84, and a determination means 86. The operation control means 82 controls the operations of the solid
この固体酸化物型燃料電池システム２の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源３２からの原燃料ガスは、原燃料ガス供給ライン３０を通して後述する凝縮水とともに改質器４に供給される。改質器４においては、原燃料ガスの一部と水（凝縮水）とが改質反応して改質され、このように改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン２８を通して燃料電池スタック１４の燃料電極側２６に送給される。また、送風装置８からの空気は、空気供給ライン４２を通して空気予熱器４０に供給され、この空気予熱器４０において燃焼排ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン３８を通して燃料電池スタック１４の酸素電極側３６に送給される。
The operation of the solid oxide fuel cell system 2 is performed as follows. The raw fuel gas from the raw fuel
燃料電池スタック１４の燃料電極側２６は改質された改質燃料ガスを酸化し、またその酸素電極側３６は空気中の酸素を還元し、燃料電極側２６の酸化及び酸素電極側３６の還元による電気化学反応により発電が行われる。作動制御手段８２により流量制御弁３４の開度が調節されることにより、固体酸化物型燃料電池６の発電出力は例えば定格発電出力に設定される。固体酸化物型燃料電池６における電気化学反応は約７００〜１０００℃の高温状態で行われ、燃料電池スタック１４の発電効率や寿命などを考慮して、固体酸化物型燃料電池６の作動温度の上限、即ち設定上限温度は例えば約８００℃に設定される。
The
燃料電極側２６からの反応燃料ガス及び酸素電極側３６からの空気はそれぞれ燃焼室４４に送給され、空気中の酸素を利用して余剰の燃料ガスが燃焼される。燃焼室４４からの燃焼排ガスは燃焼排ガス送給ライン４６を通して空気予熱器４０に送給され、この空気予熱器４０において送風装置８からの空気との熱交換に利用されて燃焼排ガス排出ライン４８を通して熱交換器５４に送給される。熱交換器５４においては、貯湯タンク６４から循環ライン６６を通して送給される水と燃焼排ガス排出ライン４８を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換により加温された水（温水）は、循環ポンプ６８の作用によって循環ライン６６を通して貯湯タンク６４に貯められる。また、熱交換により燃焼排ガスの温度が露点まで低下されることによって、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮回収されて凝縮水回収ライン５８を通して凝縮水回収タンク５６に貯められ、凝縮回収後の燃焼排ガスは燃焼排ガス排出ライン４８を通して大気に排出される。凝縮水回収タンク５６に貯められた凝縮水は、凝縮水送給ライン７８を通して不純物除去手段６２に送給され、この不純物除去手段６２によって凝縮水に含まれる不純物が除去される。不純物が除去された後の凝縮水は、送給ポンプ８０の作用によって凝縮水送給ライン７８を通して改質器４に送給され、このようにして凝縮水の自立運転が行われる。
The reaction fuel gas from the
次に、図４〜図６をも参照して、判定手段８６による原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量に対する凝縮回収される凝縮水の量の過不足の判定について説明する。
図４において、波形ａは、劣化する前の固体酸化物型燃料電池６の発電出力と作動温度との関係を示す波形であり、波形ｂ，ｃはそれぞれ、送風装置８の送風量の増大前及び増大後における劣化した後の固体酸化物型燃料電池６の発電出力と作動温度との関係を示す波形である。また、図５において、波形ｄは、劣化する前の固体酸化物型燃料電池６において、循環水の温度と燃焼排ガスの温度との関係を示す波形であり、波形ｅ，ｆはそれぞれ、劣化した後の固体酸化物型燃料電池６において、送風装置８の送風量の増大前及び増大後における循環水の温度と燃焼排ガスの温度との関係を示す波形である。また、図６において、波形ｇ，ｈはそれぞれ、送風装置８の送風量の増大前及び増大後における燃焼排ガスの温度と凝縮水の過不足量との関係を示す波形である。
Next, with reference to FIG. 4 to FIG. 6 as well, determination of whether the amount of condensed water condensed and recovered with respect to the amount of condensed water required for reforming the raw fuel gas by the determining
In FIG. 4, a waveform “a” is a waveform showing a relationship between the power generation output of the solid
一般に、固体酸化物型燃料電池６の劣化が進行すると、劣化による発熱が増大し、固体酸化物型燃料電池６の作動温度が上昇する。例えば、図４において、固体酸化物型燃料電池６の劣化前においては、発電出力が定格発電出力（発電出力１００％）であるときの作動温度は波形ａに示されるように約８００℃（設定上限温度）であるが、固体酸化物型燃料電池６の劣化が進行すると、発電出力が定格発電出力であるときの作動温度は波形ｂに示されるように設定上限温度を超えるようになる。このような設定上限温度を超える温度上昇を抑えるために、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム２では、固体酸化物型燃料電池６の作動温度が設定上限温度を超えると、送風装置８の送風量を増大させる又は固体酸化物型燃料電池６の発電出力を低下させることにより、固体酸化物型燃料電池６の温度上昇を抑えている。
In general, as the deterioration of the solid
図５に示すように、固体酸化物型燃料電池６の周囲の環境温度、本実施形態では循環ライン６６を通して循環される循環水の温度が高いときには、熱交換器５４における熱交換効率が低下するために、燃焼排ガスの温度が上昇する傾向にある。このように燃焼排ガスの温度が上昇すると、熱交換器５４における熱交換において燃焼排ガスの温度が露点まで低下し難くなり、それ故に、図６中の波形ｇに示すように、凝縮回収される凝縮水の量が少なくなる傾向にある。上述したことを考慮して設定判定温度が設定され、循環ライン６６を通して循環される循環水の温度が高いとき、即ち、循環水温度検知手段７０により検知された検知循環水温度が設定判定温度を超えるときには、判定手段８６は、凝縮回収される凝縮水の量が改質器４における原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より少ないと判定する。
As shown in FIG. 5, when the ambient temperature around the solid
固体酸化物型燃料電池６の作動温度を低下させる場合、送風装置８の送風量を増大させて図４中の矢印Ｑで示すように作動温度を低下させる方法と、固体酸化物型燃料電池６の発電出力を低下させて図４中の矢印Ｐで示すように作動温度を低下させる方法とが存在するが、上述のように循環水の温度が高いときに送風装置８の送風量を増大させると、図５中の波形ｆに示されるように、燃焼排ガスの流量が増大されて熱交換器５４における熱交換効率が低下することによって、燃焼排ガスの温度が更に上昇されるとともに、図６中の波形ｈに示されるように、燃焼排ガスの露点が低下する。それ故に、燃焼排ガスの温度を充分に低下させることができず、凝縮水の量が更に少なくなる結果となる。従って、かかる場合には、図４中の矢印Ｐで示すように、固体酸化物型燃料電池６の発電出力を低下させるようにし、これにより、改質器４へ送給される凝縮水の量を確保しながら、固体酸化物型燃料電池６の作動温度を低下させることができる。
When lowering the operating temperature of the solid
一方、図５に示すように、循環ライン６６を通して循環される循環水の温度が低いときには、熱交換器５４における熱交換効率が高くなるために、燃焼排ガスの温度も低くなる。このように燃焼排ガスの温度が低いと、熱交換器５４における熱交換により燃焼排ガスの温度が露点まで低下し易くなり、それ故に、凝縮回収される凝縮水の量が多くなる傾向にある（図６参照）。従って、循環ライン６６を通して循環される循環水の温度が低いとき、即ち、循環水温度検知手段７０により検知された検知循環水温度が設定判定温度より低いときには、判定手段８６は、凝縮回収される凝縮水の量が改質器４における原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いと判定する。かかる場合には、送風装置８の送風量を増大させたとしても凝縮水の量が不足することがなく、それ故に、図４中の矢印Ｑで示すように、送風装置８の送風量を増大させるようにし、これにより改質器４へ送給される凝縮水の量を確保しながら、固体酸化物型燃料電池６の作動温度を低下させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 5, when the temperature of the circulating water circulated through the
図３をも参照して、固体酸化物型燃料電池システム２の制御の流れについて説明すると、次の通りである。固体酸化物型燃料電池システム２が稼働されると（ステップＳ１）、作動温度検知手段２２は固体酸化物型燃料電池６の作動温度を検知し（ステップＳ２）、また循環水温度検知手段７０は循環ライン６６を通して循環される循環水の温度を検知する（ステップＳ３）。
The control flow of the solid oxide fuel cell system 2 will be described with reference to FIG. When the solid oxide fuel cell system 2 is operated (step S1), the operating
作動温度検知手段２２により検知された検知作動温度が設定上限温度を超えると、ステップＳ４からステップＳ５に進み、判定手段８６は、循環水温度検知手段７０により検知された検知循環水温度と記憶手段８４に記憶された設定判定温度とを比較し、その比較結果に基づいて、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定する。
When the detected operating temperature detected by the operating
検知循環水温度が設定判定温度よりも低いときには、ステップＳ５からステップＳ６に進み、判定手段８６は、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いと判定する。このように判定されると、作動制御手段８２は送風装置８の送風量を増大させ（ステップＳ７）、これにより空気供給ライン４２を通して燃料電池スタック１４に送給される空気の量が増大され、固体酸化物型燃料電池６が冷却されて設定上限温度を超える温度上昇が抑えられる（ステップＳ８）。固体酸化物型燃料電池６の作動温度が所定温度まで低下されると、作動制御手段８２は送風装置８の送風量を元に戻し、ステップＳ２に戻る。
When the detected circulating water temperature is lower than the set determination temperature, the process proceeds from step S5 to step S6, and the
また、検知循環水温度が設定判定温度よりも高いときには、ステップＳ５からステップＳ９に進み、判定手段８６は、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より少ないと判定する。このように判定されると、作動制御手段８２は固体酸化物型燃料電池６の発電出力を低下させ（ステップＳ１０）、これに伴って固体酸化物型燃料電池６の作動温度が低下されて設定上限温度を超える温度上昇が抑えられる（ステップＳ８）。固体酸化物型燃料電池６の作動温度が所定温度まで低下されると、作動制御手段８２は固体酸化物型燃料電池６の発電出力を元に戻し、ステップＳ２に戻る。なお、循環水温度の設定判定温度としては、例えば３０℃とすることができる。
When the detected circulating water temperature is higher than the set determination temperature, the process proceeds from step S5 to step S9, and the
本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム２では、固体酸化物型燃料電池６からの燃焼排ガスに含まれる水蒸気（燃料電池反応によって生成される水）を凝縮回収し、凝縮回収された凝縮水を改質器４に送給するので、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を改質器４における水蒸気改質に利用することができる。従って、従来のように水道水などを供給するための大がかりな水供給施設を省略することができ、固体酸化物型燃料電池システム２内において凝縮回収された凝縮水を改質器に送給する凝縮水の自立運転を行うことができ、固体酸化物型燃料電池システム２の構成の簡略化を図ることができる。また、制御手段１０は、環境パラメータ（本実施形態では、循環ライン６６を通して循環される循環水の温度）に基づいて凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定するので、改質器４へ送給される凝縮水の量を確保しながら固体酸化物型燃料電池６の温度上昇を抑制することができ、凝縮水の自立運転を効率良く行うことができるとともに、固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制することができる。
In the solid oxide fuel cell system 2 of the present embodiment, water vapor (water generated by the fuel cell reaction) contained in the combustion exhaust gas from the solid
なお、本実施形態では、環境パラメータとしての環境温度を用い、その環境温度として循環ライン６６を通して循環される循環水の温度を採用したが、例えば貯湯タンク６４などを省略した場合には、環境パラメータとして、例えば外気温度や外気湿度を採用することもできる。かかる場合には、外気温度を検知するための外気温度検知手段や外気湿度を検知するための外気湿度検知手段を設けるようにし、この外気温度検知手段や外気湿度検知手段が環境パラメータの検知手段として機能する。
In this embodiment, the environmental temperature is used as the environmental parameter, and the temperature of the circulating water circulated through the
次に、図７及び図８を参照して、固体酸化物型燃料電池システムの他の実施形態について説明する。図７は、本発明の他の実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図８は、図７の固体酸化物型燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャートである。なお、図７及び図８において、図１〜図３に示す実施形態と実質上同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。 Next, another embodiment of the solid oxide fuel cell system will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a block diagram showing a control system of a solid oxide fuel cell system according to another embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a flowchart showing a control flow of the solid oxide fuel cell system of FIG. It is. 7 and 8, components that are substantially the same as those of the embodiment illustrated in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
この他の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム２Ａでは、循環ライン（図示せず）を通して循環される循環水の温度を検知するための循環水温度検知手段７０と、外気温度を検知するための外気温度検知手段８８と、外気湿度を検知するための外気湿度検知手段９０とが設けられており、環境パラメータとして循環水温度、外気温度及び外気湿度が採用される。制御手段１０Ａの記憶手段８４Ａには、循環水温度、外気温度及び外気湿度と、原燃料の改質に必要な凝縮水の量に対する凝縮回収される凝縮水の量の過不足との関係を示す判定マップデータが記憶されている。この判定マップデータには、循環水温度、外気温度及び外気湿度の種々の条件に対応して、原燃料の改質に必要な凝縮水の量に対する凝縮回収される凝縮水の量の過不足に関する判定データが予め記憶されている。
In the solid oxide
例えば、外気温度が２５℃、外気湿度が６０％であるときにおいて、循環水温度が３０℃よりも低いときには、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いという判定データが記憶され、また循環水温度が３０℃を超えるときには、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より少ないという判定データが記憶されている。また、例えば、循環水温度が３０℃、外気湿度が６０％であるときにおいて、外気温度が２５℃よりも低いときには、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いという判定データが記憶され、また外気温度が２５℃を超えるときには、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より少ないという判定データが記憶されている。また、例えば、循環水温度が３０℃、外気温度が２５℃であるときにおいて、外気湿度が６０％を超えるときには、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いという判定データが記憶され、また外気湿度が６０％よりも低いときには、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より少ないという判定データが記憶されている。 For example, when the outside air temperature is 25 ° C. and the outside air humidity is 60%, when the circulating water temperature is lower than 30 ° C., the amount of condensed water collected and recovered is the condensed water required for reforming the raw fuel gas. The determination data that the amount is larger than the amount is stored, and when the circulating water temperature exceeds 30 ° C., the determination data that the amount of condensed water that is condensed and recovered is smaller than the amount of condensed water required for reforming the raw fuel gas is stored. Has been. Further, for example, when the circulating water temperature is 30 ° C. and the outside air humidity is 60%, when the outside air temperature is lower than 25 ° C., the amount of condensed water that is condensed and recovered is the condensation required for reforming the raw fuel gas. The determination data that the amount of water is larger than the amount of water is stored, and when the outside air temperature exceeds 25 ° C., the determination data that the amount of condensed water that is condensed and recovered is smaller than the amount of condensed water required for reforming the raw fuel gas is stored. It is remembered. For example, when the circulating water temperature is 30 ° C. and the outside air temperature is 25 ° C., and the outside air humidity exceeds 60%, the amount of condensed water that is condensed and recovered is the condensed water required for reforming the raw fuel gas. Is stored, and when the outside air humidity is lower than 60%, the determination data indicates that the amount of condensed water to be condensed and recovered is less than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel gas. It is remembered.
図８を参照して、固体酸化物型燃料電池システム２Ａの制御の流れについて説明すると、次の通りである。上述した実施形態と同様に、ステップＳ２１，Ｓ２２が行われ、循環水温度検知手段７０は循環ラインを通して循環される循環水の温度を検知し（ステップＳ２３）、外気温度検知手段８８は外気温度を検知し（ステップＳ２４）、また外気湿度検知手段９０は外気湿度を検知する（ステップＳ２５）。固体酸化物型燃料電池６の作動温度が設定上限温度を超えると、ステップＳ２６からステップＳ２７に進み、判定手段８６Ａは、記憶手段８４Ａに記憶された判定マップデータを読み出し、この判定マップデータと検知循環水温度、検知外気温度及び検知外気湿度とに基づいて、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定する。
The control flow of the solid oxide
凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より多いと判定したときには、ステップＳ２８からステップＳ２９に進み、送風装置８の送風量を増大させ、固体酸化物型燃料電池６の作動温度が所定温度まで低下されると（ステップＳ３０）、作動制御手段８２は送風装置８の送風量を元に戻し、ステップＳ２２に戻る。また、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量より少ないと判定したときには、ステップＳ２８からステップＳ３１に進み、固体酸化物型燃料電池６の発電出力を低下させ、固体酸化物型燃料電池６の作動温度が所定温度まで低下される（ステップＳ３０）と、作動制御手段８２は固体酸化物型燃料電池６の発電出力を元に戻し、ステップＳ２２に戻る。
When it is determined that the amount of condensed water to be condensed and recovered is larger than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel gas, the process proceeds from step S28 to step S29 to increase the amount of air blown from the
この他の実施形態の固体酸化物型燃料電池システム２Ａでは、循環水温度、外気温度及び外気湿度の種々の条件に対応して、原燃料ガスの改質に必要な凝縮水の量に対する凝縮回収される凝縮水の量の過不足をより正確に判定することができ、凝縮水の自立運転をより効率良く行うことができるとともに、固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制することができる。
In the solid oxide
なお、この他の実施形態では、環境パラメータとして循環水温度、外気温度及び外気湿度を採用したが、これらのうち適宜の２つを採用してもよく、あるいはこれらに他の環境パラメータを加えて４つ以上の環境パラメータを採用してもよい。 In this other embodiment, the circulating water temperature, the outside air temperature, and the outside air humidity are adopted as the environmental parameters. However, any two of these may be adopted, or other environmental parameters may be added to these. Four or more environmental parameters may be employed.
以上、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。 Although various embodiments of the solid oxide fuel cell system according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible.
２，２Ａ 固体酸化物型燃料電池システム
４ 改質器
６ 固体酸化物型燃料電池
８ 送風装置
１０，１０Ａ 制御手段
５０ 凝縮回収手段
５２ 凝縮水送給手段
５４ 熱交換器
５６ 凝縮水回収タンク
６４ 貯湯タンク
７０ 循環水温度検知手段
８４，８４Ａ 記憶手段
2,2A Solid oxide
Claims (4)
前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が設定上限温度を超えると、前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の周囲の環境パラメータに基づいて、前記凝縮回収手段により凝縮回収される凝縮水の量が前記改質器における原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いか否かを判定し、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より多いと判定したときには、前記送風装置の送風量を増大させて前記固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制し、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量より少ないと判定したときには、前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を低下させて前記固体酸化物型燃料電池の温度上昇を抑制することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。 A reformer for steam reforming the raw fuel, a solid oxide fuel cell that generates power by oxidation and reduction of the reformed fuel gas and the oxidant reformed in the reformer, and an oxidant Blower for feeding to the solid oxide fuel cell, control means for controlling the operation of the solid oxide fuel cell and the blower, and combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell A condensing and collecting means for condensing and collecting the water vapor contained in the water, and a condensed water feeding means for feeding the condensed and collected condensed water to the reformer,
When the operating temperature of the solid oxide fuel cell exceeds a set upper limit temperature, the control means condensate water condensed and recovered by the condensation recovery means based on an environmental parameter around the solid oxide fuel cell. Is determined to be greater than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel in the reformer, and the amount of condensed water collected and recovered is the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel. When it is determined that the amount is larger, the amount of air blown from the blower is increased to suppress the temperature rise of the solid oxide fuel cell, and the amount of condensed water collected and recovered is condensed water required for reforming the raw fuel. When it is determined that the amount of the solid oxide fuel cell is smaller, the power generation output of the solid oxide fuel cell is reduced to suppress the temperature rise of the solid oxide fuel cell.
前記固体酸化物型燃料電池の作動温度が前記設定上限温度を超えると、前記制御手段は、前記環境温度検知手段により検知された検知環境温度と設定判定温度とを比較し、前記検知環境温度が前記設定判定温度よりも低いと、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量よりも多いと判定し、また前記検知環境温度が前記設定判定温度よりも高いと、凝縮回収される凝縮水の量が原燃料の改質に必要な凝縮水の量よりも少ないと判定することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。 The environmental parameter is an ambient temperature around the solid oxide fuel cell, and an ambient temperature detecting means for detecting the ambient temperature around the solid oxide fuel cell is provided,
When the operating temperature of the solid oxide fuel cell exceeds the set upper limit temperature, the control means compares the detected environmental temperature detected by the environmental temperature detecting means with a set determination temperature, and the detected environmental temperature is When the temperature is lower than the set determination temperature, it is determined that the amount of condensed water to be condensed and recovered is larger than the amount of condensed water necessary for reforming the raw fuel, and the detected environment temperature is higher than the set determination temperature. 2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of condensed water condensed and recovered is determined to be smaller than the amount of condensed water required for reforming the raw fuel.
前記環境パラメータは、前記貯湯タンクを通して循環される循環水の温度、外気温度及び外気湿度のうち少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システム。 The condensation recovery means comprises a heat exchanger for condensing water vapor contained in the combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell, and a condensed water recovery tank for recovering and storing condensed condensed water, In the heat exchanger, heat exchange is performed between the circulating water circulated through the hot water storage tank and the combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell,
4. The solid oxide fuel cell system according to claim 3, wherein the environmental parameter includes at least one of a temperature of circulating water circulated through the hot water storage tank, an outside air temperature, and an outside air humidity.
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