JP6901231B2 - Fuel cell control device and fuel cell control method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池などの燃料電池を制御する燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell control device for controlling a fuel cell such as a solid oxide fuel cell and a fuel cell control method.
従来より、例えば燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池として、例えば固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。
この燃料電池としては、例えば固体電解質層の両側に燃料極と空気極とを備えた単セルを有する板状の燃料電池セルを、複数個積層した燃料電池スタックが使用されている。
Conventionally, as a fuel cell that generates electricity using, for example, fuel gas and air, a solid oxide fuel cell using, for example, a solid electrolyte (solid oxide) has been known.
As the fuel cell, for example, a fuel cell stack in which a plurality of plate-shaped fuel cell cells having a single cell having a fuel electrode and an air electrode on both sides of a solid electrolyte layer are stacked is used.
また、燃料電池では、燃料電池スタック以外に、都市ガスや灯油等の原燃料を燃料ガスに改質する改質器や、発電に使用されなかった残余の燃料ガスと空気とを燃焼させる燃焼器などが使用されている。 In fuel cells, in addition to the fuel cell stack, a reformer that reforms raw fuel such as city gas and kerosene into fuel gas, and a combustor that burns residual fuel gas and air that have not been used for power generation. Etc. are used.
この種の燃料電池を作動させるための1つの重要な制御方法としては、温度調整による方法が知られている(特許文献1参照)。
具体的には、燃料電池自身の(ジュール熱による)発熱が少ない低負荷の領域では、燃料利用率を低く設定して(即ち、燃料供給量を増やし、発電に必要な燃料供給量の割合を低下させて、燃焼器における燃焼量を増加させ)、一方、燃料電池自身の発熱が大きい高負荷の領域では、燃料利用率を高く設定する(即ち、燃料供給量を減らし、発電に必要な燃料供給量の割合を増加させて、燃焼器における燃焼量を低下させる)ことや、空気流量の増減を、その都度実施することで、熱自立を図っている。
As one important control method for operating this type of fuel cell, a method by temperature adjustment is known (see Patent Document 1).
Specifically, in the low load region where the fuel cell itself generates less heat (due to Joule heat), the fuel utilization rate is set low (that is, the fuel supply amount is increased and the ratio of the fuel supply amount required for power generation is increased. Decrease to increase the amount of fuel burned in the combustor), while setting the fuel utilization rate high (ie, reduce the fuel supply and fuel required for power generation) in the high load region where the fuel cell itself generates a lot of heat. By increasing the ratio of the supply amount to reduce the amount of fuel burned in the combustor) and increasing or decreasing the air flow rate each time, heat independence is achieved.
つまり、上述した従来技術では、例えば、燃料供給量を増加させることによる加熱効果と、発電用の空気供給量を増加させることによる冷却効果を併用して、燃料電池内の温度を所定の適正温度範囲に収束させ、なおかつ燃料電池内の温度が適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、燃料供給量及び空気供給量を補正している。 That is, in the above-mentioned conventional technique, for example, the heating effect by increasing the fuel supply amount and the cooling effect by increasing the air supply amount for power generation are used in combination to set the temperature inside the fuel cell to a predetermined appropriate temperature. The fuel supply amount and the air supply amount are corrected so as to converge to the range and to increase the fuel utilization rate without the temperature inside the fuel cell deviating from the appropriate temperature range.
しかしながら、前記従来技術では、上述したような制御を行う際の変動パラメータが非常に多いため、制御が複雑化し、いわゆる制御ハンチング(例えば燃料供給量や空気供給量等の制御パラメータが波打つため、制御パラメータを頻繁に調節しなければならない状態)を引き起こす恐れがあった。 However, in the above-mentioned prior art, since there are a large number of fluctuation parameters when performing the above-mentioned control, the control becomes complicated, and so-called control hunting (for example, control parameters such as fuel supply amount and air supply amount are wavy, so control is performed. There was a risk of causing a condition in which the parameters had to be adjusted frequently).
この制御ハンチングが発生すると、例えば燃料供給量を減少させるようにした場合に、燃料電池セル内で局所的に燃料が枯渇する場所が発生する可能性があり、そのような状態で長期間燃料電池を作動させると、燃料電池セル、ひいては燃料電池の劣化率が大きくなるという問題があった。 When this control hunting occurs, for example, when the fuel supply amount is reduced, there may be a place where the fuel is locally depleted in the fuel cell, and the fuel cell is in such a state for a long period of time. There is a problem that the deterioration rate of the fuel cell, and eventually the fuel cell, increases when the fuel cell is operated.
また、発電電流の大きな燃料電池に、このような複雑な制御を行う場合に、温度調整のために空気を増量すると、燃料電池に空気を送る空気ポンプの消費電力が増える結果、かえって燃料電池で発生させる電力量(燃料電池から引き出される電流量)が増加し、燃料電池の劣化を促進させる恐れがある。 In addition, when such complicated control is performed on a fuel cell with a large power generation current, if the amount of air is increased for temperature adjustment, the power consumption of the air pump that sends air to the fuel cell increases, and as a result, the fuel cell is used instead. The amount of power generated (the amount of current drawn from the fuel cell) increases, which may accelerate the deterioration of the fuel cell.
更に、燃料電池が平板型の燃料電池スタックの場合には、例えば燃料電池スタックの温度を下げる際に、空気の増量制御と燃料の減量制御とを同時に行うと、燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大し、セル割れ等の偶発的故障を引き起こす恐れがある。 Further, when the fuel cell is a flat plate type fuel cell stack, for example, when the temperature of the fuel cell stack is lowered, if the air increase control and the fuel decrease control are performed at the same time, the fuel electrode side and the air electrode side are displayed. There is a risk that the pressure loss difference between the two will increase, causing accidental failures such as cell cracking.
つまり、従来の複雑な制御を行う場合には、燃料電池の耐久性が低下することがあり、その結果、発電効率も低下するという問題が生じることがある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、好適な制御を行うことによって制御ハンチングを抑制して燃料電池の耐久性を高めることができる燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を提供することにある。
That is, when the conventional complicated control is performed, the durability of the fuel cell may be lowered, and as a result, there may be a problem that the power generation efficiency is also lowered.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is a fuel cell control device capable of suppressing control hunting and improving the durability of the fuel cell by performing appropriate control. And to provide a method of controlling a fuel cell.
(1)本発明は、第1態様(燃料電池の制御装置)として、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御装置において、前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された10種以下の複数の劣化ステージを記憶している記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定する判定手段と、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定する決定手段と、前記決定手段によって決定した前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は該燃料ガスの原燃料を前記燃料電池に供給するように制御する燃料供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。 (1) In the first aspect (fuel cell control device) of the present invention, the operation of a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing agent gas is detected by the operating state detecting means of the fuel cell. In a fuel cell control device controlled based on an operating state, a plurality of 10 or less types of deterioration stages set in advance based on the power value and current value of the fuel cell as deterioration stages indicating the degree of deterioration of the fuel cell. The storage means for storing the deterioration stage and the power value and the current value of the fuel cell detected by the operating state detecting means based on the plurality of deterioration stages stored in the storage means. The determination means for determining the deterioration stage, the determination means for determining the fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage based on the deterioration stage determined by the determination means, and the determination means determined by the determination means. A fuel supply that calculates the flow rate of the fuel gas based on the fuel utilization rate, and controls to supply a predetermined amount of the fuel gas or the raw material of the fuel gas to the fuel cell based on the calculated value. It is characterized by being provided with a control means.
本第1態様では、記憶手段に、燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された10種以下の複数の劣化ステージを記憶しており、判定手段では、この複数の劣化ステージに基づいて、検出された燃料電池の電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、決定手段によって、その劣化ステージに対応した燃料電池の燃料利用率を決定し、燃料供給制御手段では、その燃料利用率に基づいて、燃料ガスの流量を算出し、その算出した値に基づいて、所定量の燃料ガス又は原燃料を燃料電池に供給するように制御する。 In the first aspect, a plurality of 10 or less deterioration stages set in advance based on the power value and the current value of the fuel cell are stored in the storage means as the deterioration stages indicating the degree of deterioration of the fuel cell. Therefore, the determination means determines the deterioration stage corresponding to the detected electric power value and current value of the fuel cell based on the plurality of deterioration stages. Then, the determination means determines the fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage, and the fuel supply control means calculates the flow rate of the fuel gas based on the fuel utilization rate, and based on the calculated value. Then, a predetermined amount of fuel gas or raw fuel is controlled to be supplied to the fuel cell.
つまり、燃料電池の電力値及び電流値は、燃料電池の劣化の程度に対応しているので、予め電力値及び電流値に対応した劣化ステージを求めておけば、検出された電力値及び電流値から劣化の程度(即ち劣化ステージ)が分かる。更に、例えば発電初期のような劣化の少ない状態では電流増加によるジュール熱の発生量が少ない等のように、劣化ステージによって、燃料電池の発電状態や発熱状態が異なるので、劣化ステージに応じて、燃料利用率を設定し、その燃料利用率に応じて燃料ガス又は原燃料の供給量を調節することによって、燃料電池の発電状態や発熱状態を適正に制御することができる。 That is, since the power value and the current value of the fuel cell correspond to the degree of deterioration of the fuel cell, if the deterioration stage corresponding to the power value and the current value is obtained in advance, the detected power value and the current value are obtained. The degree of deterioration (that is, the deterioration stage) can be known from. Furthermore, the power generation state and heat generation state of the fuel cell differ depending on the deterioration stage, for example, the amount of Joule heat generated due to the increase in current is small in a state with little deterioration such as the initial stage of power generation. By setting the fuel utilization rate and adjusting the supply amount of fuel gas or raw fuel according to the fuel utilization rate, it is possible to appropriately control the power generation state and the heat generation state of the fuel cell.
特に、本第1態様では、燃料利用率を決定する際に、検出された電力値及び電流値に対応して、10種以下の複数の劣化ステージから特定の劣化ステージを選択するので、従来のような複雑な制御手段が不要であり、よって、制御ハンチングを抑制できる。 In particular, in the first aspect, when determining the fuel utilization rate, a specific deterioration stage is selected from a plurality of deterioration stages of 10 types or less according to the detected power value and current value. Such a complicated control means is unnecessary, and therefore control hunting can be suppressed.
その結果、燃料電池内で局所的に燃料が枯渇する可能性が低くなり、燃料電池の耐久性を大きく向上できるという顕著な効果を奏する。
また、本第1態様では、従来のような複雑な制御が不要であるので、空気ポンプの消費電力が増えにくい。よって、燃料電池から引き出される電流量が増加しにくいので、この点からも、燃料電池の耐久性が向上するという効果がある。
As a result, the possibility of locally depleting the fuel in the fuel cell is reduced, and the durability of the fuel cell can be greatly improved, which is a remarkable effect.
Further, in the first aspect, since the complicated control as in the conventional case is not required, the power consumption of the air pump is unlikely to increase. Therefore, the amount of current drawn from the fuel cell is unlikely to increase, and this also has the effect of improving the durability of the fuel cell.
更に、例えば燃料電池が平板型の燃料電池スタックの場合でも、上述した温度を低下させる際の燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大しにくく、よって、セル割れ等の故障が生じにくいという利点がある。 Further, for example, even when the fuel cell is a flat fuel cell stack, the pressure loss difference between the fuel electrode side and the air electrode side when the temperature is lowered is unlikely to increase, and thus a failure such as cell cracking occurs. Has the advantage of being less likely to occur.
つまり、本第1態様では、従来の複雑な制御を行う必要がないので、即ち制御ハンチングを抑制できるので、燃料電池の耐久性が向上し、その結果、発電効率も向上するという効果がある。 That is, in the first aspect, since it is not necessary to perform the conventional complicated control, that is, the control hunting can be suppressed, the durability of the fuel cell is improved, and as a result, the power generation efficiency is also improved.
なお、ここで燃料利用率とは、燃料電池にて発電に使用される燃料量(A)を、燃料電池に供給される燃料量(B)で除した値(即ちBに対するAの割合)である。
(2)本発明は、第2態様として、前記記憶手段は、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶し、前記決定手段は、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする。
Here, the fuel utilization rate is a value obtained by dividing the amount of fuel (A) used for power generation in the fuel cell by the amount of fuel (B) supplied to the fuel cell (that is, the ratio of A to B). is there.
(2) In the second aspect of the present invention, the storage means stores each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell corresponding to each of the plurality of deterioration stages. The determining means is characterized in that the control map corresponding to the deterioration stage determined by the determining means is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value of the fuel cell based on the control map.
本第2態様では、記憶手段には、(各劣化ステージに対応して)燃料電池の電流値(燃料電池に流れる電流の値)から燃料利用率を求める制御マップが記憶されているので、決定手段では、その制御マップに基づいて燃料電池の電流値から燃料利用率を決定することができる。 In the second aspect, the storage means stores a control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell (the value of the current flowing through the fuel cell) (corresponding to each deterioration stage). In the means, the fuel utilization rate can be determined from the current value of the fuel cell based on the control map.
(3)本発明は、第3態様として、前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されていることを特徴とする。 (3) In the third aspect of the present invention, each control map set according to the degree of deterioration of the fuel cell has the degree of deterioration of the fuel cell with respect to the same current value of the fuel cell. It is characterized in that the higher the degree of deterioration is, the higher the value of the fuel utilization rate is selected.
本第3態様では、例えば発電初期のような劣化の少ない状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に低い制御マップが用意され、逆に、例えば長期間の発電後のような劣化の大きい状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に高い制御マップが用意される。 In the third aspect, a control map is prepared in which the fuel utilization rate with respect to the current value is low as a whole in a state of little deterioration such as in the initial stage of power generation, and conversely, in a state of large deterioration such as after long-term power generation. In the state, a control map is prepared in which the fuel utilization rate with respect to the current value is generally high.
つまり、燃料電池が劣化している場合には、劣化に起因したジュール熱による大きな発熱を熱維持に利用できるので、前記劣化に対応した制御マップを用いることによって、燃料利用率を高くすることができる。これによって、一部の箇所で劣化が始まった後でも高い発電効率を維持することができる。 That is, when the fuel cell is deteriorated, a large amount of heat generated by Joule heat due to the deterioration can be used for heat maintenance. Therefore, the fuel utilization rate can be increased by using the control map corresponding to the deterioration. it can. As a result, high power generation efficiency can be maintained even after deterioration has started in some parts.
(4)本発明は、第4態様として、前記燃料電池は、少なくとも前記燃料ガスについて、並直列構造を備えていることを特徴とする。
本第4態様は、燃料電池におけるガス流路の構造を例示している。
(4) The present invention is characterized in that, as a fourth aspect, the fuel cell has a parallel series structure at least for the fuel gas.
The fourth aspect illustrates the structure of the gas flow path in the fuel cell.
燃料ガスの並直列構造を備えている燃料電池としては、発電単位である燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックが挙げられる。
並直列構造を備えた燃料電池スタックにおいては、燃料電池スタックを構成する発電単位(燃料電池セル)が電気的には直列接続されている。燃料電池スタックに供給する燃料ガスの経路を、例えば上流部と下流部のように2つに並列に分けることで、発電単位への燃料供給量は多くしつつ、発電単位を積層した燃料電池スタックへの燃料供給量は少なくできることが特徴であるので、各燃料電池セルの燃料利用率を低くすることができる。
Examples of the fuel cell having a parallel series structure of fuel gas include a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells, which are power generation units, are stacked.
In a fuel cell stack having a parallel series structure, power generation units (fuel cell cells) constituting the fuel cell stack are electrically connected in series. By dividing the fuel gas path to be supplied to the fuel cell stack in parallel, for example, the upstream part and the downstream part, the fuel supply amount to the power generation unit is increased, and the fuel cell stack in which the power generation units are stacked is increased. Since the amount of fuel supplied to the fuel cell can be reduced, the fuel utilization rate of each fuel cell can be reduced.
その結果、耐久劣化後(長期間使用されて劣化した後)においても、燃料電池スタックに供給する燃料供給量が少なくて済むので、燃料電池スタックの総合燃料利用率を上げることができ、最終的には、発電効率を高く維持することができる。 As a result, even after durability deterioration (after long-term use and deterioration), the amount of fuel supplied to the fuel cell stack can be reduced, so that the total fuel utilization rate of the fuel cell stack can be increased, and finally. The power generation efficiency can be maintained high.
なお、並直列構造とは、例えば燃料ガスを、初めに、ある発電単位(燃料電池セル)に導入して発電した後に、その排出ガスを他の発電単位に導入して発電する構造である。
また、総合燃料利用率とは、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セル毎の燃料利用率ではなく、燃料電池スタック全体としての総合的な燃料利用率である。
The parallel series structure is a structure in which, for example, fuel gas is first introduced into a certain power generation unit (fuel cell) to generate power, and then the exhaust gas is introduced into another power generation unit to generate power.
The total fuel utilization rate is not the fuel utilization rate for each fuel cell that constitutes the fuel cell stack, but the total fuel utilization rate for the entire fuel cell stack.
(5)本発明は、第5態様として、前記燃料電池は、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器及び前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器のうち、少なくとも一方を備えたことを特徴とする。 (5) In the fifth aspect of the present invention, the fuel cell burns a reformer that reforms raw fuel into the fuel gas, the fuel gas that has not been used for the power generation, and the oxidizing agent gas. It is characterized by having at least one of the combustors.
本第5態様は、改質器や燃焼器のような補助器を用いた燃料電池を例示している。
なお、改質器とは、燃料電池に燃料ガスを供給する場合に、原燃料ガス等の原燃料を、より発電に好適な組成に改質(例えば都市ガス等をより水素ガス成分の多い組成のガスに改質)する装置のことである。
The fifth aspect illustrates a fuel cell using an auxiliary device such as a reformer or a combustor.
When supplying fuel gas to a fuel cell, the reformer reforms the raw fuel such as raw material fuel gas into a composition more suitable for power generation (for example, the composition of city gas or the like having a higher hydrogen gas component). It is a device that reforms to the gas of.
(6)本発明は、第6態様(燃料電池の制御方法)として、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池の動作を、運転状態検出手段によって検出された当該燃料電池の運転状態に基づいて制御する燃料電池の制御方法において、前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された10種以下の複数の劣化ステージを記憶しておき、前記記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定し、前記判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の燃料利用率を決定することを特徴とする。 (6) In the sixth aspect (fuel cell control method) of the present invention, the operation of the fuel cell that generates power using the fuel gas and the oxidant gas is detected by the operating state detecting means of the fuel cell. In the fuel cell control method controlled based on the operating state, a plurality of 10 or less types of deterioration stages set in advance based on the power value and the current value of the fuel cell as deterioration stages indicating the degree of deterioration of the fuel cell. The deterioration stage is stored, and based on the plurality of stored deterioration stages, the deterioration stage corresponding to the power value and the current value of the fuel cell detected by the operating state detecting means is determined. Based on the determined deterioration stage, the fuel utilization rate of the fuel cell corresponding to the deterioration stage is determined.
本第6態様は、前記第1態様と同様な作用効果を奏する。
(7)本発明は、第7態様として、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶しておき、前記判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定することを特徴とする。
The sixth aspect has the same effect as the first aspect.
(7) As a seventh aspect of the present invention, each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell is stored in accordance with each of the plurality of deterioration stages, and the determination is made. The control map corresponding to the deterioration stage is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value of the fuel cell based on the control map.
本第7態様は、第2態様と同様な作用効果を奏する。
以下、本発明の各構成について説明する。
前記燃料ガスは、燃料電池の発電に用いられる燃料となる還元剤(例えば水素)を含むガスであり、原燃料ガス等の原燃料を改質した改質ガスが挙げられる。なお、原燃料としては、改質によって水素を生成できる各種の原燃料、例えば天然ガス(例えばLNG)、都市ガス、LPG、灯油、メタノール、バイオメタノールなどを採用できる。
This seventh aspect has the same effect as the second aspect.
Hereinafter, each configuration of the present invention will be described.
The fuel gas is a gas containing a reducing agent (for example, hydrogen) which is a fuel used for power generation of a fuel cell, and examples thereof include a reformed gas obtained by reforming a raw fuel such as a raw fuel gas. As the raw material, various raw materials capable of producing hydrogen by reforming, for example, natural gas (for example, LNG), city gas, LPG, kerosene, methanol, biomethanol and the like can be adopted.
前記酸化剤ガスは、燃料電池の発電に用いられる酸化剤(例えば酸素)を含むガスであり、例えば空気が挙げられる。
前記燃料電池としては、例えば、ZrO2系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池が挙げられる。
The oxidant gas is a gas containing an oxidant (for example, oxygen) used for power generation of a fuel cell, and examples thereof include air.
As the fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell according to ZrO 2 based ceramic including an electrolyte (SOFC), polymer electrolyte fuel cell according to the polymer electrolyte membrane electrolyte (PEFC), Li-Na / K Examples thereof include fuel cells such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) using a system carbonate as an electrolyte and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using a phosphoric acid as an electrolyte.
また、燃料電池としては、発電単位である燃料電池セルやその燃料電池セルを複数備えた(例えば燃料電池セルを積層した)燃料電池スタックが挙げられる。なお、燃料電池セルとしては、例えば燃料極層と固体電解質層と空気極層とを一体に積層した単セルを備えた構成を採用できる。 Further, examples of the fuel cell include a fuel cell that is a power generation unit and a fuel cell stack that includes a plurality of fuel cell cells (for example, a stack of fuel cell cells). As the fuel cell, for example, a configuration including a single cell in which a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer are integrally laminated can be adopted.
次に、本発明の燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法を実施するための形態として、固体酸化物形燃料電池の制御装置及び固体酸化物形燃料電池の制御方法を例にあげて説明する。 Next, as a mode for implementing the fuel cell control device and the fuel cell control method of the present invention, the solid oxide fuel cell control device and the solid oxide fuel cell control method will be described as an example. To do.
a)まず、固体酸化物形燃料電池の全体のシステム構成について説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する。
図1に示すように、本実施例における燃料電池システム1は、燃料ガス(例えば都市ガス等の原燃料ガスが改質された改質ガス:詳しくはその中の水素)と酸化剤ガス(例えば空気:詳しくはその中の酸素)との供給を受けて発電を行う発電ユニットである。
a) First, the entire system configuration of the solid oxide fuel cell will be described. In the following, the "solid oxide type" will be omitted.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 in the present embodiment includes a fuel gas (for example, a reformed gas obtained by reforming a raw material fuel gas such as city gas: hydrogen in the reformed gas) and an oxidant gas (for example, hydrogen in the reformed gas). Air: Specifically, it is a power generation unit that generates power by being supplied with (oxygen in it).
この燃料電池システム1では、原燃料ガス(従って改質後では燃料ガス)の供給流路3に沿って、上流側より、燃料ポンプ5、流量センサ7、発電モジュール15が配置されており、空気の供給流路11には、空気ポンプ13が配置されており、改質水の供給流路41には、改質水ポンプ43が配置されている。
In this fuel cell system 1, a fuel pump 5, a flow rate sensor 7, and a
前記発電モジュール15は、断熱容器17内に配置されており、断熱容器17内には、燃料ガスの供給流路3の上流側より、気化器19、改質器21、燃料電池スタック(発電スタック)23、燃焼器25が配置されている。また、燃料電池スタック23には温度センサ27が配置されている。
The
なお、本実施例では、原燃料ガス(従って燃料ガス)もしくは空気が、各ポンプ5、13から燃料電池スタック23に流れる方向に基づいて、上流側及び下流側を規定するので、ポンプ5、13側が上流側で、燃料電池スタック23側が下流側となる。
In this embodiment, the upstream side and the downstream side are defined based on the direction in which the raw fuel gas (hence, the fuel gas) or air flows from the
また、燃料電池システム1は、燃料電池システム1の動作を制御するコントローラ31を備えており、コントローラ31は、出力変換装置であるパワーコンディショナー33に接続されている。
Further, the fuel cell system 1 includes a
ここでは、燃料電池スタック23にて発生した電力は、パワーコンディショナー33に供給されるように構成されており、燃料電池スタック23からパワーコンディショナー33に到る(電力を供給する)電気回路35には、電気回路35に流れる電流(直流電流)を測定する電流センサ37が配置されている。
Here, the electric power generated in the
以下、各構成について詳細に説明する。
燃料ポンプ5は、都市ガス等の原燃料ガスを発電モジュール15側に供給するポンプである。
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
The fuel pump 5 is a pump that supplies raw fuel gas such as city gas to the
流量センサ7は、燃料ポンプ5によって発電モジュール9側に供給される原燃料ガスの流量を測定する流量計である。なお、発電に必要な燃料ガスの流量がコントローラ31で算出され、その算出結果に基づいて所定の原燃料ガスの流量を決定する。
The flow rate sensor 7 is a flow meter that measures the flow rate of the raw fuel gas supplied to the power generation module 9 side by the fuel pump 5. The flow rate of the fuel gas required for power generation is calculated by the
空気ポンプ13は、酸化剤ガスである空気を発電モジュール15側に供給するポンプである。
気化器19にて、改質水ポンプ43から供給される改質水は加熱されて気化されて水蒸気となり、その水蒸気が改質器21に供給される。なお、気化器19は、周知の混合器を兼ねる装置として使用することができ、気化器19にて原燃料ガスと水蒸気との混合を行う。
The
In the
改質器21は、内部に改質用の触媒(例えばルテニウム又はニッケル)を備えた装置であり、この改質器21内に導入された原燃料ガスが、気化器19で発生した水蒸気によって水蒸気改質されることにより、原燃料ガスより水素ガスの割合が多い(水素リッチの)燃料ガスが生成される。
The
燃料電池スタック23は、後述するように、発電単位である板状の燃料電池セル24(図2(b)参照)が複数個積層された略直方体状の装置である。
燃焼器25は、燃料電池スタック23から排出された燃料ガス中の主に水素(未反応の燃料ガス)と空気中の酸素とを燃焼させる装置であり、この燃焼によって、燃料電池スタック23を加熱することができる。
As will be described later, the
The
温度センサ27は、燃料電池スタック23の表面(例えば側面)に配置され、その表面の温度を検出するセンサである。
パワーコンディショナー33は、燃料電池スタック23によって発電された直流の電力を交流の電力に変換して負荷39に供給する出力変換装置である。このパワーコンディショナー33では、交流電力値を計測するために、交流電流値と交流電圧値を計測できる。
The
The
なお、出力変換装置は、燃料電池スタック23が発電で発生する直流出力を交流出力に変換して出力するパワーコンディショナー33に限らず、燃料電池スタック23からの直流出力を異なる電圧の直流出力に変換するDC−DCコンバータであってもよい。
The output converter is not limited to the
電流センサ37は、燃料電池スタック23から供給される電流(直流の電流値)を測定する電流計である。
コントローラ31は、周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。このコントローラ31には、流量センサ7から燃料ガスの流量を示す信号が入力し、温度センサ27から燃料電池スタック23の温度を示す信号が入力し、電流センサ37から燃料電池スタック23の供給電流の電流値を示す信号が入力する。
The
The
更に、後述するように、コントローラ31には、パワーコンディショナー33から、交流電力に変換された後の負荷39に供給される電力の電流値(交流電流値)と電圧値(交流電圧値)を示す信号が入力される。
Further, as will be described later, the
一方、コントローラ31からは、燃料ポンプ5、空気ポンプ13、パワーコンディショナー33の動作を制御する制御信号が出力される。
更に、コントローラ31には、燃料電池スタック23に燃料ガスを供給する燃料ポンプ5、空気を供給する空気ポンプ13、起動バーナーに燃料混合気を供給する混合気ポンプ(図示せず)が接続されており、コントローラ31からの制御信号によって、それらの動作が制御されるように構成されている。
On the other hand, the
Further, the
また、コントローラ31には、上述したように、電流センサ37から(燃料電池スタック23の出力における直流の)電流値(A1)が入力され、パワーコンディショナー33からは、交流の電流値(A2)と交流の電圧値(V2)とが入力される。
Further, as described above, the current value (A1) (direct current at the output of the fuel cell stack 23) is input to the
なお、このコントローラ31が、本発明の燃料電池システムの制御装置であり、本発明の記憶手段、判定手段、決定手段、燃料供給制御手段として機能する。
b)次に、燃料電池スタック23の構成について、簡単に説明する。
The
b) Next, the configuration of the
図2(a)に示すように、燃料電池スタック23は、板状の燃料電池セル24が(図2(b)の上下方向に例えば9段)積層された直方体形状の装置であり、燃料電池スタック23を積層方向に貫く10本の第1〜第10ボルト41a〜41j(及び各ナット43)によって一体に固定されている。
As shown in FIG. 2A, the
また、燃料電池セル24は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セル24であり、図示しないが、周知の(燃料流路に接する様に配置された)燃料極と、(例えばジルコニアからなる)固体電解質体と、(空気流路に接する様に配置された)空気極とを備えている。 The fuel cell 24 is a so-called fuel cell support film type fuel cell 24, which is not shown, but is composed of a well-known fuel cell (arranged so as to be in contact with the fuel flow path) and (for example, zirconia). ) It has a solid electrolyte and an air electrode (arranged so as to be in contact with the air flow path).
また、図2(b)に示すように、この燃料電池スタック23は、燃料ガスの流路において並直列構造を有している。
具体的には、スタック外から第8ボルト41hの貫通孔45hに導入された燃料ガスは、第5〜第9燃料電池セル24e〜24iの燃料流路に導入され、第3ボルト41cの貫通孔45cを介して、第1〜4燃料電池セル24a〜24dの燃料流路に導入され、第2ボルト41bの貫通孔45bを介して、スタック外に排出されるように構成されている。
Further, as shown in FIG. 2B, the
Specifically, the fuel gas introduced from the outside of the stack into the through
一方、スタック外から第10ボルト41jの貫通孔45jに導入された空気は、各燃料電池セル24a〜24iの空気流路に導入され、第5ボルト41eの貫通孔45eを介してスタック外に排出されるように構成されている。
On the other hand, the air introduced from the outside of the stack into the through
c)次に、燃料電池システム1を制御する原理について説明する。
・本発明者等の研究によれば、燃料電池スタック23の劣化の程度と燃料電池スタック23の出力(即ち電力値及び電流値)との間には相関関係があることが分かっている。具体的には、劣化の程度と電力値及び電流値との間には、図3に示すような関係があることが分かっている。なお、図3に示すマップは、コントローラ31のメモリに記憶されている。
c) Next, the principle of controlling the fuel cell system 1 will be described.
-According to the research of the present inventors, it is known that there is a correlation between the degree of deterioration of the
また、劣化の程度は、通常は、燃料電池スタック23の運転時間と相関関係があり、運転時間が長くなると劣化が進むことが知られているので、表1には標準的な時間が記載してある。但し、劣化は運転時間が長くなると大きくなる傾向があるものの、運転状況によって変動するので、運転時間よりは電力値及び電流値に基づいて劣化の程度を判断することが望ましいと考えられる。
Further, the degree of deterioration usually has a correlation with the operating time of the
詳しくは、運転条件が一定の場合には、図3に示すように、運転の初期には、発電可能な電力値が大きいが電流値が小さいという特徴があり、運転の中期では、初期に比べて発電可能な電力値と電流値とはほぼ中程度という特徴があり、運転の後期では、中期に比べて発電可能な電力値が小さいが電流値が大きいという特徴がある。 Specifically, when the operating conditions are constant, as shown in FIG. 3, there is a feature that the power value that can be generated is large but the current value is small at the initial stage of operation, and in the middle stage of operation, compared to the initial stage. The power value and current value that can be generated are almost medium, and in the latter half of operation, the power value that can be generated is smaller but the current value is larger than in the middle stage.
例えば下記表1に、劣化の程度の対応した発電電力(電力値)と電流値との関係を示すように、電流値は、同じ発電電力であっても、初期(発電開始から5000時間以下)と中期(発電開始から5000時間を上回り40000時間以下)と後期(発電開始から40000時間を上回り90000時間以下)とでは異なり、初期から中期、後期となるほど大きくなる傾向がある。 For example, as shown in Table 1 below, the relationship between the generated power (power value) corresponding to the degree of deterioration and the current value shows that the current value is the initial (5000 hours or less from the start of power generation) even if the generated power is the same. In the middle period (more than 5,000 hours from the start of power generation and less than 40,000 hours) and the second half (more than 40,000 hours from the start of power generation and less than 90,000 hours), it tends to increase from the early stage to the middle stage and the latter stage.
なお、本実施例では、劣化の程度示す劣化ステージとして、劣化の程度の大小に応じて、初期、中期、後期の(順次劣化の程度が大きい)3種の劣化ステージを設定しているが、2種又は4種以上の劣化ステージを設定してもよい。但し、あまり多くの劣化ステージを設定すると制御が複雑になるので、例えば10種以下が好ましい。 In this embodiment, as the deterioration stage indicating the degree of deterioration, three types of deterioration stages of early stage, middle stage, and late stage (the degree of deterioration is large in sequence) are set according to the degree of deterioration. Two or four or more deterioration stages may be set. However, if too many deterioration stages are set, control becomes complicated, so for example, 10 or less are preferable.
また、上述したように、劣化の程度に応じて発電可能な電力値が異なるので、劣化ステージごとにパワーコンディショナー33の出力電力の上限値を設けて、コントローラ31はパワーコンディショナー33を前記上限値を超えないように制御する。
Further, as described above, since the power value that can be generated differs depending on the degree of deterioration, an upper limit value of the output power of the
・また、本実施例では、燃料ガスの供給量を制御するために、図4に示すように、初期マップ、中期マップ、後期マップの3種類の制御マップを記憶しており、この制御マップを、前記図3に示す燃料電池(即ち燃料電池スタック23)の劣化の程度を示す劣化ステージに応じて切り替えて使用する。なお、図4に示す制御マップは、コントローラ31のメモリに記憶されている。
-In addition, in this embodiment, in order to control the fuel gas supply amount, as shown in FIG. 4, three types of control maps, an initial map, a medium-term map, and a late-term map, are stored, and this control map is stored. , The fuel cell (that is, the fuel cell stack 23) shown in FIG. 3 is switched and used according to the deterioration stage indicating the degree of deterioration. The control map shown in FIG. 4 is stored in the memory of the
例えば下記表2に、劣化の程度に応じた電流値と燃料利用率との関係を示すように、制御マップは、同じ電流値の場合でも、初期と中期と後期で異なるように、詳しくは、初期よりも中期、後期となるほど燃料利用率が大きくなるように設定されている。 For example, as shown in Table 2 below, the relationship between the current value and the fuel utilization rate according to the degree of deterioration is shown. The fuel utilization rate is set to increase in the middle and late stages rather than in the early stages.
従って、本実施例では、前記図3に示す関係(マップ)に基づいて、電力値と電流値から現在の劣化の程度(劣化ステージ)を判定し、その判定結果によって得られた劣化の程度に応じて図4に示す各制御マップを選択し、その各制御マップを用いて、電流値から燃料利用率を決定する。 Therefore, in this embodiment, the current degree of deterioration (deterioration stage) is determined from the power value and the current value based on the relationship (map) shown in FIG. 3, and the degree of deterioration obtained by the determination result is determined. Each control map shown in FIG. 4 is selected accordingly, and the fuel utilization rate is determined from the current value using each control map.
詳しくは、初期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、他の制御マップに比べて小さく設定されている。これは、運転開始から5000時間以下(いわゆる初期の段階)では、劣化の程度が少なく、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う(劣化等による)ジュール熱の発生量が少ないからである。 Specifically, the initial map is a map in which the fuel utilization rate increases as the current value increases, but the rate of increase in the fuel utilization rate is set smaller than that of other control maps. This is because the degree of deterioration is small in 5000 hours or less (so-called initial stage) from the start of operation, and therefore, even under the same operating conditions, the amount of Joule heat generated (due to deterioration or the like) due to power generation is small.
従って、この場合には、燃料利用率を小さくすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を低下させて、燃焼器25における燃焼量を増加させる。これによって、燃料電池スタック23の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。
Therefore, in this case, by reducing the fuel utilization rate, the ratio of the fuel supply amount required for power generation is lowered, and the combustion amount in the
また、中期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、初期マップに比べて大きく(後述する)後期マップ比べて小さく設定されている。これは、運転開始から40000時間以下(いわゆる中期の段階)では、劣化の程度が(初期や後期に比べて)中程度であり、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う(劣化等による)ジュール熱の発生量も中程度であるからである。 In addition, the medium-term map is a map in which the fuel utilization rate increases as the current value increases, but the rate of increase in the fuel utilization rate is set larger than that of the initial map (described later) and smaller than that of the late map. There is. This is because the degree of deterioration is moderate (compared to the early and late stages) within 40,000 hours or less (so-called mid-term stage) from the start of operation, and therefore, even under the same operating conditions, the joules associated with power generation (due to deterioration, etc.) This is because the amount of heat generated is also moderate.
従って、この場合には、燃料利用率を中程度にすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を中程度にして、燃焼器25における燃焼量を中程度とする。これによって、燃料電池スタック23の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。
Therefore, in this case, by setting the fuel utilization rate to a medium level, the ratio of the fuel supply amount required for power generation is set to a medium level, and the combustion amount in the
更に、後期マップは、電流値が増加するにつれて燃料利用率が増加するマップであるが、その燃料利用率の増加率は、他の制御マップに比べて大きく設定されている。これは、運転開始から90000時間以下(いわゆる後期の段階)では、劣化の程度が大きく、よって、同じ運転条件でも、発電に伴う(劣化等による)ジュール熱の発生量が多いからである。 Further, the latter map is a map in which the fuel utilization rate increases as the current value increases, and the rate of increase in the fuel utilization rate is set larger than that of other control maps. This is because the degree of deterioration is large in 90,000 hours or less (so-called late stage) from the start of operation, and therefore, even under the same operating conditions, the amount of Joule heat generated (due to deterioration or the like) is large due to power generation.
従って、この場合には、燃料利用率を大きくすることによって、発電に必要な燃料供給量の割合を増加させて、燃焼器25における燃焼量を低下させる。これによって、燃料電池スタック23の運転温度を所定の運転温度に保つことができる。
Therefore, in this case, by increasing the fuel utilization rate, the ratio of the fuel supply amount required for power generation is increased, and the combustion amount in the
なお、図3、図4のマップは、予め実験等によって求めることができるが、その設定の際に利用する電流値や電圧値(電力値)は、実際にそれらの値を測定するセンサ等の出力を用いて設定する。 The maps of FIGS. 3 and 4 can be obtained in advance by experiments or the like, but the current value and voltage value (electric power value) used for the setting can be obtained by a sensor or the like that actually measures those values. Set using the output.
つまり、例えば負荷39に対する出力(電流値や電力値)を用いて各マップを設定した場合には、実際に、前記負荷39に対する出力を用いて、劣化ステージの判定や燃料利用率の決定を行う。
That is, for example, when each map is set using the output (current value or power value) for the
d)次に、コントローラ31によって行われる制御処理の手順について説明する。
図5に示すように、ステップ(図5ではSで示す)100では、電流センサ37からの信号に基づいて、燃料電池スタック23の出力の電流値(直流電流)を得る。
d) Next, the procedure of the control process performed by the
As shown in FIG. 5, in step 100 (indicated by S in FIG. 5) 100, the current value (direct current) of the output of the
また、パワーコンディショナー33から、負荷39への出力の電圧値(交流電圧)と電流値(交流電流)とを得る。
ここで、電力値は、電圧値と電流値とから算出することができる。例えば直流の電流値(A1)と(交流の平均化した)電圧値(V2)とから電力値(W1)を算出することができる。或いは、(交流の平均化した)電流値(A2)と(交流の平均化した)電圧値(V2)とから電力値(W2)を算出することができる。
Further, the voltage value (AC voltage) and the current value (AC current) of the output to the
Here, the power value can be calculated from the voltage value and the current value. For example, the power value (W1) can be calculated from the DC current value (A1) and the (AC averaged) voltage value (V2). Alternatively, the power value (W2) can be calculated from the (averaged alternating current) current value (A2) and the (averaged alternating current) voltage value (V2).
なお、どの電流値や電力値を用いるかは、上述したように、図3、図4の各マップを設定した際に用いた値を採用すればよい。
続くステップ110では、前記図3に示すマップを用いて、前記ステップ100で得られた電力値と電流値とから、劣化の程度(劣化ステージ)を判定する。
As for which current value or power value to use, as described above, the value used when each of the maps of FIGS. 3 and 4 is set may be adopted.
In the following step 110, the degree of deterioration (deterioration stage) is determined from the power value and the current value obtained in the step 100 by using the map shown in FIG.
ここで、劣化ステージが運転の初期を示す場合にはステップ120に進み、劣化ステージが運転の中期を示す場合にはステップ130に進み、劣化ステージが後期を示す場合にはステップ140に進む。 Here, if the deterioration stage indicates the initial stage of operation, the process proceeds to step 120, if the deterioration stage indicates the middle stage of operation, the process proceeds to step 130, and if the deterioration stage indicates the latter stage, the process proceeds to step 140.
ステップ120では、運転の初期であるので、図4(a)の初期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
また、ステップ130では、運転の中期であるので、図4(b)の中期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
In step 120, since it is the initial stage of operation, the fuel utilization rate is obtained from the current value using the initial map of FIG. 4 (a).
Further, in step 130, since the operation is in the middle stage, the fuel utilization rate is obtained from the current value by using the medium-term map of FIG. 4 (b).
更に、ステップ140では、運転の後期であるので、図4(c)の後期マップを使用して、電流値から燃料利用率を求める。
続くステップ150では、各ステップで求めて燃料利用率から、運転状態に応じて、燃料供給量(詳しくは、原燃料ガスの供給量である原燃料供給量)を算出する。
Further, in step 140, since it is the latter stage of the operation, the fuel utilization rate is obtained from the current value by using the latter stage map of FIG. 4 (c).
In the following step 150, the fuel supply amount (specifically, the raw material fuel supply amount which is the raw material fuel gas supply amount) is calculated from the fuel utilization rate obtained in each step according to the operating state.
具体的には、例えば、燃料電池スタック23から発生させる直流電流値Ia[A]と、燃料電池スタック23に供給する燃料流量(燃料ガスの流量)Qa[mol/sec]との間には、一般的に次式(1)が成り立つ。
Specifically, for example, between the DC current value Ia [A] generated from the
Ia=nFQa ・・・(1)
(n:反応に寄与する電子数、F:ファラデー定数[C/mol])
この式(1)から、所望の電流Iaを発生させるために必要な燃料流量Qaが算出される。
Ia = nFQa ... (1)
(N: number of electrons contributing to the reaction, F: Faraday constant [C / mol])
From this equation (1), the fuel flow rate Qa required to generate the desired current Ia is calculated.
そして、燃料電池スタック23が熱自立を維持しつつ、発電するために供給する燃料供給量(燃料ガスの供給量)Qbは、燃料利用率Uf[%]を用いて、下記式(2)により算出できる。
Then, the fuel supply amount (fuel gas supply amount) Qb supplied for power generation while the
Qb=100×Qa/Uf ・・・(2)
原燃料供給量Q[L/min]は、前記Qbを用いて下記式(3)により算出できる。
Q=M×Qb ・・・(3)
なお、上記式(3)のMは、原燃料種によって決まる定数である。
Qb = 100 × Qa / Uf ・ ・ ・ (2)
The raw material fuel supply amount Q [L / min] can be calculated by the following formula (3) using the Qb.
Q = M × Qb ・ ・ ・ (3)
Note that M in the above formula (3) is a constant determined by the raw material and fuel type.
つまり、前記式(1)、(2)、(3)によって、原燃料供給量Q[L/min]を算出する。
続くステップ160では、前記ステップ150で算出した燃料供給量(即ち原燃料供給量Q)を供給するように、燃料ポンプ5の動作を制御して、一旦本処理を終了する。
That is, the raw material fuel supply amount Q [L / min] is calculated by the above equations (1), (2), and (3).
In the following step 160, the operation of the fuel pump 5 is controlled so as to supply the fuel supply amount calculated in the step 150 (that is, the raw fuel supply amount Q), and this process is temporarily terminated.
e)次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、燃料電池スタック23の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め燃料電池スタック23の電力値と電流値とに基づいて設定された複数の劣化ステージを記憶しており、この複数の劣化ステージに基づいて、(検出された)燃料電池スタック23の電力値と電流値とに対応した劣化ステージを判定する。そして、その劣化ステージに対応した各制御マップを用いて燃料電池スタック23の燃料利用率を決定し、その燃料利用率に基づいて、原燃料ガスの流量を算出し、その算出した値に基づいて、所定量の原燃料ガス(従ってその原燃料ガスが改質された燃料ガス)を燃料電池スタック23に供給する。
e) Next, the effects of this embodiment will be described.
In this embodiment, as the deterioration stages indicating the degree of deterioration of the
つまり、本実施例では、燃料利用率を設定する際に、検出された電力値及び電流値に対応して、複数の劣化ステージから特定の劣化ステージを選択し、その劣化ステージに対応した各制御マップを用いるので、従来のような複雑な制御手段が不要であり、よって、制御ハンチングを抑制できる。 That is, in this embodiment, when setting the fuel utilization rate, a specific deterioration stage is selected from a plurality of deterioration stages according to the detected power value and current value, and each control corresponding to the deterioration stage is selected. Since the map is used, complicated control means as in the conventional case is not required, and therefore control hunting can be suppressed.
その結果、燃料電池セル24内で局所的に燃料が枯渇する可能性が低くなり、燃料電池スタック23の耐久性を大きく向上できるという顕著な効果を奏する。
また、従来のような複雑な制御が不要であるので、空気ポンプ13の消費電力が増えにくい。よって、燃料電池スタック23に流れる電流量が増加しにくいので、この点からも、燃料電池スタック23の耐久性が向上するという効果がある。
As a result, the possibility of locally depleting fuel in the fuel cell 24 is reduced, and the durability of the
Further, since the complicated control as in the conventional case is not required, the power consumption of the
更に、燃料電池セル24が平板型の燃料電池スタック23の場合でも、温度を低下させる際の燃料極側と空気極側との間の圧力損失差が拡大しにくく、よって、セル割れ等の故障が生じにくいという利点がある。
Further, even when the fuel cell 24 is a flat plate type
つまり、本実施例では、従来の複雑な制御を行う必要がないので、即ち制御ハンチングを抑制できるので、燃料電池スタック23の耐久性が向上し、その結果、発電効率も向上するという効果がある。
That is, in this embodiment, since it is not necessary to perform the conventional complicated control, that is, the control hunting can be suppressed, the durability of the
また、本実施例では、発電初期のような劣化の少ない状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に低い制御マップが用意され、逆に、例えば長期間の発電後のような劣化の大きい状態では、電流値に対する燃料利用率は全体的に高い制御マップが用意される。 Further, in this embodiment, in a state where there is little deterioration such as at the beginning of power generation, a control map is prepared in which the fuel utilization rate with respect to the current value is low as a whole, and conversely, there is large deterioration such as after long-term power generation. In the state, a control map is prepared in which the fuel utilization rate with respect to the current value is generally high.
つまり、燃料電池スタック23が劣化している場合には、劣化に起因したジュール熱による大きな発熱を熱維持に利用できるので、上述した劣化に対応した制御マップを用いることによって、燃料利用率を高くすることができる。これによって、一部の箇所で劣化が始まった後でも高い発電効率を維持することができる。
That is, when the
更に、本実施例では、燃料電池スタック23は、燃料ガスについて、並直列構造を備えている。並直列構造では、燃料電池スタック23に供給する燃料ガスの経路を例えば上流部と下流部の2つに並列に分けることで、各燃料電池セル24への燃料供給量は多くしつつ、燃料電池スタック23への燃料供給量は少なくできるので、各燃料電池セル24の燃料利用率を低くすることができる。
Further, in this embodiment, the
その結果、耐久劣化後(長期間使用されて劣化した後)においても、燃料電池スタック23に供給する燃料供給量が少なくて済むので、燃料電池スタック23の総合燃料利用率を上げることができ、最終的には、発電効率を高く維持することができる。
As a result, even after the durability is deteriorated (after being used for a long period of time and deteriorated), the amount of fuel supplied to the
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池が挙げられる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be carried out in various modes without departing from the present invention.
(1) For example, the fuel cell includes a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and the like. Fuel cells can be mentioned.
(2)劣化ステージの判定や燃料利用率の決定に用いる電流値や電力値(電力値の算出に用いる電圧値)としては、燃料電池スタックの出力(直流電流、直流電圧)を、パワーコンディショナーとは別に設けた電流計や電圧計を利用して求めてもよいし、パワーコンディショナーから得られる出力(交流電流、交流電圧)を用いてもよい。 (2) As the current value and power value (voltage value used for calculating the power value) used for determining the deterioration stage and determining the fuel utilization rate, the output (DC current, DC voltage) of the fuel cell stack is used as the power conditioner. May be obtained by using a separately provided current meter or voltmeter, or may use the output (AC current, AC voltage) obtained from the power conditioner.
(3)前記実施例では、改質器と燃焼器を用いたが、本発明は、改質器又は燃焼器の無い燃料電池システムにも適用できる。
(4)なお、本発明は、例えば気化器や改質器等を使用せずに(即ち原燃料ガスの改質を行って水素等の燃料ガスを生成するのではなく)、原燃料ガスとして水素等の燃料ガスを用い、その燃料ガスをポンプ等によって燃料電池スタックに供給する装置にて適用できる。
(3) In the above embodiment, a reformer and a combustor are used, but the present invention can also be applied to a fuel cell system without a reformer or a combustor.
(4) In the present invention, for example, as a raw fuel gas without using a vaporizer, a reformer, or the like (that is, instead of reforming the raw fuel gas to generate a fuel gas such as hydrogen). It can be applied to a device that uses a fuel gas such as hydrogen and supplies the fuel gas to the fuel cell stack by a pump or the like.
1…燃料電池システム
5…燃料ポンプ
13…空気ポンプ
17…発電モジュール
21…改質器
23…燃料電池スタック
25…燃焼器
27…温度センサ
31…コントローラ
33…パワーコンディショナー
37…電流センサ
1 ... Fuel cell system 5 ...
Claims (4)
前記燃料電池は、平板型の固体酸化物形燃料電池であって、前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器を備えており、
前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された10種以下の複数の劣化ステージを記憶している記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定する判定手段と、
前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の前記発電に使用される燃料量を前記燃料電池に供給される燃料量で除した値である燃料利用率を決定する決定手段と、
前記決定手段によって決定した前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は該燃料ガスの原燃料を前記燃料電池に供給するように制御する燃料供給制御手段と、
を備えた燃料電池の制御装置であって、
前記記憶手段は、前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶するように構成され、
前記決定手段は、前記判定手段によって判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定するように構成され、
前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された前記各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されており、
前記燃料利用率は、当該燃料利用率の増加にともない前記燃焼器における燃焼量を低下させるものである、
ことを特徴とする燃料電池の制御装置。 In a fuel cell control device that controls the operation of a fuel cell that generates electricity using a fuel gas and an oxidant gas based on the operating state of the fuel cell detected by the operating state detecting means.
The fuel cell, I SOFC der flat-plate comprises a combustor for burning said fuel gas not used in the power generation and the oxidant gas,
As a deterioration stage indicating the degree of deterioration of the fuel cell, a storage means for storing a plurality of deterioration stages of 10 or less types set in advance based on the electric power value and the current value of the fuel cell, and a storage means.
A determination means for determining the deterioration stage corresponding to the electric power value and the current value of the fuel cell detected by the operating state detecting means based on the plurality of deterioration stages stored in the storage means.
Based on the deterioration stage determined by the determination means, fuel utilization is a value obtained by dividing the amount of fuel used for the power generation of the fuel cell corresponding to the deterioration stage by the amount of fuel supplied to the fuel cell. The means of determining the rate and
The flow rate of the fuel gas is calculated based on the fuel utilization rate determined by the determination means, and a predetermined amount of the fuel gas or the raw material of the fuel gas is supplied to the fuel cell based on the calculated value. Fuel supply control means to control
It is a fuel cell control device equipped with
The storage means is configured to store each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell corresponding to each of the plurality of deterioration stages.
The determination means is configured to select the control map corresponding to the deterioration stage determined by the determination means, and determine the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell based on the control map.
Each of the control maps set according to the degree of deterioration of the fuel cell is a case where the degree of deterioration is larger than the case where the degree of deterioration of the fuel cell is smaller than the case where the degree of deterioration of the fuel cell is smaller than the case where the current value of the same fuel cell is the same. The higher the fuel utilization rate is selected, the more
The fuel utilization rate reduces the amount of combustion in the combustor as the fuel utilization rate increases.
A fuel cell control device characterized by this.
前記燃料電池は、平板型の固体酸化物形燃料電池であって、前記発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器を備えており、
前記燃料電池の劣化の程度を示す劣化ステージとして、予め前記燃料電池の電力値と電流値とに基づいて設定された10種以下の複数の劣化ステージを記憶しておき、
前記記憶された前記複数の劣化ステージに基づいて、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の電力値と電流値とに対応した前記劣化ステージを判定し、
前記判定された前記劣化ステージに基づいて、当該劣化ステージに対応した前記燃料電池の前記発電に使用される燃料量を前記燃料電池に供給される燃料量で除した値である燃料利用率を決定し、
前記燃料利用率に基づいて、前記燃料ガスの流量を算出し、当該算出した値に基づいて、所定量の前記燃料ガス又は当該燃料ガスの原燃料を、前記燃料電池に供給するように制御する、
燃料電池の制御方法であって、
前記複数の劣化ステージのそれぞれに対応して、前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を求める各制御マップを記憶しておき、
前記判定された前記劣化ステージに対応した前記制御マップを選択し、当該制御マップに基づいて前記燃料電池の電流値から前記燃料利用率を決定し、
前記燃料電池の劣化の程度に応じて設定された前記各制御マップは、同一の前記燃料電池の電流値に対して、前記燃料電池の前記劣化の程度が小さい場合より前記劣化の程度が大きい場合ほど、前記燃料利用率の高い値が選択されるように設定されており、
前記燃料利用率は、当該燃料利用率の増加にともない前記燃焼器における燃焼量を低下させるものである、
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。 In a fuel cell control method that controls the operation of a fuel cell that generates electricity using a fuel gas and an oxidant gas based on the operating state of the fuel cell detected by the operating state detecting means.
The fuel cell, I SOFC der flat-plate comprises a combustor for burning said fuel gas not used in the power generation and the oxidant gas,
As a deterioration stage indicating the degree of deterioration of the fuel cell, a plurality of 10 or less types of deterioration stages set in advance based on the electric power value and the current value of the fuel cell are stored.
Based on the plurality of stored deterioration stages, the deterioration stage corresponding to the electric power value and the current value of the fuel cell detected by the operating state detecting means is determined.
Based on the determined deterioration stage, the fuel utilization rate, which is a value obtained by dividing the amount of fuel used for the power generation of the fuel cell corresponding to the deterioration stage by the amount of fuel supplied to the fuel cell, is determined. And
The flow rate of the fuel gas is calculated based on the fuel utilization rate, and a predetermined amount of the fuel gas or the raw fuel of the fuel gas is controlled to be supplied to the fuel cell based on the calculated value. ,
It ’s a fuel cell control method.
Each control map for obtaining the fuel utilization rate from the current value of the fuel cell corresponding to each of the plurality of deterioration stages is stored.
The control map corresponding to the determined deterioration stage is selected, and the fuel utilization rate is determined from the current value of the fuel cell based on the control map.
Each of the control maps set according to the degree of deterioration of the fuel cell is a case where the degree of deterioration is larger than the case where the degree of deterioration of the fuel cell is smaller than the case where the degree of deterioration of the fuel cell is smaller than the case where the current value of the same fuel cell is the same. The higher the fuel utilization rate is selected, the more
The fuel utilization rate reduces the amount of combustion in the combustor as the fuel utilization rate increases.
A fuel cell control method characterized by this.
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