JP5659975B2 - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents

FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.

燃料電池セルは、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を用いて電気エネルギを得る装置である。この燃料電池セルは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that obtains electrical energy using a reaction gas (fuel gas and oxidant gas). This fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, and thus has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池システムを安定した状態で運転するためには、流体の流量などを計測しながらフィードバック制御することが好ましい。しかしながら、専用の流量計を設けると、コストがかかる。そこで、特許文献１では、流路内を通過する流体に所定の圧力損失を生じさせる圧損要素部よりも上流側の圧力を測定し、圧損要素部における流体の流量と圧力損失との相関関係を予め把握し、測定圧力と前記相関関係とに基づいて圧力損失を計算により求めている。または、圧損要路部下流側の圧力を測定し、この圧力と上流側測定圧力とから圧損要素部で生じる圧力損失を求め、求めた圧力損失と前記相関関係とに基づいて、流体の流量を測定する手段が設けられている。   In order to operate the fuel cell system in a stable state, it is preferable to perform feedback control while measuring the flow rate of the fluid. However, providing a dedicated flow meter is expensive. Therefore, in Patent Document 1, the pressure upstream of the pressure loss element part that causes a predetermined pressure loss in the fluid passing through the flow path is measured, and the correlation between the fluid flow rate and the pressure loss in the pressure loss element part is shown. The pressure loss is obtained by calculation based on the measured pressure and the correlation. Alternatively, the pressure on the downstream side of the pressure loss required passage portion is measured, the pressure loss generated in the pressure loss element portion is obtained from this pressure and the upstream side measured pressure, and the flow rate of the fluid is determined based on the obtained pressure loss and the correlation. Means for measuring are provided.

特開２０１０−２０５５５１号公報JP 2010-205551 A

しかしながら、特許文献１の技術では、圧力計測に伴う圧損相当分の原料供給アクチュエータ駆動動力が増え、熱効率が低下する。また、特許文献１の技術では、圧力計測が必要となるため、圧力検出器の初期バラツキ、経時変化、ＡＤ変換の誤差、電圧／物理値演算の誤差などの影響を受けるおそれがある。したがって、補償制御が必要となる。その結果、コストを効果的に低下させることができない。   However, in the technique of Patent Document 1, the raw material supply actuator driving power corresponding to the pressure loss accompanying pressure measurement is increased, and the thermal efficiency is lowered. Further, since the technique of Patent Document 1 requires pressure measurement, it may be affected by initial variations of pressure detectors, changes with time, AD conversion errors, voltage / physical value calculation errors, and the like. Therefore, compensation control is required. As a result, the cost cannot be reduced effectively.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a fuel cell system capable of controlling the fuel flow rate with high accuracy while suppressing at least one of a decrease in thermal efficiency and an increase in cost, and a control method for the fuel cell system The purpose is to provide.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部と、を含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正する制御部と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することができる。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas, and a combustion chamber that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell and supplies combustion heat obtained by the combustion to the fuel cell. A fuel gas supply for supplying the fuel gas to the fuel cell, and a reformer that reforms the raw fuel into the fuel gas; and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer And an index value obtained by dividing a power generation voltage of the fuel cell by a raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit , and the index from a reference value of the index value acquired in advance And a control unit that corrects the raw fuel flow rate command value so as to reduce the deviation of the values . According to the fuel cell system of the present invention, the fuel flow rate can be controlled with high accuracy while suppressing at least one of a decrease in thermal efficiency and an increase in cost.

前記制御部は、前記燃料電池が発電していることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度範囲内にあることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧がしきい値を超えていることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。 Before SL control unit, when the fuel cell was confirmed that the power generation may correct the raw fuel flow rate command value. The controller may correct the raw fuel flow rate command value when it is confirmed that the temperature of the fuel cell is within a predetermined temperature range. The control unit may correct the raw fuel flow rate command value when it is confirmed that the power generation voltage of the fuel cell exceeds a threshold value .

本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部とを含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、を含む燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することができる。 A control method for a fuel cell system according to the present invention comprises: a fuel cell that generates power using fuel gas; and a fuel off-gas discharged from the fuel cell is combusted, and combustion heat obtained by the combustion is supplied to the fuel cell. A combustion chamber, a reformer that reforms raw fuel into the fuel gas, and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer, and the fuel gas that supplies the fuel gas to the fuel cell In the fuel cell system including the supply unit, the index acquired in advance using an index value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel cell by the raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit The raw fuel flow rate command value is corrected so that a deviation of the index value from a reference value of the value is reduced . According to the control method of the fuel cell system according to the present invention, the fuel flow rate can be controlled with high accuracy while suppressing at least one of the decrease in thermal efficiency and the increase in cost.

本発明によれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control method of a fuel cell system and a fuel cell system which can control a fuel flow volume with high precision can be provided, suppressing at least any one of thermal efficiency fall and cost increase.

第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment. 燃料電池スタック装置の燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view including the cross section of the fuel cell which comprises the fuel cell stack of a fuel cell stack apparatus. 燃料電池スタック装置が備える燃料電池スタックを説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the fuel cell stack with which a fuel cell stack apparatus is provided. 燃料電池スタック装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of a fuel cell stack apparatus. 燃料電池スタック装置の発電電力一定の条件の下での各パラメータの測定値を示す実験結果である。It is an experimental result which shows the measured value of each parameter under the conditions of the electric power generation constant of a fuel cell stack apparatus. 原燃料流量指令値と発電電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a raw fuel flow command value and a generated voltage. 原燃料流量指令値と、発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a raw fuel flow rate command value and the value obtained by dividing | segmenting a generated voltage by a raw fuel flow rate command value. 図５の実験結果に指標値Ｕｆ＿ｎを重ねた図である。FIG. 6 is a diagram in which an index value Uf_n is superimposed on the experimental result of FIG. 5. 指標値Ｕｆ＿ｎを用いて原燃料流量指令値を補正制御する場合のフローチャートの一例である。It is an example of the flowchart in the case of carrying out correction | amendment control of the raw fuel flow rate command value using index value Uf_n. 上限抵抗と原燃料流量指令値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between upper limit resistance and raw fuel flow rate command value. 原燃料流量指令値と基準値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a raw fuel flow rate command value and a reference value. 原燃料流量補正値を算出する際に用いるマップである。It is a map used when calculating a raw fuel flow rate correction value. 図９のフローチャートに従った結果として得られた原燃料流量補正値を示す図である。It is a figure which shows the raw fuel flow volume correction value obtained as a result according to the flowchart of FIG.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

（実施形態）
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池スタック装置７０、および熱交換器９０を備える。また、燃料電池システム１００は、センサ部として、電圧センサ８１、電流センサ８２、および温度センサ８３を備える。 (Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a fuel cell system 100 according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a control unit 10, a raw fuel supply unit 20, a reforming water supply unit 30, an oxidant gas supply unit 40, a reformer 50, a combustion chamber 60, and a fuel cell stack device. 70 and a heat exchanger 90. The fuel cell system 100 includes a voltage sensor 81, a current sensor 82, and a temperature sensor 83 as sensor units.

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、インタフェース等から構成され、入出力ポート１１、ＣＰＵ１２、記憶部１３等を含む。入出力ポート１１は、制御部１０と各機器とのインタフェースである。記憶部１３は、ＣＰＵ１２が実行するためのプログラムを記憶するＲＯＭ、演算に用いる変数等を記憶するＲＡＭ等を含むメモリである。   The control unit 10 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an interface, and the like, and includes an input / output port 11, a CPU 12, a storage unit 13, and the like. The input / output port 11 is an interface between the control unit 10 and each device. The storage unit 13 is a memory including a ROM that stores a program to be executed by the CPU 12, a RAM that stores variables used for calculation, and the like.

原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための原燃料ポンプ２０ａ、原燃料中の硫黄成分を除去するための脱硫器２０ｂ等を含む。原燃料として、都市ガスなどを用いることができる。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２、改質器５０に供給される改質水の供給量を調整するための調量弁３３等を含む。酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池スタック装置７０のカソード７１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池スタック装置７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。   The raw fuel supply unit 20 includes a raw fuel pump 20a for supplying raw fuel such as hydrocarbons to the reformer 50, a desulfurizer 20b for removing sulfur components in the raw fuel, and the like. City gas or the like can be used as the raw fuel. The reforming water supply unit 30 stores reforming water 31 that stores reforming water necessary for the steam reforming reaction in the reformer 50, and the reforming water stored in the reforming water tank 31 is supplied to the reformer 50. A reforming water pump 32 for supplying, a metering valve 33 for adjusting a supply amount of the reforming water supplied to the reformer 50, and the like are included. The oxidant gas supply unit 40 includes an air pump for supplying an oxidant gas such as air to the cathode 71 of the fuel cell stack device 70. The reformer 50 includes a vaporization unit 51 for vaporizing reformed water and a reforming unit 52 for generating fuel gas by a steam reforming reaction. The fuel cell stack device 70 includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having an electrolyte 73 sandwiched between a cathode 71 and an anode 72 are stacked.

図２は、燃料電池スタック装置７０の燃料電池スタックを構成する燃料電池セル７４の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル７４は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体２１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路２２が形成されている。導電性支持体２１の外周面における一方の平面上に、燃料極２３、固体電解質２４、および酸素極２５がこの順に積層されている。酸素極２５に対向する他方の平面上には、接合層２６を介してインターコネクタ２７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層２８が設けられている。燃料極２３が図１のアノード７２として機能し、酸素極２５が図１のカソード７１として機能し、固体電解質２４が図１の電解質７３として機能する。   FIG. 2 is a partial perspective view including a cross section of the fuel cell 74 constituting the fuel cell stack of the fuel cell stack device 70. As shown in FIG. 2, the fuel battery cell 74 has a flat plate-like overall shape. A plurality of fuel gas passages 22 penetrating along the axial direction (longitudinal direction) are formed in the conductive support 21 having gas permeability. A fuel electrode 23, a solid electrolyte 24, and an oxygen electrode 25 are laminated in this order on one plane on the outer peripheral surface of the conductive support 21. On the other plane facing the oxygen electrode 25, an interconnector 27 is provided via a bonding layer 26, and a P-type semiconductor layer 28 for reducing contact resistance is provided thereon. The fuel electrode 23 functions as the anode 72 in FIG. 1, the oxygen electrode 25 functions as the cathode 71 in FIG. 1, and the solid electrolyte 24 functions as the electrolyte 73 in FIG.

燃料ガス通路２２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極２３に水素が供給される。一方、燃料電池セル７４の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極２５に酸素が供給される。それにより、酸素極２５及び燃料極２３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。以下、燃料ガスおよび酸化剤ガスを総称して、反応ガスとも称する。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− Hydrogen is supplied to the fuel electrode 23 by supplying the fuel gas containing hydrogen to the fuel gas passage 22. On the other hand, oxygen is supplied to the oxygen electrode 25 by supplying an oxidant gas containing oxygen around the fuel cell 74. As a result, the following electrode reactions occur in the oxygen electrode 25 and the fuel electrode 23 to generate power. Hereinafter, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to as a reaction gas. The power generation reaction is performed at 600 ° C. to 1000 ° C., for example.
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −

酸素極２５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質２４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質２４は、酸素極２５から燃料極２３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質２４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質２４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極２３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ２７は、燃料電池セル７４同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。 The material of the oxygen electrode 25 has oxidation resistance and is porous so that gaseous oxygen can reach the interface with the solid electrolyte 24. The solid electrolyte 24 has a function of moving oxygen ions O 2− from the oxygen electrode 25 to the fuel electrode 23. The solid electrolyte 24 is composed of an oxygen ion conductive oxide. Further, the solid electrolyte 24 physically isolates the fuel gas and the oxidant gas, so that it is stable and dense in the oxidizing / reducing atmosphere. The fuel electrode 23 is made of a material that is stable in a reducing atmosphere and has an affinity for hydrogen. The interconnector 27 is provided to electrically connect the fuel battery cells 74 in series, and is dense to physically separate the fuel gas and the oxidant gas.

例えば、酸素極２５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質２４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極２３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ２７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。 For example, the oxygen electrode 25 is formed of a lanthanum cobaltite-based perovskite complex oxide having high conductivity of both electrons and ions. The solid electrolyte 24 is formed of ZrO 2 (YSZ) containing Y 2 O 3 having high ionic conductivity. The fuel electrode 23 is formed of a mixture of Ni having high electronic conductivity and ZrO 2 (YSZ) containing Y 2 O 3 . The interconnector 27 is made of LaCrO 3 or the like that has a high electronic conductivity and in which an alkaline earth oxide is dissolved. These materials are preferably close in thermal expansion coefficient.

図３は、燃料電池スタック装置７０が備える燃料電池スタック７５を説明するための斜視図である。燃料電池スタック７５においては、複数の燃料電池セル７４が互いに集電部材を介して積層されている。各燃料電池セル７４は、燃料極２３と酸素極２５とが対向するように積層されている。なお、図３において、細線矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。   FIG. 3 is a perspective view for explaining a fuel cell stack 75 included in the fuel cell stack device 70. In the fuel cell stack 75, a plurality of fuel cells 74 are stacked on each other via a current collecting member. Each fuel cell 74 is laminated so that the fuel electrode 23 and the oxygen electrode 25 face each other. In FIG. 3, the thin line arrows indicate the flow of the fuel gas, and the thick line arrows indicate the flow of the oxidant gas.

図４（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図４（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池スタック装置７０の酸化剤ガス導入部材７６を抜粋して示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置７０においては、マニホールド７７の上に、２組の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ（燃料電池セル７４）が、互いの積層方向が略平行になるように並列配置されている。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂは、固体酸化物形の燃料電池セル７４が複数枚積層された構造を有する。   FIG. 4A is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack device 70. FIG. 4B is a perspective view showing the oxidant gas introduction member 76 extracted from the fuel cell stack device 70 shown in FIG. As shown in FIG. 4A, in the fuel cell stack device 70, two sets of fuel cell stacks 75 a and 75 b (fuel cell 74) are arranged on the manifold 77 so that their stacking directions are substantially parallel to each other. Are arranged in parallel. The fuel cell stacks 75a and 75b have a structure in which a plurality of solid oxide fuel cell cells 74 are stacked.

図４（ａ）のマニホールド７７には、各燃料電池セル７４の燃料ガス通路２２に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド７７を流動する燃料ガスが燃料ガス通路２２に流入する。改質器５０は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂのマニホールド７７と反対側に配置されている。例えば、改質器５０は、一方の燃料電池スタックの積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタックの積層方向に延びる構造を有する。本実施形態においては、改質器５０における改質水入口側に燃料電池スタック７５ａが配置され、燃料ガス出口側に燃料電池スタック７５ｂが配置されている。   In the manifold 77 of FIG. 4A, a hole communicating with the fuel gas passage 22 of each fuel cell 74 is formed. Thereby, the fuel gas flowing through the manifold 77 flows into the fuel gas passage 22. The reformer 50 is disposed on the opposite side of the manifold 77 of the fuel cell stacks 75a and 75b. For example, the reformer 50 has a structure that extends in the stacking direction of one fuel cell stack, is folded at one end side, and extends in the stacking direction of the other fuel cell stack. In the present embodiment, the fuel cell stack 75a is disposed on the reforming water inlet side of the reformer 50, and the fuel cell stack 75b is disposed on the fuel gas outlet side.

また、図４（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間には、酸化剤ガス導入部材７６が配置されている。酸化剤ガス導入部材７６には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材７６のマニホールド７７側端部には、孔７８が形成されている。それにより、各燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル７４の燃料ガス通路２２を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル７４において発電が行われる。   Further, as shown in FIG. 4B, an oxidant gas introduction member 76 is disposed between the fuel cell stack 75a and the fuel cell stack 75b. The oxidant gas introduction member 76 has a space for the oxidant gas to flow. A hole 78 is formed at the end of the oxidizing gas introducing member 76 on the manifold 77 side. Thereby, the oxidant gas flows outside each fuel cell 74. Electric power is generated in the fuel cell 74 by flowing the fuel gas through the fuel gas passage 22 of the fuel cell 74 and flowing the oxidant gas outside the fuel cell 74.

燃料電池セル７４において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル７４のマニホールド７７と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃成分が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室６０は、燃料電池セル７４（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）の上端と改質器５０との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。温度センサ８３は、この燃焼室６０のいずれかの箇所に配置されている。燃焼室６０における燃料オフガスの燃焼によって生じる熱は、改質器５０と燃料電池スタック７５ａ，７５ｂに与えられる。   The fuel gas (fuel off gas) after being used for power generation in the fuel cell 74 and the oxidant gas (oxidant off gas) after being used for power generation are opposite ends of the manifold 77 of each fuel cell 74. Join at the part. Since the fuel off-gas contains a combustible component such as unburned hydrogen, the fuel off-gas burns using oxygen contained in the oxidant off-gas. In this example, the combustion chamber 60 refers to a space in which the fuel off-gas burns between the upper end of the fuel cell 74 (fuel cell stack 75a, 75b) and the reformer 50. The temperature sensor 83 is disposed at any location in the combustion chamber 60. Heat generated by the combustion of the fuel off gas in the combustion chamber 60 is given to the reformer 50 and the fuel cell stacks 75a and 75b.

改質器５０の上流側は気化部５１として機能し、改質器５０の下流側は改質部５２として機能する。図４（ｃ）に示すように、改質器５０に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部５１においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部５２においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。   The upstream side of the reformer 50 functions as the vaporization unit 51, and the downstream side of the reformer 50 functions as the reforming unit 52. As shown in FIG. 4 (c), when raw fuel such as hydrocarbons and reformed water are supplied to the reformer 50, the reforming water evaporates and steam is generated in the vaporization section 51, which is generated. The steam and the raw fuel such as hydrocarbon are mixed. In the reforming unit 52, steam and raw fuel such as hydrocarbons undergo a steam reforming reaction via a catalyst to generate fuel gas.

続いて、図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の起動時の動作の概要について説明する。まず、原燃料ポンプ２０ａは、制御部１０から与えられる制御指令値（原燃料流量指令値）に従って、原燃料を脱硫器２０ｂ経由で改質器５０に供給する。本実施例において、制御指令値とは、各機器が実現するべき目標供給量のことである。なお、原燃料ポンプ２０ａに与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。改質水ポンプ３２は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、改質水を調量弁３３に供給する。なお、改質水ポンプ３２に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。調量弁３３は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、改質水を改質器５０に供給する。なお、調量弁３３に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。改質水は、燃焼室６０における燃焼熱を利用して、気化部５１において気化して水蒸気となる。改質部５２においては、燃焼室６０の燃焼熱を利用した水蒸気改質反応が生じる。それにより、改質部５２において、水素を含む燃料ガスが生成される。改質部５２において生成された燃料ガスは、アノード７２に供給される。以上のことから、燃料電池システム１００においては、原燃料供給部２０および改質部５０が、燃料ガス供給部として機能している。   Next, the outline of the operation at the start-up of the fuel cell system 100 will be described with reference to FIG. First, the raw fuel pump 20a supplies raw fuel to the reformer 50 via the desulfurizer 20b in accordance with a control command value (raw fuel flow rate command value) given from the control unit 10. In the present embodiment, the control command value is a target supply amount that each device should realize. The control command value given to the raw fuel pump 20a is stored in the storage unit 13. The reforming water pump 32 supplies the reforming water to the metering valve 33 according to the control command value given from the control unit 10. The control command value given to the reforming water pump 32 is stored in the storage unit 13. The metering valve 33 supplies the reforming water to the reformer 50 according to the control command value given from the control unit 10. The control command value given to the metering valve 33 is stored in the storage unit 13. The reformed water is vaporized in the vaporization section 51 using the heat of combustion in the combustion chamber 60 to become water vapor. In the reforming unit 52, a steam reforming reaction using the combustion heat of the combustion chamber 60 occurs. Thereby, in the reforming part 52, a fuel gas containing hydrogen is generated. The fuel gas generated in the reforming unit 52 is supplied to the anode 72. From the above, in the fuel cell system 100, the raw fuel supply unit 20 and the reforming unit 50 function as a fuel gas supply unit.

酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、酸化剤ガスをカソード７１に供給する。酸化剤ガス供給部４０に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。なお、起動時においては発電回路が遮断（開回路）されているため、燃料電池スタック装置７０による発電は行われない。カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素を利用して燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池スタック７５ａ，７５ｂに与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。燃焼室６０から燃料電池スタック７５ａ，７５ｂに熱が与えられることによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が発電に適した範囲内に調整される。   The oxidant gas supply unit 40 supplies oxidant gas to the cathode 71 in accordance with the control command value given from the control unit 10. The control command value given to the oxidant gas supply unit 40 is stored in the storage unit 13. In addition, since the power generation circuit is cut off (open circuit) at the time of startup, power generation by the fuel cell stack device 70 is not performed. The oxidant off-gas discharged from the cathode 71 and the fuel off-gas discharged from the anode 72 flow into the combustion chamber 60. In the combustion chamber 60, the fuel off-gas burns using oxygen in the oxidant off-gas. The heat obtained by the combustion is given to the reformer 50 and the fuel cell stacks 75a and 75b. Thus, in the fuel cell system 100, combustible components such as hydrogen and carbon monoxide contained in the fuel off-gas can be burned in the combustion chamber 60. By applying heat from the combustion chamber 60 to the fuel cell stacks 75a and 75b, the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b is adjusted within a range suitable for power generation.

熱交換器９０は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器９０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。温度センサ８３は、燃焼室６０内の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、図４で説明したように、燃焼室６０は燃料電池スタック７５ａ，７５ｂと改質器５０との間の空間である。したがって、燃焼室６０の内の温度を検出することによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度を間接的に検出することができる。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が所定値まで上昇すると、燃料電池スタック装置７０の起動が完了する。   The heat exchanger 90 exchanges heat between the exhaust gas discharged from the combustion chamber 60 and tap water flowing in the heat exchanger 90. Condensed water obtained from the exhaust gas by heat exchange is stored in the reformed water tank 31. The temperature sensor 83 detects the temperature in the combustion chamber 60 and gives the detection result to the control unit 10. As described with reference to FIG. 4, the combustion chamber 60 is a space between the fuel cell stacks 75 a and 75 b and the reformer 50. Therefore, the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b can be indirectly detected by detecting the temperature in the combustion chamber 60. When the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b rises to a predetermined value, activation of the fuel cell stack device 70 is completed.

燃料電池スタック装置７０の起動完了後、発電回路（閉回路）が構成されると、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける発電が開始される。制御部１０は、要求発電負荷に応じて、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける発電量を調整する。具体的には、制御部１０は、原燃料ポンプ２０ａに対する制御指令値、調量弁３３に対する制御指令値、および酸化剤ガス供給部４０に対する制御指令値を制御することによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける発電量を調整する。これらの制御指令値は、記憶部１３に記憶される。   When the power generation circuit (closed circuit) is configured after the startup of the fuel cell stack device 70 is completed, power generation in the fuel cell stacks 75a and 75b is started. The control unit 10 adjusts the power generation amount in the fuel cell stacks 75a and 75b according to the required power generation load. Specifically, the control unit 10 controls the fuel cell stack 75a, the control command value for the raw fuel pump 20a, the control command value for the metering valve 33, and the control command value for the oxidant gas supply unit 40. The power generation amount at 75b is adjusted. These control command values are stored in the storage unit 13.

電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０に含まれる１枚以上の燃料電池セル７４の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、複数枚の燃料電池セル７４の発電電圧を検出する場合、該複数枚の燃料電池セル７４は、連続していてもよく連続していなくてもよい。また、電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０に含まれる全ての燃料電池セル７４の発電電圧を検出してもよい。電圧センサ８１の検出結果は、記憶部１３に記憶される。電流センサ８２は、燃料電池スタック装置７０の発電電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電流センサ８２の検出結果は、記憶部１３に記憶される。   The voltage sensor 81 detects the power generation voltage of one or more fuel cells 74 included in the fuel cell stack device 70 and gives the detection result to the control unit 10. When detecting the power generation voltage of the plurality of fuel cells 74, the plurality of fuel cells 74 may or may not be continuous. Further, the voltage sensor 81 may detect the generated voltage of all the fuel cells 74 included in the fuel cell stack device 70. The detection result of the voltage sensor 81 is stored in the storage unit 13. The current sensor 82 detects the generated current of the fuel cell stack device 70 and gives the detection result to the control unit 10. The detection result of the current sensor 82 is stored in the storage unit 13.

図５は、燃料電池スタック装置７０の発電電力一定の条件の下での各パラメータの測定値を示す実験結果である。図５において、横軸は経過時間を示す。図５の（１）〜（３）は、原燃料利用効率Ｕｆを一定に制御した期間である。（１）〜（３）の期間においても、原燃料流量指令値は（４）〜（６）のように、緩慢に変化する。この結果、発電効率も（７）〜（９）のように変化する。これは、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度変化に伴って、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの抵抗値が変化し、燃料電池スタック装置７０の発電電流が変化するからである。したがって、燃料電池スタック装置７０の発電電圧は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度とおおむね同期した推移を辿る。   FIG. 5 is an experimental result showing measured values of each parameter under the condition that the generated power of the fuel cell stack device 70 is constant. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the elapsed time. (1) to (3) in FIG. 5 are periods in which the raw fuel utilization efficiency Uf is controlled to be constant. Even during the periods of (1) to (3), the raw fuel flow rate command value changes slowly as in (4) to (6). As a result, the power generation efficiency also changes as in (7) to (9). This is because the resistance values of the fuel cell stacks 75a and 75b change as the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b changes, and the generated current of the fuel cell stack device 70 changes. Therefore, the power generation voltage of the fuel cell stack device 70 follows a transition that is generally synchronized with the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b.

なお、原燃料利用効率Ｕｆは、発電当量原料流量／供給原料流量と定義することができる。発電当量原料流量は、ファラディ定数と、原料性状に基づいて決定される値と、所望発電電流とから得ることができる。原燃料を供給する手段としてＣＮＧ（圧縮天然ガス）ボンベを用いる場合、ボンベの性状およびスタック構成などに応じて、一例として、発電当量原料流量は、発電当量原料流量＝０．０００１６２×所望発電電流（ｍｏｌ／ｓ）のように表すことができる。また、発電効率は、発電電力／供給原料発熱量と定義することができる。   The raw fuel utilization efficiency Uf can be defined as power generation equivalent raw material flow rate / feed raw material flow rate. The power generation equivalent raw material flow rate can be obtained from the Faraday constant, a value determined based on the raw material properties, and a desired power generation current. When a CNG (compressed natural gas) cylinder is used as a means for supplying raw fuel, as an example, the power generation equivalent raw material flow rate is as follows: It can be expressed as (mol / s). Moreover, the power generation efficiency can be defined as generated power / supplied raw material calorific value.

以上のことから、燃料電池スタック装置７０の発電電圧に基づいて原燃料流量指令値を制御することが可能のように思われる。すなわち、発電負荷に応じた制御目標となる発電電圧を基準値として設定し、この基準値に基づいて原燃料流量指令値を負帰還制御することが可能のように思われる。しかしながら、図６に示すように、原燃料流量指令値と発電電圧との間には、一様な関係（１対１の関係）が得られない。したがって、発電電圧を制御指標とする負帰還制御は困難である。これは、燃料電池スタック装置７０の発電電圧に、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度、即ち、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの電気抵抗値の影響が交絡しているからである。したがって、燃料電池スタック装置７０の発電電圧から燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響を切り離すことができれば、流量計などを用いなくても、原燃料流量指令値を高い精度で補正することができる。   From the above, it seems that the raw fuel flow rate command value can be controlled based on the power generation voltage of the fuel cell stack device 70. In other words, it seems that it is possible to set the generated voltage as a control target according to the generated load as a reference value and perform negative feedback control of the raw fuel flow rate command value based on this reference value. However, as shown in FIG. 6, a uniform relationship (one-to-one relationship) cannot be obtained between the raw fuel flow rate command value and the generated voltage. Therefore, negative feedback control using the generated voltage as a control index is difficult. This is because the influence of the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b, that is, the electric resistance value of the fuel cell stacks 75a and 75b is entangled with the generated voltage of the fuel cell stack device 70. Therefore, if the influence of the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b can be separated from the generated voltage of the fuel cell stack device 70, the raw fuel flow rate command value can be corrected with high accuracy without using a flow meter or the like. .

ここで、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度は、発電の際に、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの電気抵抗が介在する発熱量（以下、発電発熱量）と、発電に寄与しなかった燃料ガスが燃焼部６０で燃焼する際の燃焼熱量とに応じて変化する。したがって、発電発熱量および燃焼熱量のいずれも、原燃料流量指令値の関数となる。以上のことから、燃料電池スタック装置７０の発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響を切り離すことができる。すなわち、原燃料流量指令値と燃料電池スタック装置７０の発電電圧との間に、一様な関係（１対１の関係）を得ることができる。   Here, the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b depends on the amount of heat generated by the electrical resistance of the fuel cell stacks 75a and 75b (hereinafter referred to as power generation heat generation amount) during power generation and the amount of fuel gas that has not contributed to power generation. It changes according to the amount of combustion heat at the time of burning in the combustion unit 60. Accordingly, both the generated heat generation amount and the combustion heat amount are functions of the raw fuel flow rate command value. From the above, the influence of the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b can be separated by dividing the power generation voltage of the fuel cell stack device 70 by the raw fuel flow rate command value. That is, a uniform relationship (one-to-one relationship) can be obtained between the raw fuel flow rate command value and the power generation voltage of the fuel cell stack device 70.

図７は、原燃料流量指令値と、発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値（指標値Ｕｆ＿ｎ）との関係を示す図である。データ群αは、図５の原燃料利用効率Ｕｆをパラメータとした実験結果を示す。データ群αは、図５において、黒丸でプロットされている。データ群βは、別途行った広範囲の発電負荷を対象とした実験結果を示す。データ群βは、図５において太実線で表されている。データ群α，βのいずれも、原燃料流量指令値と、上記指標値Ｕｆ＿ｎとの間に、一様な関係が得られる。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the raw fuel flow rate command value and a value (index value Uf_n) obtained by dividing the generated voltage by the raw fuel flow rate command value. The data group α shows experimental results using the raw fuel utilization efficiency Uf in FIG. 5 as a parameter. The data group α is plotted with black circles in FIG. The data group β shows experimental results for a wide range of power generation loads performed separately. The data group β is represented by a thick solid line in FIG. In each of the data groups α and β, a uniform relationship is obtained between the raw fuel flow rate command value and the index value Uf_n.

以上のことから、指標値Ｕｆ＿ｎを用いて、原燃料流量指令値を高い精度で補正することができる。それにより、燃料電池スタック装置７０の発電効率と耐久性能とを両立することができる。また、流量計などを用いる必要がないため、コストを抑制することができる。また、特許文献１の技術のような圧力計測などが必要ないため、圧損相当分の原料供給アクチュエータ駆動動力が不要となり、熱効率低下が抑制される。また、特許文献１のような圧力計測などが必要ないため、圧力検出器の初期バラツキ、経時変化、ＡＤ変換の誤差、電圧／物理値演算の誤差などの影響を回避することができる。したがって、補償制御などを回避することができ、コストを抑制することができる。また、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響を抑制できるため、燃料電池スタック装置７０の放熱熱量補償などを回避することができ、コストを抑制することができる。   From the above, the raw fuel flow rate command value can be corrected with high accuracy using the index value Uf_n. Thereby, both the power generation efficiency and the durability performance of the fuel cell stack device 70 can be achieved. Moreover, since it is not necessary to use a flow meter etc., cost can be suppressed. In addition, since pressure measurement or the like as in the technique of Patent Document 1 is not necessary, the raw material supply actuator driving power corresponding to the pressure loss is not required, and a decrease in thermal efficiency is suppressed. Further, since pressure measurement or the like as in Patent Document 1 is not necessary, it is possible to avoid influences such as initial variations in pressure detectors, changes with time, errors in AD conversion, errors in voltage / physical value calculation, and the like. Therefore, compensation control and the like can be avoided, and costs can be suppressed. Further, since the influence of the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b can be suppressed, compensation of the heat radiation amount of the fuel cell stack device 70 can be avoided, and the cost can be suppressed.

図８は、図５の実験結果に、上記指標値Ｕｆ＿ｎを重ねた図である。図８に示すように、原燃料流量指令値と指標値Ｕｆ＿ｎとの間に、相関関係が得られている。この指標値Ｕｆ＿ｎの基準値を予め取得しておくことによって、原燃料流量指令値を適切に制御することができる。指標値Ｕｆ＿ｎの基準値は、正常状態の燃料電池スタック装置７０（例えば、未使用の燃料電池スタック装置、発電累積時間が短い燃料電池スタック装置など）を用いて予め取得しておくことができる。   FIG. 8 is a diagram in which the index value Uf_n is superimposed on the experimental result of FIG. As shown in FIG. 8, a correlation is obtained between the raw fuel flow rate command value and the index value Uf_n. By acquiring the reference value of the index value Uf_n in advance, the raw fuel flow rate command value can be appropriately controlled. The reference value of the index value Uf_n can be acquired in advance using a fuel cell stack device 70 in a normal state (for example, an unused fuel cell stack device, a fuel cell stack device with a short accumulated power generation time, etc.).

図９は、上記指標値Ｕｆ＿ｎを用いて原燃料流量指令値を補正制御する場合のフローチャートの一例である。図９のフローチャートは、周期的に（例えば１秒ごと）に実行される。図９に示すように、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０が発電中であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１においては、電流センサ８２の検出電流がゼロより大きければ、燃料電池スタック装置７０が発電中であると判定することができる。   FIG. 9 is an example of a flowchart in the case of correcting and controlling the raw fuel flow rate command value using the index value Uf_n. The flowchart of FIG. 9 is executed periodically (for example, every second). As shown in FIG. 9, the control unit 10 determines whether or not the fuel cell stack device 70 is generating power (step S1). In step S1, if the detected current of current sensor 82 is greater than zero, it can be determined that fuel cell stack device 70 is generating power.

ステップＳ１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が所定温度範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２）。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度は、温度センサ８３を用いて間接的に取得することができる。また、所定温度範囲は、燃料電池スタック装置７０が正常に通常発電を行っているか否かを判断できる範囲である。本実施例においては、例えば、６００℃〜８００℃程度である。なお、温度範囲に下限を設定しているのは、発電負荷が高い側から低い側へと急激に移行したしばらくの間、燃料電池スタック装置７０に対する燃料ガス不足を回避するための措置である。具体的には、軽負荷発電状態かつ軽負荷状態を継続した場合よりも燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度が高い状態では、所定発電量をより少ない原燃料流量で得られることから、指標値Ｕｆ＿ｎを用いた場合に一部の燃料電池セルで燃料ガスが欠乏するまで原燃料流量が減少するおそれがあるからである。   When it determines with "Yes" in step S1, the control part 10 determines whether the temperature of fuel cell stack 75a, 75b exists in the predetermined temperature range (step S2). The temperature of the fuel cell stacks 75 a and 75 b can be indirectly acquired using the temperature sensor 83. Further, the predetermined temperature range is a range in which it can be determined whether or not the fuel cell stack device 70 normally performs normal power generation. In this embodiment, for example, the temperature is about 600 ° C to 800 ° C. Note that the lower limit is set in the temperature range in order to avoid shortage of fuel gas to the fuel cell stack device 70 for a while when the power generation load is rapidly shifted from the high side to the low side. Specifically, when the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b is higher than when the light load power generation state and the light load state are continued, the predetermined power generation amount can be obtained with a smaller raw fuel flow rate, and thus the index value Uf_n This is because the flow rate of the raw fuel may decrease until fuel gas is depleted in some fuel cells.

ステップＳ２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、燃料電池スタック装置７０の発電電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｆｃ＿ｌｗｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。下限電圧Ｖｆｃ＿ｌｗｒは、燃料電池スタック装置７０が通常発電を行う際の許容下限電圧である。下限電圧Ｖｆｃ＿ｌｗｒは、例えば、各燃料電池セルの平均セル電圧に換算して０．６５Ｖとなるように設定してもよい。   If “Yes” is determined in step S2, it is determined whether or not the power generation voltage Vfc of the fuel cell stack device 70 is equal to or higher than the lower limit voltage Vfc_lwr (step S3). The lower limit voltage Vfc_lwr is an allowable lower limit voltage when the fuel cell stack device 70 performs normal power generation. For example, the lower limit voltage Vfc_lwr may be set to 0.65 V in terms of the average cell voltage of each fuel cell.

ステップＳ３において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０の電気抵抗Ｒｆｃが上限抵抗Ｒｆｃ＿ｕｐｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、電気抵抗Ｒｆｃは、（ＯＣＶ−発電電圧Ｖｆｃ）／発電電流により得られる値である。「ＯＣＶ」とは、開回路電圧であり、発電回路が開の際の燃料電池スタック装置７０の電圧である。上限抵抗Ｒｆｃ＿ｕｐｒは、例えば、図１０の関係から算出することができる。ステップＳ４の実行によって、想定される範囲内で燃料電池スタック装置７０の運転が行われているか否かを判断することができる。   When it determines with "Yes" in step S3, the control part 10 determines whether the electrical resistance Rfc of the fuel cell stack apparatus 70 is less than upper limit resistance Rfc_upr (step S4). Here, the electric resistance Rfc is a value obtained by (OCV−power generation voltage Vfc) / power generation current. “OCV” is an open circuit voltage, which is the voltage of the fuel cell stack device 70 when the power generation circuit is open. The upper limit resistance Rfc_upr can be calculated from the relationship of FIG. 10, for example. By executing step S4, it is possible to determine whether or not the fuel cell stack device 70 is operating within an assumed range.

ステップＳ４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、指標値Ｕｆ＿ｎを算出する（ステップＳ５）。指標値Ｕｆ＿ｎは、発電電圧Ｖ＿ｆｃを原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄで除した値である。次に、制御部１０は、原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄから、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆを算出する（ステップＳ６）。基準値Ｕｆ＿ｒｅｆは、図１１から算出することができる。図１１の実線は、図７に対応している。   When it determines with "Yes" in step S4, the control part 10 calculates index value Uf_n (step S5). The index value Uf_n is a value obtained by dividing the generated voltage V_fc by the raw fuel flow rate command value Qf_cmd. Next, the control unit 10 calculates a reference value Uf_ref from the raw fuel flow rate command value Qf_cmd (step S6). The reference value Uf_ref can be calculated from FIG. The solid line in FIG. 11 corresponds to FIG.

次に、制御部１０は、ステップＳ５で算出された指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの差の絶対値が所定値ｅｒｒを超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。所定値ｅｒｒは、不感帯を表す値である。ステップＳ７を設けることによって、原燃料流量のハンチングを抑制することができる。所定値ｅｒｒは、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆの±３％程度の値としてもよい。   Next, the control unit 10 determines whether or not the absolute value of the difference between the index value Uf_n calculated in step S5 and the reference value Uf_ref exceeds a predetermined value err (step S7). The predetermined value err is a value representing the dead zone. By providing step S7, hunting of the raw fuel flow rate can be suppressed. The predetermined value err may be a value of about ± 3% of the reference value Uf_ref.

ステップＳ７で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０が過渡発電状態にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。過渡発電状態とは、発電電力制御値が変更された場合に、発電電力が変化する状態である。例えば、燃料電池スタック装置７０の発電電流変化が０．２Ａ／秒を超えているような場合に、燃料電池スタック装置７０が過渡発電状態にあると判定することができる。ステップＳ７を設けることによって、原燃料流量の過剰なまたは誤った補正を回避することができる。   When it determines with "Yes" at step S7, the control part 10 determines whether the fuel cell stack apparatus 70 is in a transient electric power generation state (step S8). The transient power generation state is a state in which the generated power changes when the generated power control value is changed. For example, when the change in the generated current of the fuel cell stack device 70 exceeds 0.2 A / second, it can be determined that the fuel cell stack device 70 is in the transient power generation state. By providing step S7, an excessive or erroneous correction of the raw fuel flow rate can be avoided.

ステップＳ８において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１０は、原燃料流量補正値ｄＱｆを算出する（ステップＳ９）。原燃料流量補正値ｄＱｆは、例えば、図１２から算出することができる。図１２は、原燃料流量補正値ｄＱを算出する際に用いるマップである。例えば、現在の原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄを値Ａとし、現在の指標値Ｕｆ＿ｎを値Ｃとする。この場合、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆは、値Ｂであり、Ｕｆ＿ｎ−Ｕｆ＿ｒｅｆは、値Ｄのマイナス値である。したがって、基準値Ｕｆ＿ｒｅｆに対して、値Ｅの原燃料流量増が必要となる。   When it determines with "No" in step S8, the control part 10 calculates raw fuel flow volume correction value dQf (step S9). The raw fuel flow rate correction value dQf can be calculated from FIG. 12, for example. FIG. 12 is a map used when the raw fuel flow rate correction value dQ is calculated. For example, the current raw fuel flow rate command value Qf_cmd is a value A, and the current index value Uf_n is a value C. In this case, the reference value Uf_ref is the value B, and Uf_n−Uf_ref is a negative value of the value D. Accordingly, it is necessary to increase the raw fuel flow rate by the value E with respect to the reference value Uf_ref.

そこで、原燃料流量補正値ｄＱｆを、値Ｅとしてもよい。ただし、ｄＱｆ＝値Ｅとすると、過補正または各種誤差因子に起因する誤補正となりかねないので、ｄＱｆを下記式（１）のように値Ｅよりも小さい値として求めてもよい。さらに、制御部１０は、下記式（２）でＩＱｆを算出し、学習値として記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１０）。この学習値を、原燃料流量補償値として用いてもよい。なお、下記式（１）および（２）の「１６」は特に限定されるものではなく、「１」よりも大きい値であればよい。
ｄＱｆ ＝ 値Ｅ／１６ （１）
ＩＱｆ ＝ ｄＱｆ／１６ （２） Therefore, the raw fuel flow rate correction value dQf may be set to the value E. However, if dQf = value E, overcorrection or erroneous correction due to various error factors may occur, so dQf may be obtained as a value smaller than value E as shown in the following equation (1). Further, the control unit 10 calculates IQf by the following equation (2) and stores it in the storage unit 13 as a learning value (step S10). This learned value may be used as the raw fuel flow rate compensation value. In addition, “16” in the following formulas (1) and (2) is not particularly limited, and may be a value larger than “1”.
dQf = value E / 16 (1)
IQf = dQf / 16 (2)

次に、制御部１０は、下記式（３）にしたがって得た値を、新たな原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄに設定し、原燃料ポンプ２０ａに求めた原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄを入力する（ステップＳ１１）。その後、フローチャートの実行が終了する。
Ｑｆ＿ｃｍｄ ＝ Ｑｆ＿ｃｍｄ＋ｄＱｆ＋ＩＱｆ （３） Next, the control unit 10 sets a value obtained according to the following equation (3) to a new raw fuel flow rate command value Qf_cmd, and inputs the obtained raw fuel flow rate command value Qf_cmd to the raw fuel pump 20a (step) S11). Thereafter, the execution of the flowchart ends.
Qf_cmd = Qf_cmd + dQf + IQf (3)

ステップＳ１またはステップＳ２において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１０は、原燃料流量補正値ｄＱｆをゼロに設定する（ステップＳ１２）。したがって、想定される範囲内で燃料電池スタック装置７０の運転が行われていない場合には、原燃料流量指令値の補正が禁止される。その後、ステップＳ１１が実行される。   When it is determined as “No” in step S1 or step S2, the control unit 10 sets the raw fuel flow rate correction value dQf to zero (step S12). Therefore, when the fuel cell stack device 70 is not operated within the assumed range, the correction of the raw fuel flow rate command value is prohibited. Thereafter, step S11 is executed.

ステップＳ３、ステップＳ４もしくはステップＳ７で「Ｎｏ」と判定された場合、またはステップＳ８において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、原燃料流量補正値ｄＱｆを、前回のフローチャート実行時の原燃料流量補正値ｄＱｆ[ｎ−１]に設定する（ステップＳ１３）。したがって、補正値ｄＱｆの変動が抑制される。その後、ステップＳ１１が実行される。   When it is determined “No” in step S3, step S4, or step S7, or when it is determined “Yes” in step S8, the control unit 10 sets the raw fuel flow rate correction value dQf to the value in the previous flowchart execution. The raw fuel flow rate correction value dQf [n-1] is set (step S13). Therefore, fluctuations in the correction value dQf are suppressed. Thereafter, step S11 is executed.

図９の制御によれば、指標値Ｕｆ＿ｎが基準値Ｕｆ＿ｒｅｆに近づくように補正される。それにより、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの温度の影響などを回避しつつ、原燃料流量を高い精度で制御することができる。また、流量計などを用いずにすむため、コストを抑制することができる。   According to the control of FIG. 9, the index value Uf_n is corrected so as to approach the reference value Uf_ref. Thereby, the raw fuel flow rate can be controlled with high accuracy while avoiding the influence of the temperature of the fuel cell stacks 75a and 75b. Further, since it is not necessary to use a flow meter or the like, the cost can be suppressed.

図１３は、図９のフローチャートに従った結果として得られた原燃料流量補正値ｄＱｆを示す図である。図１３において、横軸は経過時間である。図１３に示すように、燃料電池スタック装置７０が発電開始していない場合は、ｄＱｆ＝０に設定される。燃料電池スタック装置７０が発電を開始すると、原燃料流量指令値が補正される。燃料電池スタック装置７０の発電電圧が下限値を下回っている場合には、原燃料流量補正値ｄＱｆは、一定に制御される。燃料電池スタック装置７０の発電電圧が下限値を超えた場合においても、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの乖離が小さい場合には、原燃料流量補正値ｄＱｆは、一定に制御される。その後、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの乖離が大きくなると、原燃料流量補正値ｄＱｆは、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとの乖離に従って変動する。   FIG. 13 is a diagram showing the raw fuel flow rate correction value dQf obtained as a result of following the flowchart of FIG. In FIG. 13, the horizontal axis represents elapsed time. As shown in FIG. 13, when the fuel cell stack device 70 has not started power generation, dQf = 0 is set. When the fuel cell stack device 70 starts power generation, the raw fuel flow rate command value is corrected. When the power generation voltage of the fuel cell stack device 70 is below the lower limit value, the raw fuel flow rate correction value dQf is controlled to be constant. Even when the power generation voltage of the fuel cell stack device 70 exceeds the lower limit value, if the difference between the index value Uf_n and the reference value Uf_ref is small, the raw fuel flow rate correction value dQf is controlled to be constant. Thereafter, when the difference between the index value Uf_n and the reference value Uf_ref increases, the raw fuel flow rate correction value dQf varies according to the difference between the index value Uf_n and the reference value Uf_ref.

なお、図１３の例は、指標値Ｕｆ＿ｎと基準値Ｕｆ＿ｒｅｆとから算出される原燃料流量補正値ｄＱｆを表した図であり、当該原燃料流量補正値ｄＱｆを用いて原燃料流量指令値Ｑｆ＿ｃｍｄを負帰還制御を行った結果を表しているのではない。   The example of FIG. 13 is a diagram showing the raw fuel flow rate correction value dQf calculated from the index value Uf_n and the reference value Uf_ref, and the raw fuel flow rate command value Qf_cmd is calculated using the raw fuel flow rate correction value dQf. It does not represent the result of negative feedback control.

（他の例）
上記実施形態においては、指標値Ｕｆ＿ｎとして、燃料電池スタック装置７０の発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値を用いているが、それに限られない。例えば、逆に、原燃料流量指令値を燃料電池スタック装置７０の発電電圧で除することによって得た値を用いてもよい。すなわち、燃料電池スタック装置７０の発電電圧と原燃料流量指令値との比を、指標値として用いてもよい。 (Other examples)
In the above embodiment, the index value Uf_n is a value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel cell stack device 70 by the raw fuel flow rate command value, but is not limited thereto. For example, conversely, a value obtained by dividing the raw fuel flow rate command value by the generated voltage of the fuel cell stack device 70 may be used. That is, the ratio between the power generation voltage of the fuel cell stack device 70 and the raw fuel flow rate command value may be used as the index value.

また、上記実施形態においては、燃料ガス供給部による燃料ガス供給量の制御指標として、原燃料ポンプ２０ａに対する原燃料流量指令値を用いているが、それに限られない。例えば、燃料ガス供給部として水素ボンベなどを用いた場合において、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値を燃料ガス供給部の燃料ガス供給量の制御指標として用いてもよい。この場合、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値と燃料電池スタック装置７０の発電電圧との比を用いて、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値を補正制御することによって、上記実施形態と同様に、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれか一方を抑制しつつ高い精度で燃料ガス流量を制御することができる。   In the above-described embodiment, the raw fuel flow rate command value for the raw fuel pump 20a is used as a control index of the fuel gas supply amount by the fuel gas supply unit, but is not limited thereto. For example, when a hydrogen cylinder or the like is used as the fuel gas supply unit, a control command value such as a flow rate adjustment valve of the hydrogen cylinder may be used as a control index for the fuel gas supply amount of the fuel gas supply unit. In this case, the control command value such as the flow adjustment valve of the hydrogen cylinder is corrected and controlled using the ratio of the control command value of the flow adjustment valve of the hydrogen cylinder and the power generation voltage of the fuel cell stack device 70. Similar to the embodiment, the flow rate of the fuel gas can be controlled with high accuracy while suppressing at least one of the decrease in thermal efficiency and the increase in cost.

なお、上記実施形態は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池セルにも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温で作動する燃料電池セルの場合、温度変動の影響が大きくなる。したがって、上記実施形態に係る燃料電池システムおよびその制御方法は、固体酸化物形の燃料電池に対して特に有効である。   The above-described embodiment can be applied to any other type of fuel cell such as a solid polymer type, a solid oxide type, and a carbonated molten salt type. However, in the case of a fuel cell that operates at a high temperature, such as a solid oxide form, the influence of temperature fluctuations becomes large. Therefore, the fuel cell system and the control method thereof according to the above embodiment are particularly effective for the solid oxide fuel cell.

１０ 制御部
１１ 入出力ポート
１２ ＣＰＵ
１３ 記憶部
２０ 原燃料供給部
２０ａ 原燃料ポンプ
３０ 改質水供給部
３３ 調量弁
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
６０ 燃焼室
７０ 燃料電池スタック装置
７１ カソード
７２ アノード
７４ 燃料電池セル
８１ 電圧センサ
８２ 電流センサ
８３ 温度センサ
１００ 燃料電池システム 10 Control Unit 11 I / O Port 12 CPU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Memory | storage part 20 Raw fuel supply part 20a Raw fuel pump 30 Reformed water supply part 33 Metering valve 40 Oxidant gas supply part 50 Reformer 60 Combustion chamber 70 Fuel cell stack apparatus 71 Cathode 72 Anode 74 Fuel cell 81 Voltage Sensor 82 Current sensor 83 Temperature sensor 100 Fuel cell system

Claims (5)

燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、
原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部と、を含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正する制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using fuel gas; and
A combustion chamber for burning fuel off-gas discharged from the fuel cell and supplying combustion heat obtained by the combustion to the fuel cell;
A reformer that reforms raw fuel into the fuel gas; and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer; a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas to the fuel cell; ,
Deviation of the index value from the reference value of the index value acquired in advance using the index value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel cell by the raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit A fuel cell system comprising: a control unit that corrects the raw fuel flow rate command value so as to reduce fuel consumption. 前記制御部は、前記燃料電池が発電していることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the control unit corrects the raw fuel flow rate command value when it is confirmed that the fuel cell is generating power. 前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度範囲内にあることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the control unit corrects the raw fuel flow rate command value when it is confirmed that the temperature of the fuel cell is within a predetermined temperature range. 4. 前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧がしきい値を超えていることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The said control part correct | amends the said raw fuel flow rate command value , when it confirms that the electric power generation voltage of the said fuel cell exceeds a threshold value , The any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. The fuel cell system described in 1. 燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部とを含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、を含む燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that generates power using fuel gas , a combustion chamber that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell, and supplies combustion heat obtained by the combustion to the fuel cell; and raw fuel as the fuel gas A fuel cell system comprising: a reformer for reforming; and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer, and a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas to the fuel cell. Using the index value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel cell by the raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit, the deviation of the index value from the reference value of the index value acquired in advance is The control method of the fuel cell system , wherein the raw fuel flow rate command value is corrected so as to be reduced .
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