CN110959214B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

向燃料电池堆(10)供给燃料气体和氧化剂气体来使燃料电池堆(10)发电的燃料电池系统(100)包括：罐(21)，其储存包括含氧燃料的水溶液；以及重整器(24)，其对水溶液气化得到的混合气体进行重整来生成燃料气体。燃料电池系统(100)还包括：燃料泵(22)，其向重整器(24)供给混合气体；排气控制阀(42)，其加热重整器(24)；传感器(51)，其估计或检测向重整器(24)供给的混合气体的浓度；以及控制器(50)，其控制燃料泵(22)和排气控制阀(42)以使燃料电池堆(10)发电。相比于含氧燃料气体的浓度低时，在该浓度高时，控制器(50)使由排气控制阀(42)对重整器(24)加热的加热量增加，或使由燃料泵(22)向重整器(24)供给的混合气体的供给量增加。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种将由重整器生成的燃料气体供给至燃料电池的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
在专利第5763405号公报中公开了如下一种燃料电池系统：将烃气和水蒸气混合，并且对混合所得到的混合气体进行重整，以生成向燃料电池供给的燃料气体。
发明内容
发明要解决的问题
在如上所述的燃料电池系统中，需要用于生成水蒸气的贮水罐、以及用于贮存如烃气这样的含氧燃料的燃料罐这两个罐。由于这样的理由，存在燃料电池系统的结构变得复杂这样的问题。
本发明是着眼于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种通过简单的结构生成燃料气体的燃料电池系统及其控制方法。
根据本发明的某个方式，向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体来使燃料电池发电的燃料电池系统包括：罐，其储存包括含氧燃料的水溶液；以及重整器，其对水溶液气化得到的混合气体进行重整来生成所述燃料气体。燃料电池系统还包括：致动器，其向所述重整器供给所述混合气体；加热装置，其加热所述重整器；检测部，其估计或检测向所述重整器供给的混合气体中的含氧燃料的浓度；以及控制器，其控制所述致动器和所述加热装置，以使所述燃料电池发电。相比于所述含氧燃料的浓度低时，在该浓度高时，所述控制器使由所述加热装置对所述重整器加热的加热量增加，或使由所述致动器向所述重整器供给的所述混合气体的供给量减少。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统的结构例的图。
图2是例示重整器的流入气体中的含氧燃料的每个浓度下的重整器的运转温度与重整性能的关系的概念图。
图3是表示本实施方式中的控制重整器的运转温度的运转控制方法的一例的流程图。
图4是表示根据重整器的入出温度差来变更重整器的运转温度的运转控制方法的一例的时间图。
图5是例示重整器的流入气体中的含氧燃料的每个浓度下的重整器的运转温度与重整器的入出温度差的最佳值的关系的概念图。
图6是例示重整器的流入气体中的含氧燃料的浓度与燃料电池堆的输出的关系的概念图。
图7是表示本发明的第二实施方式中的基于燃料电池的输出的重整器的运转控制方法的一例的流程图。
图8是表示本发明的第三实施方式中的基于燃料罐的含氧燃料浓度的重整器的运转控制方法的一例的流程图。
图9是表示本发明的第四实施方式中的燃料电池系统的结构例的图。
图10是表示本实施方式中的利用加热器的重整器的运转控制方法的一例的流程图。
图11是表示本发明的第五实施方式中的变更向重整器的气体供给量的运转控制方法的一例的图。
图12是表示本实施方式中的控制向重整器的气体供给量的运转控制方法的一例的流程图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统100的结构的一例的结构图。
燃料电池系统100向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体来使燃料电池发电。燃料电池系统100例如搭载于车辆、飞机或船舶等移动体中。本实施方式的燃料电池系统100搭载于包括混合动力车的电动汽车或电车等车辆中。
燃料电池系统100具备燃料电池堆10、燃料罐21、燃料泵22、蒸发器23、重整器24、氧化剂供给装置31、热交换器32、排气燃烧器41、排气控制阀42以及控制器50。
燃料电池堆10由接受燃料气体和氧化剂气体的供给来进行发电的燃料电池构成。燃料电池堆10由固体氧化型燃料电池或固体高分子型燃料电池等实现。本实施方式中的燃料电池堆10为层叠多个单一的电池单元即燃料电池而成的层叠电池，由固体氧化型燃料电池构成。
在燃料电池堆10中设置有FC输出传感器54。FC输出传感器54检测燃料电池堆10的输出。例如，FC输出传感器54检测从燃料电池堆10输出的电压和电流中的至少一方的电信号。
本实施方式的FC输出传感器54检测燃料电池堆10的电压值和电流值，将检测出的电流值与电压值相乘所得到的电力值作为燃料电池堆10的输出而输出至控制器50。
燃料罐21蓄积生成燃料气体所需的包括含氧燃料和水的水溶液。含氧燃料是指包括醇或甲基叔丁基醚(MTBE)等含氧化合物的燃料。在本实施方式的燃料罐21中蓄积乙醇水溶液。例如，向燃料罐21供给乙醇45％vol的水溶液。
在燃料罐21中设置有燃料浓度传感器51。燃料浓度传感器51为检测燃料罐21中蓄积的水溶液中的含氧燃料的浓度的检测部。而且，燃料浓度传感器51将检测出的值输出至控制器50。
燃料泵22为吸引燃料罐21中蓄积的水溶液并且将该水溶液供给至蒸发器23的致动器。并且，燃料泵22经由蒸发器23和重整器24向燃料电池堆10供给燃料气体。即，燃料泵22具有将从蒸发器23输出的气体供给至重整器24的功能。
蒸发器23使从燃料泵22供给的水溶液气化来生成在水蒸气中包含含氧燃料气体的混合气体。蒸发器23被来自排气燃烧器41的排气加热。流入蒸发器23的排气向燃料电池系统100的外部排出。
利用经由排气控制阀42通过重整器24而来的排气以及从排气控制阀42向蒸发器23直接供给而来的排气中的至少一方的排气向本实施方式的蒸发器23供给热量。通过蒸发器23气化得到的含氧燃料气体和水蒸气的混合气体供给至重整器24。
重整器24具有重整催化剂，通过对来自蒸发器23的混合气体进行重整来生成向燃料电池堆10供给的燃料气体。在重整器24中，混合气体中的含氧燃料气体和水蒸气发生催化剂反应而生成燃料气体。
即，在重整器24中进行使用水蒸气对含氧燃料气体进行重整的水蒸气重整。本实施方式的重整器24通过对作为含氧燃料的乙醇进行水蒸气重整来生成燃料电池堆10的燃料气体即氢气。
在重整器24中设置有构成检测部的入口温度传感器52和出口温度传感器53。入口温度传感器52检测向重整器24供给的混合气体的供给温度，并且将检测出的值输出至控制器50。出口温度传感器53检测从重整器24排出的燃料气体的排出温度，并且将检测出的值输出至控制器50。此外，入口温度传感器52和出口温度传感器53可以构成为一体。
氧化剂供给装置31向燃料电池堆10供给氧化剂气体。氧化剂供给装置31例如由压缩机或泵实现。本实施方式的氧化剂供给装置31吸引空气作为氧化剂气体并供给至燃料电池堆10。
热交换器32加热从氧化剂供给装置31向燃料电池堆10供给的空气以使燃料电池堆10的温度上升或维持燃料电池堆10的温度。热交换器32将加热后的空气输出至燃料电池堆10。热交换器32在来自排气燃烧器41的排气与来自氧化剂供给装置31的空气之间进行热交换。由此，将排气的热量供给至空气，因此向燃料电池堆10供给的空气的温度上升。
排气燃烧器41使从燃料电池堆10排出的燃料气体和氧化剂气体燃烧。本实施方式的排气燃烧器41使从燃料电池堆10排出来的氢气和空气燃烧。将通过氢气和空气的燃烧而生成的高温的排气供给至热交换器32。
排气控制阀42将经由热交换器32从排气燃烧器41排出的排气的热量供给至重整器24。即，排气燃烧器41和排气控制阀42构成对重整器24加热的加热装置。排气控制阀42控制从热交换器32向重整器24排出的排气的流量。
本实施方式的排气控制阀42将从热交换器32向蒸发器23供给的排气的一部分供给至重整器24。排气控制阀42的开度越大则从热交换器32向重整器24供给的排气的流量增加得越多。
控制器50为控制燃料电池系统100的动作的控制装置。控制器50由具备存储装置以及编程有预先决定的处理的中央运算处理装置(CPU；Central Processing Unit)的一个或多个微型计算机构成。
当燃料电池系统100启动时，控制器50控制燃料泵22和氧化剂供给装置31各自的动作，以使向燃料电池堆10供给的燃料气体和氧化剂气体各自的供给流量成为目标值。
基于表示燃料电池堆10的发电所需的流量的发电要求流量来决定关于燃料气体和氧化剂气体的各目标值。例如，以燃料电池堆10的额定输出为基准来预先决定发电要求流量。例如，可以是，在具有燃料电池堆10的温度越高则燃料电池堆10的额定输出越大的倾向的燃料电池系统中，控制器50以燃料电池堆10的温度越高则发电要求流量增加得越多的方式校正设定值。
或者，也可以是，基于未图示的检测加速踏板的踏入量的加速踏板传感器的检测值来计算发电要求流量。在这样的情况下，加速踏板的踏入量越大则将发电要求流量设定为越大的值。或者，也可以是，在使用燃料电池系统100兼作蓄电池的电源系统中，蓄电池的充电量、例如SOC(State Of Charge：充电状态)越小，则控制器50将发电要求流量设定为越大的值。
在本实施方式中，相当于含氧燃料的乙醇与水相比挥发性高，因此在向燃料罐21供给水溶液后，随着时间的经过，水溶液中的乙醇浓度逐渐降低。由于这样的乙醇浓度的经时变化，向重整器24供给的混合气体中的乙醇供给量下降，与此相伴地重整器24中的氢气的生成量减少。其结果是，向燃料电池堆10供给的氢气的流量不足。
作为上述的对策，可以在考虑水溶液中的乙醇浓度的经时变化的基础上准备乙醇浓度高的水溶液并供给至燃料罐21中。然而，在这样的对策中，乙醇浓度上升使得重整器24的气体组成变化。
图2为示出表示重整器24的相对于温度的重整性能的温度特性与重整器24的流入气体中的含氧燃料浓度的关系的概念图。
在图2中，横轴表示重整器24的运转温度，纵轴表示重整器24的重整性能。重整器24的重整性能越高，则重整器24中的燃料气体的生成量相对于向重整器24的气体供给量的比例越大。
如图2所示，流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度越高、即混合气体中的水蒸气越少，则重整器24的重整性能下降得越多。当重整器24的重整性能下降时，重整器24中的燃料气体的生成量减少，从重整器24向燃料电池堆10供给的氢气的供给流量不足。
因此，即使在考虑含氧燃料的浓度随着时间下降的情况的基础上将含氧燃料浓度高的水溶液供给至燃料罐21，在刚供给水溶液后，重整器24的含氧燃料的浓度也会超出必要地高，从重整器24向燃料电池堆10供给的燃料气体的供给流量不足。
作为其对策，本实施方式的控制器50获取用于确定流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度的浓度参数，根据该浓度参数的大小来变更重整器24的运转状态。
本实施方式中的控制器50构成估计向重整器24供给的混合气体中的含氧燃料的浓度的检测部。控制器50获取燃料浓度传感器51的检测值、入口温度传感器52及出口温度传感器53各自的检测值、或者FC输出传感器54的检测值，来作为浓度参数。而且，控制器50根据获取到的检测值的大小来变更燃料泵22和排气控制阀42中的至少一方的辅机的操作量。
图3是表示与控制重整器24的运转状态的运转控制方法有关的处理过程例的流程图。
在步骤S10中，控制器50获取与流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度具有相关性的重整器24的入出温度差ΔT。本实施方式的控制器50获取从入口温度传感器52的检测值减去出口温度传感器53的检测值所得到的温度差来作为重整器24的入出温度差ΔT。
如图2所示，例如，混合气体中的含氧燃料的浓度越高，则向重整器24供给的含氧燃料的供给量越过度，水蒸气的供给量越不足，因此重整器24中的吸热反应越难以进展使得重整性能下降得越多。其结果是，重整器24的入出温度差ΔT变小。在后文通过图4来叙述重整器24中的混合气体中的含氧燃料的浓度与入出温度差ΔT的关系。
在步骤S20中，控制器50判断重整器24的入出温度差ΔT是否为重整器24的运转变更阈值T1以下。而且，控制器50在入出温度差ΔT高于运转变更阈值T1的情况下，判断为处于重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度接近最佳值的状态、即含氧燃料的浓度不高的状态，返回步骤S10的处理。
上述的运转变更阈值T1为用于变更重整器24的运转状态的阈值。将运转变更阈值T1决定为使从重整器24向燃料电池堆10供给的燃料气体的供给流量不低于燃料电池堆10的发电所需的燃料气体的要求流量下限值那样的重整器24的入出温度差。
即，以使燃料气体生成量相对于向重整器24供给的混合气体的供给量的比例维持为固定的值以上的方式决定运转变更阈值T1。例如以实验数据、仿真结果等为基准来预先决定运转变更阈值T1。在本实施方式中，将运转变更阈值T1设定为约200℃。
在步骤S30中，控制器50在重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，判断为处于流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态，执行重整器24的加热控制。
具体地说，控制器50使排气控制阀42的开度增加与规定的步长相应的量以使向重整器24的排气供给量增加。由此，排气控制阀42被打开使得向重整器24供给的排气的热量增加，因此重整器24的运转温度上升。
在步骤S40中，控制器50在经过规定的时间后新获取重整器24的入出温度差ΔT，判断该入出温度差ΔT是否为重整器24的变更解除阈值T2以上。
上述的变更解除阈值T2为用于使重整器24的运转状态恢复为变更前的状态的阈值。将变更解除阈值T2决定为能够充分地维持重整器24的重整性能这样的重整器24的入出温度差。变更解除阈值T2可以为与运转变更阈值T1相同的值，也可以为比运转变更阈值T1小的值。
控制器50在重整器24的入出温度差ΔT高于变更解除阈值T2的情况下，返回步骤S30的处理，使排气控制阀42的开度增加与规定的步长相应的量。
另一方面，在重整器24的入出温度差ΔT为变更解除阈值T2以下的情况下，控制器50判断为重整器24的气体组成得到了改善，停止重整器24的加热控制，结束与重整器24的运转控制方法有关的一系列的处理过程。
图4是表示控制排气控制阀42的开度来加热重整器24的加热控制的一例的时序图。
在图4中通过虚线表示重整器24的入口温度，通过实线表示重整器24的出口温度。在此，纵轴表示重整器24的运转温度，横轴表示重整器24的运转时间。
在时刻t0，流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高，重整器24中的吸热反应进展而重整器24的出口温度下降。其结果是，重整器24的入出温度差ΔT变大到运转变更阈值T1。下面简单地说明伴随混合气体中的含氧燃料的浓度上升而重整器24的入出温度差ΔT变大的理由。
在本实施方式的重整器24中，为了对乙醇(C2H5OH)和水蒸气(H2O)的混合气体进行重整来生成氢气(H2)，发生如下的代表性的化学反应。
C2H5OH+3H2O→6H2+2CO2
当具体地表示上述的化学式时，能够如以下那样通过多个化学式来表示。
C2H5OH→CH3CHO+H2···(1)
CH3CHO→CH4+CO···(2)
CH3CHO+H2O→3H2O+2CO···(3)
Figure BDA0002377935560000091
C2H5OH→C2H4+H2O···(5)
Figure BDA0002377935560000092
上述的(2)和(4)的化学反应为发热反应，与此相对地，(1)、(3)、(5)和(6)的化学反应为吸热反应。像这样，在重整器24中，吸热反应比发热反应多，整体上也是吸热反应占主导。
例如，当流入重整器24的混合气体中的乙醇浓度比最佳值高时，上述的(1)和(6)各化学反应的进展程度变化，从而氢气的生成量减少。即，重整器24的气体组成恶化。具体地说，乙醇浓度越高，则水蒸气(H2O)越倾向不足，因此与水蒸气有关的(3)、(4)和(6)的化学反应的进展程度越差。
如图4所示，当混合气体中的乙醇浓度比最佳值高时，吸热反应难以进展，重整器24的出口温度上升。像这样混合气体中的含氧燃料的浓度越高，则重整器24的出口温度越难下降，因此重整器24的入出温度差ΔT越小。像这样，重整器24的入出温度差ΔT与混合气体中的乙醇浓度具有相关性。
在时刻t0，处于流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态，因此重整器24的气体组成恶化使得重整器24的入出温度差ΔT变小到运转变更阈值T1。作为其对策，控制器50执行重整器24的加热控制以变更重整器24的运转状态。
具体地说，控制器50将排气控制阀42的开度增大至预先决定的值以使向重整器24供给的排气的供给量增加。由此，向重整器24供给的排气的热量增加，因此重整器24的吸热反应容易进展，重整器24的出口温度下降。因此，重整器24的气体组成逐渐得到改善。
在时刻t1，重整器24的入出温度差ΔT比变更解除阈值T2大。与此相伴，控制器50停止重整器24的加热控制，以使重整器24的运转状态恢复为变更前的运转状态。
具体地说，控制器50将排气控制阀42的开度设定为变更前的值或特定的值以维持重整器24的入出温度差ΔT。由此，能够抑制伴随流入重整器24的混合气体中的含氧燃料浓度的下降而产生的燃料气体的生成量的减少。
图5为说明关于重整器24的加热控制的其它例的图。
在图5中，表示流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的每个浓度下的重整器24的运转温度与表示重整器24的入出温度差的最佳值的重整器24的入出最佳温度差的关系。
在图5中，将流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度下降至下限值的情况下的、重整器24的正常运转温度To1下的重整器24的入出最佳温度差设定为目标温度差ΔTt。
与此相对地，在将水溶液刚供给至燃料罐21后流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度与上限值同等。在含氧燃料的浓度的上限值下，以使重整器24的入出最佳温度差与目标温度差ΔTt一致的方式决定重整器24的目标运转温度To2。
因此，可以在图2所示的在步骤S20中重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，控制器50使重整器24的运转温度上升至目标运转温度To2。在该情况下，例如使用重整器24的入口温度、重整器24的出口温度、或者重整器24的入口温度与出口温度的平均值等作为重整器24的运转温度。
如图5所示，以使重整器24的含氧燃料浓度的上限值下的重整器24的入出最佳温度差为目标温度差ΔTt的方式求出重整器24的目标运转温度To2。即，以重整器24的正常运转温度To1下的目标温度差ΔTt为基准，针对含氧燃料的每个浓度求出重整器24的目标运转温度。
因而，控制器50可以变更重整器24的目标运转温度以使重整器24的正常运转温度To1下的入出温度差ΔT为目标温度差ΔTt。在这样的情况下，随着流入重整器24的流入气体中的含氧燃料的浓度从过高的状态下降至最佳值，控制器50降低重整器24的目标运转温度。
根据本发明的第一实施方式，燃料电池系统100向构成燃料电池堆10的燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体来使燃料电池堆10发电。该燃料电池系统100包括储存包括含氧燃料的水溶液的燃料罐21、对水溶液气化得到的水蒸气和含氧燃料气体的混合气体进行重整来生成燃料气体的重整器24、以及构成向重整器24供给混合气体的致动器的燃料泵22。
燃料电池系统100还包括构成用于加热重整器24的加热装置的排气燃烧器41及排气控制阀42、以及估计或检测向重整器24供给的混合气体的含氧燃料的浓度的检测部。该检测部例如由控制器50、燃料浓度传感器51、入口温度传感器52及出口温度传感器53这两者、以及FC输出传感器54中的至少一个构成。燃料电池系统100还包括控制燃料泵22和排气控制阀42的动作以使燃料电池堆10发电的控制器50。
而且，相比于向重整器24供给的混合气体中的含氧燃料的浓度低时，在该含氧燃料的浓度高时，控制器50使由排气控制阀42对重整器24加热的加热量增加。或者，相比于混合气体中的含氧燃料的浓度低时，在该含氧燃料的浓度高时，控制器50使由燃料泵22向重整器24供给的混合气体的供给量减少。
即，相比于重整器24中的含氧燃料的浓度低时，在该含氧燃料的浓度高时，控制器50使表示排气控制阀42的开度的操作量增加、或者使表示燃料泵22的旋转速度的操作量减少。
在燃料电池系统100中，例如由于含氧燃料和水两者的挥发性的不同等，燃料罐21中蓄积的水溶液中的含氧燃料的浓度随着时间的经过而下降。与此相伴地，向重整器24供给的混合气体中的含氧燃料的浓度也下降，因此担忧重整器24的气体组成恶化使得向燃料电池堆10供给的燃料气体的供给量不足。
与此相对地，根据本实施方式，相比于混合气体中的含氧燃料的浓度低时，在含氧燃料的浓度高时，控制器50使燃料泵22的操作量减少，或者使排气控制阀42的操作量增加。由此，能够抑制重整器24的气体组成的恶化。
例如，在考虑水溶液中的含氧燃料的挥发性的基础上向燃料罐21供给含氧燃料的浓度比最佳值高的水溶液的情况下，在刚供给水溶液后，以浓度参数指定的混合气体中的含氧燃料的浓度比最佳值高。在这样的情况下，控制器50控制燃料泵22来使向重整器24供给的混合气体的供给量减少。由此，抑制向重整器24的含氧燃料的过度供给，因此重整器24的气体组成得到改善，能够避免向燃料电池堆10的燃料气体的供给不足。
或者，在伴随时间的经过而燃料罐21的含氧燃料的浓度下降得比最佳值低的情况下，控制器50控制燃料泵22来使向重整器24供给的混合气体的供给量增加。由此，能够避免向燃料电池堆10的燃料气体的供给不足。
像这样，在燃料罐21的含氧燃料的浓度变化的情况下，能够变更重整器24的运转状态，因此能够避免伴随向燃料电池堆10的燃料气体的供给不足而产生的燃料电池的劣化等。即，能够抑制燃料电池堆10的发电性能的下降。
因而，能够提供一种能够将含氧燃料与水混合并蓄积在一个燃料罐21中的燃料电池系统100。因此，无需单独地设置贮存纯水的贮水罐和贮存含氧燃料的燃料罐，因此能够简单地构成对混合气体进行重整的燃料电池系统100。
另外，根据本实施方式，作为与含氧燃料的浓度具有相关性的浓度参数，重整器24的入口温度传感器52检测向重整器24供给的混合气体的供给温度，并且出口温度传感器53检测从重整器24排出的燃料气体的排出温度。
而且，如图4所示，控制器50计算上述的同混合气体的供给温度对应的重整器24的入口温度与上述的同燃料气体的排出温度对应的重整器24的出口温度的入出温度差ΔT。相比于计算出的入出温度差ΔT大时，在入出温度差ΔT小时，控制器50使燃料泵22的操作量减少或使排气控制阀42的操作量增加。
例如，如图2中已叙述的那样，当流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度过高时，重整器24的气体组成恶化使得吸热反应的化学反应难以进展，重整器24的入出温度差ΔT小。像这样，重整器24的入出温度差ΔT与流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度具有相关性。
因此，本实施方式的控制器50通过利用上述的相关性来抑制重整器24的重整性能的下降。具体地说，如在图3的步骤S30中已叙述的那样，控制器50在重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，使排气控制阀42的开度增加。
像这样，通过使用重整器24的入出温度差ΔT，能够延用已经设置于重整器24的入口温度传感器52和出口温度传感器53。而且，在重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，控制器50判断为处于混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态，使重整器24的运转温度上升。由此，改善重整器24的重整性能，因此能够抑制向燃料电池堆10供给的燃料气体的供给量减少。
因而，不在燃料罐21中新设置燃料浓度传感器51就能够抑制伴随水溶液的含氧燃料的浓度下降而产生的重整器24的重整性能的下降。即，能够通过简单的结构提供燃料电池系统100。
本实施方式的控制器50不估计流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度，而基于重整器24的入出温度差ΔT来估计重整器24的气体组成是否已恶化。然而，控制器50可以基于重整器24的入出温度差ΔT来估计混合气体中的含氧燃料的浓度。
在该情况下，将表示重整器24的入出温度差与混合气体中的含氧燃料的浓度的关系的温度对应表预先存储于控制器50中，控制器50当计算出重整器24的入出温度差ΔT时，参照温度对应表来估计与计算出的入出温度差ΔT相关联的含氧燃料的浓度。
由此，如图2所示，能够针对重整器24中的含氧燃料的浓度的每个估计值来变更重整器24的运转温度，因此能够抑制使重整器24过度地升温。因而，能够抑制排气燃烧器41中的燃料气体的消耗。
另外，本实施方式的控制器50可以将使由排气控制阀42对重整器24加热的加热量增加的加热控制优先于使由燃料泵22向重整器24供给的混合气体的供给量减少的减量控制。例如，在重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，控制器50首先控制排气控制阀42来加热重整器24。之后，在尽管经过规定的期间但是入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，或者在重整器24的温度上升率比规定的值小的情况下，控制器50控制燃料泵22来使向重整器24供给的混合气体的供给量减少。像这样，在伴随加热控制的响应延迟而重整器24的加热不足时，执行减量控制，由此能够迅速地补偿重整器24的重整性能的改善。因而，能够提前改善重整器24的重整性能的下降。
(第二实施方式)
图6是表示重整器24的流入气体中的含氧燃料的浓度与燃料电池堆10的输出的关系的概念图。
如图6所示，含氧燃料的浓度比特定的值C0高得越多，则从燃料电池堆10输出的电力、具体地说电流下降得越多。该理由是因为：含氧燃料的浓度比特定的值C0高得越多，则重整器24的气体组成越差从而燃料气体的生成量减少得越多，因此从重整器24向燃料电池堆10供给的燃料气体的供给流量越不足。
像这样，燃料电池堆10的输出与重整器24中的含氧燃料的浓度具有相关性。因此，在燃料电池堆10的输出的检测值或估计值下降得低于燃料电池堆10的目标输出的情况下，能够估计为处于流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态。
图7为表示本发明的第二实施方式中的与重整器24的运转控制方法有关的处理过程例的流程图。
在步骤S11中，控制器50从FC输出传感器54获取表示燃料电池堆10的输出电力P的检测值。
在步骤S21中，控制器50判断燃料电池堆10的输出电力P是否为重整器24的运转变更阈值P1以下。而且，在燃料电池堆10的输出电力P高于运转变更阈值P1的情况下，控制器50判断为流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度不高，返回步骤S11的处理。
与在图3的步骤S20中已叙述的运转变更阈值T同样地，将上述的运转变更阈值P1决定为从重整器24向燃料电池堆10的燃料气体的供给流量不会低于要求流量下限值这样的燃料电池堆10的输出电力。
例如，以与图6所示的特定的值C0对应的燃料电池堆10的输出电力的值为基准来决定运转变更阈值P1。在本实施方式中，将运转变更阈值P1设定为相对于燃料电池堆10的额定输出而言的10％的电力值。
在步骤S31中，在燃料电池堆10的输出电力P为运转变更阈值P1以下的情况下，控制器50判断为处于流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态。而且，控制器50如在图3的步骤S30中已叙述的那样执行重整器24的加热控制。
在步骤S41中，控制器50在经过规定的时间后新获取燃料电池堆10的输出电力P，判断该输出电力P是否为重整器24的变更解除阈值P2以上。
与在图3的步骤40中已叙述的变更解除阈值T2同样地，将上述的变更解除阈值P2决定为能够充分地维持重整器24的重整性能这样的燃料电池堆10的输出电力。例如，将变更解除阈值P2决定为比与例如图6所示的特定的值C0对应的燃料电池堆10的输出电力的值大的值。
而且，在燃料电池堆10的输出电力P低于变更解除阈值P2的情况下，控制器50返回步骤S31的处理，使排气控制阀42的开度增加与规定的步长相应的量。
另一方面，在燃料电池堆10的输出电力P为变更解除阈值P2以上的情况下，控制器50判断为重整器24的气体组成得到了改善，结束与重整器24的运转控制方法有关的一系列的处理过程。此外，在本实施方式的重整器24的运转控制方法中可以执行图3的步骤S40的处理来代替步骤S41的处理。
根据本发明的第二实施方式，图1所示的FC输出传感器54检测燃料电池堆10的输出电力P作为与混合气体中的含氧燃料的浓度具有相关性的浓度参数。如图6所示，流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度相对于特定的值C0而言高得越多，则重整器24的气体组成越差，因此燃料电池堆10的输出电力下降得越多。像这样，燃料电池堆10的输出与含氧燃料的浓度具有相关性。
而且，控制器50如图7的步骤S31和S41所示的那样，使表示排气控制阀42的开度的操作量增加，以使燃料电池堆10的输出电力P成为表示规定的值的变更解除阈值P2。即，控制器50根据燃料电池堆10的输出来将排气控制阀42的开度的操作量从正常运转时的值起进行变更。
因此，本实施方式的控制器50利用上述的相关性来使用燃料电池堆10的输出电力P变更重整器24的运转状态。像这样，通常，通过延用设置于燃料电池堆10的FC输出传感器54，能够变更重整器24的运转状态。
因而，不在燃料罐21设置燃料浓度传感器51就能够抑制伴随水溶液的含氧燃料的浓度下降而产生的重整器24的重整性能的下降。即，能够通过简单的结构提供燃料电池系统100。
在本实施方式中，控制器50不估计流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度，而基于燃料电池堆10的输出电力P来估计重整器24的气体组成的恶化。然而，控制器50也可以基于燃料电池堆10的输出电力P来估计混合气体中的含氧燃料的浓度。
在该情况下，如图6所示，预先将表示燃料电池堆10的输出电力与混合气体中的含氧燃料的浓度的关系的输出对应表存储于控制器50中，控制器50当获取到燃料电池堆10的输出电力P时，参照输出对应表来估计与获取到的输出电力P相关联的含氧燃料的浓度。
由此，如图2所示，能够针对重整器24中的含氧燃料的浓度的每个估计值来变更重整器24的运转温度，因此能够抑制使重整器24过度地升温。
另外，在本实施方式中，利用燃料电池堆10的输出电力P作为用于确定混合气体中的含氧燃料的浓度的浓度参数，但也可以使用图1所示的燃料浓度传感器51的检测值。
(第三实施方式)
图8是表示本发明的第三实施方式中的与重整器24的运转控制方法有关的处理过程例的流程图。
在步骤S12中，控制器50从燃料浓度传感器51获取表示燃料罐21中的水溶液中的含氧燃料的浓度C的检测值。
在步骤S22中，控制器50判断燃料罐21中的水溶液中的含氧燃料的浓度C是否为重整器24的运转变更阈值C1以上。而且，控制器50在含氧燃料的浓度C低于运转变更阈值C1的情况下，判断为流入重整器24的混合气体的含氧燃料的浓度不高，返回步骤S11的处理。
与在图3的步骤S20中已叙述的运转变更阈值T1同样地，将运转变更阈值C1决定为从重整器24向燃料电池堆10的燃料气体的供给流量不会低于要求流量下限值这样的燃料罐21的含氧燃料的浓度。例如，将运转变更阈值C1设定为50％vol。
在步骤S32中，在含氧燃料的浓度C为运转变更阈值C1以下的情况下，控制器50判断为处于流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态。而且，控制器50如在图3的步骤S30中已叙述的那样执行重整器24的加热控制。
在步骤S42中，控制器50在经过规定的时间后新获取含氧燃料的浓度C，判断该浓度C是否为重整器24的变更解除阈值C2以下。
如在图3的步骤40中已叙述的变更解除阈值T2同样地，将上述的变更解除阈值C2决定为能够充分地维持重整器24的重整性能这样的燃料罐21的含氧燃料浓度。
而且，在含氧燃料的浓度C高于变更解除阈值C2的情况下，控制器50返回步骤S32的处理，使排气控制阀42的开度增加与规定的步长相应的量。
另一方面，在含氧燃料的浓度C为变更解除阈值C2以下的情况下，控制器50判断为重整器24的气体组成不会恶化，结束与重整器24的运转控制方法有关的一系列的处理过程。此外，在本实施方式的重整器24的运转控制方法中，也可以执行图3的步骤S40的处理或图7的步骤S41的处理来代替步骤S42的处理。
根据本发明的第三实施方式，燃料浓度传感器51设置于燃料罐21，检测水溶液中包括的含氧燃料的浓度作为浓度参数。关于燃料罐21中的含氧燃料的浓度的检测值，与基于重整器24的入出温度差ΔT得到的估计值或基于燃料电池堆10的输出电力P得到的估计值相比，误差小。
因此，控制器50能够通过使用燃料浓度传感器51的检测值，来可靠地进行重整器24的加热、或向重整器24供给的混合气体的减量。因而，能够更可靠地避免向燃料电池堆10的燃料气体的供给不足。
(第四实施方式)
在上述的实施方式中，如图1所示的那样增大排气控制阀42的开度以使向重整器24的排气供给量增加来加热重整器24，但加热重整器24的方法不限于此。因此，在本发明的第四实施方式中，参照图9来说明加热重整器24的其它方法。
图9是表示本发明的第四实施方式中的燃料电池系统101的结构的一例的结构图。
燃料电池系统101具备加热器43来代替图1所示的燃料电池系统100的排气控制阀42。其它结构为与燃料电池系统100相同的结构，因此省略关于这些结构的详细的说明。
加热器43构成加热重整器24的加热装置。加热器43设置于重整器24的周围，向重整器24供给热量。即，由控制器50控制加热器43的发热量。
控制器50在处于流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态的情况下使加热器43的发热量增加。
本实施方式中的控制器50检测与含氧燃料的浓度有关的浓度参数，判断检测出的浓度参数是否超过规定的判断阈值。判断阈值是为了判断是否处于重整器24的重整性能恶化的状态而决定的阈值。例如，在检测出的浓度参数超过规定的判断阈值的情况下，控制器50判断为处于混合气体中的含氧燃料的浓度高的状态，将加热器43的工作状态从停止状态(OFF)切换为发热状态(ON)。
图10是表示本实施方式中的与重整器24的运转控制方法有关的处理过程例的流程图。
在本实施方式的运转控制方法中，控制器50执行步骤S33的处理来代替图3所示的运转控制方法中的步骤S30的处理。关于其它步骤，与图3所示的步骤S10、S20及S30各处理相同，因此标注相同标记并且省略说明。
在步骤S33中，在重整器24的入出温度差ΔT为上述的运转变更阈值T1以下的情况下，控制器50使加热器43的发热量增加。由此，重整器24被加热，因此能够使重整器24的运转温度上升以促进重整器24的吸热反应。
例如，控制器50将加热器43的工作状态从OFF切换为ON。或者，控制器50也可以将加热器43的发热量增大至预先决定的值。
而且，控制器50进入步骤S40的处理，使用加热器43来加热重整器24直至重整器24的入出温度差ΔT为变更解除阈值T2以下为止。
像这样，在作为与重整器24中的含氧燃料的浓度有关的浓度参数之一的、入出温度差ΔT超过运转变更阈值T1的情况下，控制器50使加热器43的运转温度上升。由此，抑制重整器24中的气体组成的恶化，因此能够避免向燃料电池堆10供给的燃料气体的供给量不足这样的状况。
另外，在图10的步骤S20中使用重整器24的入出温度差ΔT作为浓度参数，但浓度参数并不限于此。例如，也可以如在图7的步骤S21和图8的步骤S22中已叙述的那样，使用与浓度参数具有相关性的燃料电池堆10的输出电力P或燃料罐21的含氧燃料的浓度C等。
另外，在本实施方式中，将来自排气燃烧器41的排气供给至重整器24，并且供给加热器43的发热量，由此加热重整器24，但也可以只通过加热器43加热重整器24。
根据本发明的第四实施方式，燃料电池系统101除了具备将来自排气燃烧器41的排气供给至重整器24的加热构造以外，还具备加热器43作为加热装置。由此，在重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，不论排气燃烧器41的燃烧状态如何，均能够可靠地加热重整器24。
例如，当在空闲停止期间停止燃料电池堆10的发电的情况下，担忧无法充分地从排气燃烧器41向重整器24供给排气。即使在这样的状况下，也能够加热重整器24，因此能够在从空闲停止起加速车辆这样的情景下抑制向燃料电池堆10的燃料气体的供给不足。
(第五实施方式)
在上述的实施方式中，进行重整器24的加热控制，以抑制伴随含氧燃料浓度过多而产生的重整器24中的气体组成的恶化，但能够通过减少向重整器24供给的含氧燃料气体的供给量来抑制气体組成的恶化。
因此，本发明的第五实施方式的控制器50在与重整器24中的含氧燃料的浓度有关的浓度参数超过规定的判断阈值的情况下，使向重整器24供给的混合气体的供给流量减少。此外，本实施方式的燃料电池系统具备图1所示的燃料电池系统100的结构。
图11说明本实施方式中的控制向重整器24供给的混合气体的供给流量的控制方法。
如图11所示，在将水溶液刚供给至燃料罐21后流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度高，因此混合气体中的含氧燃料的供给量与下限值Q0相比过多。因此，重整器24的气体组成恶化。
基于燃料电池堆10的发电所需的目标发电量来计算与含氧燃料的供给量有关的下限值Q0。例如，燃料电池堆10的目标发电量越大则下限值Q0越大。
控制器50将重整器24的运转状态从正常运转变更为气体组成改善运转以抑制重整器24的气体組成的恶化。在该气体组成改善运转中，控制器50以使流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度不低于下限值Q0的方式使混合气体的供给量减少。
本实施方式的控制器50控制图1所示的燃料泵22的旋转速度，来控制从蒸发器23向重整器24供给的混合气体的供给流量。由此，能够抑制重整器24的气体组成恶化。
图12是表示本实施方式中的与重整器24的运转控制方法有关的处理过程例的流程图。
在本实施方式的运转控制方法中，控制器50执行步骤S34至S36以及步骤S44及S45各处理来代替图3所示的运转控制方法中的步骤S30及S40各处理。关于其它处理，与图3所示的步骤S10及S20各处理相同，因此标注相同标记并且省略说明。
在步骤S34中，在重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，控制器50执行针对重整器24的混合气体的减量控制。例如，控制器50使燃料泵22的旋转速度减小与特定的步长相应的量，以使向重整器24供给的混合气体的供给流量Q减少。
由此，向重整器24供给的含氧燃料的供给流量减少，因此能够改善重整器24的气体组成。因此，能够抑制在重整器24中无助于燃料气体的生成的、吸热反应的化学反应，因此重整器24的入出温度差ΔT小。
在步骤S35中，控制器50判断向重整器24供给的混合气体的供给流量Q是否为下限值Q1以上。通过实验数据或仿真结果等来决定下限值Q1，例如，在考虑图11所示的含氧燃料的供给流量的下限值Q0的基础上来预先决定下限值Q1。
在步骤S44中，控制器50在经过规定的时间后新获取重整器24的入出温度差ΔT，判断该入出温度差ΔT是否为变更解除阈值T3以上。与在图3的步骤S40中已叙述的变更解除阈值T2同样地，以实验数据或仿真结果等为基准决定变更解除阈值T3。
而且，在入出温度差ΔT为变更解除阈值T3以上的情况下，控制器50停止针对重整器24的混合气体的减量控制，结束重整器24的运转控制方法。
另一方面，在入出温度差ΔT高于变更解除阈值T3的情况下，控制器50返回步骤S34的处理，使燃料泵22的旋转速度进一步减小与特定的步长相应的量以使混合气体的供给流量Q进一步减少。
在步骤S35中，在向重整器24供给的混合气体的供给流量Q低于下限值Q1的情况下，控制器50增大燃料泵22的旋转速度以使混合气体的供给流量Q增加至下限值Q1，并且进入步骤S36的处理。
在步骤S36中，控制器50在混合气体的供给流量Q达到下限值Q1的情况下，使重整器24的运转温度上升与规定的步长相应的量。例如，控制器50执行图3的步骤S30的处理。或者，也可以在重整器24的周围设置加热器43，并且执行图10的步骤S33的处理。由此，重整器24的运转温度上升，因此改善重整器24的气体组成。
在步骤S40中，控制器50在经过规定的时间后新获取重整器24的入出温度差ΔT，判断该入出温度差ΔT是否为上述的变更解除阈值T3以上。
而且，在重整器24的入出温度差ΔT低于变更解除阈值T3的情况下，控制器50返回步骤S36的处理，使重整器24的运转温度上升与规定的步长相应的量。
另一方面，在重整器24的入出温度差ΔT为变更解除阈值T2以下的情况下，控制器50判断为重整器24的气体组成得到了改善，停止重整器24的加热控制，结束与重整器24的运转控制方法有关的一系列的处理过程。
根据本发明的第五实施方式，控制器50如在图12的步骤S34中已叙述的那样，在作为浓度参数之一的重整器24的入出温度差ΔT为运转变更阈值T1以下的情况下，使燃料泵22的旋转速度减少。即，如图11所示，控制器50根据浓度参数使燃料泵22的操作量减少以使向重整器24供给的混合气体的供给量减少。
由此，不使重整器24的运转温度上升就能够抑制重整器24的气体组成的恶化。因而，能够减少伴随重整器24的加热而产生的燃料电池系统100及101的燃烧消耗率，并且能够避免向燃料电池堆10的燃料气体的供给不足。
以上说明了本发明的实施方式，但上述的实施方式只表示本发明的应用例的一部分，并非旨在将本发明的保护范围限定为上述实施方式的具体结构。
例如，也可以在重整器24设置能够检测流入重整器24的混合气体中的含氧燃料的浓度的传感器，使用该传感器的检测值来作为浓度参数。或者，也可以是，控制器50预先具备表示向燃料罐21供给水溶液后的经过时间与水溶液中的含氧燃料的浓度的关系的对应表以及用于测量时间的计数器，控制器50获取向燃料罐21供给水溶液后的计数器的值作为浓度参数。而且，控制器50估计与计数器的值对应的含氧燃料的浓度。
另外，在上述的实施方式中，使用重整器24的入出温度差ΔT、燃料电池堆10的输出电力P以及燃料罐21的含氧燃料的浓度C中的一个浓度参数来判断重整器24的重整性能的下降，但也可以在多个浓度参数超过规定的判断阈值的情况下变更重整器24的运转状态。
由此，相比于使用一个浓度参数来判断重整性能的下降的情况，在重整器24的重整性能下降的状况下，能够可靠地改善重整性能。即，能够避免在重整性能没有下降的状况下执行变更重整器24的运转状态这样的不必要的控制。
另外，在上述的实施方式中分别设置蒸发器23和重整器24，但蒸发器23与重整器24可以一体地构成。即使在该情况下，也能够得到本实施方式的作用效果。
此外，上述的实施方式能够恰当地进行组合。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体来使所述燃料电池发电，所述燃料电池系统包括：
罐，其储存包括含氧燃料的水溶液；
重整器，其对所述水溶液气化得到的混合气体进行重整来生成所述燃料气体；
致动器，其向所述重整器供给所述混合气体；
加热装置，其加热所述重整器；
检测部，其估计或检测向所述重整器供给的混合气体中的含氧燃料的浓度；以及
控制器，其控制所述致动器和所述加热装置的动作，以使所述燃料电池发电，
其中，相比于所述含氧燃料的浓度低时，在该浓度高时，所述控制器使由所述加热装置产生的针对所述重整器的加热量增加，或使由所述致动器向所述重整器供给的所述混合气体的供给量减少。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制器将使由所述加热装置产生的所述加热量增加的加热控制优先于使由所述致动器供给的所述混合气体的供给量减少的减量控制。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述检测部检测向所述重整器供给的所述混合气体的温度以及从所述重整器排出的所述燃料气体的温度，来作为所述含氧燃料的浓度，
相比于所述混合气体的温度与所述燃料气体的温度的温度差大时，在该温度差小时，所述控制器使针对所述重整器的加热量增加或使向所述重整器供给的所述混合气体的供给量减少。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述检测部检测所述燃料电池的输出来作为所述含氧燃料的浓度，
所述控制器以使所述燃料电池的输出成为规定的值的方式使所述重整器的加热量增加或者使向所述重整器供给的所述混合气体的供给量减少。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述检测部设置于所述罐，检测所述水溶液中包括的含氧燃料的浓度。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述检测部基于所述混合气体的温度与所述燃料气体的温度的温度差来估计所述含氧燃料的浓度。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述检测部基于所述燃料电池的输出来估计所述含氧燃料的浓度。
8.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池；重整器，其对含氧燃料气体和水蒸气的混合气体进行重整；致动器，其向所述重整器供给所述混合气体；以及加热装置，其加热所述重整器，所述控制方法包括以下步骤：
发电控制步骤，将由所述重整器重整得到的燃料气体供给至所述燃料电池来控制所述燃料电池的发电；以及
重整控制步骤，相比于向所述重整器供给的所述混合气体中的含氧燃料的浓度低时，在该浓度高时，使所述加热装置产生的加热量增加或使由所述致动器向所述重整器供给的所述混合气体的供给量减少。
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