JP7176964B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、原燃料を改質した改質燃料ガス及び酸化材ガスとしての空気の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide fuel cell system having a cell stack that generates power by oxidation and reduction of a reformed fuel gas obtained by reforming a raw fuel and air as an oxidant gas.
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを収納容器内に収納した固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気(酸化材ガス)中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この燃料電池セルの作動温度は約700~900℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス(改質燃料ガス)中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。 2. Description of the Related Art Conventionally, solid oxide fuel cell systems in which a solid oxide cell stack using a solid electrolyte as a membrane that conducts oxide ions is housed in a container have been known. In this solid oxide fuel cell system, the cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells, and a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte in each fuel cell, An oxygen electrode for reducing oxygen in the air (oxidant gas) is provided on the other side. The operating temperature of this fuel cell is relatively high, about 700 to 900°C. Electricity is generated by causing an electrochemical reaction.
家庭用システムとしても適した固体酸化物形燃料電池システムとして、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材ガス(空気中の酸素)の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極(空気極)側に酸化材ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温空間に収容されているものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A solid oxide fuel cell system suitable for home use includes a reformer for steam reforming the raw fuel gas, a reformed fuel gas reformed by the reformer and an oxidant gas (air an air supply means for supplying air as an oxidant gas to the oxygen electrode (air electrode) side of the cell stack, and raw fuel gas to the reformer. and a fuel gas supply means for supplying the cell stack and the reformer are housed in a high-temperature space that is maintained at a high temperature (see, for example, Patent Document 1).
この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側に、オフガス燃焼部としてのオフガス燃焼域が設けられ、このオフガス燃焼域の上方に改質器が配設されている。そして、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの空気極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応により発電が行われる。セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)及び空気極側からの空気オフガス(即ち、カソードオフガス)はオフガス燃焼域に導出されて燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。 In this solid oxide fuel cell system, an offgas combustion zone is provided as an offgas combustion section above the cell stack, and a reformer is arranged above the offgas combustion zone. The reformed fuel gas from the reformer is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, the air from the air supply means is supplied to the air electrode side of the cell stack, and the electrochemical reaction in the cell stack generates electricity. is done. The fuel off-gas from the fuel electrode side of the cell stack (that is, anode off-gas) and the air off-gas from the air electrode side (that is, cathode off-gas) are led to the off-gas combustion zone and burned, and the combustion heat is used to create a high temperature space. is maintained at a high temperature, and the reformer and the like are heated.
固体酸化物形燃料電池システムとして、セルスタックの上側にオフガス燃焼域を設けることに代えて、オフガス燃焼部としてのオフガス燃焼器を備えたものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(アノードオフガス)が燃料オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの空気極側からの空気オフガス(カソードオフガス)が空気オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器において燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。 As a solid oxide fuel cell system, instead of providing an offgas combustion area on the upper side of the cell stack, a system including an offgas combustor as an offgas combustion unit has also been proposed (see, for example, Patent Document 2). In this solid oxide fuel cell system, fuel off-gas (anode off-gas) from the fuel electrode side of the cell stack is supplied to the combustor through the fuel off-gas supply channel, and air off-gas from the air electrode side of the cell stack is supplied to the combustor. (Cathode off-gas) is fed to the combustor through the air off-gas feeding channel, where the fuel off-gas is combusted by the air off-gas, and the combustion heat is used to keep the high-temperature space at a high temperature, The reformer and the like are heated.
このような固体酸化物燃料電池システムでは、高発電効率で稼働運転することができるが、高効率で運転するためには高燃料利用率で動作させる必要がある。セルスタックの発電効率は、燃料電池セルの平均発電電圧と燃料利用率との積にほぼ比例しており、この燃料利用率を高めていくと、燃料電池セルの燃料極側ガス中の水素(H2)が消費されて水(H2O)が生成されていく。 Such a solid oxide fuel cell system can be operated with high power generation efficiency, but in order to operate with high efficiency, it is necessary to operate at a high fuel utilization rate. The power generation efficiency of the cell stack is roughly proportional to the product of the average power generation voltage of the fuel cells and the fuel utilization rate. H 2 ) is consumed and water (H 2 O) is produced.
一般的に、固体酸化物形の燃料電池セルの燃料極は、金属ニッケル粒子がセラミックス粒子とともに存在するサーメット(金属ニッケルとセラミックスの混合物)が用いられており、それ故に、燃料利用率を高めて水に対する水素の比率(H2/H2O)が下がっていくと、金属ニッケル粒子が酸化しはじめることになる。燃料電池セルの燃料極側の金属ニッケル粒子が酸化すると、その電気抵抗が増大するので、燃料電池セルの燃料極側出口付近では発電が行われなくなり、そして次第に燃料電池セルの燃料極側におけるニッケル粒子が酸化する領域が広がり、発電が困難な領域が拡大していくことになる。尚、この明細書を通して、「燃料利用率」とは、燃料ガス供給流路を通して供給される原燃料ガスのうちセルスタックにて発電に寄与する(即ち、セルスタックにて発電により消費される)割合をいう。 In general, the fuel electrode of a solid oxide fuel cell uses a cermet (a mixture of metallic nickel and ceramics) in which metallic nickel particles are present together with ceramic particles. As the hydrogen to water ratio (H 2 /H 2 O) decreases, the metallic nickel particles will begin to oxidize. When the metal nickel particles on the fuel electrode side of the fuel cell are oxidized, their electrical resistance increases, so that no power is generated in the vicinity of the fuel electrode side exit of the fuel cell, and nickel on the fuel electrode side of the fuel cell gradually decreases. The area where particles are oxidized expands, and the area where power generation is difficult expands. Throughout this specification, "fuel utilization rate" means that the raw fuel gas supplied through the fuel gas supply passage contributes to power generation in the cell stack (that is, it is consumed by the cell stack for power generation). Percentage.
また、このように酸化した燃料極は、発電時の他の条件(部分負荷運転状態、起動状態、停止状態など)において還元されて再びニッケル状態に戻り、このニッケル粒子の酸化及び還元が繰り返し行われ、この繰返し回数が多くなると、燃料電池セルの燃料極側材料に寸法変化が生じるおそれがある。この燃料極側材料に寸法変化が生じると、この燃料極と接合されている固体電解質に割れが生じ、その割れが原因となって剥離が起こり、セルスタックが破損に至るおそれが生じる。このようなことから、固体酸化物燃料電池システムの燃料利用率を高めることは、システムの発電効率を高めるためには必要であるが、高すぎるとセルスタックのダメージを招くおそれが生じる。 In addition, the fuel electrode oxidized in this way is reduced under other conditions during power generation (partial load operation state, start state, stop state, etc.) and returns to the nickel state, and the nickel particles are repeatedly oxidized and reduced. However, if the number of repetitions increases, there is a risk that the material on the fuel electrode side of the fuel cell will undergo dimensional changes. If the material on the fuel electrode side undergoes a dimensional change, cracks will occur in the solid electrolyte that is joined to the fuel electrode. For this reason, it is necessary to increase the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell system in order to increase the power generation efficiency of the system, but if it is too high, the cell stack may be damaged.
また、このような固体酸化物形燃料電池システムでは、オフガス燃料部においてセルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(アノードオフガス)がその空気極側からの空気オフガス(カソードオフガス)により燃焼されるが、この燃料利用率を高めると、オフガス燃焼部での燃焼が希薄になっていき、燃焼不良、一部失火が生じ、更には失火に至るという問題が生じる。このような燃焼不良、一部失火などが生じると、セルスタックの周囲温度が低下し、最悪発電不良となる。 In such a solid oxide fuel cell system, the fuel off-gas (anode off-gas) from the fuel electrode side of the cell stack is burned by the air off-gas (cathode off-gas) from the air electrode side in the off-gas fuel section. However, if the fuel utilization rate is increased, the combustion in the off-gas combustion section becomes leaner, resulting in poor combustion, partial misfires, and even misfires. If such combustion failure or partial misfire occurs, the ambient temperature of the cell stack will drop, resulting in power generation failure in the worst case.
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいては、発電効率を高めて運転するためには燃料利用率を高める必要があるが、このように燃料利用率を高めた場合、セルスタックに供給される原燃料ガスの供給流量を安定させる必要がある。 In such a solid oxide fuel cell system, it is necessary to increase the fuel utilization rate in order to operate with improved power generation efficiency. It is necessary to stabilize the supply flow rate of raw fuel gas.
固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料ガス供給手段として低圧の燃料ガスポンプが用いられ、この燃料ガスポンプとしてダイヤフラム式のものが用いられており、この場合、ダイヤフラム式ポンプの作動により供給される原燃料ガスに脈動が生じる。 In the solid oxide fuel cell system, a low-pressure fuel gas pump is used as fuel gas supply means, and a diaphragm type fuel gas pump is used as the fuel gas pump. A pulsation occurs in the gas.
また、原燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路には、供給される原燃料ガスの圧力を調整するための圧力調整器、原燃料ガスの供給停止を行うための電磁弁、原燃料ガスの逆流を防止するための逆止弁などが組み込まれ、またセルスタックの上流側には改質用水を気化させるための気化器が組み込まれる。これら圧力調整弁、電磁弁、逆止弁などではスプリングが組み込まれており、このスプリングが原燃料ガスの脈動発生の原因となり、また気化器では気化して水蒸気が発生する際の体積膨張が原燃料ガスの脈動原因となる。 In addition, the fuel gas supply passage for supplying the raw fuel gas includes a pressure regulator for adjusting the pressure of the raw fuel gas to be supplied, an electromagnetic valve for stopping the supply of the raw fuel gas, and a A check valve or the like for preventing backflow is incorporated, and a vaporizer for vaporizing the reforming water is incorporated on the upstream side of the cell stack. Springs are incorporated in these pressure control valves, solenoid valves, check valves, etc. This spring causes pulsation of the raw fuel gas, and in the vaporizer, the volume expansion when vaporizing and generating steam is the cause. It causes pulsation of fuel gas.
このようなことから、原燃料ガスに脈動が生じるとその供給流量を正確に計測することができなくなるために、絞り部材(オリフィス、キャピラリー管など)、容量要素(バッファータンクなど)を組み合わせて用いて脈動を抑え、燃料ガスの供給流量の安定を図っているが、この脈動が大きくなって燃料流量にハンチングが発生すると、燃料ガス流量センサ(燃料ガス流量計)により燃料流量を正確に計測することができず、原燃料ガスの供給流量が燃料流量指令値よりも大きく低下することがある。特に、燃料利用率を高く設定して稼働運転する場合、原燃料ガスの供給流量が大きく低下すると、燃料利用率が大幅に上昇し、このことが原因となって、セルスタックが致命的なダメージを受けるおそれがある。この燃料流量ハンチングは、上述した条件が複合的に組み合わさって発生するものであり、かかる条件を完全に除去するのは困難である。 For this reason, if pulsation occurs in the raw fuel gas, it becomes impossible to accurately measure the supply flow rate. However, if this pulsation increases and hunting occurs in the fuel flow rate, the fuel gas flow rate sensor (fuel gas flow meter) is used to accurately measure the fuel flow rate. Therefore, the supply flow rate of the raw fuel gas may drop significantly below the fuel flow rate command value. In particular, when operating with a high fuel utilization rate, if the supply flow rate of the raw fuel gas drops significantly, the fuel utilization rate rises significantly, which causes fatal damage to the cell stack. may receive This fuel flow rate hunting is caused by a complex combination of the above conditions, and it is difficult to completely eliminate such conditions.
そのようなことから、従来においては、燃料流量ハンチングに対して次のように対処している。一般的に、燃料流量ハンチングが発生すると、燃料流量指令値と燃料ガス流量センサの計測値との流量差の絶対値移動平均が大きくなることから、この絶対値移動平均値を監視し、所定判定値を超えた場合に、原燃料ガスの供給流量が適正に制御できていないとしてエラー判定を行い、このエラー判定に基づいてシステムのエラー停止処理を行っていた。 For this reason, conventionally, the fuel flow rate hunting is dealt with as follows. In general, when fuel flow rate hunting occurs, the absolute moving average of the flow rate difference between the fuel flow rate command value and the measured value of the fuel gas flow rate sensor increases. When the value exceeds the value, an error determination is performed assuming that the supply flow rate of the raw fuel gas cannot be properly controlled, and the system error stop processing is performed based on this error determination.
しかし、家庭用の燃料電池システムの設置台数が多いことから、このエラー停止が頻繁に発生すると、メーカ(又は販売者)の保守点検の出動件数が増えて経済性が悪化する。そのために、燃料流量ハンチングが発生したときにセルスタックの保護に対して安全側でエラー停止させるのではなく、燃料流量ハンチングが顕著でない場合、エラー判定することなく燃料不足が発生しないように運転することが望まれる。 However, since the number of home fuel cell systems installed is large, if this error stop occurs frequently, the number of dispatches for maintenance and inspection by the manufacturer (or the seller) will increase, and economic efficiency will deteriorate. Therefore, when fuel flow rate hunting occurs, instead of making an error stop on the safe side to protect the cell stack, if the fuel flow rate hunting is not remarkable, it is operated so that fuel shortage does not occur without making an error judgment. is desired.
本発明の目的は、燃料流量ハンチングに起因するセルスタックの損傷発生を充分に抑制しつつ、システムのエラー停止の頻度を減らすことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of reducing the frequency of system error shutdowns while sufficiently suppressing the occurrence of cell stack damage caused by fuel flow rate hunting.
本発明の請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、前記燃料ガス供給手段により供給される原燃料ガスの流量を計測する燃料ガス流量計測手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガス及び空気オフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼部と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、燃料流量指令値と前記燃料ガス流量計測手段の計測流量との流量差を演算する流量差演算手段と、前記流量差演算手段により演算した流量差の絶対値移動平均を演算する絶対値移動平均演算手段と、前記絶対値移動平均演算手段により演算された絶対値移動平均値Sと警戒判定値K及びエラー判定値Eとを比較するための移動平均比較手段と、警戒運転を行うための警戒運転信号を生成する警戒運転信号生成手段と、エラー停止処理を行うためのエラー停止信号を生成するエラー停止信号生成手段と、を含んでおり、
前記絶対値移動平均値Sがエラー判定流量値Eを超える(E<S)と、前記エラー停止信号生成手段は前記エラー停止信号を生成し、前記エラー停止信号に基づいて前記エラー停止処理が行われ、また前記絶対値移動平均値Sが前記警戒判定値Kを超え且つ前記エラー判定値以下である(K<S≦E)と、前記警戒運転信号生成手段は前記警戒運転信号を生成し、前記警戒運転信号に基づいて前記警戒運転が行われることを特徴とする。
A solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention comprises: a reformer for steam reforming raw fuel gas; a vaporizer for generating steam used for steam reforming; a cell stack for generating electricity by oxidation and reduction of the reformed fuel gas reformed in the reformer and oxygen in the air; fuel gas supply means for supplying the raw fuel gas to the reformer; and the cell stack air supply means for supplying air to the cell stack; fuel gas flow rate measurement means for measuring the flow rate of the raw fuel gas supplied by the fuel gas supply means; and fuel off-gas and air off-gas after the power generation reaction in the cell stack. A solid oxide fuel cell system comprising an off-gas combustion unit for burning and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means,
The controller includes flow rate difference computing means for computing the flow rate difference between the fuel flow rate command value and the measured flow rate of the fuel gas flow rate measuring means, and an absolute value moving average of the flow rate difference computed by the flow rate difference computing means. value moving average calculation means; moving average comparison means for comparing the absolute value moving average value S calculated by the absolute value moving average calculation means with the caution judgment value K and the error judgment value E; and error stop signal generation means for generating an error stop signal for performing error stop processing,
When the absolute value moving average value S exceeds the error determination flow rate value E (E<S), the error stop signal generating means generates the error stop signal, and the error stop processing is performed based on the error stop signal. Further, when the absolute value moving average value S exceeds the warning determination value K and is equal to or less than the error determination value (K<S≤E), the warning driving signal generating means generates the warning driving signal, The caution driving is performed based on the caution driving signal.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記オフガス燃焼部は、前記セルスタックからの燃料オフガス及び空気オフガスが導出されるオフガス燃焼域であり、前記セルスタックからの燃料オフガスが前記オフガス燃焼域にて燃焼されることを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記セルスタックに関連する温度を検知する温度検知手段が設けられ、前記温度検知手段は、前記オフガス燃焼域の温度を検知するための燃焼域温度検知手段、排出される燃料オフガスを燃焼する排出燃焼部の温度を検知するための排出燃焼部温度検知手段及び前記セルスタックの温度を検知するためのセルスタック温度検知手段の少なくとも一つを含み、前記コントローラは、更に、前記オフガス燃焼域における部分失火の発生を判定するための部分失火判定手段を含んでおり、
前記部分失火判定手段は、前記燃焼域温度検知手段についてはその検知温度T1が第1部分失火判定温度値TB1より低いか(T1<TB1)に基づき、前記排出燃焼部温度検知手段についてはその検知温度T2が第2部分失火判定温度値TB2を超えるか(TB2<T2)に基づき、また前記セルスタック温度検知手段についてはその検知温度T3が第3部分失火判定温度値TB3よりも低いか(T3<TB3)に基づき部分失火の判定を行うことを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, temperature detection means for detecting a temperature related to the cell stack is provided, and the temperature detection means detects the temperature of the offgas combustion zone. Combustion zone temperature detection means for detection, exhaust combustion part temperature detection means for detecting the temperature of the exhaust combustion part that burns the discharged fuel off-gas, and cell stack temperature detection means for detecting the temperature of the cell stack wherein the controller further includes partial misfire determination means for determining the occurrence of a partial misfire in the offgas combustion zone,
The partial misfire determination means determines whether the detected temperature T1 of the combustion zone temperature detection means is lower than a first partial misfire determination temperature value TB1 (T1<TB1), and the detection of the exhaust combustion part temperature detection means. Based on whether the temperature T2 exceeds the second partial misfire determination temperature value TB2 (TB2<T2), and whether the detected temperature T3 of the cell stack temperature detecting means is lower than the third partial misfire determination temperature value TB3 (T3 <TB3) is used to determine partial misfire.
また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記温度検知手段は、前記燃焼域温度検知手段、前記排出燃焼部温度検知手段及び前記セルスタック温度検知手段を含み、前記部分失火判定手段は、前記燃焼域温度検知手段の前記検知温度T1が前記第1部分失火判定温度値TB1より低い(T1<TB1)、前記排出燃焼部温度検知手段の前記検知温度T2が前記第2部分失火判定温度値TB2を超える(TB2<T2)、また前記セルスタック温度検知手段の前記検知温度T3が前記第3部分失火判定温度値TB3よりも低い(T3<TB3)の3つの条件のうちの任意の一つの条件を満たす又は任意の二つの条件を満たす、或いは三つの全ての条件を満たしたときに部分失火の判定を行うことを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to
更に、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記コントローラは、更に、前記セルスタックに供給される原燃料ガスの供給流量を増量補正するための燃料ガス増量補正設定手段を更に含み、前記警戒運転において前記部分失火判定手段が部分失火の判定を行うと、前記燃料ガス増量補正設定手段は、前記セルスタックに供給される原燃料ガスの供給流量を増量補正することを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the controller further comprises a fuel gas increase correction setting for increasing the supply flow rate of the raw fuel gas supplied to the cell stack. means for increasing and correcting a supply flow rate of the raw fuel gas supplied to the cell stack when the partial misfire determination means determines a partial misfire during the warning operation. characterized by
本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガス供給手段及び空気供給手段の作動を制御するためのコントローラが流量差演算手段、絶対値移動平均演算手段及び移動平均比較手段を含み、流量差演算手段は燃料流量指令値と燃料ガス流量計測手段の計測流量との流量差を演算し、絶対値移動平均演算手段は、流量差演算手段により演算した流量差の絶対値移動平均を演算するので、燃料流量ハンチングが生じたときにはこの流量差が生じ、この燃料流量ハンチングが大きくなると、この流量差も大きくなって流量差の絶対値移動平均(例えば、2~10秒間程度の移動平均)も大きくなり、この流量差の絶対値移動平均を用いることにより燃料流量ハンチングの発生状態を調べることができる。 According to the solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention, the controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means comprises the flow rate difference calculation means, the absolute value moving average calculation means, and the moving average calculation means. The flow rate difference calculation means calculates the flow rate difference between the fuel flow rate command value and the measured flow rate of the fuel gas flow rate measurement means, and the absolute value moving average calculation means calculates the flow rate difference calculated by the flow rate difference calculation means. Since the absolute value moving average is calculated, when fuel flow rate hunting occurs, this flow rate difference occurs. The moving average for about a second) also increases, and by using the absolute value moving average of this flow rate difference, it is possible to investigate the occurrence of fuel flow rate hunting.
そして、移動平均比較手段がこの絶対値移動平均演算手段により演算された流量差の絶対値移動平均値Sと警戒判定値K及びエラー判定値Eとを比較し、この絶対値移動平均値Sがエラー判定流量値Eを超える(E<S)と、エラー停止信号生成手段がエラー停止信号を生成してエラー停止処理が行われるので、燃料流量ハンチングに起因する燃料不足によるセルスタックの損傷発生を抑制することができる。また、この絶対値移動平均値Sが警戒判定値Kを超え且つエラー判定値以下である(K<S≦E)と、警戒運転信号生成手段が警戒運転信号を生成し、この警戒運転信号に基づいて警戒運転が行われるので、この警戒運転において燃料ハンチングの発生状態を監視し、燃料流量ハンチングによる悪影響を少なく抑えることができる。 Then, the moving average comparing means compares the absolute value moving average value S of the flow rate difference calculated by the absolute value moving average calculating means with the warning judgment value K and the error judgment value E, and this absolute value moving average value S is When the error determination flow rate value E is exceeded (E<S), the error stop signal generating means generates an error stop signal and error stop processing is performed, so damage to the cell stack due to fuel shortage caused by fuel flow rate hunting can be prevented. can be suppressed. Further, when the absolute value moving average value S exceeds the warning determination value K and is equal to or less than the error determination value (K<S≤E), the warning driving signal generating means generates a warning driving signal. Since the warning operation is carried out based on this, it is possible to monitor the state of occurrence of fuel hunting in this warning operation, and to suppress the adverse effect of the fuel flow rate hunting to a minimum.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、オフガス燃焼部がセルスタックからの燃料オフガス及び空気オフガスが導出されるオフガス燃焼域であるので、このオフガス燃焼域にてセルスタックからの燃料オフガスを空気オフガスにより燃焼させることができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system of
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックに関連する温度を検知する温度検知手段は、オフガス燃焼域の温度を検知するための燃焼域温度検知手段、排出される燃料オフガスを燃焼する排出燃焼部の温度を検知するための排出燃焼部温度検知手段及びセルスタックの温度を検知するためのセルスタック温度検知手段の少なくとも一つを含んでいるので、この温度検知手段を用いてオフガス燃焼部における燃料オフガスの燃焼状態を検知することができる。また、部分失火判定手段は、燃焼域温度検知手段についてはその検知温度T1が第1部分失火判定温度値TB1より低いか(T1<TB1)に基づき、排出燃焼部温度検知手段についてはその検知温度T2が第2部分失火判定温度値TB2を超えるか(TB2<T2)に基づき、またセルスタック温度検知手段についてはその検知温度T3が第3部分失火判定温度値TB3よりも低いか(T3<TB3)に基づき部分失火の判定を行うので、オフガス燃焼部における部分失火の発生を検知することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the temperature detection means for detecting the temperature related to the cell stack includes a combustion zone temperature detection means for detecting the temperature of the offgas combustion zone. means, at least one of exhaust combustion part temperature detection means for detecting the temperature of the exhaust combustion part that burns the discharged fuel off-gas, and cell stack temperature detection means for detecting the temperature of the cell stack. The combustion state of the fuel off-gas in the off-gas combustion section can be detected using this temperature detection means. Further, the partial misfire determination means determines whether or not the detected temperature T1 of the combustion zone temperature detection means is lower than the first partial misfire determination temperature value TB1 (T1<TB1). Based on whether T2 exceeds the second partial misfire determination temperature value TB2 (TB2<T2), and for the cell stack temperature detection means, whether the detection temperature T3 is lower than the third partial misfire determination temperature value TB3 (T3<TB3 ), it is possible to detect the occurrence of a partial misfire in the offgas combustion section.
また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、温度検知手段は、燃焼域温度検知手段、排出燃焼部温度検知手段及びセルスタック温度検知手段を含み、部分失火判定手段は、燃焼域温度検知手段の検知温度T1が第1部分失火判定温度値TB1より低い(T1<TB1)、排出燃焼部温度検知手段の検知温度T2が第2部分失火判定温度値TB2を超える(TB2<T2)、またセルスタック温度検知手段の検知温度T3が第3部分失火判定温度値TB3よりも低い(T3<TB3)の3つの条件のうちの任意の一つの条件を満たす又は任意の二つの条件を満たす、或いは三つ全ての条件を満たすときに部分失火の判定を行うので、燃焼域温度検知手段、排出燃焼部温度検知手段及びセルスタック温度検知手段の検知温度T1,T2,T3に基づいてオフガス燃焼域における部分失火の発生を確実に検知することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system according to
更に、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、警戒運転において部分失火判定手段が部分失火の判定を行うと、燃料ガス増量補正設定手段は、セルスタックに供給される原燃料ガスの供給流量を増量補正するので、セルスタックに供給される原燃料ガスの供給流量が増え、これにより、燃料流量ハンチングによる燃料不足を補い、燃料流量ハンチングによるセルスタックへの悪影響を少なく抑えることができる。 Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, when the partial misfire determination means determines a partial misfire during caution operation, the fuel gas increase correction setting means supplies fuel gas to the cell stack. Since the supply flow rate of the raw fuel gas supplied to the cell stack is increased, the supply flow rate of the raw fuel gas supplied to the cell stack is increased. can be kept to a minimum.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。まず、図1を参照して、第1の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。 An embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, referring to FIG. 1, the solid oxide fuel cell system of the first embodiment will be described.
図1において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、原燃料ガス(例えば、都市ガス、LPガスなど)を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器4と、この改質器4にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック6とを備えている。
In FIG. 1, the illustrated solid oxide
セルスタック6は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セル8を集電部材を介して積層して構成され、酸素イオンを伝導する固体電解質10と、この固体電解質10の一方側に設けられた燃料極12と、固体電解質の他方側に設けられた空気極14備え、固体電解質10として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
The
このセルスタック6の燃料極12側は、改質燃料ガス送給流路16介して改質器4に接続され、この形態では、改質器4は、改質用水を気化するための気化器18と一体的に構成されている。尚、気化器18は、改質器4と別体に構成し、気化器18にて気化された水蒸気を、水蒸気送給流路(図示せず)を通して改質器4に送給するようにしてもよい。
The
気化器18は、燃料ガス供給流路20を介して原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源(図示せず)(例えば、埋設管や貯蔵タンクなどから構成される)に接続され、燃料ガス供給源からの原燃料ガスが燃料ガス供給流路20を通して気化器18に供給される。尚、この燃料ガス供給流路20を改質器4に接続し、燃料ガス供給源からの原燃料ガスを改質器4に直接的に供給するようにしてもよい。
The
また、この気化器18は、水供給流路22を介して水供給源(図示せず)(例えば、水タンクや水回収タンクなどから構成される)に接続され、水供給源からの改質用水が水供給流路22を通して気化器18に供給される。改質器4には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給流路20を通して供給される原燃料ガスが水蒸気により水蒸気改質される。
In addition, the
燃料ガス供給流路20には、気化器18から上流側に向けて順に脱硫器24、絞り部材26、燃料ガスポンプ28(燃料ガス供給手段を構成する)、圧力調整部材としてのゼロガバナ30、燃料ガス流量センサ32(燃料ガス流量計測手段を構成する)及び遮断弁34が配設されている。脱硫器24は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分(付臭剤中の硫黄成分)を除去し、燃料ガスポンプ28は、燃料ガス供給流路20を流れる原燃料ガスを昇圧して気化器18に供給する。
The fuel
また、ゼロガバナ30は、燃料ガス供給源(図示せず)から燃料ガス供給流路14を通して供給される原燃料ガスを所定圧力(大気圧付近)に調整し、燃料ガス流量センサ32は、燃料ガス供給流路14を通して供給される原燃料ガスの流量を測定し、遮断弁32は、閉状態になると燃料ガス供給流路20を遮断して燃料ガスの供給を停止する。また、燃料ガスポンプ28の下流側に位置する絞り部材26は、燃料ガス供給流路14を流れる原燃料ガスの流量を安定させるために設けられ、この絞り部材26として例えばキャピラリー管が用いられる。また、燃料ガス流量センサ32は、例えば熱式流量センサから構成することができる。
In addition, the zero
更に、水供給流路22には水ポンプ36が配設され、この水ポンプ36によって、水供給源(図示せず)からの改質用水が水供給流路22を通して気化器18に供給される。尚、原燃料ガスを安定的して供給することができるときには、絞り部材26を省略するようにしてもよく、またゼロガバナ30の上流側に、絞り部材又はバッファ-タンクを設けるようにしてもよい。
Further, a
このセルスタック6の空気極14側は、空気供給流路38を介して空気供給手段としての空気ブロア40に接続され、この空気供給流路38に空気流量センサ42(空気流量計測手段を構成する)が配設されている。空気ブロア40は、酸化材としての空気を空気供給流路38を通してセルスタック6の空気極14側に供給し、空気流量センサ42は、空気供給流路38を流れる空気の流量を計測する。
The
この実施形態では、燃料ガスポンプ28(及び水ポンプ36、空気ブロア40)の回転制御は、駆動電流のデューティ比(所謂、駆動デューティ比)でもって制御され、駆動デューティ比が大きくなると、燃料ガスポンプ28(及び水ポンプ36、空気ブロア40)の回転数が大きくなって原燃料ガス(及び改質用水、空気)の供給流量が増え、一方駆動デューティ比が小さくなると、燃料ガスポンプ28(及び水ポンプ36、空気ブロア40)の回転数が小さくなって原燃料ガス(及び改質用水、空気)の供給流量が少し、このようにして原燃料ガス(及び改質用水、空気)の供給流量が制御される。
In this embodiment, the rotation control of the fuel gas pump 28 (and
セルスタック6の上方には、オフガス燃焼域44(オフガス燃焼部を構成する)が配設され、改質器4及び気化器18は、このオフガス燃焼域44の上方に配設されている。セルスタック6の燃料極12側から導出される燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)は、このオフガス燃焼域44に流れ、またセルスタック6の空気極14側から導出される空気オフガス(即ち、カソードオフガス)も、このオフガス燃焼域44に流れ、このオフガス燃焼域44において、セルスタック6の燃料極12側からの燃料オフガス(燃料ガスを含んでいる)がその空気極14側からの空気オフガス(酸素を含んでいる)により燃焼され、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して気化器12及び改質器4が加熱される。
An offgas combustion zone 44 (constituting an offgas combustion section) is arranged above the
オフガス燃焼域44にて燃焼された燃焼排気ガスは、排気ガス排出流路46を通して大気に排出される。この排気ガス排出流路46にはオフガス燃焼部としての排出燃焼部48が設けられ、この排出燃焼部48には、図示していないが、燃料オフガス(燃焼排気ガスに含まれる燃料ガス)の燃焼を促進させるための燃焼触媒が設けられている。従って、排気ガス排出流路46を通して排出される燃焼排気ガスは、この排出燃焼部48にて燃焼され、燃料ガス成分が完全に燃焼された燃焼排気ガスが大気中に排出される。
Combustion exhaust gas combusted in the
この実施形態では、この排気ガス排出流路46に関連して熱交換器50(空気用熱交換器)が設けられている。この熱交換器50は、排気ガス排出流路46を流れる燃焼排気ガスと空気供給流路38を通して流れる空気との間で熱交換を行い、この熱交換により加熱された空気がセルスタック6の空気極14側に送給される。
In this embodiment, a heat exchanger 50 (air heat exchanger) is provided in relation to this exhaust
この実施形態では、改質器4、セルスタック6、気化器18及び熱交換器50が高温ハウジング52に収容されている。この高温ハウジング52は、金属製(例えば、ステンレス鋼製)であり、その内面は断熱部材で覆われ、その内側に高温空間54を規定し、改質器4、セルスタック6、気化器18及び熱交換器50がかかる高温空間54内で高温状態に保たれる。
In this embodiment,
この固体酸化物形燃料電池システム2では、更に、改質器4からセルスタック6に送給される改質燃料ガスの一部が燃料ガス供給流路20に流れるように構成されている。改質燃料ガス送給流路16から分岐して戻し流路56が設けられ、この戻し流路56の下流側が燃料ガス供給流路20(具体的には、ゼロガバナ30の配設部位と燃料ガスポンプ28の配設部位との間の部位)に接続されている。この戻し流路56は、高温ハウジング52外に導出されて燃料ガス供給流路20に接続され、この戻し流路56(具体的には、高温ハウジング52外の部位)にドレンセパレータ58が配設されている。
The solid oxide
このように構成されているので、改質燃料ガス送給流路38を流れる改質燃料ガスの一部は、戻し流路56を通して燃料ガス供給流路20に流れ、この戻し流路56を通して流れる間に大気により冷却され、冷却により改質燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。発生した凝縮水はドレンセパレータ58にて除去され、凝縮水が除去された改質燃料ガスが燃料ガス供給流路20に戻されて燃料ガス供給流路20を流れる原燃料ガスに混合される。尚、ドレンセパレータ58にて除去した凝縮水は、外部に排出するようにしてもよいが、水回収タンク(図示せず)に回収し、この回収した凝縮水を改質用水として利用するようにしてもよい。
With this configuration, part of the reformed fuel gas flowing through the reformed fuel
次に、この固体酸化物形燃料電池システム2の発電運転について説明する。発電運転のときには、燃料ガス供給源(図示せず)からの原燃料ガスが、燃料ガスポンプ28によって燃料ガス供給流路20を通して供給され、かく供給される原燃料ガスには、上述したようにして戻し流路56を通してリサイクルされる改質燃料ガスが混合され、混合された混合燃料ガスが燃料ガスポンプ28に送給され、燃料ガスポンプ28により昇圧された混合燃料ガスが燃料ガス供給流路20を通して脱硫器24に送給される。
Next, the power generation operation of this solid oxide
脱硫器24においては、脱硫剤によって混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分が除去される。脱硫すべき混合燃料ガス中には水素が含まれている(換言すると、改質燃料ガスを含んでいる)ので、脱硫剤は優れた脱硫作用を安定して発揮し、混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分を所望の通りに除去することができる。
In the
脱硫器24にて脱硫された原燃料ガス(混合燃料ガス)は、燃料ガス供給流路20を通して気化器18に送給される。この気化器18には、また、水供給流路22を通して改質用水が供給され、かかる気化器18にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び原燃料ガス(混合燃料ガス)が混合されて改質器4に送給される。
The raw fuel gas (mixed fuel gas) desulfurized by the
改質器4においては、原燃料ガス(混合燃料ガス)が水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された原燃料ガスが改質燃料ガス送給流路16を通してセルスタック6の燃料極12側に送給され、この改質燃料ガス送給流路16を流れる改質燃料ガスの一部が戻り流路56を通して燃料ガス供給流路20にリサイクルされる。また、このセルスタック6の空気極14側には、空気供給流路38を通して空気が送給される。
In the
セルスタック6においては、燃料極12側を流れる改質燃料ガス及び空気極14側を流れる空気(空気中の酸素)の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた直流の電力は、図示していないが、パワーコンディショナーを通して交流電力に変換されて家庭用の需要端に供給される。
In the
セルスタック6の燃料極12からの燃料オフガス(燃料ガスを含んでいる)及びその空気極14側からの空気オフガスはオフガス燃焼域44に流れ、このオフガス燃焼域44にて燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、オフガス燃焼域44からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路46を通して大気に排出される。
The fuel off-gas (containing fuel gas) from the
この発電運転中においては、熱交換器50において、排気ガス排出流路46を流れる燃焼排気ガスと空気供給流路38を流れる空気との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック6の空気極14側に送給される。
During the power generation operation, in the
この第1の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、オフガス燃焼域44からの燃焼排気ガスを排気ガス排出流路46を通してそのまま排出しているが、この排気ガス排出流路46に排熱回収用熱交換器(図示せず)するとともに、この排熱回収用熱交換器に関連して貯湯装置を設け、この排熱回収用熱交換器において排気ガス排出流路46を流れる燃焼排気ガスと貯湯装置からの水との間で熱交換を行い、この熱交換により燃焼排気ガスの排熱を回収して温水として貯湯装置で貯えるようにしてもよい。
In the solid oxide fuel cell system of the first embodiment, the combustion exhaust gas from the
また、この第1の実施形態では、セルスタック6の燃料極12からの燃料オフガス及びその空気極14からの空気オフガスをセルスタック6の上方のオフガス燃焼域44にて燃焼させているが、このような構成に代えて、オフガス燃焼部としてオフガス燃焼器(図示せず)を設け、セルスタック6の燃料極12側からの燃料オフガスを燃料オフガス送給流路(図示せず)を通してオフガス燃焼器に送給するとともに、その空気極14側からの空気オフガスを空気オフガス送給流路(図示せず)を通してオフガス燃焼器に送給し、このオフガス燃焼器にて燃料オフガスを空気オフガスにより燃焼させるようにしてもよい。
Further, in the first embodiment, the fuel off-gas from the
また、この第1の実施形態では、セルスタック6に送給する改質燃料ガスの一部を戻し流路56を通して燃料ガス供給流路20に戻しているが、必ずしもこのように構成する必要はなく、戻し流路56を省略するようにしてもよい。
Further, in the first embodiment, part of the reformed fuel gas supplied to the
この固体酸化物形燃料電池システム2においては、燃料ガス供給流路20を流れる原燃料ガスの燃料流量ハンチングに起因するシステムのエラー停止の頻度を減らすために、更に、次のように構成されている。
In this solid oxide
図1とともに図2を参照して更に説明すると、セルスタック6に関連して、燃料オフガスの燃焼状態を検知するための温度検知手段62が設けられている。この第1の実施形態では、温度検知手段62はオフガス燃焼域44の温度を検知するための燃焼域温度検知センサ64(燃焼域温度検知手段を構成する)から構成され、この燃焼域温度検知センサ64がオフガス燃焼域44に配設されている。
2 together with FIG. 1, temperature detection means 62 for detecting the combustion state of the fuel off-gas is provided in relation to the
温度検知手段62(燃焼域温度検知センサ64)からの検知信号は、システムを制御するためのコントローラ66に送給され、このコントローラ66には、燃料ガス流量センサ32(燃料ガス流量計測手段)及び空気流量センサ42(空気流量計測手段)からの検知信号も送給される。
A detection signal from the temperature detection means 62 (combustion zone temperature detection sensor 64) is sent to a
図示のコントローラ66は、例えば、マイクロプロセッサなどから構成され、作動制御手段68、燃料利用率設定手段70、流量差演算手段72、絶対値移動平均演算手段74、移動平均比較手段76、警戒運転信号生成手段78及びエラー停止信号生成手段80を含んでいる。作動制御手段68は、燃料ガスポンプ28、空気ブロア40及び水ポンプ36を作動制御し、例えば燃料ガス流量センサ32の計測流量を用いて燃料ガスポンプ28を後述する如く作動制御する。
The illustrated
また、燃料利用率設定手段70は、セルスタック6で消費される原燃料ガスの燃料利用率を設定する。この燃料利用率は、セルスタック6に供給される原燃料ガスのうちセルスタック6で発電に寄与する割合(即ち、燃料極12で消費される割合)であって、セルスタック6の発電電流と燃料流量とで決まる値である。
Further, the fuel utilization factor setting means 70 sets the fuel utilization factor of the raw fuel gas consumed in the
更に、流量差演算手段72は、この燃料利用率に基づき設定される燃料流量指令値と燃料ガス流量センサ32の計測流量値との流量差を演算し、絶対値移動平均演算手段74は、この流量差の絶対値移動平均、例えば2~10秒間(例えば、5秒間)の移動平均を演算する。燃料ガス供給流路20を通して流れる燃料ガスに燃料流量ハンチングが生じると、この燃料流量指令値と燃料ガス流量センサ32の計測流量値との流量差が大きくなり、これにより、この流量差の絶対値移動平均も大きくなり、この流量差の絶対値移動平均を用いて燃料流量ハンチングの発生状態を検知している。
Furthermore, the flow rate difference calculation means 72 calculates the flow rate difference between the fuel flow rate command value set based on this fuel utilization rate and the flow rate value measured by the fuel gas
また、移動平均比較手段76は、絶対値移動平均演算手段74により演算された流量差の絶対値移動平均値Sと警戒判定値K及びエラー判定値Eとを比較する。エラー判定値Eとは、燃料流量ハンチングが発生して燃料ガス流量センサ32により燃料流量を計測することができないと判断する値であり、また警戒判定値Kとは、燃料流量ハンチングが少し発生して燃料ガス流量センサ32により燃料流量を計測することができるが正確に計測することができないと判断する値であり、例えばエラー判定値Eの30~60%程度の値に設定される。
Further, the moving
この実施形態では、流量差の絶対値移動平均値Sがエラー判定値Eを超える(E<S)と、燃料流量ハンチングが大きく発生し、原燃料ガスの供給流量を制御することができないとしてエラー停止信号生成手段80がエラー停止信号を生成する。また、この流量差の絶対値移動平均値Sがエラー判定値E以下で且つ警戒判定値Kを超えている(K<S≦E)と、燃料流量ハンチングが少し発生し、燃料流量ハンチングが大きくなるおそれがあるかを監視する必要があるとして警戒運転信号生成手段78が警戒運転信号を生成する。 In this embodiment, when the absolute value moving average value S of the flow rate difference exceeds the error judgment value E (E<S), large fuel flow rate hunting occurs, and an error occurs because the supply flow rate of the raw fuel gas cannot be controlled. A stop signal generating means 80 generates an error stop signal. Further, when the absolute value moving average value S of the flow rate difference is equal to or less than the error determination value E and exceeds the warning determination value K (K<S≦E), a slight fuel flow rate hunting occurs and a large fuel flow rate hunting occurs. The cautionary driving signal generating means 78 generates a cautionary driving signal as it is necessary to monitor whether there is a possibility of becoming.
このコントローラ66は、更に、温度比較手段82、部分失火判定手段84、失火判定手段86、燃料ガス増量補正設定手段88、計時手段90及びメモリ手段92を含んでいる。温度比較手段82は、燃焼域温度検知センサ64(温度検知手段62)により計測された検知温度値Tと部分失火判定温度値TB及び失火判定温度値TSとを比較する。部分失火判定温度値TBとは、オフガス燃焼域44における燃料オフガスの燃焼状態が部分的に失火していると判定する温度値であって、燃料オフガスの通常の燃焼状態のときの燃焼温度が例えば750℃前後であるときには、この部分失火判定温度値TBは例えば670℃前後に設定される。また、失火判定温度値TSとは、この燃料オフガスの燃焼状態が失火していると判定する温度値であって、この失火判定温度TSは部分失火判定温度値TBよりも20~30℃程度低い例えば650℃前後に設定される。
The
更に、部分失火判定手段84は、燃焼域温度検知センサ62の検知温度値Tが部分失火判定温度値TBよりも低く且つ失火判定温度値TS以上であるときに部分失火の判定を行い、また失火判定手段86は、この検知温度値Tが失火判定温度値TSよりも低くなると失火の判定を行う。
Further, the partial misfire determination means 84 determines a partial misfire when the detected temperature value T of the combustion zone
更にまた、計時手段90は時間を計時し、例えば流量差の絶対値移動平均を演算する際の移動平均時間(例えば、5秒間)などを計時する。また、メモリ手段92には、種々の判定基準値、例えば警戒判定値K、エラー判定値E、部分失火判定温度値TB及び失火判定温度値TSなどが登録される。
Furthermore, the
次に、主として図2及び図3を参照して、上述した固体酸化物形燃料電池システム2の稼働運転について説明する。固定酸化物形燃料電池システム2の稼働運転においては、コントローラ66の燃料利用率設定手段70により燃料利用率が設定され(ステップS1)、設定された燃料利用率となるようにセルスタック6の発電運転が行われる(ステップS2)。即ち、設定された燃料利用率で発電運転が行われるように、作動制御手段68は、燃料ガスポンプ28を作動させて原燃料ガスの供給流量を制御し、空気ブロア40を作動させて空気の供給流量を制御し、また水ポンプ36を作動させて改質用水の供給流量を制御する。
Next, mainly with reference to FIGS. 2 and 3, operation of the solid oxide
この稼働運転中においては、燃料ガス流量センサ32(燃料ガス流量計測手段)が燃料ガス供給流路20を通して供給される原燃料ガスの供給流量が計測され(ステップS3)、この燃料ガス流量センサ32からの計測信号がコントローラ66に送給される。このように計測信号が送られると、流量差演算手段72は、燃料流量指令値と燃料ガス流量センサ32の計測流量値との流量差を演算し(ステップS4)、絶対値移動平均演算手段74は、例えば5秒間にわたる流量差の絶対値移動平均値Sを演算する(ステップS5)。
During this operation, the fuel gas flow rate sensor 32 (fuel gas flow rate measuring means) measures the supply flow rate of the raw fuel gas supplied through the fuel gas supply passage 20 (step S3). is sent to
このようにして流量差の絶対値移動平均値Sが演算されると、移動平均比較手段76は、この流量差の絶対値移動平均値Sと警戒判定値Kとを比較する(ステップS6)。そして、この流量差の絶対値移動平均値Sが警戒判定値K以下である(S≦K)場合、原燃料ガスの供給流量が正確に計測されていて燃料流量ハンチングが発生していないとしてステップS7からステップS3に戻り、上述したステップS3からステップS7が繰返し遂行される。 When the absolute value moving average value S of the flow rate difference is calculated in this manner, the moving average comparison means 76 compares the absolute value moving average value S of the flow rate difference with the warning determination value K (step S6). If the absolute value moving average value S of the flow rate difference is equal to or less than the alarm judgment value K (S≦K), it is determined that the raw fuel gas supply flow rate is accurately measured and fuel flow rate hunting does not occur, and the step is taken. From S7, the process returns to step S3, and the above-described steps S3 to S7 are repeatedly performed.
また、この流量差の絶対値移動平均値Sが警戒判定値Kを超えている(K<S)場合、ステップS7からステップS8に進み、移動平均比較手段76は、次に流量差の絶対値移動平均値Sとエラー判定値Eとを比較する。そして、この流量差の絶対値移動平均値Sがエラー判定値Eをも超えている(E<S)と、燃料流量ハンチングが大きく発生していて原燃料ガスの供給流量を計測することができないとしてステップS9からステップS10に進む。このときには、移動平均比較手段72の比較結果に基づいてエラー判定が行われ、エラー停止信号生成手段80はエラー判定に基づきエラー停止信号を生成し、このエラー停止信号に基づいて固体酸化物形燃料電池システム2のエラー停止処理が所要の通りに行われる。
If the absolute value moving average value S of the flow rate difference exceeds the caution determination value K (K<S), the process proceeds from step S7 to step S8, and the moving average comparison means 76 next determines the absolute value of the flow rate difference The moving average value S and the error determination value E are compared. If the absolute moving average value S of the flow rate difference exceeds the error judgment value E (E<S), the fuel flow rate hunting occurs greatly and the supply flow rate of the raw fuel gas cannot be measured. Then, the process proceeds from step S9 to step S10. At this time, an error determination is performed based on the comparison result of the moving average comparison means 72, the error stop signal generation means 80 generates an error stop signal based on the error determination, and the solid oxide fuel is generated based on the error stop signal. The error stop processing of the
一方、この流量差の移動平均値Sがエラー判定値E以下である(S≦E)(即ち、流量差の移動平均値Sが警戒判定値Kを超え且つエラー判定値E以下である)と、ステップS9からステップS12に移る。このときには、燃料流量ハンチングが少し発生していて大きくなるかを監視する必要があるために、この比較結果に基づいて警戒判定が行われ、警戒運転信号生成手段78は警戒判定に基づき警戒運転信号を生成し、この警戒運転信号に基づいて固体酸化物形燃料電池システム2の警戒運転が行われ、この警戒運転においては、燃料流量ハンチングによりオフガス燃焼域44において燃料オフガスの失火が発生していないかを見ながら燃料流量のハンチング状態を監視するようになる。
On the other hand, if the moving average value S of the flow rate difference is equal to or less than the error determination value E (S≦E) (that is, the moving average value S of the flow rate difference exceeds the warning determination value K and is equal to or less than the error determination value E). , the process moves from step S9 to step S12. At this time, since it is necessary to monitor whether the fuel flow rate hunting occurs a little and becomes large, a warning judgment is made based on this comparison result. is generated, and the warning operation of the solid oxide
警戒運転が行われると、燃焼域温度検知センサ64(温度検知手段62)は、オフガス燃焼域44の温度を検知し(ステップS13)、その検知信号がコントローラ66に送給される。このようにして検知信号が送給されると、温度比較手段82は、燃焼域温度検知センサ62の検知温度値Tと部分失火判定温度値TBとを比較する(ステップS14)。
When the warning operation is performed, the combustion zone temperature detection sensor 64 (temperature detection means 62) detects the temperature of the offgas combustion zone 44 (step S13), and the detection signal is sent to the
そして、この検知温度値Tが部分失火判定温度値TB以上である(TB≦T)場合、オフガス燃焼域44が所望の温度状態に保たれている、即ちオフガス燃焼域44においてセルスタック6の燃料極12側からの燃料オフガスがその空気極14側からの空気オフガスにより適切に燃焼しているということであり、この場合、ステップS15からステップS3に戻り、ステップS3~ステップS9及びステップS12~ステップS15が繰返し遂行され、この警戒運転が継続して行われる。
When the detected temperature value T is equal to or higher than the partial misfire determination temperature value TB (TB≤T), the
この警戒運転中に、流量差の絶対値移動平均値Sが警告判定値K以下になる(S≦K)と、燃料流量ハンチングが収まったとしてステップS7からステップS3に戻り、システムの警戒運転が終了する。 During this warning operation, when the absolute value moving average value S of the flow rate difference becomes equal to or less than the warning judgment value K (S≤K), it is assumed that the fuel flow rate hunting has stopped and the process returns from step S7 to step S3, and the system is put into warning operation. finish.
また、この警戒運転中に燃焼域温度検知センサ64の検知温度値Tが部分失火判定温度値TB(例えば、670℃)より低くなる(T<TB)と、ステップS15からステップS16に進み、温度比較手段82は、次に燃焼域温度検知センサ64の検知温度値Tと失火判定温度値TSとを比較する。そして、この検知温度値Tが失火判定温度値TSよりも低下している(T<TS)と、オフガス燃焼域44の燃焼温度が大きく低下して燃料オフガスが失火状態であるとしてステップS17からステップS18に進む。このときには、温度比較手段82の比較結果に基づいて失火判定手段86が失火判定を行い、この失火判定に基づいて固体酸化物形燃料電池システム2の失火停止処理が所要の通りに行われる(ステップS19)。
Further, when the detection temperature value T of the combustion zone
一方、燃焼域温度検知センサ64の検知温度値Tが失火判定温度値TS以上である(TS≦T)(即ち、この検知温度値Tが部分失火温度値TBより低く且つ失火判定温度値TS以上である)と、オフガス燃焼域44の燃焼温度が低下して燃料オフガスが部分失火状態であるとしてステップS17からステップS20に移る。このときには、部分失火判定手段84がこの判定結果に基づいて部分失火判定を行い、この部分失火状態を解消して安定した燃焼状態に戻るように燃料ガスの増量補正が行われる(ステップS21)。
On the other hand, the detected temperature value T of the combustion zone
即ち、燃料ガス増量補正設定手段88は、原料ガスの供給流量の増量補正を行い(この増量補正は、例えば燃料利用率設定手段により設定される燃料利用率を下げることによって行うようにしてもよい)、これにより、セルスタック6の燃料極12側を通過してオフガス燃焼域44に流れる燃料ガスの量が増え、燃料オフガスの燃焼が安定した状態に戻り、その後ステップS13に戻る。
That is, the fuel gas amount increase correction setting means 88 performs an amount increase correction of the supply flow rate of the raw material gas (this amount increase correction may be performed, for example, by lowering the fuel utilization rate set by the fuel utilization rate setting means. ), thereby increasing the amount of fuel gas passing through the
このように警戒運転中に部分失火が発生したときに燃料ガスの供給流量を増大することにより、この燃料流量ハンチングによる部分失火乃至失火を抑えることができ(換言すると、燃料不足による悪影響を抑えることができ)、これにより、従来に比してエラー判定の設定値を大きくすることができ、その結果、燃料流量ハンチングに起因するシステムのエラー停止の頻度を少なくすることが可能となる。 By increasing the supply flow rate of the fuel gas when a partial misfire occurs during warning operation in this way, it is possible to suppress partial misfires or misfires due to this fuel flow hunting (in other words, suppress the adverse effects of fuel shortage). This makes it possible to increase the setting value for error determination as compared with the conventional art, and as a result, it is possible to reduce the frequency of system error stop caused by fuel flow rate hunting.
次に、図4及び図5を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態では、温度検知手段は、オフガス燃焼域の燃焼温度を検知する燃焼域温度検知センサに加えて、排出燃焼部の温度を検知する排出燃焼部温度検知センサ及びセルスタックの温度を検知するセルスタック温度検知センサを含んでおり、これら燃焼域温度検知センサ、排出燃焼部温度検知センサ及びセルスタック温度検知センサの検知温度に基づいて燃焼オフガスの部分失火状態及び失火状態を検知するように構成されている。尚、この第2の実施形態において、上述した第1の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. In this second embodiment, the temperature detection means includes, in addition to a combustion zone temperature detection sensor that detects the combustion temperature of the offgas combustion zone, an exhaust combustion part temperature detection sensor that detects the temperature of the exhaust combustion part and a cell stack temperature sensor that detects the temperature of the exhaust combustion part. A partial misfire state and a misfire state of the combustion off-gas are detected based on the temperatures detected by the combustion zone temperature detection sensor, the exhaust combustion part temperature detection sensor and the cell stack temperature detection sensor. is configured as In the second embodiment, members substantially the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
図4において、この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、温度検知手段62Aとして燃焼域温度検知センサ64、排出燃焼部温度検知センサ102及びセルスタック温度検知センサ104が用いられる。
In FIG. 4, in the solid oxide fuel cell system of the second embodiment, a combustion zone
燃焼域温度検知センサ64は、上述した同様にオフガス燃焼域44(図1参照)に配設され、このオフガス燃焼域44における燃焼温度を検知する。オフガス燃焼域44の燃焼状態が不安定になって部分失火状態になるとオフガス燃焼域44の燃焼温度が低下し、この燃焼状態が更に不安定になって失火状態になるとその燃焼温度が更に低下する。このようなことから、この燃焼域温度検知センサ64に関連して、部分失火判定の基準となる第1部分失火判定温度値TB1(例えば、670℃前後)及び失火判定の基準となる第1失火判定温度値TS1(例えば、650℃前後)が設定される。
The combustion zone
排出燃焼部温度検知センサ102は、排出燃焼部48(図1参照)の燃焼触媒(図示せず)付近に配設され、この排出燃焼部48における燃焼温度を検知する。オフガス燃焼域44の燃焼状態が不安定になって部分失火状態になると、燃料オフガスがオフガス燃焼域44で完全に燃焼されずにこの排出燃焼部48まで流れて燃焼されるようになり、この排出燃焼部48における燃焼温度が上昇し、この燃焼状態が更に不安定になって失火状態になると、排出燃焼部48まで流れる燃料オフガスが多くなってその燃焼温度が更に上昇する。このようなことから、この排出燃焼部温度検知センサ102に関連して、部分失火判定の基準となる第2部分失火判定温度値TB2(例えば、210℃前後)及び失火判定の基準となる第2失火判定温度値TS2(例えば、280℃前後)が設定される。
The exhaust combustion part
また、セルスタック温度検知センサ104は、セルスタック6(図1参照)付近に配設され、このセルスタック6の作動温度を検知する。オフガス燃焼域44の燃焼状態が不安定になって部分失火状態になると、オフガス燃焼域44での燃焼温度が低下しセルスタック6を高温状態に保持することができなくなり、これにより、セルスタック6の作動温度が低下し、この燃焼状態が更に不安定になって失火状態になると、オフガス燃焼域44の燃焼温度が更に低下し、これにより、セルスタック6の作動温度が更に低下する。このようなことから、このセルスタック温度検知センサ104に関連して、部分失火判定の基準となる第3部分失火判定温度値TB3(例えば、640℃前後)及び失火判定の基準となる第3火判定温度値TS3例えば、630℃前後)が設定される。尚、これら第1~第3部分失火判定温度値TB1,TB2,TB3及び第1~第3失火判定温度値TS1,TS2,TS3は、メモリ手段92Aに登録される。
A cell stack
この第2の実施形態では、上述した構成に関連して、温度比較手段82は、燃焼域温度検知センサ64の検知温度T1については第1部分失火判定温度値TB1及び第1失火判定温度値TS1との比較をし、排出燃焼部温度検知センサ102の検知温度T2については第2部分失火判定温度値TS2及び第2失火判定温度値TS2との比較をし、またセルスタック温度検知センサ104の検知温度T3については第3部分失火判定温度値TB3及び第3失火判定温度値TS3との比較をする。この第2の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
In the second embodiment, in relation to the configuration described above, the temperature comparison means 82 detects the temperature T1 detected by the combustion zone
次いで、図4とともに図5を参照して、この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの稼働運転について説明する。第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの稼働運転においては、警戒運転においてのみ第1の実施形態と相違し、燃料流量指令値と燃料ガス流量センサ32の計測流量値との流量差を演算し、この流量差の絶対値移動平均値Sを演算し、演算した流量差の絶対値移動平均値Sと警戒判定値K及びエラー判定値Eとを比較し、流量差の絶対値移動平均値Sが警戒判定値Kを超え且つエラー判定値以下である(K<S≦E)と警戒運転を行い、この流量差の絶対値移動平均値Sがエラー判定値Eを超えるとエラー停止処理を行うように制御する。以下、第1の実施形態と相違するこの警戒運転について説明する。 Next, with reference to FIG. 5 together with FIG. 4, operation of the solid oxide fuel cell system of the second embodiment will be described. Operation of the solid oxide fuel cell system of the second embodiment differs from that of the first embodiment only in caution operation. is calculated, the absolute value moving average value S of this flow rate difference is calculated, the absolute value moving average value S of the calculated flow rate difference is compared with the warning judgment value K and the error judgment value E, and the absolute value movement of the flow rate difference When the average value S exceeds the warning judgment value K and is equal to or less than the error judgment value (K<S≤E), the warning operation is performed. control to process. This warning driving, which is different from the first embodiment, will be described below.
この警戒運転においては、燃料流量ハンチングが少し発生していて大きくなるかを監視する必要があるための運転が行われ、温度検知手段62Aが所定部分の温度を検知する(ステップS31)。即ち、燃焼域温度検知センサ64はオフガス燃焼域44(図1)の温度を検知し、排出燃焼部温度検知センサ102は排出燃焼部48(図1)の温度を検知し、セルスタック温度検知センサ104はセルスタック6(図1)の温度を検知し、これら燃焼域温度検知センサ64、排出燃焼部温度検知センサ102及びセルスタック温度検知センサ104の検知信号がコントローラ66Aに送給される。
In this warning operation, operation is performed because it is necessary to monitor whether fuel flow rate hunting occurs a little and increases, and the temperature detection means 62A detects the temperature of a predetermined portion (step S31). That is, the combustion zone
これら検知信号が送給されると、温度比較手段82は、燃焼域温度検知センサ62の検知温度値T1と第1部分失火判定温度値TB1とを比較し、またセルスタック温度検知センサ104の検知温度値T3と第3部分失火判定温度値TB3とを比較する(ステップS32)。そして、燃焼域温度検知センサ62の検知温度値T1が第1部分失火判定温度値TB1よりも低い(T1<TB1)、又はセルスタック温度検知センサ104の検知温度値T3が第3部分失火判定温度値TB3よりも低い(T3<TB3)と、ステップS33からステップS34に進み、次に、温度比較手段82は、燃焼域温度検知センサ62の検知温度値T1と第1失火判定温度値TS1とを比較し、またセルスタック温度検知センサ104の検知温度値T3と第3失火判定温度値TBSとを比較する。
When these detection signals are sent, the
燃焼域温度検知センサ62の検知温度値T1が第1失火判定温度値TS1よりも低い(T1<TS1)、又はセルスタック温度検知センサ104の検知温度値T3が第3失火判定温度値TS3よりも低い(T3<TS3)と、オフガス燃焼域44での燃焼が失火状態であるとしてステップS35からステップS36に進む。このときには、失火判定手段86は、温度比較手段82の比較結果に基づき失火判定を行い、この失火判定に基づいてシステムの失火停止処理が所要の通りに行われる(ステップS37)。
The detection temperature value T1 of the combustion zone
一方、燃焼域温度検知センサ64の検知温度値T1が第1失火判定温度値TS1以上であり(TS1≦T1)(即ち、この検知温度値T1が第1部分失火温度値TB1よりも低く且つ第1失火判定温度値TS1以上である)、且つセルスタック温度検知センサ104の検知温度値T3が第3失火判定温度値TS3以上である(TS3≦T3)(即ち、この検知温度値T3が第3部分失火温度値TB3よりも低く且つ第3失火判定温度値TS3以上である)と、オフガス燃焼域44の燃焼温度が低下して燃料オフガスが部分失火状態であるとしてステップS35からステップS38に移る。このときには、部分失火判定手段84は、この判定結果に基づいて部分失火判定を行い、この部分失火状態を解消して安定した燃焼状態に戻るように燃料ガスの増量補正が行われる(ステップS39)。
On the other hand, the detected temperature value T1 of the combustion zone
また、ステップS33において燃焼域温度検知センサ62の検知温度値T1が第1部分失火判定温度値TB1以上(TB1≦T)で、且つセルスタック温度検知センサ104の検知温度値T3が第3部分失火判定温度値TB3以上である(TB3≦T3)と、ステップS33からステップS40に移り、温度比較手段82は、排出燃焼部温度検知センサ102の検知温度値T2と第2部分失火判定温度値TB2とを比較する。そして、排出燃焼部温度検知センサ102の検知温度値T2が第2部分失火判定温度値TB2以下である(T2≦TB2)と、オフガス燃焼域44での燃焼が安定しているとしてステップS41を経て燃料流量ハンチングの発生状態の確認の流れに戻る(即ち、図3のフローチャートにおけるステップS3に戻る)。
Further, in step S33, the temperature value T1 detected by the combustion zone
また、排出燃焼部温度検知センサ102の検知温度値T2が第2部分失火判定温度値TB2を超えている(TB2<T2)と、ステップS40からステップS41を経てステップS42に進み、次に、温度比較手段82は、排出燃焼部温度検知センサ102の検知温度値T2と第2失火判定温度値TS2とを比較する。そして、排出燃焼部温度検知センサ102の検知温度値T2が第2失火判定温度値TS2よりも高い(TS2<T2)と、オフガス燃焼域44での燃焼が失火状態であるとしてステップS43からステップS36に移って失火判定が行われ、固体酸化物形燃料電池システム2の失火停止処理が行われる(ステップS37)。
Further, when the detected temperature value T2 of the exhaust combustion part
一方、排出燃焼部温度検知センサ104の検知温度値T2が第2失火判定温度値TS2以下であり(T2≦TS2)(即ち、この検知温度値T2が第2部分失火温度値TB2よりも高く且つ第2失火判定温度値TS2以下である)と、オフガス燃焼域44の燃料オフガスが部分失火状態であるとしてステップS43からステップS38に移って部分失火判定が行われ、上述したようにして燃料ガスの増量補正が行われる(ステップS39)。
On the other hand, the detected temperature value T2 of the exhaust combustion part
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。 Although the embodiments of the solid oxide fuel cell system according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications are possible without departing from the scope of the present invention. is.
例えば、上述した第2の実施形態では、部分失火判定手段84は、燃焼域温度検知センサ62(燃焼域温度検知手段)の検知温度値T1が第1部分失火判定温度値TB1より低いか、排出燃焼部温度検知センサ102(排出燃焼部温度検知手段)の検知温度値T2が第2部分失火判定温度値TB2を超えるか、またセルスタック温度検知センサ104(セルスタック温度検知手段)の検知温度値T3が第3部分失火判定温度値TB3よりも低いかの3つの条件の一つを満たすと、オフガス燃焼域44の燃焼が部分失火状態であると判定しているが、これら3つの条件のうち任意の二つの条件を満たしたときに部分失火状態と判定するようにしてもよく、或いはこれら三つの条件の全てを満たしたときに部分失火状態と判定するようにしてもよい。
For example, in the above-described second embodiment, the partial misfire determination means 84 determines whether the detected temperature value T1 of the combustion zone temperature detection sensor 62 (combustion zone temperature detection means) is lower than the first partial misfire determination temperature value TB1, or The temperature value T2 detected by the combustion section temperature detection sensor 102 (exhaust combustion section temperature detection means) exceeds the second partial misfire determination temperature value TB2, or the temperature value detected by the cell stack temperature detection sensor 104 (cell stack temperature detection means). When one of the three conditions of whether T3 is lower than the third partial misfire determination temperature value TB3 is satisfied, it is determined that the combustion in the
また、例えば、この第2の実施形態では、失火判定手段84は、燃焼域温度検知センサ62(燃焼域温度検知手段)の検知温度値T1が第1失火判定温度値TS1より低いか、排出燃焼部温度検知センサ102(排出燃焼部温度検知手段)の検知温度値T2が第2失火判定温度値TS2を超えるか、またセルスタック温度検知センサ104(セルスタック温度検知手段)の検知温度値T3が第3失火判定温度値TB3よりも低いかの3つの条件の一つを満たすと、オフガス燃焼域44の燃焼が失火状態であると判定しているが、これら3つの条件のうちの任意の二つの条件を満たしたときに失火状態と判定するようにしてもよく、或いはこれら三つの条件の全てを満たしたときに失火状態と判定するようにしてもよい。
Further, for example, in the second embodiment, the misfire determination means 84 determines whether the detected temperature value T1 of the combustion zone temperature detection sensor 62 (combustion zone temperature detection means) is lower than the first misfire determination temperature value TS1, or the exhaust combustion If the temperature value T2 detected by the part temperature detection sensor 102 (exhaust combustion part temperature detection means) exceeds the second misfire determination temperature value TS2, or if the temperature value T3 detected by the cell stack temperature detection sensor 104 (cell stack temperature detection means) If one of the three conditions of being lower than the third misfire determination temperature value TB3 is satisfied, it is determined that the combustion in the
更に、第1の実施形態では燃焼域温度検知センサ64(燃焼域温度検知手段)を用い、第2の実施形態では燃焼域温度検知センサ64(燃焼域温度検知手段)、排出燃焼部温度検知センサ102(排出燃焼部温度検知手段)及びセルスタック温度検知センサ104(セルスタック温度検知手段)を用いて、オフガス燃焼部44における燃焼の部分失火状態及び失火状態を検知しているが、この部分失火状態及び失火状態の検知は、燃焼域温度検知センサ64、排出燃焼部温度検知センサ102及びセルスタック温度検知センサ104のうちの任意の一つの検知センサ又は任意の二つの検知センサを用いることにより行うことができる。
Furthermore, in the first embodiment, the combustion zone temperature detection sensor 64 (combustion zone temperature detection means) is used, and in the second embodiment, the combustion zone temperature detection sensor 64 (combustion zone temperature detection means) and the exhaust combustion part temperature detection sensor are used. 102 (exhaust combustion section temperature detection means) and a cell stack temperature detection sensor 104 (cell stack temperature detection means) are used to detect a partial misfire state and a misfire state of combustion in the
2 固体酸化物形燃料電池システム
4 改質器
6 セルスタック
8 燃料電池セル
12 燃料極
14 空気極
18 気化器
20 燃料ガス供給流路
28 燃料ガスポンプ(燃料ガス供給手段)
32 燃料ガス流量センサ(燃料ガス流量計測手段)
36 水ポンプ
40 空気ブロア
44 オフガス燃焼域
48 排出燃焼部
62 温度検知手段
64 燃焼域温度検知センサ(燃焼域温度検知手段)
66,66A コントローラ
72 流量差演算手段
74 絶対値移動平均演算手段
76 移動平均比較手段
78 警戒運転信号生成手段
80 エラー停止信号生成手段
82 温度比較手段
84 部分失火判定手段
86 失火判定手段
88 燃料ガス増量補正設定手段
102 排出燃焼部温度検知センサ(排出燃焼部温度検知手段)
104 セルスタック温度検知センサ(セルスタック温度検知手段)
2 solid oxide
32 fuel gas flow rate sensor (fuel gas flow rate measuring means)
36 water pump 40
66,
104 cell stack temperature detection sensor (cell stack temperature detection means)
Claims (5)
前記コントローラは、燃料流量指令値と前記燃料ガス流量計測手段の計測流量値との流量差を演算する流量差演算手段と、前記流量差演算手段により演算した流量差の絶対値移動平均を演算する絶対値移動平均演算手段と、前記絶対値移動平均演算手段により演算された絶対値移動平均値Sと警戒判定値K及びエラー判定値Eとを比較するための移動平均比較手段と、警戒運転を行うための警戒運転信号を生成する警戒運転信号生成手段と、エラー停止処理を行うためのエラー停止信号を生成するエラー停止信号生成手段と、を含んでおり、
前記絶対値移動平均値Sがエラー判定流量値Eを超える(E<S)と、前記エラー停止信号生成手段は前記エラー停止信号を生成し、前記エラー停止信号に基づいて前記エラー停止処理が行われ、また前記絶対値移動平均値Sが前記警戒判定値Kを超え且つ前記エラー判定値以下である(K<S≦E)と、前記警戒運転信号生成手段は前記警戒運転信号を生成し、前記警戒運転信号に基づいて前記警戒運転が行われることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A reformer for steam reforming the raw fuel gas, a vaporizer for generating steam used for steam reforming, and a reformed fuel gas reformed by the reformer and oxygen in the air. A cell stack for generating electricity by oxidation and reduction, a fuel gas supply means for supplying raw fuel gas to the reformer, an air supply means for supplying air to the cell stack, and the fuel gas supply means. a fuel gas flow rate measuring means for measuring the flow rate of the raw fuel gas supplied by the cell stack; an off-gas combustion section for burning the fuel off-gas and air off-gas after the power generation reaction in the cell stack; the fuel gas supply means; A solid oxide fuel cell system comprising a controller for controlling the operation of the air supply means,
The controller includes a flow rate difference calculation means for calculating a flow rate difference between the fuel flow rate command value and the measured flow rate value of the fuel gas flow rate measurement means, and an absolute value moving average of the flow rate difference calculated by the flow rate difference calculation means. absolute value moving average calculation means; moving average comparison means for comparing the absolute value moving average value S calculated by the absolute value moving average calculation means with the warning determination value K and the error determination value E; and error stop signal generation means for generating an error stop signal for performing error stop processing,
When the absolute value moving average value S exceeds the error determination flow rate value E (E<S), the error stop signal generating means generates the error stop signal, and the error stop processing is performed based on the error stop signal. Further, when the absolute value moving average value S exceeds the warning determination value K and is equal to or less than the error determination value (K<S≤E), the warning driving signal generating means generates the warning driving signal, A solid oxide fuel cell system, wherein the warning operation is performed based on the warning operation signal.
前記部分失火判定手段は、前記燃焼域温度検知手段についてはその検知温度T1が第1部分失火判定温度値TB1より低いか(T1<TB1)に基づき、前記排出燃焼部温度検知手段についてはその検知温度T2が第2部分失火判定温度値TB2を超えるか(TB2<T2)に基づき、また前記セルスタック温度検知手段についてはその検知温度T3が第3部分失火判定温度値TB3よりも低いか(T3<TB3)に基づき部分失火の判定を行うことを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 A temperature sensing means is provided for sensing a temperature associated with the cell stack, the temperature sensing means comprising combustion zone temperature sensing means for sensing the temperature of the off-gas combustion zone, and exhaust combustion for burning the discharged fuel off-gas. at least one of exhaust combustion section temperature sensing means for sensing a temperature of the cell stack and cell stack temperature sensing means for sensing a temperature of the cell stack, the controller further comprising: a partial misfire in the offgas combustion zone; includes partial misfire determination means for determining the occurrence of
The partial misfire determination means determines whether the detected temperature T1 of the combustion zone temperature detection means is lower than a first partial misfire determination temperature value TB1 (T1<TB1), and the detection of the exhaust combustion part temperature detection means. Based on whether the temperature T2 exceeds the second partial misfire determination temperature value TB2 (TB2<T2), and whether the detected temperature T3 of the cell stack temperature detecting means is lower than the third partial misfire determination temperature value TB3 (T3 3. The solid oxide fuel cell system according to claim 2, wherein partial misfire is determined based on <TB3).
The controller further includes fuel gas increase correction setting means for increasing the supply flow rate of the raw fuel gas supplied to the cell stack, and the partial misfire determination means determines partial misfire during the warning operation. 4. The solid oxide fuel cell system according to claim 3, wherein said fuel gas amount increase correction setting means increases the supply flow rate of the raw fuel gas supplied to said cell stack.
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