JP6755425B1 - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置において、運転制御部16は、燃料電池10の出力電流が安定した状態で、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池10での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、水供給量調節部4の動作を制御して改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、処理継続条件が満たされた後に改質部7への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device capable of increasing a fuel utilization rate while keeping an operating state of a fuel cell stable. SOLUTION: In a fuel cell device, an operation control unit 16 reduces and modifies the supply amount of raw fuel gas to the reforming unit 7 to a target raw fuel supply amount in a state where the output current of the fuel cell 10 is stable. When the fuel utilization rate increase process for increasing the fuel utilization rate in the fuel cell 10 is performed by reducing the supply amount of reforming water to the quality unit 7 to the target water supply amount, the operation of the water supply amount adjusting unit 4 is performed. After controlling and starting to reduce the supply amount of reforming water to the reforming section 7, it is determined whether or not the predetermined treatment continuation condition is satisfied, and after the treatment continuation condition is satisfied, the reforming section 7 is subjected to. Start reducing the supply of raw materials and fuel gas. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、改質部で生成された燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスに含まれる前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって改質部を加熱する燃焼部とを備え、改質部と燃料電池と燃焼部とは筐体の内部に収容される燃料電池装置に関する。 The present invention has a reforming section for steam reforming the raw material fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen, an anode to which the fuel gas generated in the reforming section is supplied, and a cathode to which oxygen gas is supplied. It is provided with a fuel cell and a combustion unit that burns the fuel gas contained in the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction and heats the reforming unit by the combustion heat. The battery and the combustion unit relate to a fuel cell device housed inside the housing.
改質部で原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成し、その燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池で発電を行う場合、その効率を向上させるためには、アノードに供給される燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量に対する、アノードで発電反応に用いられる燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量の比率である燃料利用率を上昇させるという手法がある。例えば、燃料電池の出力電流が安定した状態で燃料利用率を上昇させるためには、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させればよい。但し、その場合には、燃焼部で燃焼される、発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスに含まれる燃料ガスの量が減少するため、燃料電池を収容している筐体の内部の温度が低下するという問題がある。 When the raw fuel gas is steam reformed in the reforming section to generate a fuel gas containing hydrogen, and power is generated by a fuel cell having an anode to which the fuel gas is supplied and a cathode to which the oxygen gas is supplied, the efficiency is high. The fuel is the ratio of the amount of raw fuel gas corresponding to the amount of fuel gas used for the power generation reaction at the anode to the amount of raw fuel gas corresponding to the amount of fuel gas supplied to the anode. There is a method of increasing the utilization rate. For example, in order to increase the fuel utilization rate in a state where the output current of the fuel cell is stable, the amount of raw fuel gas supplied to the reforming section may be reduced. However, in that case, the amount of fuel gas contained in the discharged fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction, which is burned in the combustion part, is reduced, so that the housing containing the fuel cell is housed. There is a problem that the temperature inside the fuel cell drops.
尚、改質部への改質用水の供給量を減少させると、改質用水によって奪われる熱量が減少するため、筐体の内部の温度を上昇させることができる。そこで、特許文献1(特開2017−162746号公報)に記載の発明では、燃料利用率Ufを上げるとともに水の投入量(S/C)も減らすことで、筐体の内部の温度を高温に保とうとしている。
つまり、燃料電池の出力電流が安定した状態で、改質部に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量を減少させることで、燃料利用率を上げながら、筐体の内部の温度を高温に保とうとしている。
When the amount of reforming water supplied to the reforming portion is reduced, the amount of heat taken by the reforming water is reduced, so that the temperature inside the housing can be raised. Therefore, in the invention described in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-162746), the temperature inside the housing is raised to a high temperature by increasing the fuel utilization rate Uf and reducing the amount of water input (S / C). I'm trying to keep it.
In other words, while the output current of the fuel cell is stable, the temperature inside the housing can be raised while increasing the fuel utilization rate by reducing the amount of raw fuel gas and the amount of reforming water supplied to the reforming section. I'm trying to keep it hot.
但し、改質部に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量の減少を同時に開始しても、改質用水は気化してから水蒸気として改質部での改質処理に利用されるため、改質部では、原燃料ガスの減少の方が、水蒸気(改質用水)の減少よりも先に現れると考えてもよい。そのため、原燃料ガスの減少による筐体の内部の温度の低下が先に現れる可能性が高い。そして、場合によっては燃料電池の運転状態が不安定になる。 However, even if the amount of raw fuel gas supplied to the reforming section and the amount of reforming water are started to decrease at the same time, the reforming water is vaporized and then used as steam for the reforming process in the reforming section. Therefore, in the reforming section, it may be considered that the decrease in raw material and fuel gas appears before the decrease in steam (reforming water). Therefore, there is a high possibility that the temperature inside the housing will decrease due to the decrease in raw material and fuel gas. Then, in some cases, the operating state of the fuel cell becomes unstable.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of increasing the fuel utilization rate while keeping the operating state of the fuel cell stable.
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池装置の特徴構成は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、
発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガスに含まれる前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記改質部への原燃料ガスの供給量を調節する原燃料供給量調節部と、
前記改質部への改質用水の供給量を調節する水供給量調節部と、
前記カソード及び前記燃焼部への前記酸素ガスの供給量を調節する酸素供給量調節部と、
前記原燃料供給量調節部及び前記酸素供給量調節部及び前記水供給量調節部の動作を制御する運転制御部とを備え、
前記改質部と前記燃料電池と前記燃焼部とは筐体の内部に収容され、
前記運転制御部は、前記燃料電池の出力電流が安定した状態で、前記改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ前記改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで前記燃料電池での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、前記水供給量調節部の動作を制御して前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、前記処理継続条件が満たされた後に前記改質部への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる点にある。
The characteristic configuration of the fuel cell apparatus according to the present invention for achieving the above object is a reforming unit for steam reforming the raw material fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen.
A fuel cell having an anode to which the fuel gas is supplied and a cathode to which the oxygen gas is supplied generated in the reforming unit,
A combustion unit that burns the fuel gas contained in the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction and heats the reforming unit by the combustion heat.
A raw fuel supply amount adjusting unit that adjusts the raw material fuel supply amount to the reforming unit,
A water supply amount adjusting unit that adjusts the supply amount of reforming water to the reforming unit,
An oxygen supply amount adjusting unit that adjusts the supply amount of the oxygen gas to the cathode and the combustion unit, and
It includes the raw material fuel supply amount adjusting unit, the oxygen supply amount adjusting unit, and an operation control unit that controls the operation of the water supply amount adjusting unit.
The reforming unit, the fuel cell, and the combustion unit are housed inside the housing.
The operation control unit reduces the supply amount of raw fuel gas to the reforming unit to the target raw material fuel supply amount in a state where the output current of the fuel cell is stable, and reforming water to the reforming unit. When the fuel utilization rate increasing process for increasing the fuel utilization rate in the fuel cell is performed by reducing the supply amount to the target water supply amount, the operation of the water supply amount adjusting unit is controlled to the reforming unit. After starting to reduce the supply amount of reforming water, it is determined whether or not the predetermined treatment continuation condition is satisfied, and after the treatment continuation condition is satisfied, the supply amount of raw fuel gas to the reforming portion is reduced. Is at the point of starting.
上記特徴構成によれば、燃料電池の出力電流が安定した状態で、改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行うことで、燃料電池の効率を向上させることができる。
加えて、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後に改質部への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。つまり、改質部への改質用水の供給量を減少させて、筐体の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部への改質用水の供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
従って、燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置を提供できる。
According to the above characteristic configuration, the supply amount of raw material fuel gas to the reforming part is reduced to the target raw material fuel supply amount and the supply amount of reforming water to the reforming part is in a state where the output current of the fuel cell is stable. The efficiency of the fuel cell can be improved by performing the fuel utilization rate increase treatment that increases the fuel utilization rate in the fuel cell by reducing the amount of water supplied to the target amount.
In addition, when the fuel utilization rate increase treatment is performed, the amount of raw fuel gas supplied to the reforming section is started to decrease after the amount of reforming water supplied to the reforming section is started to decrease. That is, after the amount of reforming water supplied to the reforming section is reduced so that the temperature inside the housing can rise, the amount of raw fuel gas supplied to the reforming section is reduced. As a result, even if the temperature inside the housing tends to decrease as the supply amount of raw fuel gas to the reforming part decreases, the supply amount of reforming water to the reforming part started earlier. It is expected that the temperature inside the housing will not change significantly because the temperature inside the housing tends to rise as the temperature decreases.
Therefore, it is possible to provide a fuel cell device capable of increasing the fuel utilization rate while keeping the operating state of the fuel cell stable.
本発明に係る燃料電池装置の別の特徴構成は、前記筐体の内部の所定部位の温度を検出する内部温度検出部を備え、
前記運転制御部は、前記内部温度検出部が検出する前記筐体の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する点にある。
Another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention includes an internal temperature detection unit that detects the temperature of a predetermined portion inside the housing.
The operation control unit determines that the processing continuation condition is satisfied when the temperature inside the housing detected by the internal temperature detection unit is continuously equal to or higher than the reference internal temperature for a predetermined period.
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量を減少させた後、筐体の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上であるという処理継続条件が満たされた後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。つまり、筐体の内部の温度が十分に安定して高い状態で、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、筐体の内部の温度が低くなり過ぎることを回避できる。 According to the above characteristic configuration, when the fuel utilization rate increase treatment is performed, after reducing the supply amount of reforming water to the reforming part, the temperature inside the housing is continuously above the reference internal temperature for a predetermined period. After the processing continuation condition of being present is satisfied, the supply amount of raw material fuel gas to the reforming part is reduced. That is, the supply amount of the raw material fuel gas to the reformed portion is reduced while the temperature inside the housing is sufficiently stable and high. As a result, even if the temperature inside the housing tends to decrease as the amount of raw material fuel gas supplied to the reforming portion decreases, it is possible to prevent the temperature inside the housing from becoming too low.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出部を備え、
前記運転制御部は、前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後、前記出力電圧検出部が検出する前記燃料電池の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する点にある。
Yet another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention includes an output voltage detection unit that detects the output voltage of the fuel cell.
After the operation control unit starts reducing the amount of reforming water supplied to the reforming unit, the output voltage of the fuel cell detected by the output voltage detecting unit is continuously equal to or higher than the reference voltage for a predetermined period. In this case, it is determined that the processing continuation condition is satisfied.
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量を減少させた後、燃料電池の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上であるという処理継続条件が満たされた後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。つまり、燃料電池の出力電圧が十分に安定して高い状態、即ち、燃料電池の運転状態が安定した状態で、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、燃料電池の運転状態が悪化することを回避できる。 According to the above characteristic configuration, when the fuel utilization rate increase treatment is performed, the output voltage of the fuel cell is continuously equal to or higher than the reference voltage for a predetermined period after reducing the amount of reforming water supplied to the reforming section. After the processing continuation condition is satisfied, the supply amount of raw material fuel gas to the reforming part is reduced. That is, the supply amount of the raw fuel gas to the reforming section is reduced in a state where the output voltage of the fuel cell is sufficiently stable and high, that is, in a state where the operating state of the fuel cell is stable. As a result, even if the temperature inside the housing tends to decrease as the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming portion decreases, it is possible to avoid deterioration of the operating state of the fuel cell.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、所定の待機時間が経過した場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する点にある。 Yet another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention is that the operation control unit determines that the processing continuation condition is satisfied when a predetermined standby time elapses.
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量を減少させた後、所定の待機時間が経過したという処理継続条件が満たされた後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。つまり、改質部への改質用水の供給量を減少させて所定の待機時間が経過することで筐体の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部への改質用水の供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。 According to the above characteristic configuration, when the fuel utilization rate increase treatment is performed, after the treatment continuation condition that a predetermined waiting time has elapsed after reducing the supply amount of reforming water to the reforming section is satisfied. , Reduce the supply of raw material fuel gas to the reforming part. That is, after the amount of reforming water supplied to the reforming section is reduced so that the temperature inside the housing can rise after a predetermined standby time elapses, the raw fuel gas to the reforming section The supply of gas is reduced. As a result, even if the temperature inside the housing tends to decrease as the supply amount of raw fuel gas to the reforming part decreases, the supply amount of reforming water to the reforming part started earlier. It is expected that the temperature inside the housing will not change significantly because the temperature inside the housing tends to rise as the temperature decreases.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記燃料電池の出力電力及び出力電流のうちの少なくとも出力電流を出力情報として検出する出力情報検出部を備え、
前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて前記燃料電池の前記出力情報が前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に当該燃料利用率上昇処理を行う点にある。
Yet another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention includes an output information detection unit that detects at least the output current of the output power and output current of the fuel cell as output information.
The operation control unit performs the fuel utilization rate increase process when it is determined that the output information of the fuel cell satisfies the condition for performing the fuel utilization rate increase process based on the detection result of the output information detection unit. It is in.
例えば燃料電池の出力が低すぎる場合や変動している場合などでは、燃料利用率を上昇させるために改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることを行うと、燃料電池の運転状態が不安定になる可能性がある。
そこで本特徴構成では、運転制御部は、出力情報検出部の検出結果に基づいて燃料電池の出力情報が燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に燃料利用率上昇処理を行う。つまり、燃料電池の出力が所定の条件を満たす場合にのみ燃料利用率上昇処理を行うことで、燃料電池の運転状態が不安定になる可能性を低くできる。
For example, when the output of the fuel cell is too low or fluctuates, the amount of raw fuel gas supplied to the reforming section is reduced to the target amount of raw fuel supply in order to increase the fuel utilization rate, and the reforming section If the amount of reforming water supplied to the fuel cell is reduced to the target amount of water supply, the operating condition of the fuel cell may become unstable.
Therefore, in this feature configuration, the operation control unit performs the fuel utilization rate increase process when it is determined that the output information of the fuel cell satisfies the condition for performing the fuel utilization rate increase process based on the detection result of the output information detection unit. That is, the possibility that the operating state of the fuel cell becomes unstable can be reduced by performing the fuel utilization rate increase process only when the output of the fuel cell satisfies a predetermined condition.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池が定格出力で設定期間動作した場合に前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する点にある。
ここで、前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間に前記燃料電池の出力が定格出力ではなくなった場合、前記燃料利用率上昇処理を中止して、前記燃料電池での燃料利用率が元の値に戻るように前記改質部への原燃料ガスの供給量と前記改質部への改質用水の供給量を調節してもよい。
Another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention is that the operation control unit operates the fuel cell at the rated output for a set period based on the detection result of the output information detection unit, and the fuel utilization rate is the same. The point is that it is determined that the conditions for performing the ascending process are satisfied.
Here, if the output of the fuel cell is no longer the rated output during the fuel utilization rate increase process, the operation control unit stops the fuel utilization rate increase process and uses the fuel cell. The amount of raw fuel gas supplied to the reforming section and the amount of reforming water supplied to the reforming section may be adjusted so that the fuel utilization rate returns to the original value.
上記特徴構成によれば、改質部への原燃料ガスの供給量が十分に多い状態が安定して設定期間経過し且つ改質部への改質用水の供給量が十分に多い状態が安定して設定期間経過した場合に燃料利用率上昇処理が行われる。つまり、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させることによる影響が小さく且つ改質部への改質用水の供給量を減少させることによる影響が小さい状況で燃料利用率上昇処理が行われる。その結果、燃料利用率上昇処理を行うことで燃料電池の運転状態が不安定になる可能性を低くできる。 According to the above characteristic configuration, the state where the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming part is sufficiently large is stable and the set period has elapsed, and the state where the supply amount of the reforming water to the reforming part is sufficiently large is stable. When the set period elapses, the fuel utilization rate increase process is performed. In other words, the fuel utilization rate increase treatment is performed in a situation where the effect of reducing the supply amount of raw fuel gas to the reforming section is small and the effect of reducing the supply amount of reforming water to the reforming section is small. Will be. As a result, it is possible to reduce the possibility that the operating state of the fuel cell becomes unstable by performing the fuel utilization rate increase process.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理において、前記改質部への原燃料ガスの供給量を前記目標原燃料供給量まで段階的に減少させる点にある。 Another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention is that the operation control unit steps the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming part up to the target raw material fuel supply amount in the fuel utilization rate increase process. The point is to reduce the fuel.
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理において、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が段階的に行われるので、改質部への原燃料ガスの供給量を減少することに伴って筐体の内部の温度が低下することも段階的に発生する。つまり、改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させる場合に筐体の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池の運転状態が不安定になることを回避できる。 According to the above characteristic configuration, in the fuel utilization rate increase process, the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming part is gradually reduced, so that the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming part is reduced. As a result, the temperature inside the housing may decrease in stages. That is, when the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming part is reduced to the target raw material fuel supply amount, it is possible to avoid a sudden change in the temperature inside the housing. As a result, it is possible to prevent the operating state of the fuel cell from becoming unstable.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理において、前記改質部への改質用水の供給量を前記目標水供給量まで段階的に減少させる点にある。 Yet another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention is that the operation control unit steps the amount of reforming water supplied to the reforming unit to the target water supply amount in the fuel utilization rate increase treatment. It is in the point of reducing to.
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理において、改質部への改質用水の供給量の減少が段階的に行われるので、改質部への改質用水の供給量を減少することに伴って筐体の内部の温度が上昇することも段階的に発生する。つまり、改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させる場合に筐体の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池の運転状態が不安定になることを回避できる。 According to the above characteristic configuration, in the fuel utilization rate increase treatment, the supply amount of reforming water to the reforming section is gradually reduced, so that the supply amount of reforming water to the reforming section is reduced. Along with this, the temperature inside the housing also rises in stages. That is, when the supply amount of reforming water to the reforming portion is reduced to the target water supply amount, it is possible to avoid a sudden change in the temperature inside the housing. As a result, it is possible to prevent the operating state of the fuel cell from becoming unstable.
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記筐体の内部の所定部位の温度を検出する内部温度検出部を備え、
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間、前記内部温度検出部が検出する温度が目標内部温度に近づくように、前記酸素供給量調節部の動作を制御する点にある。
Yet another characteristic configuration of the fuel cell device according to the present invention includes an internal temperature detection unit that detects the temperature of a predetermined portion inside the housing.
The operation control unit controls the operation of the oxygen supply amount adjusting unit so that the temperature detected by the internal temperature detection unit approaches the target internal temperature during the fuel utilization rate increase processing. ..
酸素供給量調節部によって酸素ガスの単位時間当たりの供給量を増加すると筐体の内部の温度は低下傾向になり、酸素供給量調節部によって酸素ガスの単位時間当たりの供給量を減少すると筐体の内部の温度は上昇傾向になる。
そこで本特徴構成では、燃料利用率上昇処理を行っている間、酸素供給量調節部の動作を制御することで、内部温度検出部が検出する温度を目標内部温度に近づけることができる。
When the oxygen supply amount adjustment part increases the supply amount of oxygen gas per unit time, the temperature inside the housing tends to decrease, and when the oxygen supply amount adjustment part reduces the supply amount of oxygen gas per unit time, the housing The temperature inside the gas tends to rise.
Therefore, in this feature configuration, the temperature detected by the internal temperature detection unit can be brought close to the target internal temperature by controlling the operation of the oxygen supply amount adjusting unit during the fuel utilization rate increase processing.
<第1実施形態>
以下に図面を参照して本発明の第1実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
図1は、燃料電池装置の構成を示す図である。燃料電池装置は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部7と、改質部7で生成された燃料ガスが供給されるアノード9a及び酸素ガスが供給されるカソード9bを有する燃料電池10と、発電反応で用いられた後にアノード9aから排出される排出燃料ガスに含まれる燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって改質部7を加熱する燃焼部11とを備える。加えて、燃料電池装置は、原燃料供給量調節部2と、水供給量調節部4と、酸素供給量調節部15と、出力情報検出部20と、運転制御部16とを備える。本実施形態では、筐体1の内部に改質部7と燃料電池10と燃焼部11とが収容される。加えて、筐体1の内部には、供給される改質用水を気化する気化部6も収容されている。燃焼部11で発生した燃焼熱は気化部6にも与えられる。
<First Embodiment>
The fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell device. The fuel cell apparatus is supplied with a reforming
燃料電池10は、改質部7で生成された水素を主成分とする燃料ガスが供給されるアノード9aと酸素ガス(空気)が供給されるカソード9bとを備えた固体酸化物形のセル9を複数個電気的に直列接続した状態で備えたセルスタックにて構成されている。図示は省略するが、セル9は、アノード9aとカソード9bとの間に固体電解質層を備えた固体酸化物形で構成される。アノード9aには燃料ガスが通流するように構成され、カソード9bには空気が通流するように構成される。燃料電池10は、複数のセル9がアノード9aの燃料ガス排出口(図示せず)及びカソード9bの空気排出口(図示せず)が上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、筐体1の内部に設置されている。尚、セル9の形状や構造は図1に例示したものに限定されない。
The
燃料電池10には、改質部7から燃料ガス流路8を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド21が設けられる。複数のセル9は、ガスマニホールド21の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド21と複数のセル9におけるアノード9aの下端のガス導入口(図示せず)とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド21に供給された燃料ガスが、複数のセル9の夫々のアノード9aに対して下端のガス導入口から供給され、各アノード9aに対して下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の燃料ガスは、上端の燃料ガス排出口から排出燃料ガスとして排出される。アノード9aから排出される排出燃料ガスには、発電反応で用いられなかった燃料ガスも含まれている。
The
筐体1には、空気導入口22が設けられ、ブロアなどを用いて実現される酸素供給量調節部15によって、酸素ガス(空気)がその空気導入口22を介して筐体1内に供給される。複数のセル9の夫々におけるカソード9bの下端部近傍には、筐体1内とカソード9bとを連通する空気供給孔(図示せず)が設けられている。複数のセル9の夫々のカソード9bには筐体1内の空気がこの空気供給孔を通して供給され、各カソード9bに対して下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の空気は、上端の空気排出口から排出酸素ガスとして排出される。また、筐体1の内部に供給された酸素ガス(空気)は、排出燃料ガスを燃焼部11で燃焼させるためにも利用される。つまり、酸素供給量調節部15は、カソード9b及び燃焼部11への酸素ガスの供給量を調節する役割を担う。
酸素供給量調節部15の動作は運転制御部16が制御する。
An
The operation of the oxygen supply
燃料電池10の上方には、各セル9のアノード9aの燃料ガス排出口から排出される排出燃料ガスを燃焼させる燃焼空間が形成される。この燃焼空間が燃焼部11となる。気化部6と改質部7とが燃料電池10の上方の燃焼空間(燃焼部11)に隣接して設けられており、燃焼熱によって改質部7及び気化部6が加熱される。
A combustion space for burning the discharged fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the
筐体1には、燃焼部11にて発生した燃焼排ガスを外部に排出させる排出部23が下面部等に形成されている。そして、筐体1内には、筐体1の内部から排気される、燃焼部11で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスに含まれる燃料ガスを触媒燃焼する燃焼触媒部12が設けられている。
The housing 1 is formed on the lower surface portion or the like with a
気化部6には、原燃料ガスが供給される原燃料流路3と、改質用水が供給される改質用水流路5とが接続される。そして、気化部6の内部に、原燃料ガス及び改質用水が供給される。そして、気化部6へ供給された原燃料ガス及び改質用水は、全て改質部7へ供給される。原燃料流路3には、気化部6への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量(即ち、改質部7への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量)を調節する原燃料供給量調節部2が設けられる。改質用水流路5には、気化部6への改質用水の単位時間当たりの供給量(即ち、改質部7への改質用水の単位時間当たりの供給量)を調節する水供給量調節部4が設けられる。
燃料電池装置が備える原燃料供給量調節部2及び水供給量調節部4の動作は運転制御部16が制御する。
The
The
本実施形態において、原燃料供給量調節部2によって気化部6への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量を調節することを、改質部7への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量を調節する、と記載することもある。また、水供給量調節部4によって気化部6への改質用水の単位時間当たりの供給量を調節することを、改質部7への改質用水の単位時間当たりの供給量を調節する、と記載することもある。
In the present embodiment, adjusting the supply amount of the raw material fuel gas to the
気化部6では、供給される改質用水を、燃焼部11から伝えられる燃焼熱を用いて加熱して蒸発させる。更に、気化部6では、改質用水の蒸発によって生成された水蒸気と、供給される原燃料ガスとが混合される。
The
改質部7は、供給される原燃料ガスを気化部6にて生成された水蒸気を用いて改質処理する。具体的には、改質部7の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。
改質部7に供給される原燃料ガスの量及び水蒸気の量を調節することで改質部7での燃料ガスの生成量、即ち、改質部7からアノード9aへの燃料ガスの供給量が調節される。
The reforming
By adjusting the amount of raw fuel gas and the amount of steam supplied to the reforming
燃料電池10には、例えばインバータ装置などの電力変換装置(図示せず)が接続されており、この電力変換装置を介して、燃料電池10の発電電力が様々な電力消費装置に供給される。
A power conversion device (not shown) such as an inverter device is connected to the
本実施形態では、燃料電池10のセルスタックの出力電圧を検出する出力電圧検出部18と、燃料電池10のセルスタックの出力電流を検出する出力電流検出部19とが設けられる。これら出力電圧検出部18及び出力電流検出部19は、燃料電池10の出力電力及び出力電流のうちの少なくとも出力電流を出力情報として検出する出力情報検出部20として利用される。出力電圧検出部18の検出結果及び出力電流検出部19の検出結果は運転制御部16に伝達される。
In the present embodiment, an output
燃料電池装置の筐体1の内部には、その筐体1の内部の温度を検出する内部温度検出部13が設けられる。内部温度検出部13が検出する温度は、例えば筐体1の内部での燃料電池10の周囲の温度である。内部温度検出部13の検出結果は運転制御部16に伝達される。
Inside the housing 1 of the fuel cell device, an internal
燃料電池10では電力変換装置に出力される出力電流に応じた発電反応(即ち、出力電流に応じた燃料ガスの消費)が行われる。尚、燃料電池10の出力電流が所望の値になるためには、燃料電池10のアノード9aに対して適切な量の燃料ガスが供給されていること及びカソード9bに対して適切な量の酸素ガスが供給されていることが必要である。そのため、運転制御部16は、原燃料供給量調節部2及び水供給量調節部4の動作を制御して改質部7へ供給される原燃料の量及び改質用水の量を調節することで、改質部7で生成される燃料ガスの量、即ち、改質部7から燃料電池10のアノード9aに供給される燃料ガスの量を調節する。また、運転制御部16は、酸素供給量調節部15の動作を制御して、燃料電池10のカソード9bに供給される酸素ガスの量を調節する。
In the
図2は、燃料電池10の出力電流Iと燃料電池10での燃料利用率Ufとの関係を示すグラフである。図3は、燃料電池10の出力電流Iと改質部7での改質処理のS/Cとの関係を示すグラフである。図2に示すような燃料電池10の出力電流Iと燃料電池10での燃料利用率Ufとの関係、及び、図3に示すような燃料電池10の出力電流Iと改質部7での改質処理のS/Cとの関係は、運転制御部16が参照可能な状態で記憶部17に記憶されている。本実施形態において、燃料利用率Ufは、アノード9aに供給される燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量(即ち、改質部7に供給される原燃料ガスの量)に対する、アノード9aで発電反応に用いられる燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量の比率であり、S/Cは、改質部7に供給される原燃料中のカーボンに対する水蒸気のモル比である。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the output current I of the
そして、運転制御部16は、出力電流検出部19で検出される出力電流と、燃料利用率の目標値を出力電流の関数として定めている図2の基準燃料利用率特性曲線と、S/Cの目標値を出力電流の関数として定めている図3の基準S/C特性曲線とに基づいて、原燃料供給量調節部2及び水供給量調節部4の動作を制御して改質部7(気化部6)への原燃料ガス及び改質用水の供給量を調節することで、改質部7での燃料ガスの生成量、即ち、改質部7からアノード9aへの燃料ガスの供給量を調節する。
Then, the
以下に、改質部7(気化部6)に供給する原燃料ガスの量及び水蒸気の量が運転制御部16により決定される場合の手順例について説明する。
先ず、出力電流Iが決まると、その出力電流Iを燃料電池10で発生させるのに要する燃料ガスの量が決まる。つまり、燃料電池10のアノード9aで発電反応に用いられる燃料ガスの量が決まる。また、図2に示したように、出力電流Iが決まると、燃料利用率Ufが決まる。その結果、燃料電池10のアノード9aで発電反応に用いられる燃料ガスの量と、燃料利用率とから、燃料電池10のアノード9aで発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料ガスの量も決まる。従って、出力電流Iに対して、図2の基準燃料利用率特性曲線で決定される燃料利用率を満たすための、燃料電池10のアノード9aに供給する必要がある燃料ガスの量(発電反応に用いられる燃料ガスの量、及び、発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料ガスの量の合計)が決まる。そして、その燃料電池10のアノード9aに供給する必要がある燃料ガスの量は、改質部7で生成するべき燃料ガスの量であるので、その燃料ガスを生成するために必要な、改質部7(気化部6)に供給する原燃料ガスの量が決まる。
An example of a procedure when the amount of raw material fuel gas and the amount of steam supplied to the reforming unit 7 (vaporization unit 6) is determined by the
First, when the output current I is determined, the amount of fuel gas required to generate the output current I in the
図3に示したように、出力電流Iが決まると、S/Cが決まる。上述したように、出力電流Iに応じた、改質部7に供給する原燃料ガスの量が決まるので、その原燃料ガスの量と、図3の基準S/C特性曲線とで決定されるS/Cを満たすための、改質部7(気化部6)に供給する必要のある水蒸気(改質用水)の量が決まる。
As shown in FIG. 3, when the output current I is determined, the S / C is determined. As described above, since the amount of raw fuel gas supplied to the reforming
次に、燃料電池10の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げる場合の燃料電池装置の運転方法について説明する。
Next, an operation method of the fuel cell device when the fuel utilization rate is increased while the operating state of the
燃料電池10で発電を行う場合、その効率を向上させるためには燃料利用率を上昇させるという手法がある。例えば、燃料電池10の出力電流が安定した状態で燃料利用率を上昇させるためには、改質部7への原燃料ガスの供給量を減少させればよい。但し、その場合には、燃焼部11で燃焼される、燃料電池10の発電反応で消費されずに排出される排出燃料ガス中の燃料ガスの量が減少するため、燃料電池10の筐体1の内部の温度が低下するという問題がある。尚、改質部7への改質用水の供給量を減少させると、燃料電池10の筐体1の内部の温度を上昇させることができるが、改質部7に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量を減少させる場合、先に改質部7への燃料ガスの供給量を減らすと、燃料電池10の筐体1の内部の温度が下がる現象が先に出て燃料電池10の運転状態が不安定になる可能性がある。但し、改質部7に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量の減少を同時に開始しても、改質用水は気化してから水蒸気として改質部7での改質処理に利用されるため、改質部7では、原燃料ガスの減少の方が、水蒸気(改質用水)の減少よりも先に現れると考えてもよい。そのため、原燃料ガスの減少による筐体1の内部の温度の低下が先に現れる可能性が高い。そして、場合によっては燃料電池10の運転状態が不安定になる。
When power is generated by the
図4は、第1実施形態の燃料利用率上昇処理を説明する図である。具体的には、図4は、改質部7(気化部6)への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量及び改質用水の単位時間当たりの供給量の推移を示す図である。具体的には、運転制御部16が行う燃料利用率上昇処理は、燃料電池10の出力電流が安定した状態で、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池10での燃料利用率を上昇させる処理である。つまり、この燃料利用率上昇処理は、燃料電池10の出力電流が変化している間には行われない。
FIG. 4 is a diagram illustrating the fuel utilization rate increase processing of the first embodiment. Specifically, FIG. 4 is a diagram showing changes in the supply amount of raw material fuel gas to the reforming unit 7 (vaporization unit 6) per unit time and the supply amount of reforming water per unit time. Specifically, the fuel utilization rate increase process performed by the
本実施形態では、運転制御部16は、出力情報検出部20(出力電圧検出部18、出力電流検出部19)の検出結果に基づいて燃料電池10の出力情報が燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に当該燃料利用率上昇処理を行う。図4に示す例では、運転制御部16は、出力情報検出部20(出力電圧検出部18、出力電流検出部19)の検出結果に基づいて燃料電池10が定格出力で設定期間動作した場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する。燃料電池10の定格出力(定格出力電力、定格出力電流)の値は記憶部17に記憶されており、運転制御部16は、記憶部17に記憶されている燃料電池10の定格出力の値と、出力情報検出部20(出力電圧検出部18、出力電流検出部19)の検出結果とに基づいて、燃料電池10が定格出力であるか否かを判定できる。また、この場合の所定期間の長さは適宜設定される値であり、記憶部17に予め記憶されている。
図4に示す例では、時刻t10において運転制御部16は、燃料電池10が定格出力で設定期間動作したことで、燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する。
In the present embodiment, the
In the example shown in FIG. 4, the
運転制御部16は、時刻t10以前では、図2の基準燃料利用率特性曲線上の点Aで示すような、燃料電池10の出力電流(定格出力電流Ia)に対応した燃料利用率Ufaを決定し、その燃料利用率Ufaを達成するために改質部7(気化部6)に供給する原燃料ガスの量(基準原燃料供給量Qfa)を決定する。そして、運転制御部16は、決定した基準原燃料供給量Qfaの原燃料ガスを原燃料供給量調節部2から気化部6に供給させている。
また、運転制御部16は、時刻t10以前では、図3の基準S/C特性曲線上の点Cで示すような、燃料電池10の出力電流(定格出力電流Ia)に対応したS/Cの値Raを決定し、上述した改質部7に供給する原燃料ガスの量(基準原燃料供給量Qfa)とS/Cの値Raとを達成するために改質部7に供給する改質用水の量(基準水供給量Qwa)を決定する。そして、運転制御部16は、決定した基準水供給量Qwaの改質用水を水供給量調節部4から気化部6に供給させている。
Before time t10, the
Further, before the time t10, the
時刻t10において運転制御部16は、燃料利用率上昇処理によって燃料利用率を上昇させるにあたっての目標原燃料供給量Qfb及び目標水供給量Qwbを決定する。例えば、図2に示すように、燃料電池10の出力電流が定格出力電流Iaの場合、燃料利用率上昇処理によって燃料利用率をUfaから、図2の点Bで示すようなUfbへと変化(上昇)させることが記憶部17に予め記憶されている。また、図3に示すように、燃料電池10の出力電流が定格出力電流Iaの場合、燃料利用率上昇処理によってS/CをRaから、図3の点Dで示すようなRbへと変化(低下)させることが記憶部17に予め記憶されている。そして、運転制御部16は、燃料電池10の出力電流が定格出力電流Iaの場合に、燃料利用率の値Ufb及びS/Cの値Rbを達成するための目標原燃料供給量Qfb及び目標水供給量Qwbを決定する。
At time t10, the
本実施形態では、運転制御部16は、燃料電池10の出力電流が安定した状態で、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Qfbまで減少させ且つ改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量Qwbまで減少させることで燃料電池10での燃料利用率をUfbまで上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、水供給量調節部4の動作を制御して改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、処理継続条件が満たされた後に改質部7への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
In the present embodiment, the
つまり、時刻t10において運転制御部16は、時間的に先に改質部7への改質用水の供給量を基準水供給量Qwaから目標水供給量Qwbへと減少させるが、改質部7への原燃料ガスの供給量は変化させずに基準原燃料供給量Qfaのまま維持する。
そして、運転制御部16は、所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定する。
That is, at time t10, the
Then, the
その後、時刻t11において運転制御部16は、以下のように、処理継続条件が満たされたと判定した場合、改質部7への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Qfaから目標原燃料供給量Qfbへと減少させる。このように、運転制御部16は、改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後に、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
After that, at time t11, when the
例えば、運転制御部16は、内部温度検出部13が検出する筐体1の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上である場合、処理継続条件が満たされたと判定する。この場合の所定期間の長さ及び基準内部温度の値は適宜設定される値であり、記憶部17に予め記憶されている。つまり、筐体1の内部の温度が十分に安定して高い状態で、改質部7(気化部6)への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体1の内部の温度が低下傾向になるとしても、筐体1の内部の温度が低くなり過ぎることを回避できる。
For example, the
或いは、運転制御部16は、改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後、出力電圧検出部18が検出する燃料電池10の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上である場合、処理継続条件が満たされたと判定する。この場合の所定期間の長さ及び基準電圧の値は適宜設定される値であり、記憶部17に予め記憶されている。つまり、燃料電池10の出力電圧が十分に安定して高い状態、即ち、燃料電池10の運転状態が安定した状態で、改質部7(気化部6)への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体1の内部の温度が低下傾向になるとしても、燃料電池10の運転状態が悪化することを回避できる。
Alternatively, after the
また或いは、運転制御部16は、所定の待機時間が経過した場合、処理継続条件が満たされたと判定する。この場合の待機時間の長さは適宜設定される値であり、記憶部17に予め記憶されている。例えば、この待機時間の長さは、改質用水の供給量の変化の応答遅れ、即ち、気化部6への改質用水の供給量を変化させた後、改質部7へ供給される水蒸気量が変化するまでの要する時間などに設定される。つまり、改質部7(気化部6)への改質用水の供給量を減少させて所定の待機時間が経過することで筐体1の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体1の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部7への改質用水の供給量の減少に伴って筐体1の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体1の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
Alternatively, the
このような一連の制御により、運転制御部16は、燃料電池10の出力電流が安定した状態で、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Qfbまで減少させ且つ改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量Qwbまで減少させることで燃料電池10での燃料利用率をUfbまで上昇させる燃料利用率上昇処理を行う。
By such a series of control, the
尚、運転制御部16は、燃料利用率上昇処理を行っている間に燃料電池10の出力電流が設定値以上変化した場合、燃料利用率上昇処理を中止して、燃料電池10での燃料利用率が元の値に戻るように改質部7への原燃料ガスの供給量と改質部7への改質用水の供給量を調節する。図4に示す例では、時刻t12において運転制御部16は、出力情報検出部20(出力電圧検出部18、出力電流検出部19)の検出結果に基づいて、燃料電池10が定格出力で無くなったと判定する。そして、運転制御部16は、燃料電池10での燃料利用率が元の値Ufaに戻るように、改質部7への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Qfaに変化させ、改質部7への改質用水の供給量を基準水供給量Qwaに変化させる。
If the output current of the
以上のように、燃料電池10の出力電流が安定した状態で、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池10での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行うことで、燃料電池10の効率を向上させることができる。
加えて、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後に改質部7への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。つまり、改質部7への改質用水の供給量を減少させて、筐体1の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部7への原燃料ガスの供給量を減少させる。その結果、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体1の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部7への改質用水の供給量の減少に伴って筐体1の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体1の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
As described above, while the output current of the
In addition, when the fuel utilization rate increase treatment is performed, the reduction of the supply amount of the raw fuel gas to the reforming
<第2実施形態>
第2実施形態の燃料電池装置は、燃料利用率上昇処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第2実施形態の燃料電池装置について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
<Second Embodiment>
The fuel cell device of the second embodiment is different from the above-described embodiment in the content of the fuel utilization rate increase processing. The fuel cell device of the second embodiment will be described below, but the description of the same configuration as that of the above embodiment will be omitted.
図5は第2実施形態の燃料利用率上昇処理を説明する図である。具体的には、図5は、改質部7(気化部6)への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量及び改質用水の単位時間当たりの供給量の推移を示す図である。図示するように、運転制御部16は、燃料利用率上昇処理において、改質部7(気化部6)への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Qfbまで段階的に減少させる。図5に示す例では、運転制御部16は、改質部7への原燃料ガスの供給量を、基準原燃料供給量Qfaから、値Qf1及び値Qf2を経て、最終的に目標原燃料供給量Qfbへと段階的に減少させる。
また、運転制御部16は、燃料利用率上昇処理において、改質部7(気化部6)への改質用水の供給量を目標水供給量Qwbまで段階的に減少させる。図5に示す例では、運転制御部16は、改質部7への改質用水の供給量を、基準水供給量Qwaから、値Qw1を経て、最終的に目標水供給量Qwbへと段階的に減少させる。
FIG. 5 is a diagram illustrating the fuel utilization rate increase processing of the second embodiment. Specifically, FIG. 5 is a diagram showing changes in the supply amount of raw fuel gas to the reforming unit 7 (vaporization unit 6) per unit time and the supply amount of reforming water per unit time. As shown in the figure, the
Further, the
具体的に説明すると、時刻t20において運転制御部16は、時間的に先に改質部7への改質用水の供給量を基準水供給量Qwaから値Qw1へと減少させるが、改質部7への原燃料ガスの供給量は変化させずに基準原燃料供給量Qfaのまま維持する。
そして、運転制御部16は、所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定する。この処理継続条件は第1実施形態で説明したのと同様である。
Specifically, at time t20, the
Then, the
その後、時刻t21において運転制御部16は、処理継続条件が満たされたと判定して、改質部7への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Qfaから値Qf1へと減少させる。このように、運転制御部16は、改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後に、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
After that, at time t21, the
次に、時刻t22において運転制御部16は、処理継続条件が満たされたと判定して、改質部7への改質用水の供給量を値Qw1から目標水供給量Qwbへと減少させる。
そして、運転制御部16は、時刻t23において処理継続条件が満たされたと判定して、改質部7への原燃料ガスの供給量を値Qf1から値Qf2へと減少させ、時刻t24において処理継続条件が満たされたと判定して、改質部7への原燃料ガスの供給量を値Qf2から目標原燃料供給量Qfbへと減少させる。
。
Next, at time t22, the
Then, the
..
このような一連の制御により、運転制御部16は、燃料電池10の出力電流が安定した状態で、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Qfbまで減少させ且つ改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量Qwbまで減少させることで燃料電池10での燃料利用率をUfbまで上昇させる燃料利用率上昇処理を行う。
By such a series of control, the
また、第1実施形態で説明したのと同様に、運転制御部16は、燃料利用率上昇処理を行っている間に燃料電池10の出力電流が設定値以上変化した場合、燃料利用率上昇処理を中止して、燃料電池10での燃料利用率が元の値に戻るように改質部7への原燃料ガスの供給量と改質部7への改質用水の供給量を調節する。図5に示す例では、時刻t25において運転制御部16は、出力情報検出部20(出力電圧検出部18、出力電流検出部19)の検出結果に基づいて、燃料電池10が定格出力で無くなったと判定する。そして、運転制御部16は、燃料電池10での燃料利用率が元の値Ufaに戻るように、改質部7への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Qfaに変化させ、改質部7への改質用水の供給量を基準水供給量Qwaに変化させる。
Further, as described in the first embodiment, the
以上のように、本実施形態では、燃料利用率上昇処理において、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少が段階的に行われるので、改質部7への原燃料ガスの供給量を減少することに伴って筐体1の内部の温度が低下することも段階的に発生する。つまり、改質部7への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させる場合に筐体1の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池10の運転状態が不安定になることを回避できる。
また、燃料利用率上昇処理において、改質部7への改質用水の供給量の減少が段階的に行われるので、改質部7への改質用水の供給量を減少することに伴って筐体1の内部の温度が上昇することも段階的に発生する。つまり、改質部7への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させる場合に筐体1の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池10の運転状態が不安定になることを回避できる。
As described above, in the present embodiment, in the fuel utilization rate increase process, the supply amount of the raw material fuel gas to the reforming
Further, in the fuel utilization rate increase treatment, the supply amount of reforming water to the reforming
<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、燃料電池装置の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
<Another Embodiment>
<1>
In the above embodiment, the configuration of the fuel cell device has been described with specific examples, but the configuration can be changed as appropriate.
<2>
上記実施形態では、燃料電池10の出力電流Iと燃料電池10での燃料利用率Ufとの関係(図2)、及び、燃料電池10の出力電流Iと改質部7での改質処理のS/Cとの関係(図3)について説明したが、それらは例示目的で記載したものであり、適宜変更可能である。
<2>
In the above embodiment, the relationship between the output current I of the
<3>
上記実施形態では、燃料利用率上昇処理において燃料利用率を上昇させると共にS/Cを低下させる例を説明したが、S/Cを一定のままにしてもよい。その場合であっても、燃料利用率を上昇させるために改質部7への原燃料ガスの供給量を減少させると、S/Cを一定に維持するためには改質部7への改質用水の供給量も減少させる必要があるため、運転制御部16は、改質部7への改質用水の供給量の減少を開始した後に、改質部7への原燃料ガスの供給量の減少を開始させればよい。
<3>
In the above embodiment, an example in which the fuel utilization rate is increased and the S / C is decreased in the fuel utilization rate increase process has been described, but the S / C may be kept constant. Even in that case, if the amount of raw fuel gas supplied to the reforming
<4>
上記実施形態では、燃料電池10が定格出力で設定期間動作した場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定される例を説明したが、燃料電池10の出力(出力情報)がどのような状態になった場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定されるのかは適宜設定可能である。例えば、運転制御部16は、燃料電池10が定格の90%出力や70%出力などの所定の一定出力で設定期間動作した場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定してもよい。
<4>
In the above embodiment, an example in which it is determined that the condition for performing the fuel utilization rate increase processing is satisfied when the
<5>
上記実施形態において、改質部7への原燃料ガス及び改質用水の供給量を連続的に変化させてもよい。
例えば、図2に示した例では、時刻t10において改質部7への原燃料ガス及び改質用水の供給量を基準原燃料供給量Qfaから目標原燃料供給量Qfbまで減少させたが、例えば、時刻t10から設定期間(例えば数秒間など)をかけて改質部7への原燃料ガスの供給量を連続的に変化させてもよい。
<5>
In the above embodiment, the supply amounts of the raw fuel gas and the reforming water to the reforming
For example, in the example shown in FIG. 2, the supply amount of the raw material fuel gas and the reforming water to the reforming
<6>
尚、上記実施形態(別実施形態を含む)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
<6>
The configurations disclosed in the above embodiment (including another embodiment) can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction, and the present specification. The embodiment disclosed in the above is an example, and the embodiment of the present invention is not limited to this, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明は、燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置に利用できる。 The present invention can be used in a fuel cell device capable of increasing the fuel utilization rate while the operating state of the fuel cell remains stable.
1 筐体
2 原燃料供給量調節部
4 水供給量調節部
7 改質部
9 セル
9a アノード
9b カソード
10 燃料電池(セルスタック)
11 燃焼部
13 内部温度検出部
15 酸素供給量調節部
16 運転制御部
18 出力電圧検出部(出力情報検出部 20)
19 出力電流検出部(出力情報検出部 20)
1 Housing 2 Raw fuel supply
11
19 Output current detector (output information detector 20)
Claims (10)
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、
発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガスに含まれる前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記改質部への原燃料ガスの供給量を調節する原燃料供給量調節部と、
前記改質部への改質用水の供給量を調節する水供給量調節部と、
前記カソード及び前記燃焼部への前記酸素ガスの供給量を調節する酸素供給量調節部と、
前記原燃料供給量調節部及び前記酸素供給量調節部及び前記水供給量調節部の動作を制御する運転制御部とを備え、
前記改質部と前記燃料電池と前記燃焼部とは筐体の内部に収容され、
前記運転制御部は、前記燃料電池の出力電流が安定した状態で、前記改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ前記改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで前記燃料電池での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、前記水供給量調節部の動作を制御して前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、前記処理継続条件が満たされた後に前記改質部への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる燃料電池装置。 A reforming unit that steam reforms raw fuel gas to generate fuel gas containing hydrogen,
A fuel cell having an anode to which the fuel gas is supplied and a cathode to which the oxygen gas is supplied generated in the reforming unit,
A combustion unit that burns the fuel gas contained in the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction and heats the reforming unit by the combustion heat.
A raw fuel supply amount adjusting unit that adjusts the raw material fuel supply amount to the reforming unit,
A water supply amount adjusting unit that adjusts the supply amount of reforming water to the reforming unit,
An oxygen supply amount adjusting unit that adjusts the supply amount of the oxygen gas to the cathode and the combustion unit, and
It includes the raw material fuel supply amount adjusting unit, the oxygen supply amount adjusting unit, and an operation control unit that controls the operation of the water supply amount adjusting unit.
The reforming unit, the fuel cell, and the combustion unit are housed inside the housing.
The operation control unit reduces the supply amount of raw fuel gas to the reforming unit to the target raw material fuel supply amount in a state where the output current of the fuel cell is stable, and reforming water to the reforming unit. When the fuel utilization rate increasing process for increasing the fuel utilization rate in the fuel cell is performed by reducing the supply amount to the target water supply amount, the operation of the water supply amount adjusting unit is controlled to the reforming unit. After starting to reduce the supply amount of reforming water, it is determined whether or not the predetermined treatment continuation condition is satisfied, and after the treatment continuation condition is satisfied, the supply amount of raw fuel gas to the reforming portion is reduced. Fuel cell device to start.
前記運転制御部は、前記内部温度検出部が検出する前記筐体の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する請求項1に記載の燃料電池装置。 It is provided with an internal temperature detection unit that detects the temperature of a predetermined portion inside the housing.
The first aspect of claim 1, wherein the operation control unit determines that the processing continuation condition is satisfied when the temperature inside the housing detected by the internal temperature detection unit is continuously equal to or higher than the reference internal temperature for a predetermined period. Fuel cell device.
前記運転制御部は、前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後、前記出力電圧検出部が検出する前記燃料電池の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する請求項1又は2に記載の燃料電池装置。 It is provided with an output voltage detection unit that detects the output voltage of the fuel cell.
After the operation control unit starts reducing the amount of reforming water supplied to the reforming unit, the output voltage of the fuel cell detected by the output voltage detecting unit is continuously equal to or higher than the reference voltage for a predetermined period. The fuel cell device according to claim 1 or 2, wherein it is determined that the processing continuation condition is satisfied.
前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて前記燃料電池の前記出力情報が前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に当該燃料利用率上昇処理を行う請求項1〜4の何れか一項に記載の燃料電池装置。 It is provided with an output information detection unit that detects at least the output current of the output power and output current of the fuel cell as output information.
When the operation control unit determines that the output information of the fuel cell satisfies the condition for performing the fuel utilization rate increase process based on the detection result of the output information detection unit, the operation control unit performs the fuel utilization rate increase process. Item 2. The fuel cell device according to any one of Items 1 to 4.
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間、前記内部温度検出部が検出する温度が目標内部温度に近づくように、前記酸素供給量調節部の動作を制御する請求項1〜9の何れか一項に記載の燃料電池装置。 It is provided with an internal temperature detection unit that detects the temperature of a predetermined portion inside the housing.
The operation control unit controls the operation of the oxygen supply amount adjusting unit so that the temperature detected by the internal temperature detecting unit approaches the target internal temperature while the fuel utilization rate increasing process is being performed. The fuel cell device according to any one of 9 to 9.
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