JP6843531B2 - Fuel cell control device and control method and power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell control device, a control method, and a power generation system.
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気(酸化剤ガス)側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。 A fuel cell is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction. It has a fuel electrode, which is an electrode on the fuel side, an air electrode, which is an electrode on the air (oxidizing agent gas) side, and only ions between them. It is composed of an electrolyte through which it passes, and various types have been developed depending on the type of electrolyte.
このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」と呼ぶ)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このSOFCは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約700〜1000℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。 Of these, for example, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell: hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and hydrogen, city gas, natural gas, oil, methanol, and coal. It is a fuel cell that is operated using gas produced from a carbonaceous raw material such as gasified gas by a gasification facility as fuel. This SOFC has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity, and is known as a highly efficient high-temperature fuel cell.
このようなSOFCを例えば、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このMGTでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をSOFCの空気極に供給するとともに、SOFCから排出される高温の排燃料ガスをMGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスを断熱膨張することでMGTのタービンを回転駆動させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている(特許文献1参照)。 A combined cycle system has been developed in which such an SOFC is combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as "MGT"). In this MGT, the compressed air discharged from the compressor is supplied to the air electrode of the SOFC, and the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC is supplied to the combustor of the MGT to be burned, and the combustion generated in the combustor is performed. By adiabatic expansion of the gas to rotationally drive the turbine of the MGT and rotationally drive the generator, it is possible to generate electricity with high power generation efficiency (see Patent Document 1).
また、特許文献2には、負荷の変化に対してフィードフォワード制御で発電電流に必要な燃料ガスの流量および酸化剤ガスの流量を決定することが開示されている。
また、特許文献3には、SOFCの発電室から排出された高温の排燃料ガスを燃料供給経路へ再循環させる再循環ラインを有する発電システムが開示されている。
Further, Patent Document 2 discloses that the flow rate of fuel gas and the flow rate of oxidant gas required for power generation current are determined by feedforward control with respect to a change in load.
Further, Patent Document 3 discloses a power generation system having a recirculation line for recirculating the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the power generation chamber of the SOFC to the fuel supply path.
再循環ラインには、再循環ラインを流れる排燃料ガスの流量等を制御するための制御弁やブロワ等の機器が設けられている。したがって、再循環ラインを流れる排燃料ガスをこれらの機器の耐熱温度以下に制限する必要がある。
再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を制御する手法として、負荷を低下させることが考えられる。しかしながら、排燃料ガスの温度調整のために負荷を低下させることは、より多くの発電を行うという発電設備の本来の目的に反するため好ましくない。また、熱交換器などの他の機器を設けて温度調整することも考えられるが、この方法では装置の大型化やコストの面において好ましくない。
The recirculation line is provided with equipment such as a control valve and a blower for controlling the flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line. Therefore, it is necessary to limit the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line to the heat resistant temperature or lower of these devices.
As a method of controlling the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line, it is conceivable to reduce the load. However, reducing the load for adjusting the temperature of the exhaust fuel gas is not preferable because it goes against the original purpose of the power generation facility of generating more power. Further, it is conceivable to provide another device such as a heat exchanger to adjust the temperature, but this method is not preferable in terms of the size of the device and the cost.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易な手法により燃料電池の再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を機器の耐熱温度から決定される温度上限値以下に抑制することのできる燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and suppresses the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line of the fuel cell to a temperature upper limit value or less determined from the heat resistant temperature of the device by a simple method. It is an object of the present invention to provide a fuel cell control device and a control method as well as a power generation system which can be used.
本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備え、前記空気極に供給される前の酸化剤ガスと前記燃料極から排出された後の排燃料ガスとが熱交換される燃料電池の制御装置であって、前記熱交換された後の排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する入口酸化剤温度制御部を具備する燃料電池の制御装置を提供する。 The present invention includes a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and is discharged from an oxidizing agent gas before being supplied to the air electrode and the fuel electrode. a exhaust and fuel gas control apparatus for a fuel cell that will be heat exchange after, by circulating the exhaust fuel gas after being said heat exchanger, again flows through the recirculation line to be supplied to the fuel electrode Provided is a fuel cell control device including an inlet oxidant temperature control unit that controls the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas is within a predetermined range.
本発明によれば、再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、空気極に供給される酸化剤ガスの温度が制御される。これにより、排燃料ガスの温度を再循環ラインに設けられている再循環ブロワや制御弁の耐熱温度以下に抑制することが可能となる。ここで、前記排燃料ガスの所定範囲は、例えば、600℃以下であり、より好ましくは、550℃以下である。 According to the present invention, the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode is controlled so that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line is within a predetermined range. As a result, the temperature of the exhaust fuel gas can be suppressed to be equal to or lower than the heat resistant temperature of the recirculation blower or control valve provided in the recirculation line. Here, the predetermined range of the exhaust fuel gas is, for example, 600 ° C. or lower, more preferably 550 ° C. or lower.
本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、前記燃料極側から排出された排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する入口酸化剤温度制御部と、出力電流指令と入口酸化剤温度とが関連付けられた第1情報、発電室温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第2情報、排燃料出口温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第3情報から、それぞれ対応する入口酸化剤温度を取得し、取得した入口酸化剤温度のうち最も値の小さい入口酸化剤温度を選択して入口酸化剤温度指令として設定する入口酸化剤温度設定部とを備え、前記入口酸化剤温度制御部は、前記入口酸化剤温度設定部によって設定された入口酸化剤温度指令に基づいて入口酸化剤温度を制御する燃料電池の制御装置を提供する。 The present invention is a fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and the exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode side. An inlet oxidant that controls the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line that circulates and supplies the fuel electrode again is within a predetermined range. The temperature control unit, the first information associated with the output current command and the inlet oxidant temperature, the second information associated with the power generation chamber temperature and the inlet oxidant temperature, the exhaust fuel outlet temperature and the inlet oxidant temperature From the associated third information, the corresponding inlet oxidant temperature is acquired, the inlet oxidant temperature having the smallest value is selected from the acquired inlet oxidizer temperature, and the inlet oxidant temperature is set as the inlet oxidizer temperature command. and a temperature setting unit, the inlet oxidant temperature control unit, a control device for fuel cell that controls the inlet oxidant temperature based on the inlet oxidant temperature command set by said inlet oxidant temperature setting unit Provide .
このように、出力電流指令、発電室温度、及び排燃料出口温度から入口酸化剤温度指令をそれぞれ取得し、取得した入口酸化剤温度指令の中から最も指令値の小さい入口酸化剤温度指令を設定する。これにより、燃料電池内において、燃料極に供給される可燃性ガスと熱交換させる酸化剤ガスの温度を可能な限り低い温度に設定することができる。この結果、燃料電池から再循環ラインに排出される排燃料ガスを効果的に冷却することができ、排燃料ガスの温度を容易に調整することが可能となる。 In this way, the inlet oxidizer temperature command is acquired from the output current command, the power generation chamber temperature, and the exhaust fuel outlet temperature, and the inlet oxidizer temperature command with the smallest command value is set from the acquired inlet oxidizer temperature commands. To do. As a result, the temperature of the oxidant gas that exchanges heat with the flammable gas supplied to the fuel electrode can be set to the lowest possible temperature in the fuel cell. As a result, the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell to the recirculation line can be effectively cooled, and the temperature of the exhaust fuel gas can be easily adjusted.
上記燃料電池の制御装置において、前記燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池である。 In the fuel cell control device, the fuel cell is, for example, a solid oxide fuel cell.
本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備え、前記空気極に供給される前の酸化剤ガスと前記燃料極から排出された後の排燃料ガスとが熱交換される燃料電池と、前記熱交換された後の排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインと、上記いずれかに記載の燃料電池の制御装置とを備える発電システムを提供する。 The present invention includes a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and is discharged from an oxidizing agent gas before being supplied to the air electrode and the fuel electrode. the fuel according the exhaust fuel gas and the fuel cell is Ru by heat exchange, by circulating the exhaust fuel gas after being the heat exchanger, again with the recirculation line to be supplied to the fuel electrode, the one after the Provided is a power generation system including a battery control device.
本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備え、前記空気極に供給される前の酸化剤ガスと前記燃料極から排出された後の排燃料ガスとが熱交換される燃料電池の制御方法であって、前記熱交換された後の排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する工程と、循環させる前記排燃料ガスの温度を計測する工程と、前記空気極側に供給する酸化剤ガスの温度を計測する工程と、前記排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する工程とを有する燃料電池の制御方法を提供する。
本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、前記燃料極側から排出された排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する入口酸化剤温度制御工程と、出力電流指令と入口酸化剤温度とが関連付けられた第1情報、発電室温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第2情報、排燃料出口温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第3情報から、それぞれ対応する入口酸化剤温度を取得し、取得した入口酸化剤温度のうち最も値の小さい入口酸化剤温度を選択して入口酸化剤温度指令として設定する入口酸化剤温度設定工程とを有し、前記入口酸化剤温度制御工程は、前記入口酸化剤温度設定工程において設定された入口酸化剤温度指令に基づいて入口酸化剤温度を制御する燃料電池の制御方法を提供する。
The present invention includes a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel pole, a solid electrolyte, and an air pole are arranged, and is discharged from the oxidant gas before being supplied to the air pole and the fuel pole. a control method of a fuel cell and exhaust fuel gas is Ru is heat-exchanged later by circulating exhaust fuel gas after being the heat exchanger, the exhaust fuel again and supplying to the fuel electrode, is circulated A step of measuring the temperature of the gas, a step of measuring the temperature of the oxidizing agent gas supplied to the air electrode side, and an oxidation supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas is within a predetermined range. Provided is a method for controlling a fuel cell, which comprises a step of controlling the temperature of an agent gas.
The present invention is a method for controlling a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and the exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode side. An inlet oxidant that controls the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line that circulates and supplies the fuel electrode again is within a predetermined range. The temperature control process, the first information associated with the output current command and the inlet oxidant temperature, the second information associated with the power generation chamber temperature and the inlet oxidant temperature, the exhaust fuel outlet temperature and the inlet oxidant temperature From the associated third information, the corresponding inlet oxidant temperature is acquired, the inlet oxidant temperature having the smallest value is selected from the acquired inlet oxidizer temperature, and the inlet oxidant temperature is set as the inlet oxidizer temperature command. The inlet oxidant temperature control step includes a temperature setting step, and provides a fuel cell control method for controlling the inlet oxidant temperature based on the inlet oxidant temperature command set in the inlet oxidant temperature setting step. To do.
本発明によれば、簡易な手法により燃料電池の再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を適切な温度に制御することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line of the fuel cell can be controlled to an appropriate temperature by a simple method.
以下に、本発明に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell control device and a control method and a power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔発電システムの構成〕
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム10の概略構成を示した概略構成図である。図1に示すように、発電システム10は、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)11、発電機12、及びSOFC13を備えている。この発電システム10は、MGT11による発電と、SOFC13による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。
[Power generation system configuration]
First, a schematic configuration of a power generation system according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a
MGT11は、圧縮機21、燃焼器22、タービン23を有しており、圧縮機21とタービン23とは回転軸24により一体回転可能に連結されている。後述するタービン23が回転することで圧縮機21が回転駆動する。圧縮機21は、空気取り込みライン25から取り込んだ空気Aを圧縮する。
燃焼器22には、第1空気供給ライン26を介して圧縮機21からの圧縮空気(以下、単に「空気」という。)A1が供給されるとともに、第1燃料ガス供給ライン27を介して燃料ガスL1が供給される。第1空気供給ライン26には、燃焼器22へ供給する空気量を調整するための制御弁65が設けられ、第1燃料ガス供給ライン27には、燃焼器22へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁70が設けられている。更に、燃焼器22には、後述するSOFC13の燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の一部が排燃料ガス供給ライン45を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン45には、燃焼器22に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁47が設けられている。更に、燃焼器22には、後述する排空気供給ライン36を通じてSOFC13の空気極13Bで用いられた排空気A2の一部が供給される。
The
Compressed air (hereinafter, simply referred to as “air”) A1 from the
燃焼器22は、燃料ガスL1、空気Aの一部、排燃料ガスL3、及び排空気A2を混合して燃焼させ、燃焼ガスGを生成する。燃焼ガスGは燃焼ガス供給ライン28を通じてタービン23に供給される。タービン23は、燃焼ガスGが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン55から排出される。発電機12は、タービン23と同軸上に設けられており、タービン23が回転駆動することで発電する。
The
燃焼器22に供給する燃料ガスL1及び後述する燃料ガスL2は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス(LNG)、都市ガス、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)等の炭化水素ガス、及び炭素質原料(石油や石炭等)のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。
Fuel gas L2 to the fuel gas L1 and later supplied to the
SOFC13は、還元剤としての加熱した燃料ガスL2と、酸化剤ガスとしての加熱した空気(酸化剤ガス)とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。このSOFC13は、圧力容器内に燃料極13Aと空気極13Bと固体電解質とが収容されて構成される。なお、SOFC13の詳細な構成については後述する。
SOFC13は、空気極13Bに酸化剤ガスが供給され、燃料極13Aに燃料ガスが供給されることで発電する。酸化剤ガスは、例えば、酸素を略15%から30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。本実施形態では、SOFC13に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機21によって圧縮された空気Aの少なくとも一部を採用する場合を例示して説明する。
The
The
SOFC13には、第1空気供給ライン26から分岐した第2空気供給ライン31を通じて酸化剤ガスとして空気A1が空気極13Bの導入部である空気供給部に供給される。この第2空気供給ライン31には、供給する空気A1の流量を調整するための制御弁64が設けられている。また、第1空気供給ライン26において、第2空気供給ライン31の分岐点よりも空気A1の上流側(換言すると、圧縮機21側)には、熱交換器58が設けられている。熱交換器58において、空気Aは、燃焼排ガスライン55から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第2空気供給ライン31には、熱交換器58をバイパスするバイパスライン62が設けられている。バイパスライン62には、制御弁66が設けられ、空気Aのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁64、66の開度が後述する制御装置60によって制御されることで、熱交換器58を通過する空気Aと熱交換器58をバイパスする空気Aとの流量割合が調整され、空気Aの一部である第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気A1の温度が調整される。
SOFC13に供給される空気A1の温度は、SOFC13を構成するSOFCカートリッジ203に空気A1を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめSOFCカートリッジ203の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
Air A1 is supplied to the
The temperature of the air A1 supplied to the
更に、第2空気供給ライン31には、可燃性ガスとして燃料ガスL2を供給する空気極燃料供給ライン80が接続されている。空気極燃料供給ライン80には、第2空気供給ライン31へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁82が設けられている。制御弁82の弁開度が後述する制御装置60によって制御されることにより、空気A1に添加される燃料ガスL2の供給量が調整される。空気A1に添加される燃料ガスL2の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは3体積%以下で供給される。
Further, an air electrode
SOFC13には、空気極13Bで用いられた排空気A2を排出する排空気排出ライン34が接続されている。この排空気排出ライン34には、燃焼器22に排空気A2を供給するための排空気供給ライン36が接続されている。排空気供給ライン36には、SOFC13とタスタービン11との間の系統を切り離すための遮断弁38が設けられている。
また、排空気排出ライン34には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)37が設けられている。
The
Further, the exhaust
SOFC13には、更に、燃料ガスL2を燃料極13Aの導入部である燃料ガス供給部207(図3参照)に供給する第2燃料ガス供給ライン41と、燃料極13Aで反応に用いられた後の排燃料ガスL3を排出する排燃料ガスライン43とが接続されている。第2燃料ガス供給ライン41には、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量を調整するための制御弁42が設けられ、排燃料ガスライン43には外部に排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)46が設けられている。排燃料ガスライン43制御弁(もしくは遮断弁)46と、排空気排出ライン34の制御弁(もしくは遮断弁)37により過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、SOFC13の燃料極13Aと空気極13Bの燃料空気差圧の制御は、燃料極13A側が所定の圧力範囲で高くなるよう制御弁47により制御する。また、排燃料ガスライン43には、排燃料ガスL3をSOFC13の燃料極13Aの入口へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン49が接続されている。燃料ガス再循環ライン49には、排燃料ガスL3を再循環させるための再循環ブロワ50が設けられている。
The
更に、燃料ガス再循環ライン49には、燃料極13Aに燃料ガスL2を改質するための純水を供給する純水供給ライン44が設けられている。純水供給ライン44にはポンプ48が設けられている。ポンプ48の吐出流量が制御装置60によって制御されることにより、燃料極13Aに供給される純水量が調整される。
Further, the fuel
〔SOFCの構成〕
次に、図2から図4を参照してSOFC13の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るSOFC複合発電システム(燃料電池複合発電システム)のSOFCに用いる円筒形セルスタックについて図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係るセルスタック101の一態様を示した図である。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極13Aと固体電解質111と空気極13Bとが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極13Bに、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極13Aに電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
[SOFC configuration]
Next, the configuration of the
First, a cylindrical cell stack used for SOFC of the SOFC combined cycle power generation system (fuel cell combined cycle power generation system) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing one aspect of the
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4などを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極13Aに拡散させる。
燃料極13Aは、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極13Aの厚さは50〜250μmである。この場合、燃料極13Aは、燃料極13Aの成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質する。また、燃料極13Aは、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成する。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。SOFC13の燃料極13Aに供給し利用できる燃料ガスL2は、水素(H2)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどである。本実施形態において、燃料ガスL2は例えば都市ガスであり、メタンを主成分とする燃料ガスを用いている。
The
固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZとが主に用いられて構成されている。固体電解質111は、空気極13Bで生成される酸素イオン(O2−)を燃料極に移動させる。燃料極13Aの表面上に位置する固体電解質膜111の厚さは10〜100μmである。
The
空気極13Bは、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極13Bは、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化剤ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。空気極13Bは2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnO3で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
The
インターコネクタ107は、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物などから構成される。インターコネクタ107は、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極13Bと他方の燃料電池セル105の燃料極13Aとを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続する。リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出する。
The
次に、図3及び図4を参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。図3は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示した図、図4は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図である。 Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a view showing one aspect of the SOFC module according to the present embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.
SOFCモジュール201は、図3に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図3には円筒形のSOFCのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤ガスに対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。
As shown in FIG. 3, the
SOFCモジュール201は、燃料ガス供給部207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出部209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。更に、SOFCモジュール201は、空気供給部(不図示)と空気供給枝管(不図示)及び空気排出部(不図示)と複数の空気排出枝管(不図示)とを備える。
The
第2燃料ガス供給ライン41(図1参照)からの燃料ガスL2は、燃料ガス供給部207、複数の燃料ガス供給枝管207aを通じて複数のSOFCカートリッジ203に供給される。燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給部207を通じて供給される燃料ガスL2を複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させる。
The fuel gas L2 from the second fuel gas supply line 41 (see FIG. 1) is supplied to the plurality of
SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスL3は、燃料ガス排出枝管209a及び燃料ガス排出部209を通じることにより、略均等の流量で排燃料ガスライン43(図1参照)に導かれる。
The exhaust fuel gas L3 discharged from the
本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず、例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様としてもよい。
In the present embodiment, a mode in which a plurality of
SOFCカートリッジ203は、図4に示すように、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給室217と、燃料ガス排出室219と、空気供給室221と、空気排出室223とを備えている。更に、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備えている。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給室217と燃料ガス排出室219と空気供給室221と空気排出室223とが図4のように配置されることで、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、その態様は必ずしもこの例に限られず、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または空気がセルスタックの長手軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
As shown in FIG. 4, the
発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。例えば、発電室215のセルスタック101の長手方向の中央部付近の温度は、後述する温度センサ92などで監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、約700℃から1000℃の高温雰囲気となる。
The
燃料ガス供給室217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給室217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させる。
The fuel
燃料ガス排出室219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの下部に備えられた燃料ガス排出孔231bによって、燃料ガス排出枝管209aと連通されている。複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出室219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出室219に供給される排燃料ガスL3を集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くことができる。
The fuel
空気供給室221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと、下部管板225bと、下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた空気供給孔233aによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室221は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔233aを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間235aを介して発電室215に略均一流量で導くことができる。
The
空気排出室223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと、上部管板225aと、上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた空気排出孔233bによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室223は、発電室215から、空気排出隙間235bを介して空気排出室223に供給される排空気を、空気排出孔233bを介して図示しない空気排出枝管に導くことができる。
The
発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けられたNi/YSZ等からなるリード膜115(図2参照)によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された電力は、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
The DC power generated in the
上述したように、本実施形態に係るSOFC13では、燃料ガスL2と空気A1とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排空気A2は、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスL2との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて空気排出室223に供給される。また、燃料ガスL2は、発電室215から排出される排空気A2との熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスL2を発電室215に供給することができる。更に、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスL3は、発電室215に供給される空気A1との間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室219に供給される。また、空気A1は排燃料ガスL3との熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された空気を発電室215に供給することができる。
As described above, in the
また、図4に示すように、各SOFCカートリッジ203には少なくとも1つの温度センサ92が配置されている。例えば、SOFC13が4つのSOFCカートリッジ203を備えて構成されている場合、少なくとも合計4つの温度センサが設けられていることとなる。温度センサ92は、少なくとも発電室215の内のセルスタック101の長手方向の中央領域に配置されている。本実施形態での中央領域とは、セルスタック101の長手方向における温度分布をとった場合に最も高温になる位置を含む領域とされ、セルスタック101の下部を0%、上部を100%とした場合、約30%から65%の範囲とされている。より好ましくは、中央領域は、約45%から55%の範囲とされている。
さらに、SOFC13には、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧を計測する差圧センサ90(図1参照)等の各種センサが設けられている。SOFC13の各部位に設けられた各種センサ90、92の計測値は、制御装置60に送信される。
Further, as shown in FIG. 4, at least one
Further, the
また、発電システム10には、SOFC13の周囲の外気温度を計測する外気温度センサ94(図1参照)が設けられている。本実施形態において、外気温度センサ94は、MGT11の圧縮機21の吸入口付近に設けられ、圧縮機21に吸引される空気Aの温度を計測する。外気温度センサ94の計測値は、制御装置60に送信される。
Further, the
さらに、発電システム10には、第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気温度(入口空気温度)を計測する温度センサ(不図示)、燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の温度を計測する温度センサ(不図示)等が設けられている。各温度センサの計測値は、制御装置60に送信される。
Further, the
制御装置60は、各種センサからの計測値や各制御弁の開度情報等を取得し、取得した情報に基づいて演算を行い、発電システム10の各部の動作を制御する。
The
〔発電システムの運転方法〕
次に、上記構成を備える発電システム10において、制御装置60によって実行される制御について簡単に説明する。
[How to operate the power generation system]
Next, in the
発電システム10の起動時において、制御装置60は、まずMGT11を起動させ、MGT11の出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機21から供給される空気の一部をSOFC13に供給することで、SOFC13の空気極13Bを加圧していくことができる。また、燃料極13Aは燃料ガスの改質反応が可能な所定温度に上昇するまでは、N2などの不活性ガスにH2などの還元性ガスを加えた混合気体などを用いて、加圧してゆくことができる。また、SOFC13の空気極13Bに供給される空気A1は、熱交換器58により温度が300〜500℃に昇温されおり、空気A1に添加される燃料ガスL2の燃焼反応が生じるように空気極13Bが触媒として機能する温度まで発電室215を昇温させることができる。SOFC13が所定圧力まで加圧されると、遮断弁38を開としSOFC13とMGT11とを連結させ、SOFC13を経由してMGT11の燃焼器22に空気を供給するコンバインド状態に移行する。
At the time of starting the
コンバインド状態への移行後に、SOFC13を昇温するためにSOFC13に供給される空気流量を増加させ、SOFC13をバイパスして燃焼器22に供給される空気流量を減少させる。そして、ある一定時間後にSOFC13が発電を開始するまでは空気Aの全量がSOFC13を経由して燃焼器22に供給されるように制御して、SOFC13のできるだけ均一な温度で早く昇温できるようにしてもよい。
After the transition to the combined state, the air flow rate supplied to the
次に、本発明の一実施形態に係る制御装置60について、図を参照して説明する。
制御装置60は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、CPUと、CPUが実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
Next, the
The
図5は、本実施形態に係る制御装置60が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図5に示すように、制御装置60は、SOFC13を制御するSOFC制御装置60aと、MGT11を制御するMGT制御装置60bとを備えている。SOFC制御装置60aとMGT制御装置60bとは情報の相互授受が可能とされている。
FIG. 5 is a functional block diagram showing the functions provided by the
SOFC制御装置60aは、SOFC13の起動時に、第1昇温モード、第2昇温モード、及び負荷上昇モードを順に実行し、発電室温度を定格温度まで上昇させるとともに、目標負荷まで負荷を上昇させる。
When the
まず、第1昇温モードでは、熱交換器58による熱交換によって加熱された空気A1を空気極13Bに供給することにより、発電室215を昇温させる。第1昇温モードにより、発電室温度が第1温度閾値Tth1に到達すると、第1昇温モードから第2昇温モードに切り替える。ここで、第1温度閾値は、空気極13Bが可燃性ガスとしての燃料ガスL2との燃焼反応に対して触媒として機能する温度であり、例えば、約400℃から450℃の範囲で設定されている。
First, in the first temperature raising mode, the temperature of the
第2昇温モードでは、第1昇温モードと同様に空気極13Bに空気A1を供給するとともに、制御弁82を開くことにより、空気極燃料供給ライン80により燃料ガスL2を空気A1に添加する。空気A1と燃料ガスL2とが流入した空気極13Bでは、空気極13Bの触媒作用によって燃料ガスL2が空気極13B上で触媒燃焼し、燃焼熱が発生する。このように、第2昇温モードでは、触媒燃焼による発熱を用いて発電室温度を上昇させる。
第2昇温モードにおいて、SOFC制御装置60aは、発電室温度の温度変化率が上限値を超えないように、燃料ガスL2の流量を制御する。また、SOFC制御装置60aは、発電室温度に応じて、バイパスライン62の制御弁66によりSOFC13の空気極13Bへ供給する空気A1の入口空気温度を制御する。
SOFC制御装置60aは、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達すると、第2昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。
In the second temperature rising mode, the air A1 is supplied to the
In the second temperature rising mode, the
When the power generation chamber temperature reaches the second temperature threshold value Tth2, the
負荷上昇モードでは、負荷上昇中の発電による自己発熱のみで発電室温度を上昇させることも可能であるが、昇温に長い時間を要してしまうため、第1昇温モードと同様に空気極13Bに空気A1を供給するとともに、燃料極13Aに第2燃料ガス供給ライン41から燃料ガスL2と純水供給ライン44から純水を供給し、発電を開始する。負荷上昇モードでは、空気極13Bに燃料ガスL2を供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電による発熱との両方によって発電室温度を上昇させる。負荷上昇モードでは、SOFC13の発電室温度が発電による自己発熱で温度維持ができるまで温度上昇をした後は、空気極13Bへ供給される燃料ガスL2の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極13Aへの燃料ガスL2の供給がゼロになるように制御される。また、負荷上昇モードでは、空気極の触媒燃焼およびSOFC13に負荷をかけて発電することによる発熱で発電室温度が上昇するが、負荷上昇に対して発電室温度は遅れて上昇する。
In the load increase mode, it is possible to raise the temperature of the power generation room only by self-heating due to the power generation during the load increase, but since it takes a long time to raise the temperature, the air electrode is the same as in the first temperature rise mode. Air A1 is supplied to 13B, and fuel gas L2 and pure
上記第2温度閾値Tth2は、例えば、750℃以上に設定されている。これは、燃料電池セル105が十分な温度に達していないときに燃料極13A側に燃料ガスL2を投入してしまうと、固体電解質111(図2参照)が高抵抗状態のときに燃料電池セル105を発電させると、電極構成材料が組織変化して劣化し、燃料電池セル105の性能低下の要因になるからである。発電室温度が750℃以上であれば上記のような燃料電池セル105の性能低下が起きにくいため、第2温度閾値Tth2は750℃付近に設定されることが好ましい。
負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達すると、起動完了となる。発電室目標温度TtagはSOFC13が発電による発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば800〜950℃で設定される。
The second temperature threshold value Tth2 is set to, for example, 750 ° C. or higher. This is because if the fuel gas L2 is charged to the
In the load increase mode, when the temperature of the power generation room reaches the target temperature Ttag of the power generation room and the load reaches the target load such as the rated load, the start-up is completed. The target temperature Ttag of the power generation room is equal to or higher than the temperature at which the
次に、SOFC制御装置60aによって実行される起動時の制御について、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、特に本発明の特徴部分である負荷上昇モードについて説明する。
Next, the control at startup executed by the
図6は、本発明の一実施形態に係るSOFC制御装置60aの負荷上昇モード時における機能を展開して示した機能ブロック図である。
図6に示すように、SOFC制御装置60aは、目標負荷設定部51、出力電流指令設定部52、制御指令設定部53、及び制御部54を備えている。
FIG. 6 is a functional block diagram showing the functions of the
As shown in FIG. 6, the
目標負荷設定部51は、外気温度とSOFC13の目標負荷(=目標出力電流)とが関連付けられた目標負荷情報を有している。目標負荷設定部51は、外気温度センサ94によって計測された外気温度に対応する目標負荷の値を目標負荷情報から取得し、目標負荷として設定する。
図7は目標負荷情報の一例を示した図である。図7において、横軸は外気温度、縦軸は目標負荷(=目標出力電流)を示している。目標負荷情報は、例えば、事前にシミュレーションまたは実機試験等の結果に基づいて作成されたものであり、制御弁64等の弁開度を全開にしたとき、換言すると、空気極13Bに供給される空気流量A1を最大に設定したときに、SOFC13が出力し得る最大負荷(最大電流)の値が外気温度に対応付けられて設定されている。制御弁64等の弁開度が同じ場合、換言すると、流量が同じでも、外気温度が異なる場合には、空気密度が変わるためにSOFC13の発電室215に供給される空気量が変化する。例えば、外気温度が低いと空気密度が高くなり、MGT11の圧縮機21の吐出空気流量が多くなるため、発電室215に供給される空気A1は冷却剤として機能するため、空気量が多いほどSOFC13が出力し得る最大負荷は大きくすることが可能となる。このような理由から、目標負荷情報は、図7に示すように、外気温度が低いほど、目標負荷が大きくなる特性とされている。
The target
FIG. 7 is a diagram showing an example of target load information. In FIG. 7, the horizontal axis represents the outside air temperature, and the vertical axis represents the target load (= target output current). The target load information is, for example, created in advance based on the results of a simulation or an actual machine test, and is supplied to the
また、目標負荷情報は、図7に点線で示すように、外気温度から決定される目標負荷に対して所定の裕度を持たせることとしてもよい。SOFC13の負荷変化等で発電室温度が変化する際に、発電室温度は温度分布を保有する場合がある。このように所定の裕度を持たせることにより、発電室内の一部の温度がSOFC13の一部の部材等の耐熱温度から決定される温度上限値を超えることを極力回避することが可能となる。ここでの裕度は、本実施形態では例えば、目標負荷(=目標出力電流)に対して約0.5%以下の範囲で設定される。裕度が0.5%を超え、更には1%を超えると目標負荷(=目標出力電流)に対して到達する電流値が少なくなり、できるだけSOFC13の出力を多くしたい目的から外れるので好ましくない。また0.1%を下回ると、流量制御装置(マスフローコントローラなど)などの制御誤差範囲内になり実質的な裕度にならないので好ましくない。
Further, as shown by the dotted line in FIG. 7, the target load information may have a predetermined margin with respect to the target load determined from the outside air temperature. When the temperature of the power generation chamber changes due to a change in the load of the
出力電流指令設定部52は、目標負荷から決まる目標出力電流に基づいて所定の電流変化率で出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する。電流変化率を設けないと、瞬時に電流が変化することになり各制御量の応答追従が出来ず、一時的に燃料ガスが過多もしくは欠乏となり、発電システム10の運転が不安定となる、SOFCカートリッジ203が損傷するなどの可能性がある。ここで電流変化率とは、電流変化量(電流の増加量)の時間当たりの勾配を示す。また、所定の繰り返し時間間隔とは、一連の制御処理ステップを順次実施して出力電流指令が目標電流に達したかどうかを判断するステップを実施するまでに必要な時間である。例えば、目標出力電流が定格電流の90%、電流変化率が定格電流の5%/minに設定されていた場合、10分後の出力電流指令は定格電流の50%となり、約18分かけて目標出力電流まで負荷上げされることとなる。
なお、所定の電流変化率は、出力電流値と目標出力電流との差分に応じて変化させてもよい。例えば、差分が大きい場合には比較的大きな電流変化率で出力電流指令を設定し、差分が小さくなるにつれて電流変化率を小さく設定することとしてもよい。このように電流変化率を変化させることで、目標出力電流に到達するまでの時間を短縮するとともに、発電室温度のオーバーシュートを抑制することが可能となる。
The output current
The predetermined current change rate may be changed according to the difference between the output current value and the target output current. For example, when the difference is large, the output current command may be set with a relatively large current change rate, and the current change rate may be set to decrease as the difference becomes smaller. By changing the current change rate in this way, it is possible to shorten the time required to reach the target output current and suppress overshoot of the temperature of the power generation chamber.
制御指令設定部53は、出力電流指令設定部52によって設定される出力電流指令等を用いてSOFC13の負荷を変化させるための複数の制御系の制御指令を設定する。ここで制御指令は、個々の制御指令を出して制御量である出力電流や発電室温度の変化が安定してから次の制御指令を出すのではなく、ほぼ同時に複数の制御系に関する制御指令を出すようにする。例えば、制御指令設定部53は、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量指令を設定する燃料ガス流量設定部53a、空気極13Bに供給する空気A1の入口空気温度指令を設定する入口空気温度設定部53b、MGT出力指令を設定するMGT出力設定部53c、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧指令を設定する燃料空気差圧設定部53d、再循環ブロワ50の回転数指令を設定する再循環流量設定部53e、及び燃料極13Aに供給する純水の流量指令を設定する純水流量設定部53fを備えている。
The control
燃料ガス流量設定部53aは、例えば、図8に示すように、出力電流指令と燃料ガスL2の流量とが関連付けられた燃料ガス流量情報を有しており、燃料ガス流量情報から出力電流指令に対応する燃料ガスL2の流量を取得し、取得した燃料ガスL2の流量を燃料ガス流量指令として設定する。
入口空気温度設定部(入口酸化剤温度設定部)53bは、例えば、図9に示すように、出力電流指令とSOFC13の空気極13Bへの入口空気温度とが関連付けられた第1入口空気温度情報(第1情報)を備えている。更に入口空気温度設定部53bは、図10に示す、発電室温度と入口空気温度とが関連付けられた第2入口空気温度情報(第2情報)、図11に示す、排燃料出口温度と入口空気温度指令とが関連付けられた第3入口空気温度情報(第3情報)を備えている。入口空気温度設定部53bは、第1入口空気温度情報から出力電流指令に対応する入口空気温度を、第2入口空気温度情報から発電室温度に対応する入口空気温度を、第3入口空気温度情報から排燃料出口温度に対応する入口空気温度をそれぞれ取得する。そして、取得したこれらの入口空気温度のうち最も値の小さい入口空気温度を入口空気温度指令として設定する。これにより、SOFC13および発電システム10の過熱防止することができる。
As shown in FIG. 8, for example, the fuel gas flow rate setting unit 53a has fuel gas flow rate information in which the output current command and the flow rate of the fuel gas L2 are associated with each other, and the fuel gas flow rate information is changed to the output current command. The flow rate of the corresponding fuel gas L2 is acquired, and the acquired flow rate of the fuel gas L2 is set as the fuel gas flow rate command.
The inlet air temperature setting unit (inlet oxidant temperature setting unit) 53b is, for example, as shown in FIG. 9, the first inlet air temperature information in which the output current command and the inlet air temperature of the
MGT出力設定部53cは、例えば、図12に示すように、出力電流指令とMGT出力とが関連付けられたMGT出力情報を有しており、MGT出力情報から出力電流指令に対応するMGT出力を取得し、取得したMGT出力をMGT出力指令として設定する。ここで、MGT出力情報は、MGT11の圧縮機21が吸気する外気温度に応じてそれぞれ設定されていてもよい。外気温度は例えば外気温度センサ94により計測される。例えば、MGT出力情報は、吸気する外気温度の低下に伴って、同じ出力電流指令に対するMGT出力が高くなるように設定される。これは、外気温度が低いほど、圧縮機21で送風する空気Aの流量が増加し、燃焼器22からの燃焼ガスGの流量が増加させることが可能だからである。
As shown in FIG. 12, the MGT output setting unit 53c has MGT output information in which the output current command and the MGT output are associated with each other, and acquires the MGT output corresponding to the output current command from the MGT output information. Then, the acquired MGT output is set as the MGT output command. Here, the MGT output information may be set according to the outside air temperature taken in by the
燃料空気差圧設定部53dは、例えば、図13に示すように、出力電流指令と、燃料極13Aと空気極13Bとの間の差圧である燃料空気差圧とが関連付けられた差圧情報を有しており、差圧情報から出力電流指令に対応する燃料空気差圧を取得し、取得した燃料空気差圧を燃料空気差圧指令として設定する。
再循環流量設定部53eは、例えば、図14に示すように、出力電流指令とブロワ回転数とが関連付けられた回転数情報を有しており、ブロワ回転数により再循環ライン49の排燃料ガスL3の一部を再循環させる流量を制御する。回転数情報から出力電流指令に対応する回転数を取得し、取得した回転数をブロワ回転数指令として設定する。ここで、回転数情報は、MGTの吸気する外気温度に応じて設定されていてもよい。例えば、図7のように外気温度によりSOFC目標負荷が変わる。外気温度が低くなるとSOFC目標負荷が上昇するので、SOFCへ供給する空気流量が増加し系内圧力が上昇する。これにより、再循環ガス密度が上昇するので、外気温度が低い時は、外気温度が高い時と同じ再循環流量とするために必要なブロワ回転数は低くなるように設定する。
As shown in FIG. 13, for example, the fuel air differential
As shown in FIG. 14, for example, the recirculation flow
純水流量設定部53fは、例えば、図15に示すように、出力電流指令と純水流量とが関連付けられた純水流量情報を有しており、純水流量情報から出力電流指令に対応する純水流量を取得し、取得した純水流量を純水流量指令として設定する。出力電流を増加させる場合、SOFC負荷が増加し、燃料ガス再循環ライン49から供給される水蒸気の供給量も増加する。このため、改質に必要な水蒸気の大部分を燃料ガス再循環ライン49から供給される水蒸気によって賄うことができ、外部から供給が必要な純水流量は減少する。また所定のSOFC負荷となる出力電流以上では、燃料ガス再循環ライン49から改質に必要な全ての蒸気が供給されるので、純水の供給は不要となる。
As shown in FIG. 15, for example, the pure water flow
制御部54は、燃料ガス流量制御部54a、入口空気温度制御部(入口酸化剤制御部)54b、MGT出力制御部54c、燃料空気差圧制御部54d、再循環流量制御部54e、純水流量制御部54fを備えている。
燃料ガス流量制御部54aは、燃料ガス流量設定部53aからの燃料ガス流量指令に基づいて制御弁42の弁開度を制御することにより、燃料極13Aに供給する燃料ガス量を調整する。
入口空気温度制御部54bは、入口空気温度設定部53bからの入口空気温度指令に基づいて制御弁64、66の弁開度を調整することにより、空気極13Bに供給される空気A1の入口温度を制御する。
MGT出力制御部54cは、MGT出力設定部53cからのMGT出力指令に基づいて、主に制御弁65及び制御弁70の弁開度を調整することにより、MGT出力を制御する。
The
The fuel gas flow
The inlet air
The MGT output control unit 54c controls the MGT output mainly by adjusting the valve openings of the
燃料空気差圧制御部54dは、燃料空気差圧設定部53dからの燃料空気差圧指令に基づいて、制御弁47の弁開度を調整することにより、燃料極13A側が空気極13B側より所定の範囲(例えば、0.1〜1kPa)で高くなるように、発電室215の燃料空気差圧を制御する。
再循環流量制御部54eは、再循環流量設定部53eからのブロワ回転数指令に基づいて再循環ブロワ50の回転数を制御することにより、燃料極13Aに供給する排燃料ガス量を制御する。
純水流量制御部54fは、純水流量設定部53fからの純水流量指令に基づいてポンプ48の吐出流量を調整することにより、燃料極13Aに供給する純水量を制御する。
The fuel air differential
The recirculation flow
The pure water flow
上記燃料ガス流量制御部54a、入口温度制御部54b、MGT出力制御部54c燃料空気差圧制御部54d、再循環流量制御部54e、純水流量制御部54fのうち少なくとも2つの制御系に対しては、ほぼ同時に制御指令が出され、例えば、入力された各指令に基づいてフィードバック制御やフィードフォワード制御を行うことにより、各種制御量を制御指令に一致させる制御を行う。なお、これらの制御については公知の技術を適宜適用すればよいため、詳細な説明は省略する。例えば、各種制御系の制御指令における各種操作量は、事前に図8から図15に示すような特性を用いたシミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいて作成してもよい。このようにすることで、ほぼ同時に複数の制御系に対して制御指令を出しても、各制御量が適切な制御の下に安定して指令値へと近づいてゆき、SOFC13の発電室温度や負荷(出力電流)を目標値へと安定して近づけることが可能となる。
For at least two control systems of the fuel gas flow
次に、本実施形態に係るSOFC制御装置60aによって実行される負荷上昇モード時の制御について、図16を参照して説明する。図16は、負荷上昇モードにおける制御手順を示したフローチャートである。負荷上昇モードは、上述した第2昇温モードにおいて、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達したときに開始される制御モードである。
Next, the control in the load increase mode executed by the
まず、目標負荷設定部51によって外気温度に基づいて図7に示した目標負荷情報から目標負荷(=目標出力電流)が設定される(ステップSA1)。続いて、出力電流指令設定部52によって、所定の電流変化率を用いて、目標負荷、換言すると、目標出力電流から出力電流指令が設定される(ステップSA2)。例えば、電流変化率が4A/minとすると、最初の1分における出力電流指令の指令値は4Aに設定される。
First, the target
続いて、制御指令設定部53により、設定された出力電流指令に基づいて各制御系の制御指令が設定される(ステップSA3)。そして、制御部54により、設定された各種制御指令に基づく各制御系の操作量がほぼ同時期に制御される(ステップSA4)。これにより、各種制御系の制御量が目標負荷に向けてほぼ同時期に変化することとなる。続いて、出力電流指令が目標負荷(=目標出力電流)以上であるか否かを判断する(ステップSA5)。この結果、出力電流指令が目標負荷未満であれば(ステップSA5において「NO」)、所定時間経過後にステップSA2に戻り、目標負荷に基づく出力電流指令が再度設定され、新たに設定された出力電流指令に基づいて以降のステップが順次行われる。ステップSA5の判断は、所定の繰り返し時間間隔で行われ、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令の設定も、所定の繰り返し時間間隔で行われる。これにより、各種制御系の制御指令が所定の繰り返し時間間隔で適切に行われ、これに基づいて、各制御系の制御をほぼ同時期に行うことができ、各制御量が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。ここで、所定の繰り返し時間間隔とは、ステップSA2からステップSA5までの各処理の制御を実行するに必要な時間である。
Subsequently, the control
このようにして、ステップSA2〜SA5を繰り返し行うことにより、徐々に出力電流指令が目標出力電流に向けて変化し、出力電流指令が目標出力電流に到達すると、ステップSA5において「YES」と判断され、本処理を終了する。出力電流指令が目標出力電流に到達したのちは、例えば、SOFC13の出力電流を目標出力電流で維持するような制御が行われる。
By repeating steps SA2 to SA5 in this way, the output current command gradually changes toward the target output current, and when the output current command reaches the target output current, it is determined as "YES" in step SA5. , End this process. After the output current command reaches the target output current, for example, control is performed to maintain the output current of the
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムによれば、外気温度から図7に示した目標負荷情報を用いてSOFC13の目標負荷(=目標出力電流)が設定される。目標負荷情報は、制御弁65の弁開度を全閉にしたとき、換言すると、空気極13Bに供給される空気流量を最大に設定したときに、SOFC13が出力し得る最大負荷(最大電流)の値が外気温度に対応付けられて設定されている。したがって、このような目標負荷情報を用いて外気温度から目標負荷を設定することにより、SOFC13が出力可能な出力上限値に近い目標負荷を設定することが可能となる。これにより、燃料電池の出力を能力限界近くまで向上させることが可能となる。
As described above, according to the fuel cell control device and control method and the power generation system according to the present embodiment, the target load (= target output current) of the
また、入口空気温度設定部53bがSOFC13の空気極13Bへの入口空気温度と関連付けられる複数のパラメータから情報を得る。本実施形態では、例えば発電室温度、出力電流指令、及び出口排燃料温度に基づいてそれぞれの入口空気温度を取得し、取得した入口空気温度のうち最も値の小さな入口空気温度を入口空気温度指令として設定する。このように、入口空気温度が最も低くなる入口空気温度指令を設定することにより、発電室215の温度や出口排燃料温度などの過熱を抑えることができる。これにより、追加の設備等を必要とせずに、排燃料ガスL3の温度上昇を容易に抑制することができ、排燃料ガスL3の温度を温度上限の管理が必要な再循環ブロワ50等の耐熱温度以下に制限することが可能となる。
Further, the inlet air
本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within a range that does not deviate from the gist of the invention, for example, by partially or wholly combining the above-mentioned embodiments. Is.
10:発電システム
11:MGT(マイクロガスタービン)
12:発電機
13A:燃料極
13B:空気極
49:燃料ガス再循環ライン
50:再循環ブロワ
51:目標負荷設定部
52:出力電流指令設定部
53:制御指令設定部
53a:燃料ガス流量設定部
53b:入口空気温度設定部
53c:MGT出力設定部
53d:燃料空気差圧設定部
53e:再循環流量設定部
53f:純水流量設定部
54:制御部
54a:燃料ガス流量制御部
54b:入口空気温度制御部
54c:MGT出力制御部
54d:燃料空気差圧制御部
54e:再循環流量制御部
54f:純水流量制御部
60:制御装置
60a:SOFC制御装置
92:温度センサ
94:外気温度センサ
105:燃料電池セル
111:固体電解質
201:SOFCモジュール
203:SOFCカートリッジ
215:発電室
10: Power generation system 11: MGT (micro gas turbine)
12:
Claims (7)
前記熱交換された後の排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する入口酸化剤温度制御部を具備する燃料電池の制御装置。 It is provided with a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and an oxidant gas before being supplied to the air electrode and exhaust after being discharged from the fuel electrode. and a fuel gas a control apparatus for a fuel cell that will be heat-exchanged,
By circulating exhaust fuel gas after being the heat exchanger, it is such that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line to be supplied to the fuel electrode becomes within a predetermined range again, supplied to the air electrode A fuel cell control device including an inlet oxidant temperature control unit that controls the temperature of the oxidant gas.
前記燃料極側から排出された排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する入口酸化剤温度制御部と、
出力電流指令と入口酸化剤温度とが関連付けられた第1情報、発電室温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第2情報、排燃料出口温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第3情報から、それぞれ対応する入口酸化剤温度を取得し、取得した入口酸化剤温度のうち最も値の小さい入口酸化剤温度を選択して入口酸化剤温度指令として設定する入口酸化剤温度設定部とを備え、
前記入口酸化剤温度制御部は、前記入口酸化剤温度設定部によって設定された入口酸化剤温度指令に基づいて入口酸化剤温度を制御する燃料電池の制御装置。 A fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
The exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode side is circulated and supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line supplied to the fuel electrode again is within a predetermined range. An inlet oxidant temperature control unit that controls the temperature of the oxidant gas,
The first information associated with the output current command and the inlet oxidant temperature, the second information associated with the power generation chamber temperature and the inlet oxidant temperature, and the third information associated with the exhaust fuel outlet temperature and the inlet oxidizer temperature. from the information, obtains the corresponding inlet oxidant temperature, the obtained inlet oxidant select a smaller inlet oxidant temperature most value among the temperature is set as the inlet oxidant temperature command inlet oxidant temperature setting unit Prepare,
The inlet oxidant temperature control unit, the control device of the fuel cell that controls the inlet oxidant temperature based on the inlet oxidant temperature command set by said inlet oxidant temperature setting unit.
前記熱交換された後の排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインと、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の燃料電池の制御装置と
を備える発電システム。 It is provided with a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and an oxidant gas before being supplied to the air electrode and exhaust after being discharged from the fuel electrode. a fuel cell and a fuel gas Ru is heat-exchanged,
A recirculation line that circulates the exhaust fuel gas after heat exchange and supplies it to the fuel electrode again.
A power generation system including the fuel cell control device according to any one of claims 1 to 4.
前記熱交換された後の排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する工程と、
循環させる前記排燃料ガスの温度を計測する工程と、
前記空気極側に供給する酸化剤ガスの温度を計測する工程と、
前記排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する工程と
を有する燃料電池の制御方法。 It is provided with a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and an oxidant gas before being supplied to the air electrode and exhaust fuel after being discharged from the fuel electrode. a control method of a fuel cell and a gas Ru is heat-exchanged,
The process of circulating the exhaust fuel gas after the heat exchange and supplying it to the fuel electrode again.
The process of measuring the temperature of the exhaust fuel gas to be circulated, and
The process of measuring the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode side and
A method for controlling a fuel cell, which comprises a step of controlling the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas is within a predetermined range.
前記燃料極側から排出された排燃料ガスを循環させて、再び前記燃料極に供給する再循環ラインを流通する排燃料ガスの温度が所定範囲内となるように、前記空気極に供給される酸化剤ガスの温度を制御する入口酸化剤温度制御工程と、 The exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode side is circulated and supplied to the air electrode so that the temperature of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line supplied to the fuel electrode again is within a predetermined range. An inlet oxidant temperature control process that controls the temperature of the oxidant gas, and
出力電流指令と入口酸化剤温度とが関連付けられた第1情報、発電室温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第2情報、排燃料出口温度と入口酸化剤温度とが関連付けられた第3情報から、それぞれ対応する入口酸化剤温度を取得し、取得した入口酸化剤温度のうち最も値の小さい入口酸化剤温度を選択して入口酸化剤温度指令として設定する入口酸化剤温度設定工程とを有し、 The first information associated with the output current command and the inlet oxidant temperature, the second information associated with the power generation chamber temperature and the inlet oxidant temperature, and the third information associated with the exhaust fuel outlet temperature and the inlet oxidizer temperature. From the information, the corresponding inlet oxidant temperature is acquired, the inlet oxidant temperature having the smallest value is selected from the acquired inlet oxidant temperatures, and the inlet oxidant temperature setting step is set as the inlet oxidizer temperature command. Have and
前記入口酸化剤温度制御工程は、前記入口酸化剤温度設定工程において設定された入口酸化剤温度指令に基づいて入口酸化剤温度を制御する燃料電池の制御方法。 The inlet oxidant temperature control step is a fuel cell control method for controlling the inlet oxidant temperature based on the inlet oxidant temperature command set in the inlet oxidant temperature setting step.
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