JP5485555B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池、特に高温で使用される固体酸化物型燃料電池システムの制御技術に関する。 The present invention relates to a control technique for a fuel cell, particularly a solid oxide fuel cell system used at a high temperature.
固体酸化物型燃料電池は様々な炭化水素系原料を水蒸気で改質することで水素を取り出して発電する。改質に使用する水蒸気は、改質水を気化装置で気化させることにより生成するため、気化装置は高温となり、また、改質装置も高温で作動することが求められる。 Solid oxide fuel cells generate electricity by taking out hydrogen by reforming various hydrocarbon raw materials with steam. Since the steam used for reforming is generated by vaporizing the reforming water with a vaporizer, the vaporizer is at a high temperature, and the reformer is also required to operate at a high temperature.
このため、気化装置と改質装置は、固体酸化物型燃料電池本体(燃料電池スタック)と別置きされた状態で加熱されることが多く、固体酸化物型燃料電池の燃料ラインに直列に接続される。 For this reason, the vaporizer and reformer are often heated separately from the solid oxide fuel cell main body (fuel cell stack) and connected in series to the fuel line of the solid oxide fuel cell. Is done.
この接続が要因となり、燃料ガスの流量は、水が気化した際の圧力変化や気化の吸熱反応による圧力減少に大きな影響を受ける。したがって、燃料ガス流量の制御が不安定になる。 This connection is a factor, and the flow rate of the fuel gas is greatly influenced by the pressure change when water is vaporized and the pressure decrease due to the endothermic reaction of vaporization. Therefore, the control of the fuel gas flow rate becomes unstable.
この改質水は、ポンプで送水するが、分散設置用の固体酸化物型燃料電池では、水の流量が少ないため、安定した改質水の供給方法として2つのものがある。1つは、ステッピングモータのステップ数で制御する方法、2つめは電力で総水量をコントロールポンプとニードル弁及び高精度流量計の組合せにより流量制御をする方法である。 This reformed water is sent by a pump, but in a solid oxide fuel cell for distributed installation, there are two methods for supplying stable reformed water because the flow rate of water is small. One is a method of controlling by the number of steps of the stepping motor, and the second is a method of controlling the total amount of water with electric power by a combination of a control pump, a needle valve and a high-precision flow meter.
前者の場合には、水の供給量は安定するもののステッピングモータの回転周期に応じて水が投入されるため、気化時の圧力変化が大きく、後者の場合には連続的に水が供給されるが流量が安定せず、流量計からのフィードバックとなるため、改質水が不足する場合がある。また、システムが複雑になるという問題があり、現実的ではない。 In the former case, although the amount of water supply is stable, water is supplied according to the rotation period of the stepping motor, so that the pressure change during vaporization is large, and in the latter case, water is continuously supplied. However, since the flow rate is not stable and feedback from the flow meter, reforming water may be insufficient. Moreover, there is a problem that the system becomes complicated, which is not realistic.
ステッピングモータを使用し、圧力変化を抑えるためには、従来技術であるバッファタンクを設置し、圧力変化を吸収する方法が考えられるが、バッファタンクをスタックに併設する必要があるため断熱容器の寸法を大きくする必要があり、結果として放熱量が増大し、効率の低下につながる。 In order to suppress the pressure change using a stepping motor, it is possible to install a buffer tank, which is a conventional technology, to absorb the pressure change. However, it is necessary to install the buffer tank in the stack. As a result, the amount of heat radiation increases, leading to a decrease in efficiency.
さらに、燃料ガスラインに逆止弁を挿入し、逆止弁のクラック圧を利用して、供給される燃料ガスの圧力変化を抑制する方法がある。つまり、燃料ガスラインに逆止弁を挿入し、その逆止弁のクラック圧力によって燃料ガスラインに所要の抵抗を与えると、供給される燃料ガスの圧力変化を抑制することができる。したがって、逆止弁のクラック圧を制御することにより、圧力変化を制御することができる(例えば特許文献1参照)。 Furthermore, there is a method of suppressing a change in the pressure of the supplied fuel gas by inserting a check valve into the fuel gas line and utilizing the crack pressure of the check valve. That is, if a check valve is inserted into the fuel gas line and a required resistance is given to the fuel gas line by the crack pressure of the check valve, the pressure change of the supplied fuel gas can be suppressed. Therefore, the pressure change can be controlled by controlling the crack pressure of the check valve (see, for example, Patent Document 1).
ところが、燃料ガスラインに逆止弁を挿入し、そのクラック圧を制御する方法では、燃料ガスラインには常にクラッキング圧力を超える圧力が保持されるために、低流量時のポンプ負荷が常時増大し総合効率の低下につながり実用性は低いとういう問題がある。 However, in the method of inserting a check valve in the fuel gas line and controlling the crack pressure, the pressure exceeding the cracking pressure is always maintained in the fuel gas line, so the pump load at a low flow rate always increases. There is a problem that the overall efficiency is lowered and the practicality is low.
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、簡易な構成で燃料ガスラインの圧力変化を抑制し、効率のよい固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide an efficient solid oxide fuel cell system that suppresses a pressure change in a fuel gas line with a simple configuration.
かかる問題を解決するためになされた固体酸化物型燃料電池システム(1:この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。)は、
燃料電池スタック(10)、改質手段(20)、気化手段(30)、燃料供給手段(50)、水供給手段(60)、推定手段(70)及び制御手段(70)を備えている。
Solid oxide fuel cell system made to solve such a problem (1: In this column, in order to facilitate understanding of the invention, in the column “Best Mode for Carrying Out the Invention” as necessary, The reference numerals used are attached, but the reference is not meant to be limited by the reference numerals).
The fuel cell stack (10), the reforming means (20), the vaporization means (30), the fuel supply means (50), the water supply means (60), the estimation means (70), and the control means (70) are provided.
燃料電池スタック(10)は、電解質層を隔てて燃料極及び空気極がそれぞれ形成された燃料電池セルが複数個接続されて成り、改質手段(20)は、燃料電池スタック(10)に供給される前に、燃料ガスを水蒸気により改質し、気化手段(30)は、水を気化させ、改質手段(20)で使用される水蒸気を形成する。 The fuel cell stack (10) is formed by connecting a plurality of fuel cells each formed with a fuel electrode and an air electrode across an electrolyte layer, and the reforming means (20) supplies the fuel cell stack (10). Before being done, the fuel gas is reformed with water vapor, and the vaporization means (30) vaporizes water to form water vapor used in the reforming means (20).
燃料供給手段(50)は、改質される燃料ガスを改質手段(20)に供給し、水供給手段(60)は、気化手段(30)に水を周期的に供給し、推定手段(70)は、水供給手段(60)で供給される水が気化手段(30)において気化される気化タイミングを推定する。 The fuel supply means (50) supplies the reformed fuel gas to the reforming means (20), the water supply means (60) periodically supplies water to the vaporization means (30), and the estimation means ( 70) estimates the vaporization timing at which the water supplied by the water supply means (60) is vaporized by the vaporization means (30).
また、制御手段(70)は、推定手段(70)で推定した水の気化タイミングに基づいて、燃料供給手段(50)から燃料電池スタック(10)に供給する燃料ガスの供給圧力を制御する。 The control means (70) controls the supply pressure of the fuel gas supplied from the fuel supply means (50) to the fuel cell stack (10) based on the water vaporization timing estimated by the estimation means (70).
このような固体酸化物型燃料電池システム(1)では、水供給手段(60)により周期的に気化手段(30)に水が供給され、供給された水は気化手段(30)で気化されて改質手段(20)で改質反応に利用される。また、改質手段(20)には、燃料供給手段(50)から燃料ガスが供給されている。 In such a solid oxide fuel cell system (1), water is periodically supplied to the vaporization means (30) by the water supply means (60), and the supplied water is vaporized by the vaporization means (30). The reforming means (20) is used for the reforming reaction. The reforming means (20) is supplied with fuel gas from the fuel supply means (50).
ここで、気化手段(30)において水が気化される際には、気化手段(30)における水蒸気の圧力が上昇するので改質手段(20)における水蒸気圧力も上昇する。一方、改質手段(20)を介して、気化手段(30)は、燃料供給手段(50)とも連通しているため、燃料供給手段(50)内の圧力(燃料ガス圧力と水蒸気圧力の合計)も上昇する。換言すると、水蒸気の圧力は混合部位(改質手段)を通じて燃料ガスラインに伝わり、燃料ガス圧力を押し付けることによる燃料ガスの流量不足の原因となる。 Here, when water is vaporized in the vaporization means (30), the water vapor pressure in the vaporization means (30) increases, so the water vapor pressure in the reforming means (20) also increases. On the other hand, since the vaporization means (30) is also communicated with the fuel supply means (50) via the reforming means (20), the pressure in the fuel supply means (50) (the sum of the fuel gas pressure and the water vapor pressure). ) Will also rise. In other words, the water vapor pressure is transmitted to the fuel gas line through the mixing portion (reforming means), and causes a shortage of the fuel gas flow rate by pressing the fuel gas pressure.
これに対して、本発明の固体酸化物型燃料電池システム(1)は、推定手段(70)を用いることにより、気化手段(30)において水が気化される気化タイミングを推定し、推定された水の気化タイミングに基づいて、燃料供給手段(50)の燃料供給圧力を例えば、気化タイミングに合わせて燃料供給圧力を上げるように制御すれば、常時必要十分な燃料ガスで運転できるため、燃料ガス等を無駄にすることなく、効率のよい固体酸化物型燃料電池システム(1)とすることができる。 On the other hand, the solid oxide fuel cell system (1) of the present invention estimated and estimated the vaporization timing at which water was vaporized in the vaporization means (30) by using the estimation means (70). If the fuel supply pressure of the fuel supply means (50) is controlled to increase the fuel supply pressure in accordance with the vaporization timing based on the water vaporization timing, for example, the fuel gas can be operated with the necessary and sufficient fuel gas at all times. Thus, an efficient solid oxide fuel cell system (1) can be obtained.
また、燃料ガスの脈動による出力変化を抑制することができるので、固体酸化物型燃料電池システム(1)の出力が安定する。さらに、常時必要十分な燃料ガスが供給されるので、発電中に燃料ガスの枯れを抑制でき、燃料ガス枯れによる改質触媒、燃料極及び空気極の劣化がなくなるので、固体酸化物型燃料電池システム(1)の耐久性が向上する。 Moreover, since the output change by the pulsation of fuel gas can be suppressed, the output of a solid oxide fuel cell system (1) is stabilized. In addition, since the necessary and sufficient fuel gas is always supplied, it is possible to suppress the fuel gas from being exhausted during power generation, and the deterioration of the reforming catalyst, the fuel electrode, and the air electrode due to the fuel gas exhaustion is eliminated. The durability of the system (1) is improved.
ところで、気化手段(30)では、改質手段(20)における改質作用に必要な量(余剰分を含めて)の水蒸気を事前に発生させればよいので、常に(連続的に)水を気化させる必要はない。したがって、水供給手段(60)は、本発明のように、気化手段(30)に周期的に水を供給するように構成するとよい。 By the way, in the vaporization means (30), it is only necessary to generate in advance an amount of water vapor (including surplus) necessary for the reforming action in the reforming means (20). There is no need to vaporize. Therefore, the water supply means (60) may be configured to periodically supply water to the vaporization means (30) as in the present invention.
このようにすると、水供給手段(60)で常に水を供給する必要がないので、水供給手段(60)を例えば、ステッピングモータを用いたポンプにするなど、簡易な構成とすることができる。 If it does in this way, since it is not necessary to always supply water with a water supply means (60), it can be set as a simple structure, such as making the water supply means (60) into a pump using a stepping motor, for example.
また、気化手段(30)に周期的に水が供給されるので、水が周期的に気化されることになる。したがって、推定手段(70)における水の気化タイミングの推定が容易になる。 Moreover, since water is periodically supplied to the vaporizing means (30), the water is periodically vaporized. Therefore, it is easy to estimate the water vaporization timing in the estimation means (70).
ところで、推定手段(70)によって水の気化タイミングを推定する方法は種々考えられるが、燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力に基づいて推定するとよい。つまり、本発明のように、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力を測定する圧力測定手段(80)を備え、推定手段(70)は、圧力測定手段(80)を介して混合気体圧力を測定し、その混合気体圧力の変化から水蒸気圧力の変化を取得し、さらに水蒸気圧力の変化に基づいて気化手段(30)における水の気化タイミングを推定するのである。 By the way, various methods for estimating the vaporization timing of water by the estimating means (70) are conceivable, but it is preferable to estimate based on the pressure of the mixed gas containing fuel gas and water vapor. That is, as in the present invention, pressure measuring means (80) for measuring the pressure of the mixed gas containing the supplied fuel gas and water vapor is provided, and the estimating means (70) is mixed gas pressure via the pressure measuring means (80). Then, the change in the water vapor pressure is obtained from the change in the mixed gas pressure, and the vaporization timing of the water in the vaporization means (30) is estimated based on the change in the water vapor pressure.
このようにすると、圧力測定手段(80)から取得される供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力に基づいて気化手段(30)における気化タイミングを推定できる。つまり、水蒸気圧力が変化すれば、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力も変化する。例えば、水蒸気圧力が上昇すれば、混合気体の圧力も上昇し、水蒸気圧力が下降すれば、混合気体の圧力も下降する、したがって、混合気体の圧力に基づいて、気化手段(30)における気化タイミングを正確に推定できるのである。 If it does in this way, the vaporization timing in a vaporization means (30) can be estimated based on the pressure of the mixed gas containing the supply fuel gas and water vapor | steam acquired from a pressure measurement means (80). That is, if the water vapor pressure changes, the pressure of the mixed gas containing the supplied fuel gas and water vapor also changes. For example, if the water vapor pressure increases, the pressure of the mixed gas also increases, and if the water vapor pressure decreases, the pressure of the mixed gas also decreases. Therefore, the vaporization timing in the vaporization means (30) based on the pressure of the mixed gas. Can be estimated accurately.
また、改質手段(20)に燃料供給手段(50)から燃料ガスが供給されている場合、一般的に、燃料ガスの上流圧が変化すれば燃料ガス流量も変化する。例えば、上流圧が急激に上昇すれば、燃料ガス流量は一時的に減少する。したがって、本発明のように、燃料供給手段(50)で供給する燃料ガスの流量を測定する流量測定手段(82)を備え、推定手段(70)は、流量測定手段(82)から燃料ガスの流量を取得し、取得した燃料ガス流量の変化に基づいて気化手段(30)における水の気化タイミングを推定するようにしても、気化手段(30)における水の気化タイミングを推定することができる。 Further, when the fuel gas is supplied from the fuel supply means (50) to the reforming means (20), generally, the fuel gas flow rate changes as the upstream pressure of the fuel gas changes. For example, if the upstream pressure rises rapidly, the fuel gas flow rate temporarily decreases. Accordingly, as in the present invention, the flow rate measuring means (82) for measuring the flow rate of the fuel gas supplied by the fuel supply means (50) is provided, and the estimating means (70) Even if the flow rate is acquired and the vaporization timing of water in the vaporization means (30) is estimated based on the obtained change in the fuel gas flow rate, the vaporization timing of water in the vaporization means (30) can be estimated.
さらに、前述のように、気化手段(30)における水の気化に伴い、燃料ガスの上流圧が上昇するとともに供給される燃料ガスが一時的に減少する。そうすると、燃料供給手段(50)は、減少した燃料ガス流量を補うように燃料ガス流量を増加させようとするので、燃料供給手段(50)における消費エネルギが変化する。 Further, as described above, with the vaporization of water in the vaporization means (30), the upstream pressure of the fuel gas increases and the supplied fuel gas temporarily decreases. Then, the fuel supply means (50) tries to increase the fuel gas flow rate so as to compensate for the decreased fuel gas flow rate, so that the energy consumption in the fuel supply means (50) changes.
したがって、本発明のように、燃料供給手段(50)で燃料ガスを供給するときのエネルギ消費量を測定する消費エネルギ測定手段(54)を備え、推定手段(70)は、消費エネルギ測定手段(54)からエネルギ消費量を取得し、取得したエネルギ消費量の変化に基づいて気化手段(30)における水の気化タイミングを推定するようにしても、気化タイミングを推定することができる。 Therefore, as in the present invention, the fuel supply means (50) includes the energy consumption measuring means (54) for measuring the energy consumption when the fuel gas is supplied, and the estimation means (70) is the energy consumption measuring means ( The vaporization timing can also be estimated by acquiring the energy consumption amount from 54) and estimating the vaporization timing of water in the vaporization means (30) based on the obtained change in the energy consumption amount.
ところで、制御手段(70)においては、推定手段(70)により推定した気化タイミングに基づいて燃料供給手段(50)で供給される燃料ガス圧力を制御しているが、一般的に、供給する燃料ガスの流量が変化すると燃料ガス圧力も変化する。 Incidentally, the control means (70) controls the fuel gas pressure supplied by the fuel supply means (50) based on the vaporization timing estimated by the estimation means (70). When the gas flow rate changes, the fuel gas pressure also changes.
したがって、本発明のように、燃料供給手段(50)の燃料ガス流量を制御することにより、燃料供給手段(50)の燃料ガス圧力を制御するができる。 Therefore, the fuel gas pressure of the fuel supply means (50) can be controlled by controlling the fuel gas flow rate of the fuel supply means (50) as in the present invention.
さらに、気化タイミングの推定手段(70)においては、前述した推定方法、つまり、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力変化に基づく推定方法、燃料ガス流量変化基づく推定方法及び燃料供給手段(50)のエネルギ消費量の変化に基づく推定方法を組み合わせて気化タイミングを推定するようにしてもよい。 Further, in the vaporization timing estimation means (70), the estimation method described above, that is, the estimation method based on the pressure change of the mixed gas containing the supplied fuel gas and water vapor, the estimation method based on the fuel gas flow rate change, and the fuel supply means (50) The vaporization timing may be estimated by combining estimation methods based on changes in energy consumption.
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The embodiment of the present invention is not limited to the following embodiment, and can take various forms as long as they belong to the technical scope of the present invention.
[第1実施形態]
図1は、本発明が適用された固体酸化物型燃料電池システム1の概略の構成を示すブロック図である。固体酸化物型燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池スタック10、改質器20、気化装置30、断熱容器40、燃料ポンプ50、水ポンプ60、圧力センサ80及び制御装置70を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a solid oxide fuel cell system 1 to which the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a reformer 20, a vaporizer 30, a heat insulating container 40, a fuel pump 50, a water pump 60, a pressure sensor 80, and a control device 70. It has.
燃料電池スタック10は、燃料ガス(詳しくは燃料ガス中の水素)と酸化剤ガス(詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置であり、固体電解質に燃料極及び空気極が形成された燃料電池セルが複数個接続されて形成されている。 The fuel cell stack 10 is a device that generates power by receiving supply of a fuel gas (specifically, hydrogen in the fuel gas) and an oxidant gas (specifically, oxygen in the air). A plurality of fuel cells each having the shape is connected to each other.
固体電解質は、酸素イオンを移動させることにより電力を取り出すためのものであり、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリア添加セリア)、GDC(ガドリニウム添加セリア)、ペロブスカイト酸化物など公知の各種酸素イオン伝導性の材料を使用できる。 The solid electrolyte is for taking out electric power by moving oxygen ions. YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samaria-added ceria), GDC (gadolinium-added ceria), Various known oxygen ion conductive materials such as perovskite oxide can be used.
また、空気極としては、ペロブスカイト酸化物、各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメットなどを使用でき、また、燃料極としては、各種貴金属、Ni等の卑金属、これらの金属とセラミックとのサーメットなどを使用できる。 In addition, perovskite oxide, various precious metals, cermets of precious metals and ceramics can be used as the air electrode, and various precious metals, base metals such as Ni, cermets of these metals and ceramics, etc. can be used as the fuel electrodes. Can be used.
なお、固体電解質は、燃料電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス(可燃ガス)又は空気極に導入される酸化剤ガス(支燃ガス)のうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。 The solid electrolyte moves as a part of one of the fuel gas (combustible gas) introduced into the fuel electrode during operation of the fuel cell or the oxidant gas (combustion gas) introduced into the air electrode. It has ionic conductivity. Examples of the ions include oxygen ions and hydrogen ions.
また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、燃料電池セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池セルにおける正電極として機能する。 Further, the fuel electrode comes into contact with the fuel gas serving as a reducing agent and functions as a negative electrode in the fuel battery cell. The air electrode is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant and functions as a positive electrode in the fuel cell.
改質器20は、燃料ガスを水蒸気により改質するものであり、例えば都市ガス等の燃料ガスを、例えばニッケル、白金等の触媒を利用して改質して、酸素と反応する水素ガスを生成する装置である。 The reformer 20 reforms the fuel gas with water vapor. For example, the reformer 20 reforms the fuel gas such as city gas using a catalyst such as nickel or platinum to produce hydrogen gas that reacts with oxygen. It is a device to generate.
気化装置30は、改質器20における水蒸気改質に使用する水を水蒸気に気化するものであり、気化装置30の前段には、水ライン62を介して、水(純水)を供給する水ポンプ60が設けられている。 The vaporizer 30 vaporizes water used for steam reforming in the reformer 20 into water vapor, and water that supplies water (pure water) to the front stage of the vaporizer 30 via a water line 62. A pump 60 is provided.
水ポンプ60は、ステッピングモータとステッピングモータの回転軸に取り付けられた円盤状のロータを備えている。ロータには、切欠きが設けられており、その切欠きから水が水ライン62に供給される(一度に1箇所の切欠きから供給される)ようになっている。 The water pump 60 includes a stepping motor and a disk-shaped rotor attached to the rotating shaft of the stepping motor. The rotor is provided with a notch, and water is supplied to the water line 62 from the notch (supplied from one notch at a time).
したがって、ステッピングモータを回転させることにより、周期的に(一定の時間間隔で)水が水ライン62を介して気化装置30に供給される。 Accordingly, by rotating the stepping motor, water is supplied to the vaporizer 30 via the water line 62 periodically (at regular time intervals).
断熱容器40は、燃料電池スタック10、改質器20及び気化装置30を収納する断熱機能を有する断熱容器である。 The heat insulating container 40 is a heat insulating container having a heat insulating function for housing the fuel cell stack 10, the reformer 20, and the vaporizer 30.
燃料ポンプ50は、改質器20に燃料ライン52を介して燃料ガスを供給するためのポンプであり、圧力センサ80は、燃料ライン52における燃料ガスの供給圧力(燃料ポンプ50の燃料ガス供給圧力に等しい)を測定するためのセンサである。 The fuel pump 50 is a pump for supplying fuel gas to the reformer 20 via the fuel line 52, and the pressure sensor 80 is a fuel gas supply pressure (fuel gas supply pressure of the fuel pump 50) in the fuel line 52. It is a sensor for measuring (equal to).
ここで、圧力センサ80は燃料ライン52に設けられているが、改質器20を介して気化装置30が燃料ポンプ50とも連通しているため、気化装置30で気化した水蒸気も燃料ライン52に出入りする。したがって、燃料ライン52の圧力とは、燃料ガス圧力と水蒸気圧力の合計(混合ガスの圧力)となる。 Here, although the pressure sensor 80 is provided in the fuel line 52, the vaporizer 30 communicates with the fuel pump 50 via the reformer 20, so that the water vapor vaporized by the vaporizer 30 also enters the fuel line 52. coming and going. Therefore, the pressure of the fuel line 52 is the sum of the fuel gas pressure and the water vapor pressure (the pressure of the mixed gas).
つまり、システム内連通する空間は均等の圧力(混合ガス)となるので、圧力センサ80は、混合ガスの圧力変化を測定することとなる。一方、燃料ガスの圧力変化は水蒸気圧力変化に比べ、極めて小さいため、混合ガスの圧力変化は水蒸気の圧力変化として使用できるのである。 That is, since the space communicating in the system has an equal pressure (mixed gas), the pressure sensor 80 measures the pressure change of the mixed gas. On the other hand, since the pressure change of the fuel gas is extremely small compared with the change of the water vapor pressure, the pressure change of the mixed gas can be used as the pressure change of the water vapor.
燃料流量センサ82は、燃料ポンプ50で供給する燃料ガスの流量を測定し、燃料ガスの流量をフィードバック制御するためのセンサであり、電磁流量計や超音波流量計などの電気式流量センサやタービンフローメータなどの機械式流量センサを用いることができる。 The fuel flow sensor 82 is a sensor for measuring the flow rate of the fuel gas supplied by the fuel pump 50 and feedback-controlling the flow rate of the fuel gas, and is an electric flow sensor such as an electromagnetic flow meter or an ultrasonic flow meter, or a turbine. A mechanical flow sensor such as a flow meter can be used.
制御装置70は、図示しない、CPU、ROM、RAM、第1カウンタ、第2カウンタ及びI/Oを備えており、圧力センサ80から燃料ガス圧力を連続的に取得し、取得した燃料ガス圧力の変化に基づいて、気化装置30における水の気化タイミングを推定する。そして、推定した水の気化タイミングに基づいて、燃料ポンプ50の燃料ガス流量を制御することにより、燃料ポンプ50の燃料ガス供給圧力を制御する。 The control device 70 includes a CPU, a ROM, a RAM, a first counter, a second counter, and an I / O (not shown). The control device 70 continuously acquires the fuel gas pressure from the pressure sensor 80, and determines the acquired fuel gas pressure. Based on the change, the vaporization timing of water in the vaporizer 30 is estimated. Then, the fuel gas supply pressure of the fuel pump 50 is controlled by controlling the fuel gas flow rate of the fuel pump 50 based on the estimated water vaporization timing.
制御装置70で実行される水の気化タイミングの推定と、推定された気化タイミングに基づいた燃料ガス供給圧力の制御処理とを併せて「推定制御処理」と呼び、以下でその詳細を説明する。 The estimation of the water vaporization timing executed by the control device 70 and the control process of the fuel gas supply pressure based on the estimated vaporization timing are collectively referred to as “estimated control processing”, and the details thereof will be described below.
(推定制御処理)
次に、制御装置70で実行される推定制御処理について図2及び図3に基づき説明する。図2及び図3は、推定制御処理の流れを示すフローチャートである。
(Estimated control processing)
Next, the estimation control process executed by the control device 70 will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are flowcharts showing the flow of the estimation control process.
推定制御処理では、まずS100において初期設定が行われる。初期設定では、RAMの「圧力値」、「前回圧力」、「気化間隔」、「前回気化間隔」、「タイマ(1)」、「タイマ(2)」が0に設定され、圧力変化があったか否かを示すフラグである「圧力変化フラグ」がオフにセットされる。 In the estimation control process, first, initial setting is performed in S100. In the initial setting, the “pressure value”, “previous pressure”, “vaporization interval”, “previous vaporization interval”, “timer (1)”, and “timer (2)” in the RAM are set to 0, and there is a pressure change. A “pressure change flag” which is a flag indicating whether or not is set to OFF.
ここで、「圧力フラグがオン」とは、RAM内の圧力フラグが「1」にセットされている場合を意味し、「圧力フラグがオフ」とは、RAM内の圧力フラグが「0」にセットされている状態を意味している。 Here, “the pressure flag is on” means that the pressure flag in the RAM is set to “1”, and “the pressure flag is off” means that the pressure flag in the RAM is “0”. It means the set state.
続くS105において、燃料ポンプ50で供給する燃料ガスの必要流量が計算され、続くS110では、圧力センサ80から燃料ガス圧力が取得され、取得された燃料ガス圧力が「圧力値」としてRAMに記憶される。 In the subsequent S105, the required flow rate of the fuel gas supplied by the fuel pump 50 is calculated. In the subsequent S110, the fuel gas pressure is acquired from the pressure sensor 80, and the acquired fuel gas pressure is stored in the RAM as a “pressure value”. The
続くS115では、圧力値が変化したか否かが判定される。つまり、S110においてRAMに記憶された圧力値から、前回の処理ループ(S105〜S195までを繰り返す処理)でRAMに記憶された前回圧力が減算され、減算された値が閾値より大きいか否かが判定される。 In subsequent S115, it is determined whether or not the pressure value has changed. That is, the previous pressure stored in the RAM in the previous processing loop (the process of repeating S105 to S195) is subtracted from the pressure value stored in the RAM in S110, and whether or not the subtracted value is greater than the threshold value. Determined.
そして、減算された値が閾値よりも大きいと判定された場合(S115:Yes)、つまり、圧力値が変化したと判定された場合、処理がS120へ移行され、減算された値が閾値以下と判定された場合(S115:No)、つまり、圧力値が変化していないと判定された場合、処理がS165(図3参照)へ移行される。 If it is determined that the subtracted value is greater than the threshold value (S115: Yes), that is, if it is determined that the pressure value has changed, the process proceeds to S120, and the subtracted value is equal to or less than the threshold value. If it is determined (S115: No), that is, if it is determined that the pressure value has not changed, the process proceeds to S165 (see FIG. 3).
S120では、圧力変化フラグがオンになっているか否か、つまり、以前の処理ループにおいて圧力変化があったか否かが判定され、圧力変化フラグがオンになっていると判定された場合(S120:Yes)、つまり、以前の処理ループにおいて圧力変化があったと判定された場合、すなわち2度目以降の圧力変動があった場合、処理がS125へ移行され、圧力変化フラグがオンになっていないと判定された場合(S120:No)、つまり、以前の処理ループにおいて圧力変化がなかったと判定された場合、処理がS145へ移行される。 In S120, it is determined whether or not the pressure change flag is turned on, that is, whether or not there has been a pressure change in the previous processing loop, and when it is determined that the pressure change flag is turned on (S120: Yes). ) That is, if it is determined that there has been a pressure change in the previous processing loop, that is, if there has been a second or subsequent pressure fluctuation, the process proceeds to S125 and it is determined that the pressure change flag is not turned on. If (S120: No), that is, if it is determined that there was no pressure change in the previous processing loop, the process proceeds to S145.
S125では、「気化間隔」がタイマ(1)の値に置き換えられ、続くS130において、タイマ(1)及びタイマ(2)の値が0にセットされる。 In S125, the “vaporization interval” is replaced with the value of timer (1), and in subsequent S130, the values of timer (1) and timer (2) are set to zero.
続くS135では、気化間隔と前回の処理ループでタイマ(1)の値に置き換えられた前回間隔との差の絶対値が閾値より大きいか否か、つまり、圧力変化の間隔が所定の間隔(閾値)で発生したか否かが判定される。そして、差の絶対値が閾値より大きいと判定された場合(S135:Yes)、つまり、圧力変化の間隔が所定の間隔で発生していないと判定された場合、処理がS140へ移行され、圧力変化フラグがオフされた後(すなわち周期が変わった場合)、処理がS165へ移行される。一方、差の閾値が閾値以下と判定された場合(S135:No)、つまり、圧力変化の間隔が所定の間隔で発生していると判定された場合、処理がS165(図3参照)へ移行される。 In subsequent S135, whether or not the absolute value of the difference between the vaporization interval and the previous interval replaced with the value of the timer (1) in the previous processing loop is larger than the threshold value, that is, the pressure change interval is a predetermined interval (threshold value). ) Is determined. And when it determines with the absolute value of a difference being larger than a threshold value (S135: Yes), ie, when it determines with the space | interval of a pressure change not having generate | occur | produced with the predetermined space | interval, a process is transferred to S140, and pressure After the change flag is turned off (that is, when the cycle is changed), the process proceeds to S165. On the other hand, when it is determined that the difference threshold is equal to or less than the threshold (S135: No), that is, when it is determined that the pressure change interval occurs at a predetermined interval, the process proceeds to S165 (see FIG. 3). Is done.
また、S145では、圧力変化フラグがオンされ、続くS150において、タイマ(1)及びタイマ(2)のカウントアップが開始される。そして、続くS155において、燃料流量センサ82から、燃料ポンプ50で供給している燃料ガス流量(実流量値)が取得される。 In S145, the pressure change flag is turned on, and in subsequent S150, the timer (1) and the timer (2) start counting up. In subsequent S155, the fuel gas flow rate (actual flow rate value) supplied by the fuel pump 50 is acquired from the fuel flow rate sensor 82.
続くS160では、指示流量からS155において取得した実流量値が減算された値が補正値とされた後、処理がS165(図3参照)へ移行される。 In subsequent S160, the value obtained by subtracting the actual flow rate value acquired in S155 from the command flow rate is set as a correction value, and then the process proceeds to S165 (see FIG. 3).
S165では、タイマ(2)からS125において設定された気化間隔が減算された値が燃料ポンプ50の応答遅れ時間よりも大きいか否かが判定される。そして、応答時間より大きいと判定された場合(S165:Yes)、処理がS170へ移行され、応答時間以下と判定された場合(S165:No)、処理がS180へ移行される。 In S165, it is determined whether or not the value obtained by subtracting the vaporization interval set in S125 from the timer (2) is greater than the response delay time of the fuel pump 50. If it is determined that the response time is greater than the response time (S165: Yes), the process proceeds to S170. If it is determined that the response time is equal to or less (S165: No), the process proceeds to S180.
S170では、タイマ(2)が0に設定され、続くS175において必要流量に補正値が加算されて指示流量とされる。ここで、補正値とは、燃料ポンプ50の応答遅れ時間を補うために必要となる予め設定された流量値である。 In S170, the timer (2) is set to 0, and in the subsequent S175, the correction value is added to the required flow rate to obtain the indicated flow rate. Here, the correction value is a preset flow rate value required to compensate for the response delay time of the fuel pump 50.
一方、S180では、必要流量がそのまま指示流量とされた後、処理がS185へ移行される。 On the other hand, in S180, after the necessary flow rate is set as the instruction flow rate as it is, the process proceeds to S185.
S185では、圧力センサ80から燃料ライン52における燃料ガスの供給圧力が取得され、続くS190で、その供給圧力の値が前回圧力とされ、続くS195では、S125において設定された気化間隔が前回間隔とされた後、処理がS105へ戻され、推定制御処理が繰り返される。 In S185, the supply pressure of the fuel gas in the fuel line 52 is acquired from the pressure sensor 80, and in S190, the value of the supply pressure is set as the previous pressure. In S195, the vaporization interval set in S125 is the previous interval. Then, the process returns to S105, and the estimation control process is repeated.
(固体酸化物型燃料電池システム1の特徴)
次に、以上のような固体酸化物型燃料電池システム1の特徴について図4に基づき説明する。図4は、固体酸化物型燃料電池システム1における燃料ライン52における(水蒸気の)圧力、燃料ガスの流量及び燃料ポンプ50の消費電力の時間経過による変化を示す図である。図4において、実線が燃料ライン52における(水蒸気の)圧力を示し、破線が燃料ポンプ50の消費電力を示し、一点鎖線が燃料ライン52における燃料ガスの流量を示している。
(Characteristics of solid oxide fuel cell system 1)
Next, the characteristics of the solid oxide fuel cell system 1 as described above will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating changes in the fuel line 52 (water vapor) pressure, the flow rate of the fuel gas, and the power consumption of the fuel pump 50 over time in the solid oxide fuel cell system 1. In FIG. 4, the solid line indicates the (water vapor) pressure in the fuel line 52, the broken line indicates the power consumption of the fuel pump 50, and the alternate long and short dash line indicates the flow rate of the fuel gas in the fuel line 52.
固体酸化物型燃料電池システム1では、水ポンプ60にステッピングモータにより等間隔の切欠きのあるロータを回転させ水を気化装置30に供給しているので、気化装置30において水が周期的に気化する。 In the solid oxide fuel cell system 1, water is periodically vaporized in the vaporizer 30 because the water pump 60 rotates the rotor with notches at equal intervals by the stepping motor to supply water to the vaporizer 30. To do.
気化装置30において水が周期的に気化すると、気化装置30内の圧力が上昇するため、改質器20における圧力も周期的に変化する。改質器20の圧力が周期的に変化すると、図4中に実線で示すように改質器20に燃料ガスを供給する燃料ライン52における(水蒸気の)圧力も周期的に変化し、周期的に圧力のピークが発生する。周期的に圧力のピークが発生すると、図4中に一点鎖線で示すように、燃料ガス流量が応答遅れを持って変化(低下)する。 When water is vaporized periodically in the vaporizer 30, the pressure in the vaporizer 30 rises, so that the pressure in the reformer 20 also changes periodically. When the pressure of the reformer 20 changes periodically, the pressure (steam) in the fuel line 52 that supplies fuel gas to the reformer 20 also changes periodically as shown by a solid line in FIG. A pressure peak occurs. When a pressure peak occurs periodically, the flow rate of the fuel gas changes (decreases) with a response delay, as shown by a one-dot chain line in FIG.
このとき、圧力センサ80で燃料ライン52における(水蒸気の)圧力を連続的に測定し、圧力のピークから次の圧力のピークが発生するタイミングを推定し、推定した気化タイミングに合わせて燃料ポンプ50から供給する燃料ガスの流量を増加させている(図4中の燃料ポンプ50の消費電力が上昇している。)。 At this time, the pressure (80) of the fuel line 52 is continuously measured by the pressure sensor 80, the timing at which the next pressure peak occurs from the pressure peak is estimated, and the fuel pump 50 is matched with the estimated vaporization timing. Is increased (the power consumption of the fuel pump 50 in FIG. 4 is increasing).
燃料ガス流量を増加させると、燃料ライン52内の燃料ガス圧力は上昇する。つまり、推定した気化タイミングで燃料ライン52内の圧力変化(燃料ガス流量の低下)を抑制することができる。したがって、常時必要十分な燃料ガスで運転できるため、燃料ガス等を無駄にすることなく、効率のよい固体酸化物型燃料電池システム1とすることができる。 When the fuel gas flow rate is increased, the fuel gas pressure in the fuel line 52 increases. That is, the pressure change (decrease in fuel gas flow rate) in the fuel line 52 can be suppressed at the estimated vaporization timing. Therefore, since it is possible to always operate with the necessary and sufficient fuel gas, the efficient solid oxide fuel cell system 1 can be obtained without wasting the fuel gas or the like.
また、燃料ガスの脈動による出力変化を抑制することができるので、固体酸化物型燃料電池システム1の出力が安定する。さらに、常時必要十分な燃料ガスが供給されるので、発電中に燃料ガスの枯れを抑制でき、燃料ガス枯れによる改質触媒、燃料極及び空気極の劣化がなくなるので、固体酸化物型燃料電池システム1の耐久性が向上する。 Moreover, since the output change by the pulsation of fuel gas can be suppressed, the output of the solid oxide fuel cell system 1 is stabilized. In addition, since the necessary and sufficient fuel gas is always supplied, it is possible to suppress the fuel gas from being exhausted during power generation, and the deterioration of the reforming catalyst, the fuel electrode, and the air electrode due to the fuel gas exhaustion is eliminated. The durability of the system 1 is improved.
さらに、燃料ポンプ50は、90度毎に切欠きのあるロータを回転させて水を供給するようにしているが、このようにすることで、水ポンプ60で常に水を供給する必要がない。したがって、水ポンプ60を、ステッピングモータを用いたポンプにするなど、簡易な構成とすることができる。 Furthermore, the fuel pump 50 rotates the rotor with a notch every 90 degrees to supply water, but by doing so, it is not necessary to always supply water by the water pump 60. Therefore, the water pump 60 can have a simple configuration such as a pump using a stepping motor.
また、気化装置30に所定の間隔で水が供給されるので、水が周期的に気化されることになる。したがって、制御装置70における水の気化タイミングの推定が容易になる。 Further, since water is supplied to the vaporizer 30 at predetermined intervals, the water is vaporized periodically. Therefore, estimation of the water vaporization timing in the control device 70 is facilitated.
このように、燃料ライン52に設置した圧力センサ80から燃料ガス圧力を連続的に取得し、取得した燃料ガス圧力のピークが発生するタイミングに基づいて気化装置30における水の気化タイミングを推定している。 Thus, the fuel gas pressure is continuously acquired from the pressure sensor 80 installed in the fuel line 52, and the vaporization timing of water in the vaporizer 30 is estimated based on the timing at which the peak of the acquired fuel gas pressure occurs. Yes.
ここで、燃料ライン52には、供給される燃料ガス及び水蒸気を含む混合ガスが存在するが、水蒸気圧力が変化すれば、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力も変化する。例えば、水蒸気圧力が上昇すれば、混合気体の圧力も上昇し、水蒸気圧力が下降すれば、混合気体の圧力も下降する、したがって、混合気体の圧力に基づいて、気化手段(30)における気化タイミングを正確に推定できるのである。 Here, the fuel line 52 includes a mixed gas containing the supplied fuel gas and water vapor, but if the water vapor pressure changes, the pressure of the mixed gas containing the supplied fuel gas and water vapor also changes. For example, if the water vapor pressure increases, the pressure of the mixed gas also increases, and if the water vapor pressure decreases, the pressure of the mixed gas also decreases. Therefore, the vaporization timing in the vaporization means (30) based on the pressure of the mixed gas. Can be estimated accurately.
[第2実施形態]
次に、燃料ガス圧力の変化に基づいて水の気化タイミングを推定する第1実施形態の代わりに燃料ガス流量変化に基づいて気化タイミングを推定する第2実施形態について説明する。
[Second Embodiment]
Next, instead of the first embodiment in which the water vaporization timing is estimated based on the change in the fuel gas pressure, a second embodiment in which the vaporization timing is estimated based on the change in the fuel gas flow rate will be described.
つまり、第1実施形態では、燃料ライン52に設置した圧力センサ80から取得した燃料ガス圧力の変化に基づいて、気化装置30における水の気化タイミングを推定したが、第2実施形態では、燃料ライン52に設置した燃料ガスの供給量をフィードバック制御するために設置した燃料流量センサ82から取得した燃料ガス流量の変化に基づいて、気化装置30における水の気化タイミングを推定するのである。 That is, in the first embodiment, the vaporization timing of water in the vaporizer 30 is estimated based on the change in the fuel gas pressure acquired from the pressure sensor 80 installed in the fuel line 52, but in the second embodiment, the fuel line is estimated. The vaporization timing of water in the vaporizer 30 is estimated based on the change in the fuel gas flow rate acquired from the fuel flow rate sensor 82 installed for feedback control of the fuel gas supply amount installed in 52.
具体的には、図2のS110において、圧力センサ80から燃料ガス圧力が取得される代わりに、燃料流量センサ82から燃料ガス流量が取得される。そして、燃料ポンプ50の圧力対流量特性から燃料ガス流量が燃料ガス圧力に変換され「圧力値」としてRAMに記憶される。 Specifically, in S110 of FIG. 2, instead of acquiring the fuel gas pressure from the pressure sensor 80, the fuel gas flow rate is acquired from the fuel flow rate sensor 82. Then, the fuel gas flow rate is converted into the fuel gas pressure from the pressure versus flow rate characteristics of the fuel pump 50 and stored in the RAM as a “pressure value”.
以下、S115からS180においては、第1実施形態と同じように処理が行われ、S185において、S115と同様に圧力センサ80から燃料ガス圧力が取得される代わりに、燃料流量センサ82から燃料ガス流量が取得される。そして、燃料ポンプ50の圧力対流量特性から燃料ガス流量が燃料ガス圧力に変換される。その後、S190及びS195では、第1実施形態と同じ処理が実行される。 Thereafter, in S115 to S180, the process is performed in the same manner as in the first embodiment. In S185, instead of acquiring the fuel gas pressure from the pressure sensor 80 in the same manner as in S115, the fuel gas flow rate is obtained from the fuel flow rate sensor 82. Is acquired. Then, the fuel gas flow rate is converted into the fuel gas pressure from the pressure-flow rate characteristic of the fuel pump 50. Thereafter, in S190 and S195, the same processing as in the first embodiment is executed.
一般的に、燃料ガスの供給圧が変化すれば燃料ガス流量も変化するので、このような第2実施形態における固体酸化物型燃料電池システム1では、圧力の代わりに燃料ガス流量の変化に基づき気化装置30における水の気化タイミングを推定することができる。 In general, since the fuel gas flow rate changes as the fuel gas supply pressure changes, the solid oxide fuel cell system 1 in the second embodiment based on the change in the fuel gas flow rate instead of the pressure. The vaporization timing of water in the vaporizer 30 can be estimated.
[第3実施形態]
次に、燃料ガス圧力の変化に基づいて水の気化タイミングを推定する第1実施形態の代わりに燃料ポンプ50の消費電力の変化に基づいて気化タイミングを推定する固体酸化物型燃料電池システム2について説明する。
[Third Embodiment]
Next, the solid oxide fuel cell system 2 that estimates the vaporization timing based on the change in the power consumption of the fuel pump 50 instead of the first embodiment that estimates the vaporization timing of water based on the change in the fuel gas pressure. explain.
つまり、第1実施形態では、燃料ライン52に設置した圧力センサ80から取得した燃料ガス圧力の変化に基づいて、気化装置30における水の気化タイミングを推定したが、第3実施形態では、図6に示すように、燃料ポンプ50に電流計54を設置し、電流計54から取得した燃料ポンプ50の消費電力の変化に基づいて、気化装置30における水の気化タイミングを推定するのである。 That is, in the first embodiment, the vaporization timing of water in the vaporizer 30 is estimated based on the change in the fuel gas pressure acquired from the pressure sensor 80 installed in the fuel line 52. In the third embodiment, FIG. As shown, the ammeter 54 is installed in the fuel pump 50, and the vaporization timing of water in the vaporizer 30 is estimated based on the change in the power consumption of the fuel pump 50 acquired from the ammeter 54.
具体的には、図2のS110において、圧力センサ80から燃料ガス圧力が取得される代わりに、電流計54から燃料ポンプ50の消費電力が取得される。そして、燃料ポンプ50の圧力対消費電力特性から消費電力が燃料ガス圧力に変換され「圧力値」としてRAMに記憶される。 Specifically, in S110 of FIG. 2, the power consumption of the fuel pump 50 is acquired from the ammeter 54 instead of acquiring the fuel gas pressure from the pressure sensor 80. Then, the power consumption is converted into the fuel gas pressure from the pressure versus power consumption characteristic of the fuel pump 50 and stored in the RAM as a “pressure value”.
以下、S115からS180においては、第1実施形態と同じように処理が行われ、S185において、S115と同様に圧力センサ80から燃料ガス圧力が取得される代わりに、電流計54から燃料ポンプ50の消費電力が取得される。そして、燃料ポンプ50の圧力対消費電力特性から消費電力が燃料ガス圧力に変換される。その後、S190及びS195では、第1実施形態と同じ処理が実行される。 Thereafter, in S115 to S180, the process is performed in the same manner as in the first embodiment. In S185, instead of acquiring the fuel gas pressure from the pressure sensor 80 in the same manner as in S115, the ammeter 54 calculates the fuel pump 50. Power consumption is acquired. Then, the power consumption is converted into the fuel gas pressure from the pressure versus power consumption characteristic of the fuel pump 50. Thereafter, in S190 and S195, the same processing as in the first embodiment is executed.
気化装置30における水の気化に伴い、燃料ライン52における圧力が上昇するとともに供給される燃料ガスが一時的に減少する。そうすると、燃料ポンプ50は、減少した燃料ガス流量を補うように燃料ガス流量を増加させようとするので、燃料ポンプ50における消費エネルギが変化する。 As the water in the vaporizer 30 evaporates, the pressure in the fuel line 52 increases and the supplied fuel gas temporarily decreases. Then, since the fuel pump 50 tries to increase the fuel gas flow rate so as to compensate for the decreased fuel gas flow rate, the energy consumption in the fuel pump 50 changes.
したがって、このような第3実施形態における固体酸化物型燃料電池システム2では、燃料ガス圧力の代わりに燃料ポンプ50の消費電力の変化に基づき気化装置30における水の気化タイミングを推定することができる。
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
Therefore, in such a solid oxide fuel cell system 2 in the third embodiment, the vaporization timing of water in the vaporizer 30 can be estimated based on the change in the power consumption of the fuel pump 50 instead of the fuel gas pressure. .
[Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, A various aspect can be taken.
(1)上記第1実施形態では、水蒸気圧力変化に基づき気化装置30における水の気化タイミングを推定し、第2実施形態では、燃料ガスの流量変化に基づき気化タイミングを推定していたが、それらを組み合わせて気化タイミングを推定するようにしてもよい。圧力変化と流量変化から気化タイミングを推定することで、より正確な圧力変動周期を推定することが出来、制御の精度が上がる。 (1) In the said 1st Embodiment, the vaporization timing of the water in the vaporizer 30 was estimated based on the water vapor pressure change, and in the 2nd Embodiment, the vaporization timing was estimated based on the flow volume change of fuel gas, The vaporization timing may be estimated in combination. By estimating the vaporization timing from the pressure change and the flow rate change, a more accurate pressure fluctuation cycle can be estimated, and the control accuracy is improved.
(2)また、燃料ガスの流量変化と燃料ポンプ50消費電力変化の組合せに基づき気化タイミングを推定するようにてもよい。流量変化と消費電力変化から気化タイミングを推定することで、より正確な圧力変動周期を推定することが出来、制御の精度が上がる。 (2) The vaporization timing may be estimated based on a combination of a change in the flow rate of the fuel gas and a change in the power consumption of the fuel pump 50. By estimating the vaporization timing from the flow rate change and the power consumption change, a more accurate pressure fluctuation cycle can be estimated, and the control accuracy is improved.
(3)さらに、水蒸気圧力変化、燃料ガスの流量変化又は燃料ポンプの消費電力の変化のうち何れか2つ又はすべてを組み合わせて気化タイミングを推定するようにしてもよい。上記(1)(2)同様に気化の推定タイミングの誤差が減られるため制御のタイミングの推定精度が向上する。 (3) Further, the vaporization timing may be estimated by combining any two or all of a change in water vapor pressure, a change in fuel gas flow rate, or a change in power consumption of the fuel pump. Similarly to the above (1) and (2), the error in estimation timing of vaporization is reduced, so that the estimation accuracy of control timing is improved.
(4)また、第3実施形態では、燃料ポンプ50の消費電力を電流計54で測定していたが、電力計で測定してもよい。 (4) In the third embodiment, the power consumption of the fuel pump 50 is measured by the ammeter 54, but may be measured by a wattmeter.
(5)気化装置30において水蒸気を生成する際、固体酸化物型燃料電池から発生する廃熱を利用して水を気化することで生成してもよい。 (5) When water vapor is generated in the vaporizer 30, it may be generated by vaporizing water using waste heat generated from the solid oxide fuel cell.
1,2…固体酸化物型燃料電池システム、10…燃料電池スタック、20…改質器、30…気化装置、40…断熱容器、50…燃料ポンプ、52…燃料ライン、54…電流計、60…水ポンプ、62…水ライン、70…制御装置、80…圧力センサ、82…燃料流量センサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Solid oxide fuel cell system, 10 ... Fuel cell stack, 20 ... Reformer, 30 ... Vaporizer, 40 ... Thermal insulation container, 50 ... Fuel pump, 52 ... Fuel line, 54 ... Ammeter, 60 ... Water pump, 62 ... Water line, 70 ... Control device, 80 ... Pressure sensor, 82 ... Fuel flow sensor.
Claims (3)
前記燃料電池スタックに供給される前に、燃料ガスを水蒸気により改質する改質手段と、
水を気化させ、前記改質手段で使用される水蒸気を形成する気化手段と、
改質される燃料ガスを前記改質手段に供給する燃料供給手段と、
前記気化手段に水を周期的に供給する水供給手段と、
前記水供給手段で供給される水が前記気化手段において気化される気化タイミングを推定する推定手段と、
前記推定手段で推定した水の気化タイミングに基づいて、前記燃料供給手段から前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段と、
前記燃料供給手段で供給する燃料ガスの流量を測定する流量測定手段と、
を備え、
前記推定手段は、
前記流量測定手段から燃料ガスの流量を取得し、該取得した燃料ガス流量の変化に基づいて前記気化手段における水の気化タイミングを推定することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。 A fuel cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells each formed with a fuel electrode and an air electrode across an electrolyte layer; and
Reforming means for reforming the fuel gas with water vapor before being supplied to the fuel cell stack;
Vaporizing means for vaporizing water to form water vapor used in the reforming means;
Fuel supply means for supplying the reformed fuel gas to the reforming means;
Water supply means for periodically supplying water to the vaporization means;
Estimating means for estimating a vaporization timing at which water supplied by the water supply means is vaporized by the vaporizing means;
Control means for controlling the supply pressure of the fuel gas supplied from the fuel supply means to the fuel cell stack based on the water vaporization timing estimated by the estimation means;
Flow rate measuring means for measuring the flow rate of the fuel gas supplied by the fuel supply means;
With
The estimation means includes
A solid oxide fuel cell system characterized in that a flow rate of fuel gas is obtained from the flow rate measuring means, and a vaporization timing of water in the vaporization means is estimated based on a change in the obtained fuel gas flow rate.
前記燃料電池スタックに供給される前に、燃料ガスを水蒸気により改質する改質手段と、Reforming means for reforming the fuel gas with water vapor before being supplied to the fuel cell stack;
水を気化させ、前記改質手段で使用される水蒸気を形成する気化手段と、Vaporizing means for vaporizing water to form water vapor used in the reforming means;
改質される燃料ガスを前記改質手段に供給する燃料供給手段と、 Fuel supply means for supplying the reformed fuel gas to the reforming means;
前記気化手段に水を周期的に供給する水供給手段と、Water supply means for periodically supplying water to the vaporization means;
前記水供給手段で供給される水が前記気化手段において気化される気化タイミングを推定する推定手段と、Estimating means for estimating a vaporization timing at which water supplied by the water supply means is vaporized by the vaporizing means;
前記推定手段で推定した水の気化タイミングに基づいて、前記燃料供給手段から前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段と、Control means for controlling the supply pressure of the fuel gas supplied from the fuel supply means to the fuel cell stack based on the water vaporization timing estimated by the estimation means;
前記燃料供給手段で燃料ガスを供給するときのエネルギ消費量を測定する消費エネルギ測定手段と、Energy consumption measuring means for measuring energy consumption when fuel gas is supplied by the fuel supply means;
を備え、With
前記推定手段は、The estimation means includes
前記消費エネルギ測定手段からエネルギ消費量を取得し、該取得したエネルギ消費量の変化に基づいて前記気化手段における水の気化タイミングを推定することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。A solid oxide fuel cell system characterized in that an energy consumption amount is acquired from the energy consumption measuring means, and a vaporization timing of water in the vaporization means is estimated based on a change in the acquired energy consumption amount.
前記燃料供給手段の燃料ガス流量を制御することにより、前記燃料供給手段で供給する燃料ガス圧力を制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池システム。 The control means includes
By controlling the fuel gas flow rate of the fuel supply means, the solid oxide fuel cell system according to claim 1 or claim 2, characterized in that controlling the fuel gas pressure supplied by the fuel supply means.
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