JP2019149271A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって電力と熱とを生成するシステムである。一般的な燃料電池システムにおいて、生成された電力は、電力負荷に供給される。電力負荷の例は、照明、空調装置などの電化製品である。生成された熱は、温水として貯湯タンクに貯えられる。温水は、貯湯タンクから熱負荷に供給される。熱負荷の例は、給湯機器、床暖房などの熱利用機器である。 The fuel cell system is a system that generates electric power and heat by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. In a general fuel cell system, generated electric power is supplied to an electric power load. Examples of power loads are electrical appliances such as lighting and air conditioners. The generated heat is stored as hot water in a hot water storage tank. Hot water is supplied from the hot water storage tank to the heat load. Examples of the heat load are heat-utilizing equipment such as hot-water supply equipment and floor heating.
水素ガスを供給するためのインフラストラクチャが整備されていないため、燃料電池システムは、改質器を備えていることが多い。改質器は、改質触媒を用いた水蒸気改質反応によって、原料ガス及び水から水素含有ガスを生成する。原料ガスは、有機化合物を含むガスであり、典型的には、都市ガス又は液化石油ガスである。 Since an infrastructure for supplying hydrogen gas has not been established, fuel cell systems often include a reformer. The reformer generates a hydrogen-containing gas from the raw material gas and water by a steam reforming reaction using a reforming catalyst. The raw material gas is a gas containing an organic compound, and is typically city gas or liquefied petroleum gas.
水は、ポンプの働きによって、水タンクから蒸発器に供給される。蒸発器において水蒸気が生成され、水蒸気が改質器に供給される。何らかの原因で水蒸気が不足すると、改質器においてコーキング(原料ガスの炭化)が発生する。このことは、改質器の故障又は劣化の原因となる。また、水蒸気が不足すると水素ガスが不足し、燃料電池システムの運転を継続できない。 Water is supplied from the water tank to the evaporator by the action of the pump. Steam is generated in the evaporator, and the steam is supplied to the reformer. When water vapor is insufficient for some reason, coking (carbonization of raw material gas) occurs in the reformer. This causes a failure or deterioration of the reformer. Further, when the water vapor is insufficient, the hydrogen gas is insufficient and the operation of the fuel cell system cannot be continued.
特許文献1には、燃料電池の発電運転中において水ポンプの回転数が目標回転数領域に対して異常であるとき、燃料電池の発電運転を継続させつつ、水ポンプの回転数の増減を繰り返して水ポンプの共振による水蒸気量の誤検知を回避することが記載されている。しかし、この制御を行ったとしても、水ポンプの共振以外の原因に起因する水蒸気不足には対処できない。
In
本開示は、
改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器と、
制御器と、
を備え、
前記改質器において前記水蒸気不足が発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の発電出力を現在の発電出力から第1特定値低下させる、燃料電池システムを提供する。
This disclosure
A reformer that generates a fuel gas containing hydrogen gas by reacting a raw material gas and water vapor using a reforming catalyst;
An evaporator for generating water vapor to be supplied to the reformer;
A fuel cell that generates electric power using the fuel gas and oxidant gas;
A detector for detecting that steam shortage has occurred in the reformer;
A controller;
With
When the steam shortage occurs in the reformer, the controller provides a fuel cell system that reduces the power generation output of the fuel cell by a first specific value from the current power generation output.
本開示の技術によれば、燃料電池における水素ガス不足を回避して燃料電池システムの運転を継続できる。 According to the technology of the present disclosure, it is possible to continue the operation of the fuel cell system while avoiding the shortage of hydrogen gas in the fuel cell.
(本開示の基礎となった知見)
改質器において水蒸気不足が発生する原因として、例えば、水タンクから蒸発器に水を供給するための経路に空気などの異物が入ることが挙げられる。また、蒸発器において水が一定の流量で蒸発するとは限らず、このことも水蒸気不足の原因の1つである。例えば、水の突沸は、水蒸気不足を招くと考えられる。さらに、水の流量を調節するための流量調整器に異常が発生した場合にも水蒸気不足は発生しうる。これらの水蒸気不足の原因を取り除くことは困難である。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
As a cause of the lack of water vapor in the reformer, for example, foreign substances such as air enter a path for supplying water from the water tank to the evaporator. Further, water does not always evaporate at a constant flow rate in the evaporator, and this is one of the causes of water vapor shortage. For example, bumping of water is thought to cause a lack of water vapor. Furthermore, water vapor shortage can also occur when an abnormality occurs in a flow regulator for adjusting the flow rate of water. It is difficult to remove these causes of water vapor shortage.
原料ガスを改質するために必要な水蒸気が不足すると、水素ガスを十分に生成できない。水素ガスが不足すると燃料電池の電圧が下がり、燃料電池システムの運転を継続することが困難となる。さらに、水蒸気不足は、改質器の劣化及び水素ガス不足による燃料電池の劣化を招く。 If water vapor necessary for reforming the raw material gas is insufficient, hydrogen gas cannot be generated sufficiently. When the hydrogen gas is insufficient, the voltage of the fuel cell decreases, and it becomes difficult to continue the operation of the fuel cell system. Furthermore, the shortage of water vapor causes deterioration of the reformer and the deterioration of the fuel cell due to the shortage of hydrogen gas.
(本開示に係る一態様の概要)
本開示の燃料電池システムは、
改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器と、
制御器と、
を備え、
前記改質器において前記水蒸気不足が発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の発電出力を現在の発電出力から第1特定値低下させる。
(Outline of one aspect according to the present disclosure)
The fuel cell system of the present disclosure includes:
A reformer that generates a fuel gas containing hydrogen gas by reacting a raw material gas and water vapor using a reforming catalyst;
An evaporator for generating water vapor to be supplied to the reformer;
A fuel cell that generates electric power using the fuel gas and oxidant gas;
A detector for detecting that steam shortage has occurred in the reformer;
A controller;
With
When the steam shortage occurs in the reformer, the controller reduces the power generation output of the fuel cell by a first specific value from the current power generation output.
第1態様によれば、水蒸気不足が発生したときに発電出力を低下させるので、燃料電池で必要とされる水素ガスの流量も減少する。その結果、燃料電池における水素ガス不足を回避して燃料電池システムの運転を継続できる。改質器及び燃料電池の劣化も抑制されうる。 According to the first aspect, since the power generation output is reduced when water vapor shortage occurs, the flow rate of hydrogen gas required in the fuel cell is also reduced. As a result, the operation of the fuel cell system can be continued while avoiding the shortage of hydrogen gas in the fuel cell. Degradation of the reformer and the fuel cell can also be suppressed.
本開示の第2態様において、例えば、第1態様に係る燃料電池システムでは、前記検出器は、前記改質器の入口における前記水蒸気の流量を反映した物理量を検出する。水蒸気の流量を反映した物理量を参照すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。 In the second aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to the first aspect, the detector detects a physical quantity reflecting the flow rate of the water vapor at the inlet of the reformer. By referring to the physical quantity reflecting the flow rate of water vapor, it is possible to accurately detect the occurrence of water vapor deficiency.
本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様に係る燃料電池システムでは、前記検出器は、前記蒸発器に供給されるべき前記水の流量を検出する流量計を含む。水の流量は、水蒸気の流量を直接的に左右するので、水の流量を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to the first or second aspect, the detector includes a flow meter that detects a flow rate of the water to be supplied to the evaporator. Since the flow rate of water directly affects the flow rate of water vapor, the occurrence of water vapor deficiency can be accurately detected by measuring the flow rate of water.
本開示の第4態様において、例えば、第1又は第2態様に係る燃料電池システムでは、前記検出器は、前記蒸発器の内部の圧力又は前記蒸発器から前記改質器への経路の圧力を検出する圧力センサを含む。生成された水蒸気の圧力を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。 In the fourth aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to the first or second aspect, the detector detects a pressure inside the evaporator or a pressure in a path from the evaporator to the reformer. Includes a pressure sensor to detect. By measuring the pressure of the generated water vapor, it is possible to accurately detect the occurrence of water vapor deficiency.
本開示の第5態様において、例えば、第1〜第4態様のいずれか1つに係る燃料電池システムは、前記改質器の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記温度センサによって検出された前記改質器の温度が第1閾値温度以上であるとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第2特定値低下させる。発電出力を下げることによって、改質器の内部の温度が上がりすぎることを防止できる。 In the fifth aspect of the present disclosure, for example, the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects further includes a temperature sensor that detects a temperature of the reformer, and is detected by the temperature sensor. When the temperature of the reformer is equal to or higher than the first threshold temperature, the controller reduces the power generation output of the fuel cell from the current power generation output by a second specific value. By reducing the power generation output, it is possible to prevent the temperature inside the reformer from rising too much.
本開示の第6態様において、例えば、第1〜第4態様のいずれか1つに係る燃料電池システムでは、前記水蒸気不足が所定時間内に複数回発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第2特定値低下させる。水蒸気不足が短期間に繰り返し発生したときに発電出力を大きく低下させると、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システムが停止したりすることを回避しつつ、燃料電池の運転を継続できる。 In the sixth aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, the controller controls the fuel cell when the water vapor shortage occurs a plurality of times within a predetermined time. The power generation output is reduced by a second specific value from the current power generation output. If the power generation output is greatly reduced when a shortage of water vapor occurs repeatedly in a short period of time, the reforming catalyst will be damaged greatly, and the fuel cell system will not stop due to an error such as misfiring. You can continue driving.
本開示の第7態様において、例えば、第5態様に係る燃料電池システムでは、前記改質器の温度が前記第1閾値温度よりも高い第2閾値温度を超えたとき、前記制御器は、前記燃料電池の運転を停止させる。第7態様によれば、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システムが停止したりすることを回避しつつ、燃料電池の運転を継続することができる。 In the seventh aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to the fifth aspect, when the temperature of the reformer exceeds a second threshold temperature higher than the first threshold temperature, the controller Stop the fuel cell operation. According to the seventh aspect, it is possible to continue the operation of the fuel cell while avoiding that the reforming catalyst receives great damage or the fuel cell system is stopped due to an error such as misfire.
本開示の第8態様において、例えば、第5〜第7態様のいずれか1つに係る燃料電池システムでは、前記発電出力を前記第2特定値低下させたとき、前記制御器は、前記発電出力を前記第2特定値低下させた時点での前記発電出力を前記燃料電池の前記発電出力の上限に設定する。改質器の温度が十分に下がるまで発電出力を上限以下に維持することによって、改質器の温度を確実かつ速やかに低下させることができる。 In the eighth aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to any one of the fifth to seventh aspects, when the power generation output is reduced by the second specific value, the controller Is set as the upper limit of the power generation output of the fuel cell. By maintaining the power generation output below the upper limit until the temperature of the reformer is sufficiently lowered, the temperature of the reformer can be reliably and rapidly lowered.
本開示の第9態様において、例えば、第8態様に係る燃料電池システムでは、前記改質器の温度が前記第1閾値温度よりも低い第3閾値温度未満に低下したとき、前記制御器は、前記発電出力の前記上限を解除する。第9態様によれば、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システムが停止したりすることを回避しつつ、効率的な運転を継続することができる。 In the ninth aspect of the present disclosure, for example, in the fuel cell system according to the eighth aspect, when the temperature of the reformer falls below a third threshold temperature lower than the first threshold temperature, the controller The upper limit of the power generation output is canceled. According to the ninth aspect, it is possible to continue the efficient operation while avoiding that the reforming catalyst is greatly damaged or the fuel cell system is stopped due to an error such as misfire.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.
(実施形態)
図1に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム100は、改質器11及び燃料電池13を備えている。改質器11は、例えば、水蒸気改質反応(CH4+H2O→3H2+CO)などの改質反応によって水素含有ガスを生成するための機器である。改質器11には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器11には、一酸化炭素を除去するための触媒(CO変成触媒及びCO選択酸化除去触媒)が収められていてもよい。改質器11は、水蒸気及び原料ガスを用いて、水素含有ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、LPガス(液化石油ガス)などの炭化水素ガスである。水素含有ガスは、燃料ガスとして燃料電池13に供給される。燃料電池13は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電する。燃料電池13は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。燃料電池システム100の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク(図示省略)に貯められる。
(Embodiment)
As shown in FIG. 1, a
燃料電池システム100は、さらに、燃焼器15及び排気経路17を備えている。燃焼器15は、燃料を燃焼させることによって改質器11を加熱するためのデバイスである。燃焼器15は、改質器11に隣接している。燃焼器15は、改質器11の内部に配置されていてもよい。排気経路17は、燃焼器15に接続されている。排気経路17は、燃焼器15で生じた燃焼排ガスの流路である。排気経路17は、例えば、燃料電池システム100の筐体の外部まで延びている。
The
燃焼器15には、空気供給経路34が接続されている。空気供給経路34は、燃焼器15に空気を供給するための流路である。空気供給経路34には流量計35及び空気供給器36が設けられている。流量計35によって空気の供給流量が検出される。空気供給器36の例には、ファン及びブロワが含まれる。流量計35及び空気供給器36を用い、燃焼器15への空気の供給流量を所望の供給流量に調節することができる。流量計35として、電磁式流量計、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、熱式流量計、ダイヤフラム式流量計、超音波式流量計などの公知の流量計を使用できる。
An
燃料電池システム100は、さらに、燃料ガス供給経路12、酸化剤ガス供給経路14、アノードオフガス経路16及びカソードオフガス経路18を備えている。燃料ガス供給経路12は、改質器11から燃料電池13に水素含有ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路12は、改質器11と燃料電池13とを接続している。酸化剤ガス供給経路14は、燃料電池13のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路14には、空気供給器23が設けられている。空気供給器23は、燃料電池13に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器23の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。空気供給器23を制御することによって、空気の流量を調節することができる。酸化剤ガス供給経路14には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路16は、未反応の水素含有ガスを燃料電池13のアノードから排出するための流路である。アノードオフガス経路16は、燃料電池13のアノードガス出口と燃焼器15とを接続している。未反応の水素含有ガスは、アノードオフガス経路16を通じて、燃焼器15に供給される。カソードオフガス経路18は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池13のカソードから排出するための流路である。カソードオフガス経路18は、燃料電池13のカソードガス出口に接続されており、例えば、燃料電池システム100の筐体の外部まで延びている。カソードオフガス経路18は、排気経路17に接続されていてもよく、燃焼器15に接続されていてもよい。
The
燃料電池システム100は、さらに、空気経路24、流量調整器25及び流量計26を備えている。空気経路24は、CO選択酸化に使用される空気を改質器11に供給するための流路である。空気経路24は、酸化剤ガス供給経路14から分岐し、改質器11に接続されている。空気経路24に流量調整器25及び流量計26が設けられている。流量計26として、先に例示した公知の流量計を使用できる。空気経路24は、酸化剤ガス供給経路14から独立して設けられていてもよい。
The
燃料電池システム100は、さらに、原料ガス供給経路27及び原料ガス供給器28を備えている。原料ガス供給経路27は、原料の貯蔵タンク、都市ガスのインフラストラクチャなどの原料供給源(図示省略)から改質器11に原料ガスを供給するための流路である。原料ガス供給経路27に原料ガス供給器28が設けられている。原料ガス供給器28の例として、ポンプ、流量調整弁、流量計、それらの組み合わせなどが挙げられる。原料ガス供給器28を制御することによって、原料ガスの供給流量を調節することができる。原料ガス供給経路27には、脱硫器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。
The
燃料電池システム100は、さらに、給水経路30、水供給器31及び蒸発器32を備えている。給水経路30は、貯水タンクなどの水源から改質器11に水を供給するための流路である。給水経路30に水供給器31が設けられている。水供給器31の例として、ポンプが挙げられる。水供給器31を制御することによって、水の供給流量を調節することができる。蒸発器32は、水を蒸発させて水蒸気を生成する。燃焼器15の熱で水を蒸発させるために、蒸発器32は、改質器11に隣接していてもよく、改質器11に一体化されていてもよい。
The
改質器11には、温度センサ40が取り付けられている。温度センサ40は、改質器11の内部の温度(例えば、触媒の温度又は触媒層の出口温度)を検出する。改質器11の複数の位置のそれぞれに温度センサ40が取り付けられていてもよい。
A
燃料電池システム100は、さらに、流量計41及び圧力センサ42を備えている。流量計41及び圧力センサ42は、それぞれ、改質器11において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器の一例であって、改質器11の入口における水蒸気の流量を反映した物理量を検出する。流量計41は、改質器11の入口における水蒸気の流量を反映した物理量として、水の流量を検出する。圧力センサ42は、改質器11の入口における水蒸気の流量を反映した物理量として、蒸発器32の内部の圧力を検出する。水蒸気の流量を反映した物理量を参照すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。ただし、後述するように、流量、圧力などの物理量を直接的に参照しない方法で水蒸気不足の発生を検出することも可能である。
The
流量計41は、給水経路30に配置されている。詳細には、流量計41は、給水経路30において、蒸発器32よりも上流側に位置している。流量計41は、蒸発器32に供給されるべき水の流量を検出する。水蒸気不足の原因の1つとして、給水経路30に空気などの異物が侵入することが挙げられる。水蒸気不足が給水経路30に侵入した異物である場合、ポンプの回転数だけを参照しても水蒸気不足が発生したかどうかを判断できない。他方、給水経路30における水の流量は、水蒸気の流量を直接的に左右するので、水の流量を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。流量計41として、先に例示した公知の流量計を使用できる。
The
圧力センサ42は、蒸発器32に取り付けられている。圧力センサ42は、蒸発器32の内部の圧力を検出する。詳細には、圧力センサ42は、水の蒸発によって生成した水蒸気の圧力を検出できる位置に配置されている。水蒸気の圧力を検出するべく、圧力センサ42は、蒸発器32から改質器11への経路に配置されていてもよい。水蒸気不足の原因の1つとして、蒸発器32における水の蒸発流量の変化が挙げられる。液体の水から水蒸気への相変化を伴うので、水の流量が一定であったとしても、水蒸気が一定の流量で生成されないことがある。例えば、水の突沸が起こると、蒸発器32への水の供給流量が足りていたとしても、水蒸気不足が発生しうる。他方、生成された水蒸気の圧力を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。圧力センサ42の種類は特に限定されない。圧力センサ42として、静電容量式圧力センサ、抵抗線式圧力センサ、ピエゾ抵抗式圧力センサなどの公知の圧力センサを使用できる。
The
本明細書において「水蒸気不足」の語句は、原料ガスを改質するために必要な水蒸気が改質器11に必要な流量で供給されない状況を意味する。
In the present specification, the phrase “steam-deficient” means a situation where steam necessary for reforming the raw material gas is not supplied to the
燃料電池システム100は、さらに、制御器50を備えている。制御器50は、燃料電池13、空気供給器23、流量調整器25、原料ガス供給器28、水供給器31、空気供給器36、各種の補助機器などの制御対象を制御する。補助機器には、弁(開閉弁、切替弁及び流量調整弁を含む)、ポンプ、電気ヒータなどが含まれる。制御器50には、流量計26、流量計35、温度センサ40、流量計41、圧力センサ42及び他の各種のセンサから検出信号が入力される。制御器50として、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)を使用できる。制御器50には、燃料電池システム100を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
The
燃料電池システム100において、各経路は、1又は複数の配管によって構成されうる。
In the
次に、燃料電池システム100の運転について説明する。
Next, the operation of the
図2は、改質器の温度及び燃料電池の発電出力の経時変化の一例を示すトレンドグラフである。時刻t1は、水蒸気不足の発生が検出された時刻である。時刻t2は、改質器11の温度が第1閾値温度を超えた時刻である。時刻t3は、発電出力を第2特定値だけ低下させる処理が完了した時刻である。時刻t4は、改質器11の温度が第3閾値温度まで低下した時刻である。
FIG. 2 is a trend graph showing an example of changes over time in the temperature of the reformer and the power generation output of the fuel cell. Time t1 is the time when occurrence of water vapor shortage is detected. Time t2 is the time when the temperature of the
水蒸気不足の発生に対処するために、制御器50は、図3のフローチャートに示す各処理を定期的(例えば、制御周期毎)に実行する。制御器50は、併せて、図4及び図5のフローチャートに示す各処理を定期的に実行する。図4及び図5のフローチャートに示す各処理は、水蒸気不足が発生したのちの一定期間だけでなく、水蒸気不足が発生していない期間においても実行されうる。ただし、水蒸気不足が発生したのちの一定期間に限り、図4及び図5のフローチャートに示す各処理を実行してもよい。
In order to deal with the occurrence of water vapor deficiency, the
図3に示すように、ステップS1において、現在の発電出力を記憶する。記憶すべき発電出力は、制御上の目標値であってもよく、センサによる実測値であってもよい。時刻t1以前において、燃料電池13の発電出力は、電力負荷に追従するように制御されている。次に、ステップS2において、水蒸気不足の発生を検出したかどうかを判断する。具体的には、流量計41の検出値が水蒸気不足の発生を示してるかどうかを判断する。あるいは、圧力センサ42の検出値が水蒸気不足の発生を示しているかどうかを判断する。
As shown in FIG. 3, in step S1, the current power generation output is stored. The power generation output to be stored may be a control target value or an actually measured value by a sensor. Prior to time t1, the power generation output of the
水蒸気不足が発生したかどうかは、例えば、次の方法によって判断できる。燃料電池13の発電出力は、電力負荷に追従する。具体的には、電力負荷に応じて、発電出力の目標値が設定され、発電出力が目標値に収斂するようにインバータが制御される。発電出力の目標値が決まると、必要な水素ガスの流量も決まる。水素ガスの流量が決まると、原料ガス流量、水の流量及び水蒸気の流量も決まる。水蒸気の流量は、圧力に対応する。したがって、流量計41の検出値と、現在の発電出力の目標値から算出される水の流量との間に一定の差(許容限界を超える差)が存在する場合、水蒸気不足が発生しているものと判断できる。あるいは、圧力センサ42の検出値と、現在の発電出力の目標値から算出される圧力との間に一定の差(許容限界を超える差)が存在する場合、水蒸気不足が発生しているものと判断できる。
Whether or not water vapor shortage has occurred can be determined, for example, by the following method. The power generation output of the
ステップS2において、水蒸気不足の発生を検出した場合、ステップS3において、発電出力を現在の発電出力から第1特定値下げる。第1特定値は、予め実験的に決められた一定値でありうる。第1特定値は、一時的な水素ガス不足を回避するために必要な発電出力の下げ幅である。例えば、第1特定値が100Wであると仮定すると、ステップS3において、燃料電池13の発電出力(例えば、目標値)を現在の発電出力よりも100W低い発電出力まで低下させる。第1特定値が一定値であることは、制御の容易性の観点で有利である。あるいは、第1特定値は、所定の演算式に基づいて現在の発電出力から算出される値であってもよい。例えば、現在の発電出力の20〜30%の出力を第1特定値として設定することができる。
If the occurrence of water vapor shortage is detected in step S2, the power generation output is lowered from the current power generation output by a first specific value in step S3. The first specific value may be a constant value experimentally determined in advance. The first specific value is a reduction amount of the power generation output necessary for avoiding a temporary shortage of hydrogen gas. For example, assuming that the first specific value is 100 W, in step S3, the power generation output (for example, target value) of the
本実施形態によれば、水蒸気不足が発生したときに発電出力を低下させるので、燃料電池13で必要とされる水素ガスの流量も減少する。その結果、水蒸気不足を回避して燃料電池13の運転を継続することができる。改質器11及び燃料電池13の劣化も抑制されうる。
According to this embodiment, since the power generation output is reduced when water vapor shortage occurs, the flow rate of hydrogen gas required in the
本実施形態において、水蒸気不足の発生が検出されたときの発電出力の低下速度は、水蒸気不足が発生していないときの発電出力の変化速度よりも早い。例えば、水蒸気不足が発生していないときの発電出力の変化速度の最大値が1制御周期あたり1Wであるとすると、本実施形態では、それよりも早い速度(例えば、1制御周期あたり10W以上)で発電出力を低下させる。「制御周期」は、発電出力を目標値に収斂させるためのインバータ回路の制御周期を表す。「水蒸気不足が発生していないとき」の例として、電力負荷に応じて燃料電池13の発電出力を変化させているときが挙げられる。水蒸気不足が発生していないときに発電出力を急速に変化させると、燃料電池13で消費される水素ガスの流量が急速に変化する。すると、燃焼器15に導入される水素含有ガスの流量が変化して改質器11の温度が大きく変化したり、燃料電池システム100の運転ポイントが大きく変化したりする。これらのことは、故障の原因となるため避けるべきである。しかし、水蒸気不足が発生すると、水素ガスを燃料電池13に十分に供給できず、燃料電池13が劣化する可能性がある。そのため、燃料電池システム100にとって、水蒸気不足に起因する水素ガス不足は、発電出力を急速に変化させること以上に回避する必要がある。したがって、燃料電池13の発電出力を急速に下げることをあえて受け入れて水素ガス不足の回避を優先すれば、燃料電池13に及ぶダメージを最小限に食い止めることができる。
In the present embodiment, the rate of decrease in power generation output when the occurrence of water vapor shortage is detected is faster than the rate of change in power generation output when water vapor shortage does not occur. For example, when the maximum value of the change rate of the power generation output when steam shortage does not occur is 1 W per control cycle, in this embodiment, a faster speed (for example, 10 W or more per control cycle). Reduce the power output. “Control cycle” represents the control cycle of the inverter circuit for converging the power generation output to the target value. An example of “when water vapor shortage does not occur” is when the power generation output of the
図2に示す例によれば、時刻t1において、発電出力は、直近の発電出力から第1特定値を減じた発電出力まで急速に低下している。例えば、1制御周期で発電出力の目標値を現在の目標値から第1特定値下げてもよい。 According to the example shown in FIG. 2, at the time t1, the power generation output rapidly decreases to the power generation output obtained by subtracting the first specific value from the most recent power generation output. For example, the target value of the power generation output may be lowered from the current target value by the first specific value in one control cycle.
ステップS2において水蒸気不足が検出されなかった場合、現在の発電出力を維持しつつ、元の制御ループに戻る。 If water vapor shortage is not detected in step S2, the process returns to the original control loop while maintaining the current power generation output.
図2において、時刻t1と時刻t2の間の期間は、電力負荷に発電出力を追従させるべく発電出力を変化させている期間である。 In FIG. 2, a period between time t1 and time t2 is a period in which the power generation output is changed so that the power load follows the power generation output.
次に、図4のフローチャートの各処理について説明する。 Next, each process of the flowchart of FIG. 4 will be described.
図4のステップS11において、温度センサ40を用いて改質器11の温度を検出する。ステップS12において、改質器11の温度が第1閾値温度以上かどうかを判断する。改質器11の温度が第1閾値温度以上であるとき、ステップS13において、現在の発電出力から第2特定値を減じた発電出力まで、発電出力(目標値)を徐々に低下させる。第2特定値は、予め実験的に決められた一定値でありうる。第2特定値は、改質器11の温度を低下させるために必要な発電出力の下げ幅である。例えば、第2特定値が100Wであると仮定すると、ステップS13において、燃料電池13の発電出力を現在の発電出力よりも100W低い発電出力まで徐々に低下させる。第2特定値が一定値であることは、制御の容易性の観点で有利である。あるいは、第2特定値は、所定の演算式に基づいて現在の発電出力から算出される値であってもよい。例えば、現在の発電出力の20〜30%の出力を第2特定値として設定することができる。
In step S <b> 11 of FIG. 4, the temperature of the
水蒸気不足の発生を検出して発電出力を下げると、燃料電池13での燃料消費量が減少し、燃焼器15に導入される水素含有ガスの流量が増加する。すると、燃焼器15で発生する熱量が増加し、改質器11の内部の温度が上昇する。改質器11の内部の温度が上がりすぎると、改質触媒の耐久性に悪影響が及ぶほか、失火などの他のエラーが起きて燃料電池システム100を停止させざるを得ないことが想定される。
When the occurrence of water vapor shortage is detected and the power generation output is lowered, the fuel consumption in the
図4のフローチャートに示すように、改質器11の内部の温度が第1閾値温度以上であれば、発電出力を下げることによって、改質器11の内部の温度が上がりすぎることを防止できる。これにより、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム100が停止したりすることを回避できる。
As shown in the flowchart of FIG. 4, if the temperature inside the
「第1閾値温度」は、改質触媒の組成、改質器11の構造、温度センサ40の位置などに応じて適切に定められる温度である。一例において、第1閾値温度は、650〜700℃の範囲内の温度である。
The “first threshold temperature” is a temperature that is appropriately determined according to the composition of the reforming catalyst, the structure of the
ステップS13において発電出力を第2特定値低下させるときの低下速度は、ステップS3(図3)において発電出力を第1特定値低下させるときの低下速度よりも遅い。図2に示す例では、時刻t2から時刻t3までの期間において、一定の速度(傾き)で発電出力が徐々に低下している。時刻t2から時刻t3までの期間の長さは、例えば、50〜350秒の範囲にある。 The decrease rate when the power generation output is decreased by the second specific value in step S13 is slower than the decrease rate when the power generation output is decreased by the first specific value in step S3 (FIG. 3). In the example shown in FIG. 2, the power generation output gradually decreases at a constant speed (slope) during the period from time t2 to time t3. The length of the period from time t2 to time t3 is, for example, in the range of 50 to 350 seconds.
ステップS13において発電出力を第2特定値低下させたとき、次に、ステップS14の処理を実行する。ステップS14において、発電出力を第2特定値低下させた時点での発電出力を燃料電池13の発電出力の上限に設定する。
When the power generation output is decreased by the second specific value in step S13, next, the process of step S14 is executed. In step S <b> 14, the power generation output when the power generation output is reduced by the second specific value is set as the upper limit of the power generation output of the
図2に示す例では、時刻t3において発電出力の上限L1が設定され、時刻t3から時刻t4までの期間において、発電出力が上限L1に維持されている。時刻t2から発電出力を下げ始めたとしても、改質器11の温度は、オーバーシュートして第1閾値温度を上回ることがある。改質器11の温度が十分に下がるまで発電出力を上限L1以下に維持することによって、改質器11の温度を確実かつ速やかに低下させることができる。
In the example shown in FIG. 2, the upper limit L1 of the power generation output is set at time t3, and the power generation output is maintained at the upper limit L1 during the period from time t3 to time t4. Even if the power generation output starts to decrease from time t2, the temperature of the
本実施形態によれば、時刻t3以降に電力負荷が上限L1を超えたとしても、上限L1を超えて負荷追従運転は行われず、発電出力は上限L1に維持される。時刻t3以降において、電力負荷が上限L1を下回っている場合、負荷追従運転が行われる。これにより、改質器11の温度を確実かつ速やかに低下させることができるだけでなく、燃料電池システム100の省エネルギー性能の低下を抑制することもできる。
According to this embodiment, even if the power load exceeds the upper limit L1 after time t3, the load following operation is not performed exceeding the upper limit L1, and the power generation output is maintained at the upper limit L1. After the time t3, when the power load is lower than the upper limit L1, the load following operation is performed. Thereby, not only can the temperature of the
次に、図5のフローチャートの各処理について説明する。 Next, each process of the flowchart of FIG. 5 will be described.
図5のステップS21において、温度センサ40を用いて改質器11の温度を検出する。ステップS22において、改質器11の温度が第3閾値温度未満であるかどうかを判断する。改質器11の温度が第3閾値温度未満に低下したとき、ステップS23において、発電出力の上限L1の設定を解除する。これにより、上限L1を超えた負荷追従運転が許可される。改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム100が停止したりすることを回避しつつ、効率的な運転を継続することができる。
In step S <b> 21 of FIG. 5, the temperature of the
図2に示すように、第3閾値温度は、第1閾値温度よりも低い温度である。第1閾値温度と同じように、第3閾値温度も、改質触媒の組成、改質器11の構造、温度センサ40の位置などに応じて適切に定められる。一例において、第3閾値温度は、550〜650℃の範囲内の温度である。
As shown in FIG. 2, the third threshold temperature is a temperature lower than the first threshold temperature. Similar to the first threshold temperature, the third threshold temperature is also appropriately determined according to the composition of the reforming catalyst, the structure of the
図3、図4及び図5のフローチャートに表されていない以下の処理をさらに実行してもよい。 The following processing that is not shown in the flowcharts of FIGS. 3, 4, and 5 may be further executed.
例えば、水蒸気不足が所定時間内に複数回発生したとき、燃料電池13の発電出力を現在の発電出力から第2特定値低下させる。具体的には、水蒸気不足の発生を検出したとき、まず、発電出力を現在の発電出力から第1特定値低下させる。発電出力を第1特定値低下させるときの低下速度は、図3のフローチャートのステップS3で説明した通りである。発電出力を第1特定値低下させたのち、発電出力を上昇に転じさせることなく、さらに、第2特定値低下させる。発電出力を第2特定値低下させるときの低下速度は、図4のフローチャートのステップS13で説明した通りである。
For example, when water vapor shortage occurs a plurality of times within a predetermined time, the power generation output of the
温度センサ40は、改質触媒の代表的な温度を検出できる位置に配置されることが多い。代表的な温度を検出できる位置としては、改質触媒の平均的な温度を検出できる位置、改質触媒の最も高い温度を検出できる位置、及び、改質触媒の最も低い温度を検出できる位置が挙げられる。水蒸気不足が短期間に繰り返し発生すると、改質触媒の温度分布に大きなバラつきが生じ、改質触媒に熱が蓄えられる。この場合、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム100が停止したりする可能性がある。水蒸気不足が短期間に繰り返し発生したときに発電出力を大きく低下させると、それらの不利益を回避しつつ、燃料電池13の運転を継続できる。
The
「所定時間」は、改質触媒の組成、改質器11の構造、温度センサ40の位置などに応じて適切に定められる。一例において、所定時間は、30〜90分間の範囲にある。所定時間内における水蒸気不足の発生回数も特に限定されない。所定時間内における水蒸気不足の発生回数は、例えば、5〜15回の範囲にある。
The “predetermined time” is appropriately determined according to the composition of the reforming catalyst, the structure of the
また、改質器11の温度が第1閾値温度よりも高い第2閾値温度(図2)を超えたとき、燃料電池13の運転を停止させてもよい。このようにすれば、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム100が停止したりすることを回避しつつ、燃料電池13の運転を継続することができる。
Further, when the temperature of the
第1閾値温度及び第3閾値温度と同じように、第2閾値温度も、改質触媒の組成、改質器11の構造、温度センサ40の位置などに応じて適切に定められる。一例において、第2閾値温度は、700〜750℃の範囲内の温度である。
Similar to the first threshold temperature and the third threshold temperature, the second threshold temperature is also appropriately determined according to the composition of the reforming catalyst, the structure of the
水蒸気不足の発生を検出する方法は、流量計41の検出値又は圧力センサ42の検出値を参照する方法に限定されない。例えば、原料ガスの流量から水蒸気不足の発生を検出できる。原料ガス供給器28が流量計及び流量調整器を含むとき、流量調整器の操作量及び流量計の検出値から改質器11で水蒸気不足が発生したことを検出できる。
The method of detecting the occurrence of water vapor shortage is not limited to the method of referring to the detection value of the
図6は、原料ガスの流量の検出値及び流量調整器の操作量の経時変化の一例を示すトレンドグラフである。図6に示すように、水蒸気不足が発生すると、改質器11の内部の圧力が低下するので、原料ガス供給経路27を通じて改質器11に導入される原料ガスの流量がQ1からQ2に増加する。原料ガス供給器28の流量計及び流量調整器がフィードバック系を構成している場合、原料ガスの流量の増加を抑えるように流量調整器の操作量が減少する(60%→40%)。これにより、原料ガスの流量がQ1に戻る。暫くして水蒸気不足が解消されると、原料ガスの流量がQ1からQ3に減少する。流量の減少を抑えるように流量調整器の操作量が増加する(40%→60%)。これにより、原料ガスの流量がQ3からQ1に増加する。このような知見によれば、原料ガス供給器28を構成する流量調整器の操作量及び流量計の検出値から改質器11で水蒸気不足が発生したことを検出できる。
FIG. 6 is a trend graph showing an example of a change over time in the detected value of the flow rate of the source gas and the operation amount of the flow rate regulator. As shown in FIG. 6, when the water vapor shortage occurs, the pressure inside the
流量調整器及び流量計を含むフィードバック系は、改質器11で水蒸気不足が発生したことを検出する検出器の役割を果たす。つまり、水蒸気不足が発生したことを検出する検出器の一部をソフトウェアで構成することが可能である。制御器50が検出器の機能を有していてもよいし、他の制御器が検出器の機能を有していてもよい。
A feedback system including a flow rate regulator and a flow meter serves as a detector that detects that steam shortage has occurred in the
圧力センサ42は、蒸発器32の内部及び蒸発器32から改質器11への経路以外の位置に配置されていてもよい。水蒸気不足に起因する圧力変化が伝搬する位置であれば、圧力センサ42は、どのような位置に配置されていてもよい。例えば、圧力センサ42が燃料ガス供給経路12又は排気経路17に配置されていたとしても、圧力センサ42の検出値から水蒸気不足の発生を検出することができる。
The
CO選択酸化のための空気の流量から水蒸気不足の発生を検出することもできる。CO選択酸化のための空気の流量は、流量計26によって検出されうる。改質器11で水蒸気不足が発生すると、改質器11の内部の圧力が下がるので、空気経路24を通じて改質器11に導入される空気の流量がQ1からQ2に増加する(図6)。流量調整器25及び流量計26がフィードバック系を構成している場合、空気の流量の増加を抑えるように流量調整器25の操作量が減少する(60%→40%)。これにより、空気の流量がQ1に戻る。暫くして水蒸気不足が解消されると、空気の流量がQ1からQ3に減少する。流量の減少を抑えるように流量調整器25の操作量が増加する(40%→60%)。これにより、空気の流量がQ3からQ1に増加する。このような知見によれば、流量調整器25の操作量及び流量計26の検出値から改質器11で水蒸気不足が発生したことを検出できる。
It is also possible to detect the occurrence of water vapor deficiency from the air flow rate for CO selective oxidation. The flow rate of air for CO selective oxidation can be detected by the
本明細書に開示された技術は、燃料電池システムに有用である。 The technology disclosed in this specification is useful for a fuel cell system.
11 改質器
12 燃料ガス供給経路
13 燃料電池
14 酸化剤ガス供給経路
15 燃焼器
16 アノードオフガス経路
17 排気経路
18 カソードオフガス経路
23,36 空気供給器
24 空気経路
25 流量調整器
26,35,41 流量計
27 原料ガス供給経路
28 原料ガス供給器
30 給水経路
31 水供給器
32 蒸発器
34 空気供給経路
40 温度センサ
42 圧力センサ
50 制御器
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記改質器に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器と、
制御器と、
を備え、
前記改質器において前記水蒸気不足が発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の発電出力を現在の発電出力から第1特定値低下させる、燃料電池システム。 A reformer that generates a fuel gas containing hydrogen gas by reacting a raw material gas and water vapor using a reforming catalyst;
An evaporator for generating water vapor to be supplied to the reformer;
A fuel cell that generates electric power using the fuel gas and oxidant gas;
A detector for detecting that steam shortage has occurred in the reformer;
A controller;
With
When the steam shortage occurs in the reformer, the controller reduces the power generation output of the fuel cell by a first specific value from the current power generation output.
前記温度センサによって検出された前記改質器の温度が第1閾値温度以上であるとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第2特定値低下させる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A temperature sensor for detecting the temperature of the reformer;
When the temperature of the reformer detected by the temperature sensor is equal to or higher than a first threshold temperature, the controller reduces the power generation output of the fuel cell by a second specific value from the current power generation output. Item 5. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 4.
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