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JP4934950B2 - Fuel cell power generator and operation control method - Google Patents

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JP4934950B2 JP2004237190A JP2004237190A JP4934950B2 JP 4934950 B2 JP4934950 B2 JP 4934950B2 JP 2004237190 A JP2004237190 A JP 2004237190A JP 2004237190 A JP2004237190 A JP 2004237190A JP 4934950 B2 JP4934950 B2 JP 4934950B2
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Description

本発明は、燃料電池の出力電力に基づいて燃料ガスおよび空気の流量を制御する燃料電池発電装置に関し、特に、定格運転時のみならず、起動時、停止時においても安定した運転制御が可能な燃料電池発電装置の運転制御に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell power generator that controls the flow rates of fuel gas and air based on the output power of a fuel cell, and in particular, stable operation control is possible not only during rated operation but also during startup and shutdown. The present invention relates to operation control of a fuel cell power generator.

酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有する燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率、且つクリーンな発電装置として注目されている。固体酸化物形燃料電池では、空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が供給され、燃料極層側に燃料ガス (H2、CO、CH4等) が供給される。 A fuel cell having a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides is a high-performance fuel cell that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy. It is attracting attention as an efficient and clean power generator. In the solid oxide fuel cell, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side, and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side.

空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
Oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer at this portion to receive oxide ions (O 2− ). Is ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer.
Electrons generated by such an electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load of another route.

燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2-
燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e-
全体 : H2 + 1/2 O2 → H2
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O

ところで、燃料電池の最大出力は供給される燃料ガスの量および酸化剤ガス(空気)の量により決まっており、燃料電池を安定に運転させるためのガス流量は或る程度過剰な流量を供給するのが一般的である。この過剰率を利用率と言い、供給したガス流量に対する発電反応に使用されるガス流量の割合で定義される。   By the way, the maximum output of the fuel cell is determined by the amount of supplied fuel gas and the amount of oxidant gas (air), and the gas flow rate for stably operating the fuel cell supplies a somewhat excessive flow rate. It is common. This excess rate is called the utilization rate, and is defined as the ratio of the gas flow rate used for the power generation reaction to the supplied gas flow rate.

通常、利用率は、燃料電池の構造や性能に応じた運転上の好ましい一定の基準値が定められており、燃料電池が一定の利用率以上の運転にならないように負荷(出力電流量)の変化に対応して燃料電池に供給する燃料ガス流量と空気流量を制御して出力電圧を安定に保持するように制御される。利用率が一定以上になった場合は、電流が増加することによる電池電圧の低下が発生する。
このようなガス流量による燃料電池の運転制御に関する先行技術として、例えば、特許文献1、特許文献2等が開示されている。
特開平3−122971号公報 特開平9−147893号公報
In general, the usage rate is set to a preferable standard value for operation according to the structure and performance of the fuel cell, and the load (output current amount) is set so that the fuel cell does not operate beyond a certain usage rate. Control is performed so as to stably maintain the output voltage by controlling the flow rate of fuel gas and the flow rate of air supplied to the fuel cell in response to the change. When the utilization rate exceeds a certain level, a decrease in battery voltage due to an increase in current occurs.
For example, Patent Literature 1, Patent Literature 2, and the like are disclosed as prior arts related to fuel cell operation control with such a gas flow rate.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-122971 JP-A-9-147893

ところで、通常、燃料電池においては、起動時(発電開始時)に電池モジュール内部を所定の運転温度(即ち、定格出力温度)まで徐々に昇温し、所定出力において温度を一定に保持すると共に、運転停止の際は徐々に降温ながら出力を低下してゆく必要がある。これは、燃料電池モジュール全体の均熱を保ちながら昇温・降温しないと発電セルに温度分布が生じ、その際の熱応力で発電セルが破損する恐れがあるからである。   By the way, normally, in a fuel cell, the temperature inside the battery module is gradually raised to a predetermined operating temperature (that is, a rated output temperature) at the time of start-up (when power generation is started), and the temperature is kept constant at a predetermined output. When the operation is stopped, it is necessary to decrease the output while gradually lowering the temperature. This is because if the temperature is not raised or lowered while keeping the temperature of the entire fuel cell module constant, temperature distribution occurs in the power generation cell, and the power generation cell may be damaged by the thermal stress at that time.

ところが、従来の運転制御では、特に、この昇温期間および降温期間においては好ましい燃料利用率に基づくガス流量の制御が厳密に行われていないことから、燃料利用率が基準値を外れることにより生じる発電セルの急激な温度変化や出力電力の大幅な増減が繰り返されることになり、燃料電池が過負荷状態に曝されることによる発電セルのダメージ(特性劣化や破損)が促進されるという問題があった。   However, in the conventional operation control, the gas flow rate based on the preferable fuel utilization rate is not strictly controlled especially in the temperature rising period and the temperature falling period, and thus the fuel utilization rate is deviated from the reference value. The rapid change in temperature of the power generation cell and the significant increase / decrease in the output power are repeated, and the problem is that damage (characteristic deterioration and breakage) of the power generation cell due to the fuel cell being exposed to an overload state is promoted. there were.

本発明は、このような問題点に鑑み成されたもので、定格出力期間のみならず、起動・停止期間での定格未満運転においても、スムースな昇・降温により安定した出力電力を得ると共に、熱サイクルによる発電セルの特性劣化や破損を防止して高寿命化を図った燃料電池発電装置およびその運転制御方法を提供することを目的としている。   The present invention was made in view of such problems, and not only in the rated output period, but also in less than rated operation in the start / stop period, while obtaining stable output power by smooth temperature rise / fall, It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation apparatus and an operation control method thereof that prevent the deterioration and breakage of the characteristics of the power generation cell due to the thermal cycle and extend the life.

すなわち、請求項1に記載の発明は、燃料ガス供給量と空気供給量に応じて出力電力を発生する燃料電池の運転制御方法であって、熱自立運転を可能とする出力電流対燃料利用率データを有し、温度上昇時は燃料利用率が前記燃料利用率データ以下となるように、温度下降時は燃料利用率が前記燃料利用率データ以上となるように、燃料ガス供給量を制御することにより、出力電力を制御することを特徴としている。 That is, the invention described in claim 1 is a method for controlling the operation of a fuel cell that generates output power in accordance with the fuel gas supply amount and the air supply amount. Data, and control the fuel gas supply amount so that the fuel utilization rate is less than or equal to the fuel utilization rate data when the temperature rises and the fuel utilization rate is equal to or greater than the fuel utilization rate data when the temperature falls Thus, the output power is controlled.

また、請求項に記載の発明は、請求項1に記載の運転制御方法において、出力電力が0から定格出力までの昇温期間と、定格出力から0までの降温期間における各出力電流対燃料利用率データを有し、各運転期間において前記出力電流対燃料利用率データに基づいて燃料ガス供給量を制御することにより、出力電力を制御することを特徴としている。 Further, the invention according to claim 2 is the operation control method according to claim 1, wherein each output current versus fuel in the temperature rising period from the output power of 0 to the rated output and the temperature falling period from the rated output to 0 in the operation control method of the first aspect. It has utilization rate data, and controls output power by controlling the fuel gas supply amount based on the output current versus fuel utilization rate data in each operation period.

また、請求項に記載の発明は、請求項1に記載の運転制御方法において、さらに、定格出力期間内において空気供給量を制御して熱自立状態を維持することを特徴としている。 The invention described in claim 3 is characterized in that, in the operation control method described in claim 1 , further, the air supply amount is controlled within the rated output period to maintain the heat self-sustaining state.

また、請求項に記載の燃料電池発電装置は、燃料ガス供給量と空気供給量に応じて出力電力を発生する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池に空気を供給する空気供給系と、これら各系を制御して請求項1から請求項までの何れかに記載の運転制御を行う制御部を備えることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell power generator that generates output power in accordance with a fuel gas supply amount and an air supply amount, a fuel supply system that supplies fuel gas to the fuel cell, and a fuel cell. An air supply system that supplies air and a control unit that controls each of these systems to perform operation control according to any one of claims 1 to 3 are provided.

また、請求項に記載の発明は、請求項に記載の燃料電池発電装置において、前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。 Further, the invention according to claim 5 is the fuel cell power generator according to claim 4 , wherein the fuel cell discharges the remaining gas that has not been used in the power generation reaction from the outer periphery of the power generation cell. This is a solid oxide fuel cell.

ここで、請求項1から請求項に記載の運転制御方法によれば、定格出力期間においては、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持できる効率の良い熱自立運転が可能となると共に、運転開始時の昇温期間および運転停止時の降温期間においても、スムースな運転制御を可能として安定した出力電力が得られる。
また、請求項に記載の燃料電池発電装置では、スムースな昇温・降温制御により、熱サイクルによる燃料電池スタックやその他高温部部品の熱歪みの発生を防止し、発電セルの特性劣化や破損を回避して燃料電池発電装置の高寿命化が図れる。
また、各々の運転期間に応じた出力電流対燃料利用率データを保有し、これを参照するだけの単純制御であるから、制御部のデータ保有量も少なくて済み、マイコン制御も容易となる。
Here, according to the operation control method according to any one of claims 1 to 3 , the operation temperature of the fuel cell can be maintained efficiently only with heat generated by itself without applying heat from the outside during the rated output period. In addition to being able to perform a self-sustained operation, smooth operation control can be performed and stable output power can be obtained even during a temperature rising period at the start of operation and a temperature decreasing period at the time of operation stop.
Further, in the fuel cell power generation device according to claim 4 , smooth temperature increase / decrease control prevents the thermal distortion of the fuel cell stack and other high-temperature parts due to the thermal cycle, and the deterioration or damage of the power generation cell characteristics. Thus, the life of the fuel cell power generator can be extended.
Further, since the output current vs. fuel utilization rate data corresponding to each operation period is held and the control is simply made by referring to the data, the amount of data held in the control unit is small, and the microcomputer control is facilitated.

以上説明したように、本発明によれば、定格出力期間においては、効率の良い熱自立運転が可能となると共に、起動・停止時のスムースな昇温・降温制御により、定格出力期間のみならず昇温期間や降温期間における定格未満運転においても安定した出力電力を得ることができ、且つ、熱サイクルにおける燃料電池スタック1、その他高温部部品の熱歪みの発生を防止し、発電セルの特性劣化や破損を回避して燃料電池発電装置の高寿命化が図れる。   As described above, according to the present invention, in the rated output period, an efficient thermal self-sustained operation can be performed, and not only the rated output period can be controlled by smooth temperature increase / decrease control during start / stop. Stable output power can be obtained even during operation below the rated value during the temperature rising or cooling period, and the occurrence of thermal distortion of the fuel cell stack 1 and other high-temperature parts in the heat cycle is prevented, and the characteristics of the power generation cell are deteriorated. The life of the fuel cell power generator can be extended by avoiding damages.

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
ここで、図1は本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示し、図2は本発明の燃料電池発電装置の運転制御フローを示し、図3はこの運転制御に用いる出力電流対燃料利用率特性を示し、図4は燃料電池スタックの内部構成を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Here, FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell power generator to which the present invention is applied, FIG. 2 shows an operation control flow of the fuel cell power generator of the present invention, and FIG. 3 shows an output current pair used for the operation control. FIG. 4 shows the internal structure of the fuel cell stack.

本実施形態の燃料電池発電装置は、図1に示すように、燃料ガス供給量と空気供給量に応じて直流出力電力P(P=I.V)を発生する固体酸化物形燃料電池1(燃料電池スタック1)、空気ブロア22や各空気供給配管から構成されてこの燃料電池スタック1に酸化剤ガス(空気)を導入する空気供給系30、燃料ガスブロア21や脱硫器23や各燃料ガス供給配管等で構成されて燃料電池スタック1に燃料ガス(都市ガス)を導入する燃料供給系40、燃料電池モジュール内に配設されて脱硫器23からの炭化水素系ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器19、燃料電池スタック1からの直流出力を交流出力に変換して交流電力Paを外部負荷(図示せず)に供給するインバータ24、上記した燃料供給系40や空気供給系30を制御する制御部20等で構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell power generator according to this embodiment includes a solid oxide fuel cell 1 (P = IV) that generates DC output power P (P = IV) according to the fuel gas supply amount and the air supply amount. The fuel cell stack 1), the air blower 22 and each air supply pipe are configured to introduce an oxidant gas (air) into the fuel cell stack 1, the fuel gas blower 21, the desulfurizer 23, and each fuel gas supply. A fuel supply system 40 configured by piping or the like to introduce fuel gas (city gas) into the fuel cell stack 1 and disposed in the fuel cell module to convert the hydrocarbon gas from the desulfurizer 23 into a hydrogen-rich fuel gas. A reformer 19 for reforming, an inverter 24 for converting a DC output from the fuel cell stack 1 into an AC output and supplying AC power Pa to an external load (not shown), the above-described fuel supply system 40 and air supply system And a control unit 20 for controlling the 0.

また、この制御部20には、燃料電池発電装置内の適所に配設された各検出器(図示せず)から送出される、燃料電池スタック1の出力電流検知情報I、出力電圧検知情報V、燃料電池スタック1の温度検知情報T、インバータ24の出力電力検知情報Pa等の各検知情報が入力されている。   In addition, the control unit 20 outputs output current detection information I and output voltage detection information V of the fuel cell stack 1 sent from detectors (not shown) arranged at appropriate positions in the fuel cell power generator. Each detection information such as temperature detection information T of the fuel cell stack 1 and output power detection information Pa of the inverter 24 is input.

上記燃料電池スタック1は、図4に示すように固体電解質層2の両面に燃料極層3と空気極層4を配した発電セル5と、燃料極層3の外側に配した燃料極集電体6と、空気極層4の外側に配した空気極集電体7と、各集電体6、7の外側に配したセパレータ8とで単セルを構成し、この単セルを縦方向に多数積層したものである。   As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 1 includes a power generation cell 5 in which a fuel electrode layer 3 and an air electrode layer 4 are disposed on both sides of a solid electrolyte layer 2, and a fuel electrode current collector disposed outside the fuel electrode layer 3. The body 6, the air electrode current collector 7 disposed outside the air electrode layer 4, and the separator 8 disposed outside each current collector 6, 7 constitute a single cell, and the single cell is arranged in the vertical direction. Many are stacked.

ここで、固体電解質層2はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層3はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体6はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体7はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ8はステンレス等で構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 2 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 3 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. The electrode layer 4 is made of LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 6 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 7 is made of an Ag-based alloy or the like. The separator 8 is made of stainless steel or the like.

セパレータ8は、発電セル5間を電気的に接続すると共に、発電セル5に対して反応用ガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面のほぼ中央から吐出する酸化剤ガス通路12を備えている。
尚、燃料電池スタック1の温度T(スタック温度T)は、このセパレータの温度を検出している。
The separator 8 has a function of electrically connecting the power generation cells 5 and supplying a reaction gas to the power generation cells 5. The fuel of the separator 8 is introduced by introducing fuel gas from the outer peripheral surface of the separator 8. A fuel gas passage that discharges from substantially the center of the surface facing the electrode current collector 6, and an approximately center of the surface of the separator 8 that faces the air electrode current collector 7 by introducing oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator 8. An oxidant gas passage 12 is provided for discharge from the exhaust gas.
Note that the temperature T of the fuel cell stack 1 (stack temperature T) detects the temperature of the separator.

また、この燃料電池スタック1の両端には、ステンレス等で成る一対の端板8A、8Bが配設されており、燃料電池スタック1の電力は、この上下一対の端板8A、8Bを介して取り出すことができるようになっている。   Further, a pair of end plates 8A and 8B made of stainless steel or the like are disposed at both ends of the fuel cell stack 1, and the electric power of the fuel cell stack 1 is passed through the pair of upper and lower end plates 8A and 8B. It can be taken out.

また 燃料電池スタック1の側方には、外部からの燃料ガスを各セパレータ8に分配・供給する燃料ガス用マニホールド15と、外部からの酸化剤ガス(空気)を各セパレータ8に分配・供給する酸化剤ガス用マニホールド16とが積層方向に立設されている。燃料ガス用マニホールド15は、多数の接続管13を介して各セパレータ8の燃料ガス通路11に接続されており、酸化剤ガス用マニホールド16は多数の接続管14を介して各セパレータ8の酸化剤ガス通路12に接続されている。
これら、燃料電池スタック1や各マニホールド15、16を円筒状の断熱ハウジング内に収納することによって燃料電池モジュール100が構成されている。
Further, on the side of the fuel cell stack 1, a fuel gas manifold 15 that distributes and supplies external fuel gas to each separator 8, and an oxidant gas (air) from the outside is distributed and supplied to each separator 8. An oxidant gas manifold 16 is erected in the stacking direction. The fuel gas manifold 15 is connected to the fuel gas passage 11 of each separator 8 via a number of connection pipes 13, and the oxidant gas manifold 16 is connected to the oxidant of each separator 8 via a number of connection pipes 14. The gas passage 12 is connected.
The fuel cell module 100 is configured by housing the fuel cell stack 1 and the manifolds 15 and 16 in a cylindrical heat insulating housing.

尚、この燃料電池スタック1は、発電セル5の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、燃料ガス通路11および酸化剤ガス通路12を通してセパレータ8の略中心部から発電セル5に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を、発電セル5の外周方向に拡散させながら燃料極層3および空気極層4の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス(高温排ガス)を発電セル5の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっている。ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴よりモジュール外に排出されるようになっている。   The fuel cell stack 1 has a sealless structure in which a gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 5. During operation, the fuel cell stack 1 passes through the fuel gas passage 11 and the oxidant gas passage 12 to substantially the center of the separator 8. The fuel gas and the oxidant gas (air) supplied from the unit toward the power generation cell 5 are spread with good distribution over the entire surface of the fuel electrode layer 3 and the air electrode layer 4 while diffusing in the outer peripheral direction of the power generation cell 5. As a result, a power generation reaction is caused, and surplus gas (high-temperature exhaust gas) that has not been consumed in the power generation reaction is freely discharged from the outer periphery of the power generation cell 5 into the housing. The exhaust gas discharged into the internal space of the housing is discharged out of the module through the exhaust hole.

次に、図2および図3を参照して上記構成の燃料電池発電装置の運転制御につて説明する。
当運転制御は制御部20により行われるものであって、制御部20には、上記した各種検出器からの検知情報(I、V、Pa、T等)が適宜入力されると共に、制御部20内の記憶装置(図示せず)には、運転制御に用いる出力電流と燃料利用率の好ましい相関関係が、例えば、関数式、或いは転換テーブルデータといった形態で予め記憶されている(図3参照)。
Next, the operation control of the fuel cell power generation device having the above configuration will be described with reference to FIGS.
The operation control is performed by the control unit 20. The control unit 20 is appropriately input with detection information (I, V, Pa, T, etc.) from the various detectors described above, and the control unit 20. In a storage device (not shown), a preferable correlation between the output current used for operation control and the fuel utilization rate is stored in advance in the form of, for example, a function formula or conversion table data (see FIG. 3). .

図3において、データ(2)は、燃料電池スタック1の熱自立運転を可能とし得る燃料利用率と出力電流の関係を示す熱自立限界曲線を示し、燃料電池モジュール10の構造や性能により決定されている。また、データ(1)はスタック温度を上昇させ得る燃料利用率と出力電流の関係を示す温度上昇曲線を示し、データ(3)はスタック温度を下降させ得る燃料利用率と出力電流の関係を示す温度下降曲線を示しており、温度上昇曲線データと温度下降曲線データは熱自立限界曲線データを基準にして設定されている。   In FIG. 3, data (2) indicates a thermal self-sustainability limit curve showing the relationship between the fuel utilization rate and the output current that can enable the fuel cell stack 1 to perform the heat self-sustaining operation, and is determined by the structure and performance of the fuel cell module 10. ing. Data (1) shows a temperature rise curve indicating the relationship between the fuel utilization rate that can raise the stack temperature and the output current, and data (3) shows the relationship between the fuel utilization rate that can lower the stack temperature and the output current. The temperature decrease curve is shown, and the temperature increase curve data and the temperature decrease curve data are set based on the thermal self-supporting limit curve data.

尚、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持できる状態を言う。熱自立限界では一定のスタック温度を維持し、熱自立範囲内ではスタック温度は上昇する。一方、熱自立範囲外では、燃料電池スタックの発熱量に対して熱損失の割合が大きくなり、スタック温度は低下して発電効率は低下する。   In addition, heat self-sustainment means the state which can maintain the operating temperature of a fuel cell only with the heat | fever which generate | occur | produces itself, without adding heat from the outside. A constant stack temperature is maintained at the thermal self-supporting limit, and the stack temperature rises within the thermal self-supporting range. On the other hand, outside the heat self-supporting range, the ratio of heat loss to the heat generation amount of the fuel cell stack increases, the stack temperature decreases, and the power generation efficiency decreases.

図2のフローチャートにおいて、コールドスタンバイ状態(常温状態)にある燃料電池モジュール10を装置のボタン操作等にて始動すると、先ず、ステップ101において、図示しないヒータ等の加熱手段により燃料電池モジュール10を加熱・昇温し、燃料電池スタック1をコールドスタンバイ状態からホットスタンバイ状態に移行する起動工程が実行される。
例えば、固体酸化物形燃料電池の場合、ホットスタンバイ状態におけるスタック温度は運転可能下限温度である650℃前後に設定されており、この状態において、ステップ102の発電工程で定格未満出力での発電(電力取得)が可能となっている。
In the flowchart of FIG. 2, when the fuel cell module 10 in the cold standby state (normal temperature state) is started by a button operation of the apparatus or the like, first, in step 101, the fuel cell module 10 is heated by heating means such as a heater (not shown). The temperature is raised and the start-up process for shifting the fuel cell stack 1 from the cold standby state to the hot standby state is executed.
For example, in the case of a solid oxide fuel cell, the stack temperature in the hot standby state is set to around 650 ° C., which is the operable lower limit temperature. Power acquisition) is possible.

上記した発電工程における運転は、燃料電池の出力状態(スタック温度)により3つの運転パターンにて制御される。
第1の運転パターンは、ホットスタンバイ状態(出力0W)からスタック温度を上げながら定格(例えば、出力300W)まで徐々に取得電流を増加させていって、定格まで出力を取得する昇温期間の運転制御であり、第2の運転パターンは、定格出力到達後、定格出力範囲内(例えば、出力300W〜1KW)においてスタック温度と出力を一定に保持する定格出力期間の運転制御であり、第3の運転パターンは、定格出力時にスタック温度を下げながら徐々に取得電流を低下させていってホットスタンバイ状態(出力0W)に移行する降温期間の運転制御である。
The operation in the power generation process described above is controlled by three operation patterns according to the output state (stack temperature) of the fuel cell.
The first operation pattern is an operation in a temperature rising period in which the acquired current is gradually increased from the hot standby state (output 0 W) to a rating (for example, output 300 W) while raising the stack temperature, and the output is acquired to the rating. The second operation pattern is an operation control in a rated output period in which the stack temperature and the output are kept constant within the rated output range (for example, output 300 W to 1 kW) after reaching the rated output. The operation pattern is operation control during a temperature lowering period in which the acquired current is gradually decreased while lowering the stack temperature at the rated output, and the state shifts to the hot standby state (output 0 W).

尚、ステップ103による各運転パターンの切換判定は、制御部20に入力される出力電力検知情報Paや温度検知情報T等に基づいて行うことができる。   Note that the switching determination of each operation pattern in step 103 can be performed based on output power detection information Pa, temperature detection information T, and the like input to the control unit 20.

先ず、ステップ104による昇温期間の運転制御では、図3に示す特性線図の内のデータ(1)が参照される。
ここで、燃料利用率とは、「発電セル5に供給される燃料ガスの流量」に対する「上記発電反応に使用される燃料ガスの流量」の割合であり、また、燃料利用率は発電セル5に流れる電流値(出力電流)と発電反応に使用される燃料ガス流量とから下記演算により導き出すことができる。
燃料利用率=出力電流/燃料ガス流量×定数
First, in the operation control during the temperature rising period in step 104, the data (1) in the characteristic diagram shown in FIG. 3 is referred to.
Here, the fuel utilization rate is a ratio of “the flow rate of the fuel gas used for the power generation reaction” to “the flow rate of the fuel gas supplied to the power generation cell 5”, and the fuel utilization rate is the power generation cell 5. Can be derived from the current value (output current) flowing through the fuel gas and the flow rate of the fuel gas used for the power generation reaction by the following calculation.
Fuel utilization rate = output current / fuel gas flow rate x constant

従って、制御部20では、温度上昇過程において逐次入力される出力電流検知情報Iよりデータ(1)に基づく好適な燃料利用率が逐次導き出されると共に、燃料利用率とその時の検出電流値より必要な燃料ガス流量が算出される。そして、燃料ガス流量をこの算出値に制御する(すなわち、温度上昇期間では、燃料利用率が燃料利用率データ以下となるように燃料ガス供給量が制御される。)ことにより、温度上昇しながら安定した出力電力を得ることができる。出力が所望の定格出力に近づくと、データ(1)に基づく運転制御から燃料利用率を徐々にデータ(2)に近づけるように制御し、所望の定格出力において熱自立状態にスムーズに移行できるようにしている。
尚、燃料ガス流量の制御は、フィードバックループによる燃料ガスブロア21(或いは、図示しない制御弁)の送風量の制御により行うことができる。
Accordingly, the control unit 20 sequentially derives a preferable fuel utilization rate based on the data (1) from the output current detection information I sequentially input during the temperature rise process, and also requires the fuel utilization rate and the detected current value at that time. A fuel gas flow rate is calculated. Then, the fuel gas flow rate is controlled to this calculated value (that is, during the temperature rise period, the fuel gas supply amount is controlled so that the fuel utilization rate becomes equal to or less than the fuel utilization rate data), so that the temperature rises. Stable output power can be obtained. When the output approaches the desired rated output, the fuel utilization rate is controlled from the operation control based on the data (1) so as to gradually approach the data (2) so that the desired rated output can be smoothly shifted to the heat self-sustaining state. I have to.
The fuel gas flow rate can be controlled by controlling the air flow rate of the fuel gas blower 21 (or a control valve (not shown)) using a feedback loop.

また、ステップ106による降温期間の運転制御は、図3に示す特性線図の内のデータ(3)が参照される点を除き、上記したステップ104による運転制御と同様であるので説明を省略するが、この温度下降期間では、データ(3)に基づく燃料利用率と検出電流値により、燃料利用率が燃料利用率データ以上となるように燃料ガス供給量が制御され、温度下降過程においても温度上昇期間と同様に安定した出力電力を得ることができる。   The operation control during the cooling period in step 106 is the same as the operation control in step 104 described above except that the data (3) in the characteristic diagram shown in FIG. However, during this temperature decrease period, the fuel gas supply amount is controlled by the fuel utilization rate and the detected current value based on the data (3) so that the fuel utilization rate becomes equal to or higher than the fuel utilization rate data. Stable output power can be obtained as in the rising period.

このように、燃料電池の昇温・降温過程において、取得電流Iの変化に応じて燃料利用率を逐次設定していくことにより、定格未満運転においても安定した出力電力を得ることができる。
因みに、データ(1)による制御では、低電流域における燃料利用率を低く設定して燃料ガスを多めに供給することにより、迅速な昇温を実現すると共に、定格出力範囲近傍での燃料利用率を高く設定して昇温を緩慢にしている。
また、データ(3)による制御では、降温開始時には燃料利用率を高く設定して燃料ガス量を少なめにして降温を緩慢にしている。これにより、スムースな昇温・降温運転が実現できるようになり、過酷な熱サイクルによる発電セル5の特性劣化や破損を防止して燃料電池発電装置の高寿命化が図れる。
In this way, by setting the fuel utilization rate sequentially in accordance with the change in the acquired current I during the temperature increase / decrease process of the fuel cell, stable output power can be obtained even in operation below the rating.
Incidentally, in the control based on the data (1), by setting the fuel utilization rate in the low current region low and supplying a large amount of fuel gas, a rapid temperature rise is achieved and the fuel utilization rate near the rated output range is achieved. Is set high to slow the temperature rise.
Further, in the control based on the data (3), at the start of temperature decrease, the fuel utilization rate is set high so that the amount of fuel gas is reduced and the temperature decrease is slowed down. As a result, smooth temperature increase / decrease operation can be realized, and characteristic deterioration and breakage of the power generation cell 5 due to a severe heat cycle can be prevented, thereby extending the life of the fuel cell power generation device.

また、ステップ105による定格出力期間の運転制御では、図3に示す特性線図の内のデータ(2)が参照される。当定格出力期間では、データ(2)を参照しつつ熱自立限界に沿った燃料ガス流量の制御が行われ、安定した出力を得る。この制御もステップ104の場合と同様である。   In the operation control in the rated output period in step 105, the data (2) in the characteristic diagram shown in FIG. 3 is referred to. In this rated output period, the fuel gas flow rate is controlled along the thermal self-supporting limit while referring to the data (2), and a stable output is obtained. This control is the same as in step 104.

但し、この定格出力期間において、制御などの影響により燃料利用率が熱自立限界より外れた場合は、上記した燃料ガスの流量制御と共に、空気ブロア22の送風量の制御を行い、補助的に燃料電池スタック1への空気供給量を増減してスタック温度を熱自立限界に保持するようにしている。これにより、定格出力期間においては、熱自立運転による高効率の発電が可能となる。   However, if the fuel utilization rate deviates from the thermal independence limit due to the control during this rated output period, the air flow rate of the air blower 22 is controlled together with the above-described flow control of the fuel gas, and the fuel is supplementarily supplied. The amount of air supplied to the battery stack 1 is increased or decreased to keep the stack temperature at the thermal self-supporting limit. Thereby, in the rated output period, high-efficiency power generation by thermal self-sustained operation becomes possible.

このように、本実施形態によれば、定格出力期間の効率的な熱自立運転制御と共に、起動・停止の際のスムースな昇温・降温制御により、定格出力期間のみならず昇温期間や降温期間における定格未満運転においても安定した出力電力を得ることができると共に、熱サイクルにおける燃料電池スタック1、その他高温部部品の熱歪みの発生を防止し、発電セルの特性劣化や破損を回避して燃料電池発電装置の高寿命化が図れる。   As described above, according to the present embodiment, not only the rated output period but also the temperature increase period and temperature decrease are achieved by the efficient thermal self-sustaining operation control during the rated output period and the smooth temperature increase / decrease control during start / stop. Stable output power can be obtained even during operation below the rated value in the period, and the generation of thermal distortion of the fuel cell stack 1 and other high-temperature parts in the thermal cycle can be prevented, and the deterioration and breakage of the power generation cell characteristics can be avoided. The life of the fuel cell power generator can be extended.

また、本実施形態の運転制御は、各運転期間に応じて予め設定された出力電流対燃料利用率の各データを参照するだけの単純制御であるため、従来の運転制御に比べてデータ保有量も少なくて済み、マイコン制御も容易に行える好ましい制御方法となる。   In addition, since the operation control of the present embodiment is simple control that simply refers to each data of output current versus fuel utilization rate that is set in advance according to each operation period, the amount of data retained compared to conventional operation control This is a preferable control method that requires less and can easily perform microcomputer control.

本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generator to which the present invention is applied. 同、燃料電池発電装置の運転制御フローチャート。The operation control flowchart of a fuel cell power generator. 燃料電池の出力電流対燃料利用率特性線図。The fuel cell output current vs. fuel utilization characteristic diagram. 燃料電池スタックの内部構成を示す分解断面。The disassembled cross section which shows the internal structure of a fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池(燃料電池スタック)
20 制御部
30 空気供給系
40 燃料供給系
1 Fuel cell (fuel cell stack)
20 control unit 30 air supply system 40 fuel supply system

Claims (5)

燃料ガス供給量と空気供給量に応じて出力電力を発生する燃料電池の運転制御方法であって、
熱自立運転を可能とする出力電流対燃料利用率データを有し、温度上昇時は燃料利用率が前記燃料利用率データ以下となるように、温度下降時は燃料利用率が前記燃料利用率データ以上となるように、燃料ガス供給量を制御することにより、出力電力を制御することを特徴とする運転制御方法。
A fuel cell operation control method for generating output power according to a fuel gas supply amount and an air supply amount,
It has output current vs. fuel usage rate data that enables thermal self-sustained operation, and when the temperature rises, the fuel usage rate becomes equal to or less than the fuel usage rate data. As described above, an operation control method for controlling output power by controlling a fuel gas supply amount.
出力電力が0から定格出力までの昇温期間と、定格出力から0までの降温期間における各出力電流対燃料利用率データを有し、各運転期間において前記出力電流対燃料利用率データに基づいて燃料ガス供給量を制御することにより、出力電力を制御することを特徴とする請求項1に記載の運転制御方法。 Each output current has fuel usage rate data in the temperature rising period from 0 to the rated output and the temperature falling period from the rated output to 0. Based on the output current vs. fuel usage rate data in each operation period The operation control method according to claim 1, wherein the output power is controlled by controlling a fuel gas supply amount. さらに、定格出力期間内において空気供給量を制御して熱自立状態を維持することを特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の運転制御方法。 The operation control method according to claim 1 , further comprising controlling the air supply amount within a rated output period to maintain a heat self-sustaining state . 燃料ガス供給量と空気供給量に応じて出力電力を発生する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池に空気を供給する空気供給系と、これら各系を制御して請求項1から請求項4までの何れかに記載の運転制御を行う制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置 A fuel cell that generates output power according to a fuel gas supply amount and an air supply amount, a fuel supply system that supplies fuel gas to the fuel cell, an air supply system that supplies air to the fuel cell, and controls each of these systems A fuel cell power generator comprising a control unit that performs operation control according to any one of claims 1 to 4 . 前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池発電装置。 5. The fuel cell power generation according to claim 4, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell having a sealless structure that discharges residual gas that has not been used in a power generation reaction from an outer peripheral portion of the power generation cell. apparatus.
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5122083B2 (en) * 2006-05-22 2013-01-16 三菱マテリアル株式会社 Fuel cell power generator, control program, and control method for fuel cell power generator
JP5039324B2 (en) * 2006-05-22 2012-10-03 三菱マテリアル株式会社 Fuel cell power generator, control program, and control method
JP5328119B2 (en) * 2007-07-27 2013-10-30 京セラ株式会社 Fuel cell device
JP5198019B2 (en) * 2007-09-20 2013-05-15 株式会社東芝 Fuel cell power generation system and control method thereof
JP2009205996A (en) * 2008-02-28 2009-09-10 Toto Ltd Method of operating fuel cell system
JP5244504B2 (en) * 2008-08-28 2013-07-24 株式会社日立製作所 Solid oxide fuel cell system and operation method thereof
JP5412960B2 (en) * 2008-09-12 2014-02-12 Toto株式会社 Fuel cell device
WO2011013758A1 (en) * 2009-07-29 2011-02-03 京セラ株式会社 Fuel cell device
CN102511101B (en) * 2009-09-28 2015-01-21 京瓷株式会社 Fuel cell device
JP5252238B2 (en) * 2010-12-27 2013-07-31 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5536636B2 (en) 2010-12-28 2014-07-02 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Fuel cell system
JP5748054B2 (en) * 2011-06-30 2015-07-15 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5748055B2 (en) * 2011-06-30 2015-07-15 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell
JP6066580B2 (en) * 2012-04-26 2017-01-25 大阪瓦斯株式会社 Fuel cell system
JP5943781B2 (en) * 2012-09-03 2016-07-05 大阪瓦斯株式会社 How to set fuel utilization
JP6721363B2 (en) * 2016-03-11 2020-07-15 大阪瓦斯株式会社 Fuel cell system and operating method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003100325A (en) * 2001-09-19 2003-04-04 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell system
JP4022095B2 (en) * 2002-04-30 2007-12-12 三菱重工業株式会社 Fuel cell module and method for starting fuel cell module
JP4678115B2 (en) * 2002-07-17 2011-04-27 三菱マテリアル株式会社 Operation method and operation system of solid oxide fuel cell

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