JP5618070B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に係わり、特に、起動中における改質器等の過昇温を防止する固体酸化物形燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device that prevents excessive temperature rise of a reformer or the like during startup.
従来、固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)は、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質反応工程(POX工程)、オートサーマル改質反応工程(ATR工程)、水蒸気改質反応工程(SR工程)を経て、発電工程へ移行するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a solid oxide fuel cell device (SOFC) has a plurality of processes for reforming a fuel gas in a reformer in a start-up process, that is, a partial oxidation reforming reaction process (POX process), an autothermal reforming reaction. A process (ATR process) and a steam reforming reaction process (SR process) are performed to shift to a power generation process (see, for example, Patent Document 1).
SOFCでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。
また、SOFCは、動作温度が600〜800℃と高温であり、燃料電池モジュール収納室周囲に蓄熱材が配置されている。したがって、この蓄熱材は、動作中に多量の熱量を保持し、動作中の熱効率を向上させることができる。
In SOFC, the reformer, the fuel cell stack, and the like disposed in the fuel cell module storage chamber can be heated to the operating temperature by sequentially executing these steps.
The SOFC has a high operating temperature of 600 to 800 ° C., and a heat storage material is disposed around the fuel cell module storage chamber. Therefore, this heat storage material can maintain a large amount of heat during operation and improve the thermal efficiency during operation.
しかしながら、動作中であったSOFCを一旦停止動作に移行させた後、再起動させる場合、上述のように蓄熱材には多量の熱量が蓄えられているため、通常の起動工程で起動させると、改質器や燃料電池セルスタックの温度が上昇し過ぎてしまうという問題があった。 However, when the SOFC that was in operation was once moved to the stop operation and then restarted, a large amount of heat is stored in the heat storage material as described above. There was a problem that the temperature of the reformer and the fuel cell stack would rise too much.
例えば、通常の起動動作中において、改質器内での改質反応工程のうち、発熱反応であるPOX工程で発生した熱は、改質器自体を昇温させるが、改質器外の構成部材である蓄熱材等をも昇温させる。 For example, during normal startup operation, heat generated in the POX process, which is an exothermic reaction among the reforming reaction processes in the reformer, raises the temperature of the reformer itself, but the configuration outside the reformer The temperature of the heat storage material as a member is also raised.
これに対して、再起動動作中には、改質器外の構成部材が既にある程度の温度まで昇温されており、また、蓄熱材が多量の熱量を保持しているため、POX工程で発生した熱が、主に改質器を昇温するために用いられる。その結果、再起動動作中には、改質器が、通常の起動動作中よりも大きな昇温速度で昇温し、所定の動作温度を超えた状態となる過昇温が引き起こされるおそれがあった。そして、この過昇温により改質器が劣化したり破損したりするおそれがあった。 On the other hand, during the restarting operation, the components outside the reformer have already been heated to a certain temperature, and the heat storage material holds a large amount of heat. The generated heat is mainly used to raise the temperature of the reformer. As a result, during the restart operation, the reformer may be heated at a higher temperature increase rate than during the normal start-up operation, which may cause an excessive temperature increase that exceeds the predetermined operating temperature. It was. And there existed a possibility that a reformer might deteriorate or be damaged by this excessive temperature rise.
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、起動工程において、燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止する固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell device that prevents the temperature in the fuel cell module from rising excessively in the startup process. It is said.
上記の目的を達成するために、本発明は、固体酸化物形燃料電池装置において、複数の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックと、燃料電池セルに供給する燃料ガスを改質する改質器と、燃料電池セルを通過した余剰の燃焼ガス又は改質された燃焼ガスを燃焼させることにより発生する排気ガスによって改質器及びセルスタックを加熱する燃焼部と、セルスタックの温度及び改質器の温度をそれぞれ検出する温度検出器と、セルスタック及び改質器を収納するモジュール収納室と、モジュール収納室の周囲に配置された蓄熱手段と、燃料電池装置の起動中に蓄熱手段が蓄積している熱量によって改質器及び/又はセルスタックの昇温が助長される状態である昇温助長状態であるか否かを判定する判定手段と、燃料電池装置の起動を制御する制御手段と、を備えており、制御手段は、燃料電池装置の起動工程において、セルスタックの温度及び改質器の温度に基づいて、改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、改質器で行われる燃料ガス改質反応工程において、発熱反応である部分酸化改質反応を生じる工程から水蒸気改質反応を生じるSR工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程においてセルスタックの温度及び改質器の温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、判定手段は、セルスタックの温度及び改質器の温度の一方が、工程の移行時において設定された移行条件の温度よりも高い温度に設定されている第1の所定温度以上であるか、セルスタック及び改質器の温度上昇速度が所定の温度上昇速度よりも速く、所定期間内に所定の強制移行温度に到達した場合に、昇温助長状態であると判断するように構成されており、判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、制御手段は、移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、移行条件を緩和することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a cell stack formed by combining a plurality of fuel cells and a reformer for reforming a fuel gas supplied to the fuel cells in a solid oxide fuel cell device. A combustion section that heats the reformer and the cell stack with exhaust gas generated by burning surplus combustion gas or reformed combustion gas that has passed through the fuel cell, and the temperature of the cell stack and the reformer A temperature detector for detecting the temperature of the fuel cell, a module storage chamber for storing the cell stack and the reformer, a heat storage means disposed around the module storage chamber, and the heat storage means accumulated during startup of the fuel cell device. A determination means for determining whether or not the temperature rise assisting state is a state in which the temperature rise of the reformer and / or the cell stack is promoted by the amount of heat, and the start of the fuel cell device is controlled Control means, and in the start-up process of the fuel cell device, the control means, based on the temperature of the cell stack and the temperature of the reformer, the fuel gas, the oxidant gas, the steam supplied to the reformer In the fuel gas reforming reaction process performed in the reformer, the process of generating the partial oxidation reforming reaction that is an exothermic reaction is shifted to the SR process that generates the steam reforming reaction, and then the power generation process It is shifted to, when the temperature of the temperature and the reformer of the cell stack satisfies a set transition condition for each in each step, which is configured to control so as to shift to the next step, determination The means is that one of the temperature of the cell stack and the temperature of the reformer is equal to or higher than a first predetermined temperature set to a temperature higher than the temperature of the transition condition set at the time of the process transition, or the cell stack Rate of temperature increase of the fine reformer faster than a predetermined rate of temperature rise, when it reaches the predetermined force transition temperature within a predetermined time period, which is configured to determine that the Atsushi Nobori conducive state, determination When it is determined that the means is in the temperature rising assisting state, the control means is characterized in that the transition condition is relaxed so that the transition to the next process is performed early even if the transition condition is not satisfied.
蓄熱手段に残存熱量が所定以上ある状況において燃料電池装置を起動する際、例えば、改質器内での部分酸化改質反応で生じた発生熱が蓄熱手段に奪われ難くなる。このため、特に、部分酸化改質反応が行われるPOX工程やATR工程において、改質器の温度上昇速度が大きくなり、通常の起動時と比べて改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きくなる。 When the fuel cell device is started in a situation where the heat storage means has a residual heat quantity equal to or greater than a predetermined amount, for example, the heat generated by the partial oxidation reforming reaction in the reformer is not easily taken away by the heat storage means. For this reason, in particular, in the POX process and ATR process in which the partial oxidation reforming reaction is performed, the temperature rise rate of the reformer increases, and the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature compared to normal startup. Becomes larger.
このような場合に通常起動時と同じ方法及び移行条件で起動を行うと、セルスタック温度の上昇を待っていると、改質器の温度が上昇し過ぎてしまい、例えば改質器の温度が異常判定温度以上に過昇温し、改質器の劣化・損傷が生じるおそれがあった。また、逆に、残存熱量の影響によって、セルスタック温度が上昇し過ぎることにより、燃料電池セルスタックに劣化が生じるおそれがあった。 In such a case, if startup is performed with the same method and transition conditions as in normal startup, the temperature of the reformer will rise excessively while waiting for the cell stack temperature to rise. There was a possibility that the reformer deteriorated or damaged due to excessive temperature rise above the abnormality determination temperature. On the other hand, if the cell stack temperature rises too much due to the influence of the residual heat amount, the fuel cell stack may be deteriorated.
本発明によれば、判定手段により、改質器及び/又はセルスタックが燃料電池装置の起動中に蓄熱手段が蓄積している残存熱量によって昇温される状態である昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であることが推定された場合は、各工程間での移行条件を緩和することにより、早めに次工程へ移行することで、改質器又はセルスタックの温度が上昇し過ぎること、すなわち過昇温を防止することができる。 According to the present invention, whether the reformer and / or the cell stack is in the temperature-enhancement promoting state in which the temperature is increased by the remaining heat amount accumulated in the heat storage unit during startup of the fuel cell device is determined by the determination unit. If it is estimated that it is in the temperature-enhancement promoting state, the transition condition between each process is relaxed, so that the process proceeds to the next process as soon as possible. It is possible to prevent the temperature from rising excessively, that is, overheating.
本発明において、好ましくは、制御手段は、判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、改質器の温度及びセルスタックの温度の少なくとも一方が移行条件を満たしていない場合であっても次工程に移行する。
このように構成された本発明によれば、昇温助長状態であると推定される場合には、改質器の温度及びセルスタックの温度の少なくとも一方が工程間の移行温度条件を満たさない低温の時点で早めに移行するため、改質器の温度及びセルスタックの温度のうち、移行条件を満たしていない温度の上昇を待つ間に、移行条件を満たしている温度が上昇し過ぎてしまうことを防止し、過昇温の発生を確実に防止することができる。また、昇温助長状態であるので、燃料電池モジュール内の残存熱量が、次工程以降において移行条件を満たしていない温度の不足分を補うことができる。これにより、次工程以降において温度上昇不足を補償することができる。
In the present invention, preferably, the control means determines that the determination means is in the temperature-enhancement promoting state, even if at least one of the reformer temperature and the cell stack temperature does not satisfy the transition condition. Move to next process.
According to the present invention configured as described above, when it is estimated that the temperature increase is in an accelerated state, at least one of the temperature of the reformer and the temperature of the cell stack does not satisfy the transition temperature condition between the processes. Therefore, the temperature that satisfies the transition condition may rise too much while waiting for the temperature of the reformer and cell stack to rise without satisfying the transition condition. It is possible to prevent occurrence of excessive temperature rise with certainty. In addition, since the temperature increase is in a promoted state, the residual heat amount in the fuel cell module can compensate for a shortage of temperature that does not satisfy the transition condition in the subsequent steps. Thereby, it is possible to compensate for an insufficient temperature rise in the subsequent steps.
本発明において、好ましくは、判定手段は、少なくとも1つの工程から次工程への移行時において改質器の温度が改質器の移行条件の温度よりも高い温度に設定されている第1の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、制御手段は、セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても次工程へ移行させる。 In the present invention, it is preferable that the determination means is a first predetermined unit in which the temperature of the reformer is set to a temperature higher than the temperature of the transition condition of the reformer at the time of transition from at least one process to the next process. If the temperature is equal to or higher than the temperature, it is determined that the temperature increase is in an encouraging state, and based on this determination, the control means performs the next step even when the temperature of the cell stack does not satisfy the transfer condition for transferring to the next process. Move to process.
再起動時には、POX工程及びATR工程における部分酸化改質反応による発生熱が、残存熱量の存在によって蓄熱手段に奪われ難いため、起動工程における改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇より速くなる。よって、セルスタック温度が移行条件を満たすまで待つと、改質器が過昇温してしまうおそれがある。このため、本発明では、改質器温度が強制移行温度に到達した場合には、セルスタック温度が移行条件を満足するのを待つことなく早めに次工程へ移行することにより、改質器の過昇温を防止することができる。 At the time of restart, the heat generated by the partial oxidation reforming reaction in the POX process and the ATR process is not easily deprived by the heat storage means due to the presence of the residual heat quantity, so the rate of increase in the reformer temperature in the start-up process is higher than the increase in cell stack temperature. Get faster. Therefore, if the cell stack temperature waits until the transition condition is satisfied, the reformer may overheat. For this reason, in the present invention, when the reformer temperature reaches the forced transition temperature, the process proceeds to the next step as soon as possible without waiting for the cell stack temperature to satisfy the transition condition. Overheating can be prevented.
また、このように構成された本発明によれば、セルスタック温度が未だ移行条件の温度よりも低い状態であるにもかかわらず、改質器温度が移行条件の温度を超えて高温状態(すなわち、第1の所定温度である強制移行温度)に達している場合には、スタック温度の上昇をこれ以上待つべきではなく、残存熱量が大きい昇温助長状態であるとの判断を誤りなく行うことができる。 Further , according to the present invention configured as described above, the reformer temperature exceeds the transition condition temperature and is in a high temperature state (i.e., the cell stack temperature is still lower than the transition condition temperature). When the temperature reaches the first predetermined temperature (forced transition temperature), the stack temperature should not rise any longer, and it is determined without error that the remaining heat amount is in a temperature rising promotion state. Can do.
本発明において、好ましくは、判定手段は、SR工程において、改質器の温度が第1の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、制御手段は、セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても発電工程へ移行させ、第1の所定温度は、改質器の発電工程への移行条件の温度よりも高く、且つ、改質器の異常判定温度である第2の所定温度よりも低く設定されている。 In the present invention, preferably, in the SR step, the determination unit determines that the temperature raising assisting state is in a state where the temperature of the reformer is equal to or higher than the first predetermined temperature, and based on this determination, the control unit Even if the temperature of the cell stack does not satisfy the transition condition for transitioning to the next process, the transition to the power generation process is performed, and the first predetermined temperature is higher than the temperature of the transition condition to the power generation process of the reformer. And is set lower than a second predetermined temperature which is an abnormality determination temperature of the reformer.
発電工程へ移行する時点(SR工程)は、起動工程(すなわち昇温工程)の最期であるため、改質器温度が最も高温になりやすい。このため、本発明によれば、残存熱量が大きい昇温助長状態である場合に、改質器の異常判定温度より低い時点で発電に移行させることにより、発電工程移行後も改質器を異常判定温度以下に抑えて、正常動作温度範囲で動作させることができる。 Since the time (SR process) at which the process proceeds to the power generation process is the last stage of the start-up process (that is, the temperature raising process), the reformer temperature tends to be the highest. For this reason, according to the present invention, when the remaining heat amount is in a temperature rising promotion state, the reformer is made abnormal even after the power generation process transition by shifting to power generation at a time lower than the reformer abnormality determination temperature. It is possible to operate within the normal operating temperature range while keeping it below the judgment temperature.
本発明において、好ましくは、制御手段は、発電工程へ移行後において、改質器の温度が改質器の異常判定温度である第2の所定温度を超えないように、燃料電池装置の運転を規制する温度監視制御を実行する。
残存熱量が大きい昇温助長状態である場合には、改質器温度が通常の起動時と比べて異常判定温度に近づいた状態となる。このため、本発明では、発電工程移行後においても改質器の温度が改質器の異常判定温度を超えないように温度監視制御を実行することにより、発電開始に伴って改質器温度が更に高温になって異常判定温度を超えてしまうことを防止することができる。これにより、本発明では、起動工程から発電工程への強制移行しても、過昇温を確実に防止することが可能となる。
In the present invention, preferably, the control means operates the fuel cell device so that the temperature of the reformer does not exceed a second predetermined temperature, which is an abnormality determination temperature of the reformer, after shifting to the power generation process. The temperature monitoring control to be controlled is executed.
When the temperature rise assisting state is large in the amount of residual heat, the reformer temperature becomes closer to the abnormality determination temperature than during normal startup. For this reason, in the present invention, by performing temperature monitoring control so that the temperature of the reformer does not exceed the abnormality determination temperature of the reformer even after shifting to the power generation process, the reformer temperature is reduced with the start of power generation. Furthermore, it can prevent that it becomes high temperature and exceeds abnormality determination temperature. Thereby, in this invention, even if it makes a forced transition from a starting process to a power generation process, it becomes possible to prevent excessive temperature rising reliably.
本発明において、好ましくは、判定手段は、部分酸化改質反応を生じる工程における改質器の温度により昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であると判定したとき、その工程以降における移行条件を緩和する。
残存熱量による改質器温度の上昇は、発熱反応が行われる部分酸化改質反応を生じる工程において顕著に現れ、そのとき生じた改質器温度とセルスタック温度との温度差が以降の工程において維持されてしまう傾向がある。
したがって、本発明では、残存熱量による昇温助長状態の判定を正確に行うことができる部分酸化改質反応を生じる工程において、判定を行うこととしている。更に、判定以後における改質工程の切替温度条件を部分酸化改質反応を生じる工程の時点で切り替えるため、以後のATR工程からSR工程及び/又はSR工程から発電工程への各切替時点では残存熱量による昇温助長状態の判定を行わなくても、起動工程全体において過昇温の発生を防止することができる。
In the present invention, preferably, the determination means determines whether or not it is in the temperature rising promotion state based on the temperature of the reformer in the step of causing the partial oxidation reforming reaction . The transition conditions after the process are relaxed.
The rise in the reformer temperature due to the residual heat amount appears prominently in the process of generating the partial oxidation reforming reaction in which the exothermic reaction is performed, and the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature generated at that time is the subsequent process. There is a tendency to be maintained.
Therefore, in the present invention, the determination is made in the process of generating the partial oxidation reforming reaction that can accurately determine the temperature rising promotion state based on the residual heat amount. Furthermore, since the switching temperature condition of the reforming process after the determination is switched at the time of the process in which the partial oxidation reforming reaction occurs , the remaining heat amount at each switching time from the ATR process to the SR process and / or the SR process to the power generation process. It is possible to prevent the occurrence of excessive temperature rise in the entire starting process without determining the temperature rise promotion state by.
本発明において、好ましくは、判定手段は、改質器の温度の測定値に基づいて、昇温助長状態であるか否かを判定する。
SOFCの停止動作では、モジュール収納室内部の冷却は局所的ではなく、全体に対する空気冷却にて行われる。このため、蓄熱手段に蓄熱された熱量は局所的ではなく、全体に略均一に残る。その結果、本発明者は、改質器温度に影響を与える残存熱量だけでなく、セルスタックに影響する残存熱量も改質器温度の測定のみによって推定できることを発見した。これにより、本発明では、残存熱量による昇温助長状態の判定を行うために専用の温度センサなどを別途設けることなく、既存の改質器温度を測定する温度センサからの測定値のみから、残存熱量による昇温助長状態の判定を行うことができる。
In the present invention, it is preferable that the determination unit determines whether or not the temperature increase assisting state is based on a measured value of the temperature of the reformer.
In the stop operation of the SOFC, the inside of the module housing chamber is not locally cooled but is performed by air cooling with respect to the whole. For this reason, the amount of heat stored in the heat storage means is not local but remains substantially uniform throughout. As a result, the present inventor has found that not only the residual heat quantity affecting the reformer temperature but also the residual heat quantity affecting the cell stack can be estimated only by measuring the reformer temperature. As a result, in the present invention, the remaining temperature is determined only from the measured value from the temperature sensor that measures the reformer temperature without providing a dedicated temperature sensor or the like in order to perform the determination of the temperature rising promotion state based on the remaining heat amount. It is possible to determine the temperature increase promotion state based on the amount of heat.
本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、起動工程において、燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止することができる。 According to the solid oxide fuel cell device of the present invention, it is possible to prevent the temperature in the fuel cell module from rising excessively in the startup process.
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形燃料電池装置又は固体電解質型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(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電解質型燃料電池(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 device or 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周囲には、蓄熱材7を介して密封空間8が形成されている。なお、蓄熱材7は、燃料モジュール2内で発生した熱を蓄熱することができるようになっており、燃料電池モジュール2の熱効率を向上させることができる。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、燃焼熱を受けて空気を加熱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
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電解質型燃料電池(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電解質型燃料電池(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、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電解質型燃料電池(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
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 includes, 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
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電解質型燃料電池(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電解質型燃料電池(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電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池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 gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the
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(水蒸気)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、固体電解質型燃料電池(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。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the
Further, the
次に図7により本実施形態による固体酸化物形燃料電池(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電解質型燃料電池(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 time of startup of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to one 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により検出された改質器20の温度、及び発電室温度センサ142により検出された燃料電池セルスタック14の温度に基づいて、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の改質器20への供給が開始される。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。
After the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate is determined based on the temperature of 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により検出された改質器20の温度、及び発電室温度センサ142により検出された燃料電池セルスタック14の温度に基づいて、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が停止されると共に、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。
After the start of the autothermal reforming reaction ATR shown in Formula (2), the temperature of 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 → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)
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。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール2からインバータ54に電力が取り出される。即ち、発電が開始される。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。
In this way, after the
発電開始後においても、改質器20の温度を維持するために、燃料電池セル84で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、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。
Even after the start of power generation, in order to maintain the temperature of the
次に、図8により本実施形態による固体酸化物形燃料電池(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電解質型燃料電池(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、発電室温度が所定温度、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7及び図9を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の起動時の動作を詳細に説明する。
図9は、燃料電池1の起動処理手順を示す基本となる動作テーブルであり、起動開始時に燃料電池モジュール2に残存する熱量が所定量以下で、後述する過昇温のおそれがない場合に用いられるものである。
図9に示すように、起動工程では、制御部110が各運転制御状態(燃焼運転工程、POX1工程、POX2工程、ATR1工程、ATR2工程、SR1工程、SR2工程)を時間的に順に実行し、発電工程へ移行するように構成されている。
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 9, the operation at the time of starting of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described in detail.
FIG. 9 is a basic operation table showing the start-up process procedure of the
As shown in FIG. 9, in the start-up process, the
なお、POX1工程及びPOX2工程は、改質器20内で部分酸化改質反応が行われる工程である。また、ATR1工程及びATR2工程は、改質器20内でオートサーマル改質反応が行われる工程である。また、SR1工程及びSR2工程は、改質器20内で水蒸気改質反応が行われる工程である。上記各POX工程、ATR工程、SR工程は、それぞれ2つに細分化されているが、これに限らず、3つ以上に細分化してもよいし、細分化しない構成とすることもできる。
The POX1 process and the POX2 process are processes in which a partial oxidation reforming reaction is performed in the
まず、時刻t0において燃料電池1を起動すると、制御部110は、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に信号を送って、これらを起動させ、改質用空気(酸化剤ガス)及び発電用空気を燃料電池モジュール2に供給する。なお、本実施形態においては、時刻t0において供給が開始される改質用空気の供給量は10.0(L/min)、発電用空気の供給量は100.0(L/min)に設定される(図9の「燃焼運転」工程参照)。
First, when the
次いで、時刻t1において、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送って、改質器20への燃料ガス供給を開始する。これにより、改質器20へ送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、改質器20、燃料ガス供給管64、マニホールド66を介して各燃料電池セルユニット16内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット16内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット16の燃料ガス流路98上端から流出する。なお、本実施形態において、時刻t1において供給が開始される燃料ガスの供給量は6.0(L/min)に設定されている(図9の「燃焼運転」工程参照)。
Next, at time t 1 , the
さらに、時刻t2において、制御部110は、点火装置83に信号を送り、燃料電池セルユニット16から流出する燃料ガスに点火する。これにより、燃料室18内で燃料ガスが燃焼され、これによって生成した排気ガスにより、その上方に配置された改質器20が加熱されると共に、燃焼室18、発電室10、及びその中に配置された燃料電池セルスタック14の温度(以下「セルスタック温度」という)も上昇する(図7の時刻t2〜t3参照)。燃料ガス流路98を含む燃料電池セルユニット16及びその上端部位は燃焼部に相当する。
Further, at time t 2 , the
改質器20が加熱されることにより、改質器20の温度(以下「改質器温度」という)が300℃程度まで上昇すると、改質器20内においては、部分酸化改質反応(POX)が発生する(図7の時刻t3:POX1工程開始)。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器20は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる(図7の時刻t3〜t5)。
When the temperature of the reformer 20 (hereinafter referred to as “reformer temperature”) rises to about 300 ° C. by heating the
さらに温度が上昇し、改質器温度が350℃に達すると(POX2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット38に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる(図7の時刻t4:POX2工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は5.0(L/min)に変更され、改質用空気供給量は18.0(L/min)に変更される(図9の「POX2」工程参照)。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適切な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料ガスの割合を多くすることにより、燃料ガスに確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる(図9の「POX1」工程参照)。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料ガス供給量として、燃料の浪費を抑えている(図9の「POX2」工程参照)。
When the temperature further rises and the reformer temperature reaches 350 ° C. (POX2 transition condition), the
次に、図7の時刻t5において、改質器温度が600℃以上、且つ、セルスタック温度が250℃以上になると(ATR1移行条件)、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給を開始させる(ATR1工程開始)。これにより、改質用空気供給量は8.0(L/min)に変更され、水供給量は2.0(cc/min)にされる(図9の「ATR1」工程参照)。改質器20内に水(水蒸気)が導入されることにより、改質器20内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ち、図9の「ATR1」工程においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質(ATR)が発生するようになる。
Next, at time t 5 in FIG. 7, when the reformer temperature is 600 ° C. or higher and the cell stack temperature is 250 ° C. or higher (ATR1 transition condition), the
本実施形態においては、セルスタック温度は、発電室10内に配置された発電室温度センサ142によって測定されている。発電室内の温度とセルスタック温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサによって検出される温度はセルスタック温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサによりセルスタック温度を把握することができる。なお、本明細書において、セルスタック温度とは、セルスタック温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。
In the present embodiment, the cell stack temperature is measured by a power generation
さらに、図7の時刻t6において、改質器温度が600℃以上、且つ、スタック温度が400℃以上になると(ATR2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させる。また、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量を増加させる(ATR2工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は4.0(L/min)に変更され、改質用空気供給量は4.0(L/min)に変更され、水供給量は3.0(cc/min)に変更される(図9の「ATR2」工程参照)。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器20内においては、発熱反応である部分酸化改質反応の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇は抑制され、一方、改質器20から受けるガス流により燃料電池セルスタック14が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追い付くように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。
Further, at time t 6 in FIG. 7, the reformer temperature is 600 ° C. or above and the stack temperature is more than 400 ° C. (ATR2 transition condition), the
次に、図7の時刻t7において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が600℃以上になると(SR1移行条件)、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量を増加させる(SR1工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は3.0(L/min)に変更され、水供給量は8.0(cc/min)に変更される(図9の「SR1」工程参照)。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器20内においては部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するSRが開始される。
Next, at time t 7 in FIG. 7, when the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is reduced and the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the stack temperature is 600 ° C. or higher (SR1 transition condition), The
さらに、図7の時刻t8において、改質器温度とセルスタック温度の温度差がさらに縮まり、改質器温度が650℃以上、且つ、セルスタック温度が650℃以上になると(SR2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部110は、発電用空気流量調整ユニット45に信号を送り、発電量空気の供給量も減少させる(SR2工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は2.3(L/min)に変更され、水供給量は6.3(cc/min)に変更され、発電用空気供給量は80.0(L/min)に変更される(図9の「SR2」工程参照)。
Further, at time t 8 in FIG. 7, when the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is further reduced and the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the cell stack temperature is 650 ° C. or higher (SR2 transition condition) The
SR1工程では、改質器温度及びスタック温度を発電可能な温度付近まで上昇させるため、燃料ガス供給量及び水供給量を高めに保持している。その後、SR2工程では、燃料ガス流量及び水供給量を低減して、改質器温度及びセルスタック温度の温度分布を落ち着かせ、発電可能な温度に安定化させる。 In the SR1 process, the fuel gas supply amount and the water supply amount are kept high in order to raise the reformer temperature and the stack temperature to near the temperature at which power generation is possible. Thereafter, in the SR2 step, the fuel gas flow rate and the water supply amount are reduced, so that the temperature distribution of the reformer temperature and the cell stack temperature is settled and stabilized to a temperature at which power generation is possible.
制御部110は、SR2工程において、各供給量を所定の発電移行時間以上維持した後、図7の時刻t9において、改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が700℃以上になると(発電工程移行条件)、燃料電池モジュール2からインバータ54に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する(図7の時刻t9:発電工程開始)。発電工程では、制御部110は、時刻t9から時刻t10の間は燃料ガス供給量及び水供給量を一定に維持する。
その後、制御部110は、出力電力に追従させるように、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28に信号を送って燃料ガス供給量及び水の供給量を変更する。よって、時刻t10から時刻t11にかけて、燃料ガス供給量及び水の供給量が減少し、時刻t11以降は、要求出力電力に応じて、燃料ガス供給量及び水の供給量が調整され、負荷追従運転が実行される。
Thereafter, the
次に、図10を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の過昇温抑制制御を説明する。
上述のように、燃料電池モジュール2は、熱効率向上のためにモジュール収納室としてのハウジング6の周囲に蓄熱手段としての蓄熱材7が設けられており、内部で発生した熱を外部へ逃がさずに有効利用できるように構成されている。
Next, over-temperature suppression control of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
As described above, the
しかしながら、燃料電池装置1を稼動し、蓄熱材7を含む燃料電池モジュール2全体が昇温した状態で停止動作に入り、その後、蓄熱材7等が多量の熱量を蓄積した状態で再起動工程に入ると、燃料電池モジュール2内の構成部品(特に改質器20)が通常の室温状態からの起動時に比べて昇温し易くなる。例えば、発熱反応である部分酸化改質反応において改質器20で発生した熱は、通常の室温状態からの起動時には、改質器20そのものを昇温する以外に、他の構成部品や蓄熱材7を昇温するために改質器20外へ放出される。しかしながら、蓄熱材7が多量の熱量を保持している状況では、部分酸化改質反応で発生した熱は、主に改質器20を昇温するために用いられることになり、改質器20の昇温速度が速められる。これにより、例えば、改質器20が過昇温により劣化するおそれがある。
However, the
このため、本実施形態では、このような過昇温が発生するおそれがある状態(すなわち、昇温助長状態)であるか否かを検知して、この状態に応じて、過昇温抑制制御を実行し、過昇温を防止した適切な再起動が行われる。
本実施形態では、改質器温度の上昇速度が通常の室温状態からの上昇速度よりも速い場合に、昇温助長状態であると判定し、過昇温抑制制御を実行する。この過昇温抑制制御では、昇温助長状態の検知により、早期に次工程へ移行するように、図9に示した動作テーブルの移行温度条件を緩和するように構成されている。
For this reason, in the present embodiment, it is detected whether or not such an excessive temperature rise is likely to occur (that is, the temperature increase promotion state), and the excessive temperature increase suppression control is performed according to this state. Is performed, and an appropriate restart is performed to prevent overheating.
In the present embodiment, when the rate of increase of the reformer temperature is faster than the rate of increase from the normal room temperature state, it is determined that the temperature increase is in an accelerated state, and the excessive temperature increase suppression control is executed. In this excessive temperature rise suppression control, the transition temperature condition of the operation table shown in FIG. 9 is relaxed so as to shift to the next process at an early stage by detecting the temperature rise promotion state.
図10は、本実施形態の過昇温抑制制御で用いられる動作テーブルであり、図9と比べて、移行温度条件のみが異なり、各工程における燃料ガス等の供給量は同一に設定されている。なお、図10以降の動作テーブルでは、図9と異なる部分を四角で囲ってある。 FIG. 10 is an operation table used in the excessive temperature rise suppression control of the present embodiment. Compared with FIG. 9, only the transition temperature condition is different, and the supply amount of fuel gas and the like in each step is set to be the same. . In the operation table of FIG. 10 and subsequent figures, portions different from those in FIG. 9 are enclosed by squares.
起動工程において、通常起動時と比べて改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇速度よりも速い状態で、燃焼運転工程、POX1工程、POX2工程、ATR1工程、ATR2工程、SR1工程を順に移行してくると、SR1工程において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が通常の起動時よりも大きくなる。 In the start-up process, the combustion operation process, the POX1 process, the POX2 process, the ATR1 process, the ATR2 process, and the SR1 process are sequentially performed in a state where the reformer temperature increase speed is higher than the cell stack temperature increase speed compared with the normal start-up process. When shifted, in the SR1 step, the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature becomes larger than during normal startup.
図9の動作テーブルでは、SR1工程からSR2工程への通常の移行条件は、改質器温度が650℃以上、且つ、セルスタック温度が650℃以上である(通常のSR2移行条件)。
ところが、上述のようにSR1工程において、改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きい場合、先に改質器温度が650℃以上に達した後、セルスタック温度が650℃以上に達するまでには時間が掛かるため、セルスタック温度が650℃に達したときには、改質器温度が過昇温により異常判定温度である800℃に達してしまうおそれがある。異常判定温度は、改質器20の劣化・損傷のおそれのため、燃料電池1を強制的に異常停止させる設定温度である。
In the operation table of FIG. 9, the normal transition conditions from the SR1 step to the SR2 step are a reformer temperature of 650 ° C. or higher and a cell stack temperature of 650 ° C. or higher (normal SR2 transition conditions).
However, when the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is large in the SR1 step as described above, the cell stack temperature reaches 650 ° C. or higher after the reformer temperature first reaches 650 ° C. or higher. Therefore, when the cell stack temperature reaches 650 ° C., the reformer temperature may reach 800 ° C., which is the abnormality determination temperature, due to excessive temperature rise. The abnormality determination temperature is a set temperature at which the
判定手段としての制御部110は、SR1工程において、セルスタック温度がSR2工程への移行温度条件(650℃)に到達していないにもかかわらず、改質器温度が第1の強制移行温度(本例では700℃)に到達した場合には、図9の動作テーブルで示した改質器温度及びセルスタック温度の基準となる移行温度の昇温過程から外れ、改質器温度の昇温速度が速まっているので、燃料電池モジュール2に多量の熱量が蓄積されており、この熱量に起因して改質器20の昇温が助長されている状態、又は、昇温速度が通常の起動時よりも速まっている状態、すなわち昇温助長状態であると判定する。
In the SR1 process, the
すなわち、本実施形態では、セルスタック温度の昇温速度に比べて改質器温度の昇温速度が速く、両者の温度差が通常よりも大きくなり、セルスタック温度が移行条件の温度に達する前に改質器温度が移行条件の温度よりも所定温度以上高い第1の強制移行温度に達した場合に、昇温助長状態であると判定される。 That is, in this embodiment, the temperature increase rate of the reformer temperature is faster than the temperature increase rate of the cell stack temperature, the temperature difference between the two becomes larger than usual, and before the cell stack temperature reaches the transition condition temperature. When the reformer temperature reaches the first forced transition temperature that is higher than the transition condition temperature by a predetermined temperature or more, it is determined that the temperature elevation is in an enhanced state.
これにより、制御部110は、SR1工程からSR2工程への移行温度条件を、改質器温度が650℃以上、且つ、セルスタック温度が650℃以上であることに加えて、セルスタック温度にかかわらず、改質器温度が700℃以上であることを付加する(変更後のSR2移行条件)。
As a result, the
セルスタック温度が650℃に到達していないので、通常のSR2移行条件は満たされないので、制御部110は、通常のSR2移行条件によっては、SR2工程へ移行することができない。しかしながら、改質器温度が第1の強制移行温度(700℃)に到達することにより、全体として移行条件が緩和された変更後のSR2移行条件を満たすことになり、制御部110は、変更後のSR2移行条件によって、SR1工程からSR2工程へ早期に移行させることができる。
Since the cell stack temperature does not reach 650 ° C., the normal SR2 transition condition is not satisfied, and therefore the
したがって、燃料ガス供給量及び水供給量がSR2工程よりも多いSR1工程の期間が短くなり、改質器20の温度上昇が抑制される。さらに、SR2工程へ移行後は、燃料ガス供給量及び水供給量がSR1工程よりも低減されるので、改質器温度の上昇が抑制される。
Therefore, the period of the SR1 step in which the fuel gas supply amount and the water supply amount are larger than those in the SR2 step is shortened, and the temperature rise of the
SR2工程ではSR1工程よりも燃料ガス供給量及び水供給量が低減されるので、吸熱反応である水蒸気改質反応が抑えられる点では、改質器温度の上昇抑制効果としては不利である。しかしながら、SR2工程で燃料ガス供給量が低減されることにより、燃料電池セルユニット16から流出する改質後の燃料ガスの流出量も減少し、改質器20を加熱する燃焼部からの排気ガス量が減少するので、改質器温度の上昇は全体として抑制される。
一方、セルスタック温度は、SR2工程において改質器20からガス流を受けることにより、徐々に改質器温度に追い付くように上昇させることができる。
Since the fuel gas supply amount and the water supply amount are reduced in the SR2 step compared to the SR1 step, the steam reforming reaction that is an endothermic reaction is suppressed, which is disadvantageous as an effect of suppressing the rise in the reformer temperature. However, the amount of fuel gas supplied in the SR2 step is reduced, so that the amount of reformed fuel gas that flows out of the
On the other hand, the cell stack temperature can be raised to gradually catch up with the reformer temperature by receiving the gas flow from the
また、図9の動作テーブルでは、SR2工程から発電工程への通常の移行条件は、改質器温度が650℃以上、且つ、セルスタック温度が700℃以上である(通常の発電工程移行条件)。
ところが、SR2工程においても、改質器温度とセルスタック温度との温度差が依然として大きい場合、改質器温度はSR2移行時点で650℃以上に達しているので、セルスタック温度が700℃以上に達するまで待つと、セルスタック温度が700℃に達したときには、改質器温度が異常判定温度である800℃に達してしまうおそれがある。
In the operation table of FIG. 9, the normal transition conditions from the SR2 process to the power generation process are the reformer temperature of 650 ° C. or higher and the cell stack temperature of 700 ° C. or higher (normal power generation process transition conditions). .
However, even in the SR2 process, when the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is still large, the reformer temperature has reached 650 ° C. or higher at the time of SR2 transition, so that the cell stack temperature has reached 700 ° C. or higher. When waiting until the cell stack temperature reaches 700 ° C., the reformer temperature may reach 800 ° C., which is the abnormality determination temperature.
よって、この場合も判定手段としての制御部110は、SR2工程において、セルスタック温度が発電工程への移行温度条件(700℃)に到達していないにもかかわらず、改質器温度が第2の強制移行温度(本例では720℃)に到達した場合には、昇温助長状態であると判定する。
Therefore, in this case as well, the
これにより、制御部110は、SR2工程から発電工程への移行温度条件を、改質器温度が650℃以上、且つ、セルスタック温度が700℃以上であることに加えて、セルスタック温度にかかわらず、改質器温度が720℃以上であることを付加する(変更後の発電工程移行条件)。よって、制御部110は、セルスタック温度が700℃に到達していないが、改質器温度が第2の強制移行温度(720℃)に到達することにより、緩和された変更後の発電工程移行条件を満たすことになり、SR2工程から発電工程へ早期に移行させることができる。なお、第1及び第2の強制移行温度は、異常判定温度よりも低く設定されている。
As a result, the
発電工程に移行すると、セルスタック温度は、徐々に改質器20からの流入ガスにより改質器温度に追い付くように昇温すると共に、燃料電池セルスタック14での発電反応及びジュール熱によって昇温する。これにより、セルスタック温度は、700℃以上に達することができる。一方、改質器温度は、発電工程において、燃料ガス供給量及び水供給量が低減されるので、発電工程移行直後の一時的な昇温後には、温度上昇が抑制され、適切な温度範囲に維持される。また、SR2工程から発電工程へ早期に移行することにより、発電工程移行時において改質器温度は異常判定温度に対して温度余裕があるので、発電開始後の直後の期間における一時的な昇温によって、改質器温度が異常判定温度に到達することが防止される。
When shifting to the power generation process, the cell stack temperature is gradually raised by the inflow gas from the
このように、本実施形態の過昇温抑制制御では、改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇速度よりも速い場合、移行温度条件を緩和することにより、セルスタック温度が移行温度条件を満たしていなくても、改質器温度が通常の移行温度条件よりも高温に設定された第1又は第2の強制移行温度に到達することにより、次工程へ早期に移行される。これにより、本実施形態では、改質器温度の上昇を抑制し、SR工程を含む起動工程及び発電工程、特に、発電工程への移行時及び発電工程移行後の所定期間において、改質器温度やセルスタック温度が劣化・損傷を引き起こす所定値(異常判定温度)以上に過昇温してしまうことを防止することができる。 As described above, in the excessive temperature rise suppression control of the present embodiment, when the reformer temperature rise rate is faster than the cell stack temperature rise rate, the cell stack temperature is reduced by mitigating the transition temperature condition. Even if the above condition is not satisfied, when the reformer temperature reaches the first or second forced transition temperature set to a temperature higher than the normal transition temperature condition, the process proceeds to the next step at an early stage. Thereby, in the present embodiment, the rise in the reformer temperature is suppressed, and the reformer temperature is increased during the start-up process and the power generation process including the SR process, particularly during the transition to the power generation process and after the power generation process. In addition, it is possible to prevent the cell stack temperature from being overheated to a predetermined value (abnormality determination temperature) that causes deterioration or damage.
なお、本実施形態では、SR工程中に昇温助長状態を判定して、SR1工程からSR2工程へ、及び、SR2工程から発電工程への移行温度条件を変更しているが、これに限らず、POX工程、ATR工程においても同様に昇温助長状態を判定して、移行温度条件を変更するように構成してもよい。 In the present embodiment, the temperature increase promotion state is determined during the SR process, and the transition temperature condition from the SR1 process to the SR2 process and from the SR2 process to the power generation process is changed. Similarly, in the POX process and the ATR process, the transition temperature condition may be changed by determining the temperature rising promotion state.
次に、図11を参照して、第2の実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の過昇温抑制制御を説明する。
図10による実施形態では、改質器温度とセルスタック温度の一方の移行温度条件が満たされていない場合であっても、所定の条件を加味することによって、次工程へ早期に移行させていたが、図11による実施形態では、改質器温度及びセルスタック温度の双方の移行温度条件が満たされていない場合であっても、所定の条件が満たされることにより、次工程へ早期に移行させるように構成されている。
Next, over-temperature suppression control of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
In the embodiment according to FIG. 10, even when one transition temperature condition of the reformer temperature and the cell stack temperature is not satisfied, the transition to the next process is made early by taking the predetermined condition into consideration. However, in the embodiment according to FIG. 11, even if the transition temperature conditions of both the reformer temperature and the cell stack temperature are not satisfied, the transition to the next process is made early by satisfying the predetermined condition. It is configured as follows.
図11に示す起動時の動作中、起動の初期段階において、時刻t20に起動が開始され、時刻t21に燃料ガスの供給が開始され、時刻t22に着火され、時刻t23にPOX1工程に移行し、その後時刻t24にPOX2工程に移行している。また、図11には、図7で示した通常時の起動工程における改質器温度の時間変化が比較のために細い一点鎖線で付加されている。 During startup behavior shown in FIG. 11, in the initial stages of startup, start the time t 20 is started, the supply of fuel gas is started at time t 21, is ignited at time t 22, the time t 23 POX1 step have migrated to, and then the time t 24 to POX2 process. Further, in FIG. 11, the time change of the reformer temperature in the normal startup process shown in FIG. 7 is added by a thin one-dot chain line for comparison.
本実施形態においても、用いられる基本的な動作テーブルは、図9に示したものである。したがって、POX2工程からATR1工程への移行温度条件は、改質器温度が600℃以上、且つ、セルスタック温度が250℃である(通常のATR1移行条件)。
しかしながら、本実施形態では、判定手段としての制御部110は、POX工程において、改質器温度の上昇速度が通常よりも速く、POX工程開始から所定制限期間T内に改質器温度が強制移行温度(本例では550℃)に達した場合には、昇温助長状態であると判定する。
Also in this embodiment, the basic operation table used is as shown in FIG. Therefore, the transition temperature conditions from the POX2 process to the ATR1 process are a reformer temperature of 600 ° C. or higher and a cell stack temperature of 250 ° C. (normal ATR1 transition conditions).
However, in the present embodiment, the
本実施形態では、強制移行温度は、SR2工程からATR1工程への改質器温度の移行温度条件よりも低く設定されているが、POX工程開始から制限期間T内に改質器温度が強制移行温度に達した場合は、改質器温度の上昇速度が通常よりも速いことが予測される。このため、制御部110は、通常のATR1移行条件が満たされる前に、POX工程開始から制限期間T内に改質器温度が強制移行温度に達した場合は、過昇温が発生するおそれが高い昇温助長状態であると判定する。 In this embodiment, the forcible transition temperature is set lower than the transition temperature condition of the reformer temperature from the SR2 process to the ATR1 process, but the reformer temperature is forcibly transitioned within the limit period T from the start of the POX process. If the temperature is reached, it is expected that the reformer temperature will rise faster than usual. Therefore, if the reformer temperature reaches the forced transition temperature within the limit period T from the start of the POX process before the normal ATR1 transition condition is satisfied, there is a possibility that an excessive temperature rise may occur. It is determined that the temperature increase is in a high temperature promotion state.
これにより、図11に示すように、通常のATR1移行条件が満たされていないが、POX工程開始から制限時間Tが経過した時刻t25にSR2工程からATR1工程へ移行される。これにより、発熱反応である部分酸化改質反応に加えて、吸熱反応である水蒸気改質反応が実行されるので、改質器温度の上昇速度が低減され、改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きくなるのを抑制することができる。 Thus, as shown in FIG. 11, normally of ATR1 transition condition is not satisfied, the procedure moves to the time t 25 which has passed the time limit T from POX process begins SR2 step to ATR1 step. As a result, in addition to the partial oxidation reforming reaction that is an exothermic reaction, the steam reforming reaction that is an endothermic reaction is performed, so the rate of increase in reformer temperature is reduced, and the reformer temperature and cell stack temperature are reduced. An increase in the temperature difference can be suppressed.
このように本実施形態では、改質器温度及びセルスタック温度が双方とも移行温度条件を満たしていない場合であっても、改質器温度の昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定することにより次工程へ移行し、過昇温を防止することができる。 As described above, in this embodiment, even when both the reformer temperature and the cell stack temperature do not satisfy the transition temperature condition, the temperature increase promotion state is determined based on the temperature increase rate of the reformer temperature. By doing so, it is possible to shift to the next step and prevent overheating.
なお、本実施形態では、制限時間Tの間の改質器温度の昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定しているが、これに限らず、所定短時間毎の改質器温度の時間変化率から昇温速度を算出し、算出した昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定してもよい。
また、本実施形態では、POX工程における改質器温度の昇温速度に基づいて、過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、ATR工程、SR工程においても同様の過昇温抑制制御を実行するように構成することができる。
さらに、本実施形態では、改質器温度の昇温速度に基づいて、過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、セルスタック温度の昇温速度に基づいて同様の過昇温抑制制御を実行するように構成することができる。
In the present embodiment, the temperature increase promotion state is determined based on the temperature increase rate of the reformer temperature during the time limit T. However, the present invention is not limited to this, and the reformer temperature every predetermined short time is determined. The temperature increase rate may be calculated from the time rate of change, and the temperature increase promotion state may be determined based on the calculated temperature increase rate.
Further, in the present embodiment, the excessive temperature rise suppression control is executed based on the temperature increase rate of the reformer temperature in the POX process. However, the present invention is not limited to this, and the same excessive temperature rise is also performed in the ATR process and SR process. It can comprise so that temperature suppression control may be performed.
Furthermore, in the present embodiment, the excessive temperature rise suppression control is executed based on the temperature increase rate of the reformer temperature. However, the present invention is not limited to this, and the same excessive increase is determined based on the temperature increase rate of the cell stack temperature. It can comprise so that temperature suppression control may be performed.
次に、図12乃至図14を参照して、第3の実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の過昇温抑制制御を説明する。
本実施形態の過昇温抑制制御は、改質器温度の昇温速度がセルスタック温度の昇温速度よりも速く、POX工程終了時又はATR工程終了時において、改質器温度が第1又は第2の移行条件変更温度(本例ではそれぞれ650℃、700℃)に到達している場合に、これ以降の移行温度条件を通常の動作テーブルから変更するように構成されている。
Next, over-temperature suppression control of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
In the excessive temperature rise suppression control of the present embodiment, the temperature rise rate of the reformer temperature is faster than the temperature rise rate of the cell stack temperature, and the reformer temperature is the first or first at the end of the POX process or the ATR process. When the second transition condition change temperature has been reached (650 ° C. and 700 ° C. in this example, respectively), the subsequent transition temperature condition is changed from the normal operation table.
図12に示す起動時の動作中、起動の初期段階において、時刻t40に起動が開始され、時刻t41に燃料ガスの供給が開始され、時刻t42に着火され、時刻t43にPOX1工程に移行し、時刻t44にPOX2工程に移行し、その後時刻t45にATR1工程に移行している。また、図12には、図7で示した通常時の起動工程における改質器温度の時間変化が比較のために細い一点鎖線で付加されている。 During startup behavior shown in FIG. 12, in the initial stage of start, start time t 40 is started, the supply of fuel gas is started at time t 41, is ignited at time t 42, the time t 43 POX1 step proceeds to, the process proceeds to POX2 step at time t 44, and then moves to the time t 45 to the ATR1 step. Further, in FIG. 12, the time change of the reformer temperature in the normal startup process shown in FIG. 7 is added by a thin one-dot chain line for comparison.
本実施形態においても、用いられる基本的な動作テーブルは、図9に示したものである。
しかしながら、本実施形態では、判定手段としての制御部110は、改質器温度の上昇速度が通常の起動時よりも速く、POX2工程からATR1工程への移行時において、セルスタック温度がATR1工程への移行温度条件(250℃)に到達した時点で、改質器温度がATR1工程への移行温度条件である600℃よりも高い第1の移行条件変更温度(650℃)に達している場合には、昇温助長状態であると判定する。
Also in this embodiment, the basic operation table used is as shown in FIG.
However, in the present embodiment, the
POX2工程終了時に昇温助長状態であると判定すると、制御部110は、それ以降のセルスタック温度の移行温度条件を緩和し、図13に示す動作テーブルを用いて動作制御を行う。図13の動作テーブルでは、ATR1工程以降のセルスタック温度の移行温度条件が緩和され、それぞれ50℃ずつ低減されている。すなわち、ATR2工程移行時の温度条件が400℃から350℃へ低減され、SR1工程移行時の温度条件が600℃から550℃へ低減され、SR2工程移行時の温度条件が650℃から600℃へ低減され、発電工程移行時の温度条件が700℃から650℃へ低減される。
If it is determined at the end of the POX2 process that the temperature increase is in the promoted state, the
また、本実施形態では、判定手段としての制御部110は、改質器温度の上昇速度が通常よりも速く、ATR2工程からSR1工程への移行時において、セルスタック温度がSR1工程への移行温度条件(600℃)に到達した時点で、改質器温度がSR1工程への移行温度条件である650℃よりも高い第2の移行条件変更温度(700℃)に達している場合には、昇温助長状態であると判定する。
In the present embodiment, the
ATR2工程終了時に昇温助長状態であると判定すると、制御部110は、それ以降のセルスタック温度の移行温度条件を緩和し、図14に示す動作テーブルを用いて動作制御を行う。図14の動作テーブルでは、SR1工程以降のセルスタック温度の移行温度条件が緩和され、それぞれ50℃ずつ低減されている。すなわち、SR2工程移行時の温度条件が650℃から600℃へ低減され、発電工程移行時の温度条件が700℃から650℃へ低減される。
If it is determined at the end of the ATR2 process that the temperature increase is in the promoted state, the
改質器温度の昇温幅が大きいPOX工程又はATR工程(特にPOX工程で改質器温度の昇温が顕著である)の終了時に、改質器温度が所定の第2の移行条件変更温度に達していた場合、引き続き実行されるATR工程及びSR工程においても、改質器温度とセルスタック温度との間の大きな温度差が維持され、過昇温が発生するおそれが高くなる。 At the end of the POX process or ATR process in which the temperature increase range of the reformer temperature is large (particularly in the POX process, the temperature increase of the reformer temperature is significant), the reformer temperature becomes a predetermined second transition condition change temperature. In the ATR process and SR process that are subsequently executed, a large temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is maintained, and there is a high possibility that excessive temperature rise will occur.
そこで、本実施形態では、POX工程又はATR工程の終了時に改質器温度が第1又は第2の移行条件変更温度まで達していた場合には、昇温助長状態であると判定して、それ以降の移行温度条件を緩和して、早期に工程を移行させ、最終的に発電工程まで移行させることにより、過昇温を防止することができる。 Therefore, in the present embodiment, when the reformer temperature has reached the first or second transition condition change temperature at the end of the POX process or the ATR process, it is determined that the temperature increase is promoted. Overheating can be prevented by relaxing the transition temperature conditions thereafter, shifting the process at an early stage, and finally shifting to the power generation process.
なお、本実施形態では、改質器温度が第1又は第2の移行条件変更温度に達することにより過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、セルスタック温度が移行条件変更温度に達することにより、改質器温度の移行温度条件を緩和するように構成することができる。 In this embodiment, the excessive temperature rise suppression control is executed when the reformer temperature reaches the first or second transition condition change temperature. However, the present invention is not limited to this, and the cell stack temperature changes the transition condition. By reaching the temperature, the transition temperature condition of the reformer temperature can be relaxed.
次に、図15乃至図17を参照して、第4の実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の過昇温抑制制御を説明する。
本実施形態では、残存熱量の影響によって、通常よりも改質器温度が異常判定温度(本例では800℃)に接近した状態で発電工程移行した場合に、過昇温抑制制御の一環として、温度監視制御を行うように構成されている。この温度監視制御は、上記実施形態における起動工程中の過昇温抑制制御をバックアップするものであり、発電工程において確実に過昇温が防止されるようになっている。
Next, over-temperature suppression control of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, as a part of the excessive temperature rise suppression control when the power generation process is shifted in a state where the reformer temperature is closer to the abnormality determination temperature (800 ° C. in this example) than usual due to the influence of the residual heat amount, It is configured to perform temperature monitoring control. This temperature monitoring control backs up the excessive temperature rise suppression control during the start-up process in the above embodiment, and the excessive temperature rise is reliably prevented in the power generation process.
まず、本実施形態の燃料電池1の発電工程の処理フローを説明する。図15は、制御部110により取出可能電流値Iinvを設定するための制御テーブルである。図16及び図17は、図16に示す制御テーブルを適用して取出可能電流値Iinvを決定するフローチャートである。
First, the processing flow of the power generation process of the
制御部110は、各種センサからの入力信号、及び需要電力モニター信号に基づいて、取出可能電流値Iinvを設定し、この値をインバータ制御部(図示せず)に出力するように構成されている。
図15に示すように、制御部110は、発電室温度(セルスタック温度)Tfc、燃料電池モジュール2から出力される発電電圧Vdc、商用電源から住宅等の施設へ供給されている電力である系統電力Wl、インバータ54から出力される電力である連系電力Winv、取出可能電流値Iinvの現在値、及び燃料供給電流値Ifに基づいて、取出可能電流値Iinvの増加、低下、又は維持を決定する。
なお、本明細書においては、発電室温度Tfc等、燃料電池モジュール2の発電能力の指標となる温度を「燃料電池モジュールの温度」ということにする。
The
As shown in FIG. 15, the
In the present specification, a temperature that is an index of the power generation capacity of the
発電電圧Vdcは、燃料電池モジュール2から出力される出力電圧である。
系統電力Wlは、住宅等の施設に対して商用電源から供給されている電力であり、施設の総需要電力から燃料電池によって供給されている電力を差し引いた電力がこれに相当し、需要電力モニター信号に基づいて検出される。
連系電力Winvは、インバータ54から出力される電力である。燃料電池モジュール2からインバータ54に実際に取り出される電力は電力状態検出センサ126によって検出され、この電力から変換された電力がインバータ54から出力される。燃料電池モジュール2から実際に出力される実取出電流Ic[A]は電力状態検出センサ126によって検出された電力に基づいて求められる。従って、電力状態検出センサ126は、取出電流検出手段として機能する。
The generated voltage Vdc is an output voltage output from the
The system power Wl is the power supplied from the commercial power supply to the facility such as a house, and corresponds to the power obtained by subtracting the power supplied by the fuel cell from the total demand power of the facility. It is detected based on the signal.
The interconnection power Winv is electric power output from the
燃料供給電流値Ifは、燃料ガス供給量を求めるための基にする電流値であって、燃料電池モジュール2に供給されている燃料ガス供給量(L/min)によって発電することが可能な電流値に相当する。そのため、燃料供給電流値Ifは、常に必ず取出可能電流値Iinvを下回ることのない様に設定する。
制御部110は、燃料電池モジュール2の現在の状態が、図15の番号1〜9の何れに該当するかを判定し、図15の右端欄に示されている取出可能電流値Iinvの変更又は維持を実行する。
The fuel supply current value If is a current value based on which the fuel gas supply amount is obtained, and is a current that can be generated by the fuel gas supply amount (L / min) supplied to the
The
例えば、図15の番号1欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号1欄の右端にあるように、制御部110は、取出可能電流値Iinvを5[mA]低下させるように変更する。上記のように、本実施形態においては、制御部110の制御周期は500[msec]であるので、番号1欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Iinvは500[msec]毎に5[mA]ずつ低下する。この場合、取出可能電流値Iinvは、10[mA/sec]の電流減少変化率で減少されることになる。
For example, when all the conditions described in the No. 1 column of FIG. 15 are satisfied at the same time, the
同様に、図15の番号8欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号8欄の右端にあるように、制御部110は、取出可能電流値Iinvを10[mA]増加させるように変更する。従って、番号8欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Iinvは、第1電流上昇変化率である20[mA/sec]の変化率で上昇されることになる。
Similarly, when all of the conditions described in the
また、図15の番号1〜8欄に記載されている条件が何れも満足されない場合には、番号9欄の条件に該当し、取出可能電流値Iinvの値は変更されずに維持される。
Further, when none of the conditions described in the
次に、図16及び図17を参照して、図15の制御テーブルの条件の判断手順を説明する。なお、図16及び図17における符号A〜Dは、処理の移行先を示している。例えば、フローの処理は、図16の符号「C」から図17の符号「C」へ移行する。 Next, with reference to FIGS. 16 and 17, a procedure for determining the conditions of the control table in FIG. 15 will be described. Note that reference symbols A to D in FIGS. 16 and 17 indicate processing shift destinations. For example, the flow process shifts from the reference “C” in FIG. 16 to the reference “C” in FIG. 17.
また、以下に説明するように、制御部110は、需要電力が上昇している場合等、取出可能電流値Iinvを増加させるべき状況にあっても、所定の複数の増加規制条件に該当しない場合にのみ、取出可能電流値Iinvを増加させるように構成されている。さらに、増加規制条件は、複数の電流低下条件及び電流維持条件を含んでおり、これらの条件に該当すると、取出可能電流値Iinvは、低下され、又は維持される。また、複数の電流低下条件(図16のステップS5、S7、S9、S11、S13)は、複数の電流維持条件(図17のステップS15、S16、S17、S18、S19)よりも先に、優先的に適用される。
In addition, as will be described below, the
まず、図16のステップS1は、取出可能電流値Iinvと実取出電流値Icとの間で非常に大きな偏差が生まれたかどうかを判断するステップであって、両者の間に1000[mA]よりも大きいような偏差が生まれたか否かが判断される。取出可能電流値Iinvと実取出電流値Icとの差が短い制御周期の中で1000[mA]よりも大きいような偏差が初めて生まれるような場合というのは、インバータ54が、総需要電力の急激な低下、もしくは何らかの理由によって実取出電力Icを急激に低下させたことによって偏差が生じた状況であるとしてステップS2に進む。
First, step S1 in FIG. 16 is a step of determining whether or not a very large deviation has occurred between the extractable current value Iinv and the actual extractable current value Ic, and between them is more than 1000 [mA]. It is determined whether a large deviation has been born. A case in which a deviation in which the difference between the extractable current value Iinv and the actual extractable current value Ic is larger than 1000 [mA] is first generated in a short control cycle is that the
ステップS2においては、系統電力Wlが50[W]よりも少ないか否かが判断される。系統電力Wlが50[W]よりも少ない場合というのは、系統電力Wlがこれ以上減少すると、インバータ54からの出力電力が、商用電源に流れ込む「逆潮流(系統電力W1がマイナスになる状態)」が発生する可能性が高くなる状態である。よってS2の判定とS1の判定によって総重要電力のとても大きな落ち込みによって逆潮流が生じることを防止するために、インバータ54が実取出電流値Icを急激に下げた状態であると判断できる。なお、S2で系統電力W1の値を50Wに設定しているのは逆潮流が万が一にも発生することがないように50W分のマージンを設けているものである。
In step S2, it is determined whether or not the system power Wl is less than 50 [W]. When the system power Wl is less than 50 [W], when the system power Wl further decreases, the output power from the
次にS1、S2の双方でYESと判断された場合、即ち、とても大きな総重要電力の落ち込みに伴うインバータ54による逆潮流防止制御が行われた場合は、ステップS3において、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を実取出電流Icの値まで急激に低下させる(図15の番号6に対応)。ステップS3の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。インバータ54は取出可能電流値Iinvの値を超えない範囲で実取出電流値Icを取り出すので、取出可能電流値Iinvを低下させて取出可能電流値linv=実取出電流値Icとすることにより、インバータ54は現在の取出電流値Icより取出電流を勝手に増やすような対応が規制される。これは、総需要電力の急激な低下があったような場合は、その後すぐに総需要電力が急激に回復する(増える)ような状況が起こる可能性が高いが、1000[mA]を超えるような大きな偏差量がある中で、インバータ54が回復した総需要電力に応えるべく電力取出を急激に行なってしまうと、制御オーバーシュート等によって需要電力や取出可能電流値linvを誤って超えるような電力取出をインバータ54が行ってしまうことを未然に防止できるようにした工夫である。言い換えると1000[mA]以下のような小さな偏差では取出可能電流値linvを実取出電流値Icにするような制御を行っていないため、インバータ54は実取出電流値Icより高い所にある取出可能電流値linvまでの間で自由に電力取出を迅速に行えるように許容したものである。これはこのような小さな偏差であればオーバーシュートによる過剰な電力取出等の問題を生じないため、総重要電力の回復に速やかに追従できるように配慮した更なる工夫である。
Next, when it is determined YES in both S1 and S2, that is, when reverse power flow prevention control is performed by the
一方、ステップS1とS2の判定でとても大きな総重要電力低下に伴う逆潮流が起こるような状況ではないと判断された場合には、ステップS4に進む。ステップS4においては、取出可能電流値Iinvが1[A]よりも大きいか否かが判断される。取出可能電流値Iinvが1[A]よりも大きい場合には、ステップS5に進み、発電電圧Vdcが95[V]よりも低いか否かが判断される。発電電圧Vdcが95[V]よりも低い場合には、ステップS6に進む。 On the other hand, if it is determined in steps S1 and S2 that there is no situation where a reverse power flow accompanying a very large decrease in total important power occurs, the process proceeds to step S4. In step S4, it is determined whether or not the current value Iinv that can be taken out is greater than 1 [A]. When the extractable current value Iinv is larger than 1 [A], the process proceeds to step S5, and it is determined whether or not the generated voltage Vdc is lower than 95 [V]. When the generated voltage Vdc is lower than 95 [V], the process proceeds to step S6.
ステップS6においては、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を10[mA]低下させる(図15の番号4に対応)。ステップS6の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図16のフローチャートが実行されるごとにステップS6の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、20[mA/sec]の電流減少変化率で減少されることになる。発電電圧Vdcが95[V]よりも低い場合には、燃料電池モジュール2からインバータ54に電力が取り出される際に燃料電池モジュールの劣化等により、電圧降下が生じていると考えられるため、取出可能電流値Iinvを低下させることにより、インバータ54に取り出される電流を抑制して、燃料電池モジュール2にかかる負担を軽減する。
In step S6,
一方、ステップS5において、発電電圧Vdcが95[V]以上の場合には、ステップS7に進む。ステップS7においては、連系電力Winvが710[W]を超えているか否かが判断される。連系電力Winvが710[W]を超えている場合にはステップS8に進み、ステップS8においては、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を5[mA]低下させる(図15の番号5に対応)。即ち、連系電力Winvが710[W]を超えている場合には、燃料電池モジュール2からの出力電力が定格電力を超えているので、燃料電池モジュール2から取り出す電流を低下させて定格電力を超えないようにする。ステップS8の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図16のフローチャートが実行されるごとにステップS8の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、10[mA/sec]の電流減少変化率で減少されることになる。
このように、制御部110は、複数の電流低下条件のうち該当した電流低下条件により、取出可能電流値Iinvを減少させる変化率が異なるように、取出可能電流値Iinvを変化させる。
On the other hand, when the generated voltage Vdc is 95 [V] or higher in step S5, the process proceeds to step S7. In step S7, it is determined whether or not the interconnection power Winv exceeds 710 [W]. When the interconnection power Winv exceeds 710 [W], the process proceeds to step S8. In step S8, the
As described above, the
一方、ステップS7において、連系電力Winvが710[W]以下の場合には、ステップS9に進む。ステップS9においては、発電室温度Tfcが850[℃]を超えているか否かが判断される。発電室温度Tfcが850[℃]を超えている場合にはステップS10に進み、ステップS10においては、制御部110は、インバータ制御部(図示せず)に指示する取出可能電流値Iinvの値を5[mA]低下させる(図15の番号2に対応)。即ち、発電室温度Tfcが850[℃]を超えている場合には、燃料電池モジュール2の適正な作動温度を超えているため、取出可能電流値Iinvの値を低下させて、温度の低下を待つ。ステップS10の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図16のフローチャートが実行されるごとにステップS10の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、10[mA/sec]の電流減少変化率で減少されることになる。
On the other hand, when the interconnection power Winv is 710 [W] or less in step S7, the process proceeds to step S9. In step S9, it is determined whether or not the power generation chamber temperature Tfc exceeds 850 [° C.]. When the power generation room temperature Tfc exceeds 850 [° C.], the process proceeds to step S10. In step S10, the
一方、ステップS9において、発電室温度Tfcが850[℃]以下の場合には、ステップS11に進む。ステップS11においては、発電室温度Tfcが550[℃]よりも低いか否かが判断される。発電室温度Tfcが550[℃]よりも低い場合にはステップS12に進み、ステップS12においては、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を5[mA]低下させる(図15の番号3に対応)。即ち、発電室温度Tfcが550[℃]よりも低い場合には、燃料電池モジュール2が適正な発電を行うことができる温度を下回っているため、取出可能電流値Iinvの値を低下させる。これにより、発電に消費される燃料を減少させ、燃料を燃料電池セルユニット16の加熱に振り向け、温度を上昇させる。ステップS12の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図16のフローチャートが実行されるごとにステップS12の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、10[mA/sec]の電流減少変化率で減少されることになる。
On the other hand, when the power generation chamber temperature Tfc is 850 [° C.] or lower in step S9, the process proceeds to step S11. In step S11, it is determined whether or not the power generation chamber temperature Tfc is lower than 550 [° C.]. When the power generation chamber temperature Tfc is lower than 550 [° C.], the process proceeds to step S12, and in step S12, the
一方、ステップS11において、発電室温度Tfcが550[℃]以上の場合には、ステップS13に進む。ステップS13においては、取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が400[mA]を超え、且つ取出可能電流値Iinvが1[A]を超えているか否かが判断される。取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が400[mA]を超え、且つ取出可能電流値Iinvが1[A]を超えている場合には、ステップS14に進み、ステップS14においては、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を5[mA]低下させる(図15の番号1に対応)。即ち、取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が400[mA]を超えている場合には、取り出し可能な電流である取出可能電流値Iinvに対して、燃料電池モジュール2から実際に取り出されている実取出電流Icが少なすぎ、燃料が無駄に供給されるので、取出可能電流値Iinvの値を低下させて燃料の浪費を抑制する。ステップS14の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図16のフローチャートが実行されるごとにステップS14の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、10[mA/sec]の電流減少変化率で減少されることになる。
On the other hand, when the power generation chamber temperature Tfc is 550 [° C.] or higher in step S11, the process proceeds to step S13. In step S13, it is determined whether or not the difference between the extractable current value Iinv and the actual extract current Ic exceeds 400 [mA] and the extractable current value Iinv exceeds 1 [A]. If the difference between the extractable current value Iinv and the actual extract current Ic exceeds 400 [mA] and the extractable current value Iinv exceeds 1 [A], the process proceeds to step S14.
このように、制御部110は、複数の電流低下条件(図16のステップS5、S7、S9、S11、S13)のうち1つでも該当した場合においては、需要電力が上昇している状況においても取出可能電流値Iinvを減少させる(ステップS6、S8、S10、S12、S14)。
As described above, the
一方、ステップS4において、取出可能電流値Iinvが1[A]以下の場合、及びステップS13において、取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が400[mA]以下の場合には、図17のステップS15に進む。
ステップS15においては、取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が300[mA]以下であるか否かが判断され、ステップS16においては、発電電圧Vdcが100[V]以上であるか否かが判断され、ステップS17においては、連系電力Winvが690[W]以下であるか否かが判断され、ステップS18においては、発電室温度Tfcが600[℃]以上であるか否かが判断され、ステップS19においては、系統電力Wlが40[W]を超えているか否かが判断される。これらの条件が全て満足された場合にはステップS20に進み、これらのうちの1つでも満足されない条件がある場合(図15の番号9に対応)には、ステップS21進む。ステップS21においては、取出可能電流値Iinvの値は変更されずに従前の値に維持され、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。
On the other hand, when the extractable current value Iinv is 1 [A] or less in step S4, and in step S13, the difference between the extractable current value Iinv and the actual extraction current Ic is 400 [mA] or less, FIG. The process proceeds to step S15.
In step S15, it is determined whether or not the difference between the extractable current value Iinv and the actual extraction current Ic is 300 [mA] or less. In step S16, whether or not the generated voltage Vdc is 100 [V] or more. In step S17, it is determined whether or not the interconnection power Winv is 690 [W] or less. In step S18, whether or not the power generation room temperature Tfc is 600 [° C.] or more. In step S19, it is determined whether or not the system power W1 exceeds 40 [W]. If all of these conditions are satisfied, the process proceeds to step S20. If any of these conditions is not satisfied (corresponding to
このように、本実施形態の固体電解質型燃料電池1においては、需要電力が上昇している状況においても、所定の条件が満たされない場合には、取出可能電流値Iinvが一定に維持される(図17のステップS21)。また、発電室温度Tfcに着目すると、発電室温度Tfcが上限の閾値である850[℃]を超えている場合には、取出可能電流値Iinvは低下され(図16のステップS9、S10)、発電室温度Tfcが下限の閾値である600[℃]よりも低いと、取出可能電流値Iinvは維持される(図17のステップS18、S21)。また、発電室温度Tfcが更に低く、550[℃]よりも低いと、取出可能電流値Iinvは低下される(図16のステップS11、S12)。
Thus, in the solid
一方、ステップS20以下の処理では、取出可能電流値Iinvの値は上昇される。制御部110は、複数の電流維持条件(図17のステップS15、S16、S17、S18、S19)の何れにも該当しない場合にのみ、取出可能電流値Iinvを増加させる(図17のステップS22、S23)。
On the other hand, in the processing after step S20, the value of the extractable current value Iinv is increased. The
即ち、取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が300[mA]を超えている場合(ステップS15)には、取出可能電流値Iinvと実取出電流Icの差が比較的大きいため、取出可能電流値Iinvを上昇させるべきではない。また、発電電圧Vdcが100[V]よりも低い場合(ステップS16)には、取出可能電流値Iinvを上昇させて、燃料電池モジュール2から取り出され得る電流を増加させるべきではない。さらに、連系電力Winvが690[W]を超えている場合(ステップS17)には、燃料電池モジュール2からの出力電力は既にほぼ定格出力電力に到達しているため、燃料電池モジュール2から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
That is, when the difference between the extractable current value Iinv and the actual extraction current Ic exceeds 300 [mA] (step S15), the difference between the extractable current value Iinv and the actual extraction current Ic is relatively large. The possible current value Iinv should not be increased. When the generated voltage Vdc is lower than 100 [V] (step S16), the current that can be extracted from the
さらに、発電室温度Tfcが600[℃]よりも低い場合(ステップS18)には、燃料電池モジュール2が十分に発電を行うことができる温度に達していないため、取出可能電流値Iinvの値を上昇させ、燃料電池モジュール2から取り出され得る電流を増加させて、燃料電池セルユニット16に負担をかけるべきではない。また、系統電力Wlが40[W]以下の場合(ステップS19)には、「逆潮流」が発生しやすい状況にあるため、燃料電池モジュール2から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
Further, when the power generation chamber temperature Tfc is lower than 600 [° C.] (step S18), since the
ステップS15乃至ステップS19の条件が全て満足された場合には、ステップS20に進む。ステップS20においては、燃料供給電流値Ifと実取出電流Icの差が1000[mA]以上か否かが判断される。燃料供給電流値Ifに対応した燃料ガス供給量を求めて、燃料電池モジュール2に供給して発電運転している。そのため、換言すれば、その燃料により燃料電池モジュール2が発電可能な電流値を換算した値である。例えば、燃料供給電流値If=5[A]に相当する燃料ガス供給量[L/min]が供給されている場合には、燃料電池モジュール2は、潜在的に5[A]の電流を安全に安定して出力する能力がある。従って、燃料供給電流値Ifと実取出電流Icの差が1000[mA]である場合には、実際に発電している実取出電流Icよりも1[A]分多い電流を出力することができる分量の燃料が燃料電池モジュール2に供給されていることになる。
If all the conditions in steps S15 to S19 are satisfied, the process proceeds to step S20. In step S20, it is determined whether the difference between the fuel supply current value If and the actual extraction current Ic is 1000 [mA] or more. A fuel gas supply amount corresponding to the fuel supply current value If is obtained and supplied to the
ステップS20において、燃料供給電流値Ifと実取出電流Icの差が1000[mA]以上である場合にはステップS22進み、1000[mA]よりも少ない場合にはステップS23進む。ステップS22においては、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール2に供給されている状態であるため、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を100[mA]増加させ(図15の番号7に対応)、取出可能電流値Iinvを急速に上昇させる。ステップS22の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図17のフローチャートが実行されるごとにステップS22の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、第2電流上昇変化率である200[mA/sec]の変化率で上昇されることになる。
In step S20, if the difference between the fuel supply current value If and the actual extraction current Ic is 1000 [mA] or more, the process proceeds to step S22, and if it is less than 1000 [mA], the process proceeds to step S23. In step S22, since a large amount of excess fuel is supplied to the
一方、ステップS23においては、取出可能電流値Iinvを上昇させる状況にあるが、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール2に供給されている状態ではないので、制御部110は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Iinvの値を10[mA]増加させ(図15の番号8に対応)、取出可能電流値Iinvを緩やかに上昇させる。ステップS23の処理の終了により、図16及び図17のフローチャートの1回の処理が終了する。図17のフローチャートが実行されるごとにステップS23の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Iinvは、第1電流上昇変化率である20[mA/sec]の変化率で上昇されることになる。
On the other hand, in step S23, the current value Iinv that can be taken out is increased, but since a large amount of excess fuel is not being supplied to the
このように本実施形態では、発電工程において、制御部110は、セルスタック温度Tfcが850℃を超えないように、取出可能電流値Iinvを制御する。セルスタック温度Tfcと改質器温度は関連しており、発電工程において、セルスタック温度Tfcが850℃である場合、改質器温度が800℃であるという相関がある。したがって、セルスタック温度Tfcが850℃を超えないように制御することにより、改質器温度が異常判定温度である800℃を超えないようにすることができる。
Thus, in the present embodiment, in the power generation process, the
これにより、本実施形態では、発電工程移行後においても温度監視制御によって改質器温度が異常判定温度に到達しないようにバックアップされている。したがって、発電工程移行前における過昇温抑制制御が十分に過昇温を抑制できない場合であっても、改質器20等の劣化・損傷を確実に防止することができる。
Thus, in this embodiment, the reformer temperature is backed up so as not to reach the abnormality determination temperature by the temperature monitoring control even after the power generation process shifts. Therefore, even if the excessive temperature rise suppression control before the power generation process transition cannot be sufficiently suppressed, the
また、上記実施形態は以下のように改変することができる。
上記実施形態では、判定手段としての制御部110が改質器温度及びセルスタック温度に基づいて、燃料電池モジュール2に蓄積している熱量によって、改質器20、燃料電池セルスタック14が過昇温される状態(昇温助長状態)であるか否かを判定していたが、これに限らず、他の方法によって判定するように構成してもよい。
Moreover, the said embodiment can be modified as follows.
In the above-described embodiment, the
例えば、各工程において、改質器温度とセルスタック温度の温度差に応じて昇温助長状態を判定してもよいし、改質器温度やセルスタック温度や蓄熱材7の温度を含む他の温度、その温度変化率又は温度変化速度に応じて判定してもよいし、燃料ガス供給量に対する改質器温度やスタック温度の温度上昇から起動時に残存していた熱量を推定し、この推定した熱量に応じて判定してもよいし、再起動前の動作状態に応じて判定してもよい。このように、種々の方法で、残存熱量に起因する過昇温の発生のおそれの程度を判定することができるが、上記実施形態では、各工程での改質器温度及びセルスタック温度の測定値から判定するという簡単な方法を採用している。
For example, in each process, the temperature increase promotion state may be determined according to the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature, or other conditions including the reformer temperature, the cell stack temperature, and the temperature of the
なお、図8の停止動作の時間変化において示されているように、改質器温度、発電室温度、燃焼部温度がほぼ同じ温度で低下しており、残留熱量は燃料電池モジュール2内に局所的ではなく全体にほぼ均一に残ると考えられる。このため、改質器温度に影響を与える残存熱量だけでなく、セルスタック温度に影響を与える残存熱量も、改質器温度の測定のみによって推定できる。したがって、上記実施形態において、図11の例のように、判定手段としての制御部110が改質器温度のみの測定値に基づいて、昇温助長状態を判定するように構成することができる。
As shown in the time change of the stop operation in FIG. 8, the reformer temperature, the power generation chamber temperature, and the combustion section temperature are reduced at substantially the same temperature, and the residual heat amount is locally contained in the
また、判定手段としての制御部110が昇温助長状態の判定を行う時期は任意に設定することができる。また、上述の温度差、温度、温度変化率又は温度変化速度、推定熱量に応じて判定する場合においても、任意の時期に判定することができる。
Moreover, the timing when the
また、上記実施形態では、改質器温度がセルスタック温度よりも温度上昇速度が速い場合であったが、これに限らず、蓄熱材7等に対する配置によっては、セルスタック温度が改質器温度よりも温度上昇速度が速い場合があり、この場合には、上記実施形態において改質器温度とセルスタック温度とを入れ替えた構成にすることにより、同様の技術思想によって、セルスタック温度の過昇温を防止するように構成することができる。
In the above embodiment, the reformer temperature is faster than the cell stack temperature. However, the present invention is not limited to this, and depending on the arrangement of the
1 固体電解質形燃料電池(固体酸化物形燃料電池装置)
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング(モジュール収納室)
7 蓄熱材(蓄熱手段)
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
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
28 水流量調整ユニット
38 燃料流量調整ユニット
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
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、判定手段)
1 Solid electrolyte fuel cell (solid oxide fuel cell device)
2
7 heat storage material (heat storage means)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
複数の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックと、
前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを改質する改質器と、
前記燃料電池セルを通過した余剰の燃焼ガス又は改質された燃焼ガスを燃焼させることにより発生する排気ガスによって前記改質器及び前記セルスタックを加熱する燃焼部と、
前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度をそれぞれ検出する温度検出器と、
前記セルスタック及び前記改質器を収納するモジュール収納室と、
前記モジュール収納室の周囲に配置された蓄熱手段と、
前記燃料電池装置の起動中に前記蓄熱手段が蓄積している熱量によって前記改質器及び/又は前記セルスタックの昇温が助長される状態である昇温助長状態であるか否かを判定する判定手段と、
前記燃料電池装置の起動を制御する制御手段と、を備えており、
前記制御手段は、前記燃料電池装置の起動工程において、前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度に基づいて、前記改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、前記改質器で行われる燃料ガス改質反応工程において、発熱反応である部分酸化改質反応を生じる工程から水蒸気改質反応を生じるSR工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程において前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、
前記判定手段は、前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度の一方が、前記工程の移行時において前記設定された移行条件の温度よりも高い温度に設定されている第1の所定温度以上であるか、前記セルスタック及び前記改質器の温度上昇速度が所定の温度上昇速度よりも速く、所定期間内に所定の強制移行温度に到達した場合に、前記昇温助長状態であると判断するように構成されており、
前記判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、前記制御手段は、前記移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、前記移行条件を緩和することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In the solid oxide fuel cell device,
A cell stack formed by combining a plurality of fuel cells,
A reformer for reforming the fuel gas supplied to the fuel cell;
A combustion section that heats the reformer and the cell stack with exhaust gas generated by burning surplus combustion gas or reformed combustion gas that has passed through the fuel cell; and
A temperature detector for detecting the temperature of the cell stack and the temperature of the reformer, and
A module storage chamber for storing the cell stack and the reformer;
Heat storage means arranged around the module storage chamber;
It is determined whether or not the temperature increase promotion state is a state where the temperature increase of the reformer and / or the cell stack is promoted by the amount of heat stored in the heat storage means during startup of the fuel cell device. A determination means;
Control means for controlling the start-up of the fuel cell device,
The control means controls the supply amount of fuel gas, oxidant gas, and water vapor supplied to the reformer based on the temperature of the cell stack and the temperature of the reformer in the startup process of the fuel cell device. In the fuel gas reforming reaction step performed in the reformer , after the transition from the step of generating the partial oxidation reforming reaction which is an exothermic reaction to the SR step of generating the steam reforming reaction, the step of shifting to the power generation step, In each step, when the temperature of the cell stack and the temperature of the reformer satisfy the transition conditions set for each, it is configured to control to shift to the next step,
The determination means has a temperature equal to or higher than a first predetermined temperature at which one of the temperature of the cell stack and the temperature of the reformer is set to a temperature higher than the temperature of the set transition condition at the time of transition of the process. Or when the temperature increase rate of the cell stack and the reformer is faster than a predetermined temperature increase rate and reaches a predetermined forced transition temperature within a predetermined period, it is determined that the temperature increase promotion state is established. Is configured to
When it is determined that the determination unit is in the temperature rising promotion state, the control unit relaxes the transition condition so as to shift to the next step at an early stage even if the transition condition is not satisfied. Solid oxide fuel cell device.
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