CN113632269B - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113632269B
CN113632269B CN201980094804.3A CN201980094804A CN113632269B CN 113632269 B CN113632269 B CN 113632269B CN 201980094804 A CN201980094804 A CN 201980094804A CN 113632269 B CN113632269 B CN 113632269B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
anode
fuel
fuel cell
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980094804.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113632269A (zh
Inventor
野田哲史
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Publication of CN113632269A publication Critical patent/CN113632269A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113632269B publication Critical patent/CN113632269B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04343—Temperature; Ambient temperature of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备：燃料电池堆；重整器，其对原燃料进行重整并向燃料电池堆供给；燃料流量控制部，其控制向重整器供给的原燃料的流量；空气供给管，其向原燃料供给氧；以及燃烧器，其使从燃料电池堆排出的阴极排出气体与阳极排出气体混合并进行燃烧。在该燃料电池系统的控制方法中，对由燃料电池堆发电产生的电流值和从所述空气供给管供给的氧供给量中的至少一方进行检测，基于电流值和氧供给量中的至少一方来估计阳极排出气体的组成，基于估计出的阳极排出气体的组成来利用燃料流量控制部调整原燃料的流量，由此控制燃烧器的温度。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在JP2016-111004A中公开了一种具备燃烧器的燃料电池系统，该燃烧器使在燃料电池中使用的阳极排出气体燃烧来生成燃烧气体。在该燃料电池系统中，为了将燃烧器的气体温度控制为目标温度，而使用温度传感器来检测燃烧气体的温度，以使检测出的温度成为目标温度的方式控制燃料的流量。
发明内容
然而，当在使用温度传感器来控制燃烧器的气体温度的情况下使排出气体高温燃烧时，担心温度传感器不耐高温而发生故障。例如，在像固体氧化物型燃料电池(SOFC)那样在运转时使燃烧器的气体温度为连续高温的燃料电池中，难以使用温度传感器来控制燃烧器的气体温度。当无法高精度地控制燃烧器的气体温度时，有可能引起由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如、烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的劣化等。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种能够在不使用对燃烧气体的温度进行检测的温度传感器的情况下高精度地控制燃烧器的气体温度的燃料电池系统。
根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备：燃料电池堆；重整器，其对原燃料进行重整并向燃料电池堆供给；燃料流量控制部，其控制向重整器供给的原燃料的流量；空气供给管，其向原燃料供给氧；以及燃烧器，其使从燃料电池堆排出的阴极排出气体与阳极排出气体混合并进行燃烧。在该燃料电池系统的控制方法中，对由燃料电池堆发电产生的电流值和从所述空气供给管供给的氧供给量中的至少一方进行检测，基于电流值和氧供给量中的至少一方来估计阳极排出气体的组成，基于估计出的阳极排出气体的组成来利用燃料流量控制部调整原燃料的流量，由此控制燃烧器的温度。
附图说明
图1是示出第一实施方式的燃料电池系统的主要结构的概要结构图。
图2是说明第一实施方式的燃料电池系统的燃烧气体温度控制的流程图。
图3是说明第二实施方式的燃料电池系统的燃烧气体温度控制的流程图。
图4是说明第三实施方式的燃料电池系统的燃烧气体温度控制的流程图。
图5是说明第四实施方式的燃料电池系统的燃烧气体温度控制的流程图。
图6是说明第五实施方式的燃料电池系统的燃烧气体温度控制的流程图。
图7是说明第六实施方式的燃料电池系统的燃烧气体温度控制的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图等来说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是示出第一实施方式的燃料电池系统100的主要结构的概要结构图。
燃料电池系统100是向燃料电池堆1供给发电所需的燃料气体(阳极气体)和氧化剂气体(阴极气体)、并根据车辆行驶用的电动马达等的电负荷来使燃料电池堆1进行发电的系统。
燃料电池系统100由燃料电池堆1、阳极供给机构2、阴极供给机构3、排气机构4以及驱动机构(未图示)构成。阳极供给机构2向燃料电池堆1供给阳极气体，阴极供给机构3向燃料电池堆1供给阴极气体。排气机构4将从燃料电池堆1排出的阳极排出气体和阴极排出气体排出。驱动机构从燃料电池堆1取得电力来获得动力。另外，燃料电池系统100具备控制系统整体的动作的控制器5(控制部)。
燃料电池堆1接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电。燃料电池堆1是将多个燃料电池或者燃料电池单体电池层叠来构成的，作为发电源的各个燃料电池例如是固体氧化物型燃料电池(SOFC)。
向燃料电池堆1供给来自阳极供给机构2的阳极气体并且供给来自阴极供给机构3的阴极气体。然后，通过后述的排气燃烧器41(燃烧器)使在电化学反应后生成的阳极排出气体和阴极排出气体燃烧而变为燃烧气体，并经由燃烧气体通路40向外部排出。
此外，优选的是，在燃料电池堆1设置有电流传感器101。电流传感器101对从燃料电池堆1取得的发电电流的电流值进行检测。电流传感器101将检测出的电流值以信号的形式输出到控制器5。
阳极供给机构2具备燃料供给通路20，在燃料供给通路20中，从上游起按照顺序设置有燃料箱21、分支通路22、喷射器23、蒸发器24、热交换器25以及重整器26。在分支通路22中还设置有喷射器27。燃料供给通路20是用于向燃料电池堆1的阳极供给阳极气体的通路，将燃料箱21与形成于燃料电池堆1内的阳极流路连接。
燃料箱21贮存例如以甲烷和水为主要成分的燃料，来作为重整前的原燃料。通过泵(燃料流量控制部)(未图示)从燃料箱21向喷射器23(燃料流量控制部)供给原燃料，通过喷射器23将原燃料调节为规定喷射量后向蒸发器24喷射供给。此外，泵的输出控制和喷射器23的喷射量的调节能够由控制器5来执行。
分支通路22是在燃料电池系统100的暖机控制时等向后述的排气燃烧器41供给燃烧用燃料的通路。在分支通路22中设置喷射器27，该喷射器27例如在燃料电池系统100的暖机控制时还从燃料箱21向喷射器27供给液体燃料。供给到喷射器27的液体燃料作为燃烧用燃料被喷射器27喷射供给到排气燃烧器41。喷射器27的喷射量的控制能够由控制器5来执行。
此外，优选的是，在燃料供给通路20中的燃料箱21与分支通路22之间的位置设置有流量传感器201(燃料流量检测单元)。流量传感器201(燃料流量检测单元)检测燃料流量，检测值以信号的形式被送到控制器5。
蒸发器24对从喷射器23以微粒化的方式喷射供给的液体燃料进行加热，来生成由乙醇气体和水蒸气构成的重整前燃料气体。蒸发器24利用从后述的排气燃烧器41排出的燃烧气体的热来使燃料气化。
热交换器25通过使来自排气燃烧器41的燃烧气体与重整前燃料气体进行热交换，来进一步加热被蒸发器24气化后的重整前燃料气体。
重整器26对重整前燃料气体进行重整，以使重整前燃料气体成为适于向燃料电池堆1供给的状态。例如，重整器26通过未图示的重整用催化剂对重整前燃料气体进行水蒸气重整，来生成以氢为主要成分的阳极气体。像这样重整后的阳极气体以保持高温状态的方式被供给到燃料电池堆1的阳极流路。
此外，优选的是，在燃料供给通路20中的重整器26与燃料电池堆1之间的位置设置有温度传感器202(重整气体温度检测单元)。温度传感器202对向燃料电池堆1供给的阳极气体(重整后的原燃料)的温度进行检测，检测值以信号的形式被送到控制器5。
接着，说明阴极供给机构3。
阴极供给机构3具备空气供给通路30，在空气供给通路30中，从上游起按照顺序设置有空气鼓风机31、POX配管32(空气供给管)以及热交换器33。空气供给通路30是用于向燃料电池堆1的阴极供给作为阴极气体的空气的通路，将空气鼓风机31与形成于燃料电池堆1内的阴极流路连接。
空气鼓风机31设置于空气供给通路30的入口，经过过滤器(未图示)导入外部空气(空气)，将导入的空气加压输送到该空气供给通路30内。空气鼓风机31输送出的空气流量(阴极气体流量)也能够由控制器5来控制。
另外，优选的是，在空气供给通路30中的空气鼓风机31与POX配管32之间的位置设置有流量传感器301(阴极气体流量检测单元)。流量传感器301检测阴极气体流量，检测值以信号的形式被送到控制器5。
POX配管32是向燃料供给通路20的原燃料供给空气(氧)的空气供给管。POX配管32以使空气供给通路30中的空气鼓风机31的下游位置与燃料供给通路20中的热交换器25的上游位置相连结的方式连接。
在POX配管32中设置有节流阀321。节流阀321由控制器5控制，根据节流阀321的开度来调节经由热交换器33向燃料电池堆1供给的空气流量以及向燃料供给通路20供给的空气流量。例如，在系统暖机时从空气鼓风机31向燃料供给通路20供给空气。像这样供给到燃料供给通路20的空气经由热交换器25送到重整器26，在重整器26内空气与燃料进行燃烧，利用燃烧气体来促进暖机。
此外，优选的是，在POX配管32设置有流量传感器302。流量传感器302对经过POX配管32向燃料供给通路20的原燃料供给的氧的流量(POX流量)进行检测，检测值以信号的形式被送到控制器5。
热交换器33是使通过空气鼓风机31供给的空气与由后述的排气燃烧器41生成的燃烧气体进行热交换来对该空气进行加热的装置。将通过热交换器33加热后的空气向燃料电池堆1的阴极流路供给。
接着，说明排气机构4。
排气机构4具备阳极排出气体通路42、阴极排出气体通路43、排气燃烧器41(燃烧器)、燃烧气体通路40。阳极排出气体通路42和阴极排出气体通路43将燃料电池堆1与排气燃烧器41连接。另外，排气燃烧器41与燃烧气体通路40连接，该燃烧气体通路40使由该排气燃烧器41生成的燃烧气体向外部排出。
阳极排出气体通路42的一端与燃料电池堆1的阳极流路出口连接，并且另一端与排气燃烧器41连接。阳极排出气体通路42是将从燃料电池堆1排出的发电反应后的阳极排出气体向排气燃烧器41输送出的通路。
优选的是，在阳极排出气体通路42中的燃料电池堆1的阳极流路出口(阳极侧出口)附近设置有温度传感器401(阳极排出气体温度检测单元)。温度传感器401对从燃料电池堆1排出的阳极排出气体的温度进行检测，检测值以信号的形式被送到控制器5。
阴极排出气体通路43的一端与燃料电池堆1的阴极流路出口连接，并且另一端与排气燃烧器41连接。阴极排出气体通路43是将从燃料电池堆1排出的发电反应后的阴极排出气体向排气燃烧器41输送出的通路。
优选的是，在阴极排出气体通路43中的燃料电池堆1的阴极流路出口(阴极侧出口)附近设置有温度传感器402(阴极排出气体温度检测单元)。温度传感器402对从燃料电池堆1排出的阴极排出气体的温度进行检测，检测值以信号的形式被送到控制器5。
排气燃烧器41使从燃料电池堆1经由阳极排出气体通路42和阴极排出气体通路43送来的阳极排出气体和阴极排出气体混合，并使该混合气体催化燃烧，来生成以二氧化碳、水为主要成分的燃烧气体。将由排气燃烧器41生成的燃烧气体从燃烧气体通路40向燃料电池系统100的外部排出。
另外，排气燃烧器41配置为与热交换器25及重整器26相邻，因排气燃烧器41的催化燃烧产生的热对热交换器25和重整器26进行加热。
燃烧气体通路40是将由排气燃烧器41生成的燃烧气体向外部排出的通路，该燃烧气体通路40的一端与排气燃烧器41连接。燃烧气体通路40的另一端侧经过阳极供给机构2的蒸发器24和阴极供给机构3的热交换器33连通到外部空气。蒸发器24及热交换器33通过与经过燃烧气体通路40的燃烧气体的热进行热交换而被加热。
此外，在燃料电池系统100的暖机控制时，经由喷射器27向排气燃烧器41喷射供给原燃料。通过使喷射供给到排气燃烧器41中的原燃料催化燃烧来使排气燃烧器41进行暖机，通过由排气燃烧器41生成的燃烧气体来使蒸发器24、热交换器33进行暖机。
接着，说明控制器5。
控制器5由包括微计算机、微处理器、CPU的通用的电子电路、以及周边设备构成，通过执行特定的程序来执行用于控制燃料电池系统100的处理。
例如控制器5对在阳极排出气体通路42中流动的阳极排出气体的浓度f_anodegas进行估计，并基于估计出的阳极排出气体浓度f_anodegas，来运算使由排气燃烧器41生成的燃烧气体成为目标燃烧温度那样的目标燃料流量(原燃料的流量)F_fuel。然后，基于该运算结果调节喷射器23的喷射量来调整原燃料的流量，由此控制排气燃烧器41的燃烧气体温度。此外，在此所谓的阳极排出气体浓度是阳极排出气体所包含的各物质的浓度。
如后所述，能够基于燃料电池堆1的电流值以及从POX配管32向燃料供给通路20供给的氧供给量(POX流量)中的至少一方来估计阳极排出气体的浓度f_anodegas。
图2是说明本实施方式中的燃料电池系统100的燃烧气体温度控制的流程图。此外，以下的控制都由控制器5重复执行。
当燃料电池系统100开始燃烧气体温度控制时，在步骤S110中，控制器5获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量。
阳极排出气体温度是从燃料电池堆1排出的发电反应后的阳极排出气体的温度，但是能够估计为与阴极排出气体温度相同的值。在本实施方式中，阴极排出气体温度设为根据系统的运转状况而任意设定的规定值，阳极排出气体温度也设为该任意设定的规定值。
发电电流值是从燃料电池堆1取得的发电电流的电流值，由设置于燃料电池堆1的电流传感器101检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。
此外，控制器5获取的发电电流值不一定是检测值，也可以是根据系统的运转状况而设定的发电电流的目标值。
POX流量是经过POX配管32从空气供给通路30向燃料供给通路20中的原燃料供给的氧供给量。POX流量由设置于POX配管32的流量传感器302检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。
此外，POX流量不一定是检测值，也能够根据从空气鼓风机31输送出的空气的流量(阴极气体流量)、节流阀321的开度以及POX配管32的压损来估计。在此，从空气鼓风机31输送出的空气的流量(阴极气体流量)能够由控制器5控制，因此，在本实施方式中，使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值。
如上所述，POX流量和发电电流值均能够不进行检测而被赋予目标值或估计值，但是，为了使后述的阳极排出气体浓度的估计精度提升，优选的是，在本实施方式中POX流量和发电电流值中的至少任一方获取检测值。
接着，在步骤S120中，控制器5基于在步骤S110中获取到的阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量，来估计构成阳极排出气体的各物质的浓度(阳极排出气体的组成、阳极排出气体浓度)。具体的是，能够根据已知的原燃料的组成、供给到燃料的氧的量以及阳极排出气体温度，使用例如平衡组成来估计阳极排出气体浓度。
原燃料的组成是已知的，例如为CH4、H2O。
向燃料供给的氧的量为从POX配管32向原燃料供给的氧供给量以及在燃料电池堆1中与阳极气体发生反应的氧的量的总和。在步骤S110中获取POX流量，能够根据在步骤S110中获取到的发电电流值来估计与阳极气体发生反应的氧的量。
阳极排出气体温度能够使用在步骤S110中获取到的值。
例如，以将原燃料的组成设为了H2O的情况为例进行考虑。在将原燃料的组成设为了H2O的情况下，提供以下的化学反应式(式(1))。
[数1]
接着，根据以下的式(2)，来确定满足主要由温度决定的平衡常数Kp那样的各组成(在此为H2O、H2、O2)的分压PH2o、分压PH2、分压PO2，基于分压来确定阳极排出气体的各组成的浓度(阳极排出气体浓度)。
[数2]
像这样，能够根据已知的原燃料的组成，基于POX流量、发电电流值以及阳极排出气体温度来估计阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)。
此外，阳极排出气体的浓度的估计不一定限定于使用平衡组成，也可以使用反应速度式来估计，该反应速度式使用了例如速度常数。
另外，关于阳极排出气体的浓度的估计，能够如上述那样通过平衡组成、反应速度式等热力学计算式来求出，但是不一定限于此，也可以通过基于实验的实机评价来估计。
接着，在步骤S130中，控制器5运算使排气燃烧器41的燃烧气体的燃烧温度成为目标燃烧温度那样的目标燃料流量F_fuel[mol/s]。能够基于目标燃烧温度、阳极排出气体浓度、阴极排出气体的热流来运算目标燃料流量F_fuel。
具体的是，能够根据以下的使用了焓的式(3)、(4)来求出燃料流量F_fuel。式(3)、(4)中的H_anodegas[W]是指阳极排出气体的热流(阳极排出气体的焓)，H_cathodegas[W]是指阴极排出气体的热流(阴极排出气体的焓)。另外，F_exh[mol/s]是指排气气体流量，α是指燃料与阳极排出气体的流量比，h_exh[W/mol/s]是指燃烧气体的每单位流量的热流，h_anodegas[W/mol/s]是指阳极排出气体的每单位流量的热流。
[数3]
H_anodegas+H_cathodegas＝F_exh*h_exh…(3)
[数4]
H_anodegas＝F_fuel*α*h_anodegas…(4)
根据以下的使用了阴极气体流量F_air[mol/s]、空气的比热Cp_air以及升温温度ΔT的式(5)来确定阴极排出气体的热流H_cathodegas[W]。
[数5]
F_air*Cp_air*ΔT＝H_cathodegas…(5)
阴极气体流量F_air是从空气鼓风机31输送出的空气的流量。如前所述，从空气鼓风机31输送出的空气的流量能够由控制器5控制，因此，在本实施方式中使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值。
空气的比热Cp_air为固定值。另外，升温温度ΔT是从自燃料电池堆1排出的发电反应后的阴极排出气体的温度(阴极排出气体温度)减去了大气温度而得到的值。如前所述，在本实施方式中，阴极排出气体温度使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值。
像这样，在本实施方式中，阴极气体流量F_air和升温温度ΔT都使用任意的设定值。另外，空气的比热Cp_air为固定值，因此阴极排出气体热流H_cathodegas被赋予根据系统的运转状况而任意设定的规定值。
回到式(3)、(4)，排气气体流量F_exh[mol/s]是在排气燃烧器41中燃烧后的气体流量。根据阴极气体流量F_air以及从燃料箱21向燃料供给通路20供给的燃料流量来确定排气气体流量F_exh，在此例如以完全燃烧为前提来计算。如前所述，在本实施方式中，阴极气体流量F_air使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值。在此的燃料流量在本实施方式中使用目标燃料流量F_fuel(在本步骤中计算的对象)。
能够基于在步骤S120中估计出的阳极排出气体浓度和排气燃烧器41的燃烧气体的目标温度(目标燃烧温度)，以完全燃烧为前提来估计燃烧气体的每单位流量的热流h_exh[W/mol/s]。
通过运算上述的式(3)来估计阳极排出气体的热流H_anodegas[W]。但是，在本实施方式中，成为在排气气体流量F_exh中加入了作为计算的对象的目标燃料流量F_fuel的形式的式子。
燃料与阳极排出气体的流量比α是从燃料箱21向燃料供给通路20供给的燃料流量与燃料电池堆1的堆出口处的阳极排出气体的流量之比。在本实施方式中，燃料流量使用目标燃料流量F_fuel(在本步骤中计算的对象)。能够根据在步骤S120中估计出的阳极排出气体浓度来估计阳极排出气体的流量。
能够根据阳极排出气体温度以及在步骤S120中估计出的阳极排出气体浓度来估计阳极排出气体的每单位流量的热流h_anodegas。在本实施方式中，阳极排出气体温度与步骤S110同样使用任意设定的规定值。
像这样，能够基于通过式(3)估计出的阳极排出气体的热流H_anodegas，使用式(4)来估计目标燃料流量F_fuel。
此外，不一定根据使用了焓的式(3)、(4)来求出目标燃料流量F_fuel[mol/s]。也能够根据以下的使用了例如阳极排出气体浓度f_anodegas、排气气体流量F_exh[mol/s]、排气气体的比热Cp_exh以及目标燃烧温度与混合气体温度的差ΔT的式(6)来求出。
[数6]
F_fuel*f_anodegas＝F_exh*Cp_exh*ΔT…(6)
在式(6)中，阳极排出气体浓度f_anodegas使用在步骤S120中估计出的值。
排气气体流量F_exh与式(3)同样是在排气燃烧器41中燃烧后的气体流量，是以完全燃烧为前提根据阴极气体流量F_air和燃料流量来计算的。如前所述，在本实施方式中，阴极气体流量F_air使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值。
排气气体的比热Cp_exh是根据在排气燃烧器41中燃烧后的气体组成来确定的固定值。能够根据原燃料来估计气体组成。
ΔT是排气燃烧器41中的燃烧气体温度的目标值(目标燃烧温度)与燃料电池堆1的出口处的阳极排出气体及阴极排出气体的混合气体的温度(混合气体温度)之差。根据系统的运转状况来设定目标燃烧温度，本系统进行控制以使该排气燃烧器41成为该目标燃烧温度。在本实施方式中，如前所述，将阳极排出气体温度与阴极排出气体温度估计为相同的值，混合气体温度设为阴极排出气体温度而使用根据运转状况任意设定的规定值。
像这样，也能够基于在步骤S120中估计的阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)，使用式(6)来估计目标燃料流量F_fuel。
当控制器5在步骤S130中运算出目标燃料流量F_fuel时，控制器5在步骤S140中进行控制，以基于运算出的目标燃料流量F_fuel来从燃料箱21向燃料供给通路20供给原燃料。
当在步骤S140中按照目标燃料流量F_fuel供给了原燃料时，燃料电池系统100再次开始燃烧气体温度控制，并回到步骤S110。
根据上述的第一实施方式的燃料电池系统100，能够获得以下的效果。
在燃料电池系统100中，基于燃料电池堆1的电流值和POX流量中的至少一方来估计阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)。然后，基于估计出的阳极排出气体浓度来利用泵和喷射器23(燃料流量控制部)调整原燃料的流量，由此控制排气燃烧器41(燃烧器)的温度。像这样，在燃料电池系统100中，不使用对排气燃烧器41的燃烧气体温度进行检测的温度传感器而控制排气燃烧器41的温度。因而，即使在燃烧气体温度为高温的情况下，也能够控制排气燃烧器41的温度。
另外，在燃料电池系统100中，不是基于原燃料的组成而是基于阳极排出气体的组成来调整燃料流量(原燃料的流量)，由此控制排气燃烧器41(燃烧器)的温度。在燃料电池系统中，燃料在重整器中被重整，或者通过POX反应被供给氧，由此组成、热量发生变化。因此，原燃料以及向排气燃烧器41供给的阳极排出气体的组成、热量不同。因而，在基于原燃料的组成来调整燃料流量由此控制燃烧器的温度的情况下，无法高精度地控制燃烧器的温度。对此，在本实施方式的燃料电池系统100中，估计阳极排出气体的组成，并基于估计出的阳极排出气体的组成来调整燃料流量，由此对排气燃烧器41(燃烧器)的温度进行控制。因此，与基于原燃料的组成来调整燃料流量的情况相比，能够高精度地控制排气燃烧器41的温度。因而，能够防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的劣化等。
(第二实施方式)
参照图3，来说明第二实施方式的燃料电池系统100。此外，对与第一实施方式同样的要素标注相同的附图标记，并省略其说明。
在本实施方式中，与第一实施方式的不同点在于：有时在阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)的估计中使用阳极气体温度(重整后的原燃料的温度)；将检测值用于在阳极排出气体浓度的估计中使用的阳极排出气体温度。
图3是说明第二实施方式的燃料电池系统100的燃烧气体温度控制的流程图。此外，以下的控制都由控制器5来执行。
当燃料电池系统100开始燃烧气体温度控制时，在步骤S210中，控制器5获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量以及阳极气体温度(重整后的原燃料的温度)。
阳极排出气体温度由设置于阳极排出气体通路42的温度传感器401(阳极排出气体温度检测单元)检测。检测值的信号被发送到控制器5，控制器5接收该信号。
发电电流值是由设置于燃料电池堆1的电流传感器101检测出的检测值，或者是根据系统的运转状况而设定的发电电流的目标值。控制器5接收检测值的信号、或者将设定的目标值获取为发电电流。
POX流量是由设置于POX配管32的流量传感器302检测出的检测值，或者是根据阴极气体流量、节流阀321的开度以及POX配管32的压损来估计出的估计值。控制器5接收检测值的信号、或者将设定的目标值获取为POX流量。
阳极气体温度是从重整器26向燃料电池堆1供给的重整后的原燃料(阴极气体)的温度。阳极气体温度由设置于重整器26与燃料电池堆1之间的位置的温度传感器202(重整气体温度检测单元)检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。
接着，在步骤S220中，控制器5运算在步骤S210中获取到的阳极排出气体温度与阳极气体温度之差ΔT。
接下来，在步骤S230中，判定阳极排出气体温度与阳极气体温度之差ΔT是否为规定的值T_pre以上。规定的值T_pre是阳极排出气体的组成成为取决于重整器26的温度的组成那样的情况下的重整器26与燃料电池堆1的温度差的最小值。
在启动时等暖机运转时，重整器26那样的比燃料电池堆1小的装置与燃料电池堆1相比能更快地进行暖机。因而，在暖机运转时，直到经过固定时间为止处于燃料电池堆1为低温、重整器26为高温这样的状态。在该情况下，燃料电池堆1的温度(≈阳极排出气体温度)与重整器26的温度(≈阳极气体温度)之差ΔT大。在该状态下，燃料电池堆1中的催化剂不发挥功能，阳极排出气体的组成成为取决于重整器26的温度的组成。另一方面，在燃料电池堆1达到固定温度后，燃料电池堆1的温度(≈阳极排出气体温度)与重整器26的温度(≈阳极气体温度)之差ΔT变小，阳极排出气体的组成成为取决于燃料电池堆1的温度的组成。
因而，在阳极排出气体温度与阳极气体温度之差ΔT为规定的值T_pre以上的情况下，阳极排出气体的组成成为取决于重整器26的温度(≈阳极气体温度)的组成。另一方面，在ΔT小于规定的值T_pre的情况下，阳极排出气体的组成成为取决于燃料电池堆1的温度(≈阳极排出气体温度)的组成。
当在步骤S230中控制器5判定为ΔT为规定的值T_pre以上时，进入步骤S240。
在步骤S240中，控制器5基于在S210中获取到的发电电流值、POX流量以及阳极气体温度来估计阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)。如上所述，在ΔT为规定的值T_pre以上的情况下，阳极排出气体的组成成为取决于重整器26的温度(≈阳极气体温度)的组成，因此基于阳极气体温度来估计阳极气体排出气体浓度。
具体的是，能够与第一实施方式中的步骤S120同样地，根据原燃料的组成、向燃料供给的氧的量以及阳极气体温度，使用平衡组成、反应速度式来进行阳极排出气体浓度的估计。另外，也能够通过基于实验的实机评价来估计。此外，在本实施方式中，用于估计阳极排出气体浓度的阳极排出气体温度使用由设置于重整器26与燃料电池堆1之间的位置的温度传感器202检测出的检测值。
当在步骤S240中估计出阳极排出气体浓度时，控制器5进入步骤S260。
另一方面，当控制器5在步骤S230中判定为阳极排出气体温度与阳极气体温度之差ΔT小于规定的值T_pre时，控制器5进入步骤S250。
在步骤S250中，控制器5基于在S210中获取到的阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量来估计阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)。此外，在本实施方式中，用于估计阳极排出气体浓度的阳极排出气体温度使用由设置于阳极排出气体通路42的传感器401检测出的检测值。因而，与将阳极排出气体温度设为任意的规定值的情况相比，能够更高精度地估计阳极排出气体浓度。
能够与第一实施方式中的步骤S120同样地，使用平衡组成、反应速度式来进行阳极排出气体浓度的估计。另外，也能够通过基于实验的实机评价来估计。
当控制器5在步骤S250中估计出阳极排出气体浓度时，控制器5进入步骤S260。
在步骤S260中，控制器5运算使排气燃烧器41的燃烧气体的燃烧温度为目标燃烧温度那样的目标燃料流量F_fuel。与第一实施方式中的步骤S130同样地，基于例如目标燃烧温度、阳极排出气体浓度、阴极排出气体的热流来运算目标燃料流量F_fuel。
当控制器5在步骤S260中运算出目标燃料流量F_fuel时，控制器5在步骤S270中进行控制，以基于运算出的目标燃料流量F_fuel来从燃料箱21向燃料供给通路20供给原燃料。
当在步骤S270中按照目标燃料流量F_fuel供给了原燃料时，燃料电池系统100再次开始燃烧气体温度控制，并回到步骤S210。
根据上述的第二实施方式的燃料电池系统100，还能够获得以下的效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，基于由温度传感器401(阳极排出气体温度检测单元)检测出的阳极排出气体温度、发电电流值(电流值)以及POX流量来估计阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)。因而，与阳极排出气体温度使用任意设定的规定值的情况相比，能够提高阳极排出气体浓度的估计精度。由此，基于阳极排出气体浓度进行的燃烧器的温度控制的精度进一步提高，能够更可靠地防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的劣化等。
另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，在阳极排出气体温度与阳极气体温度(重整后的原燃料的温度)之差为规定的值T_pre以上的情况下，基于阳极气体温度、电流值以及POX流量来估计阳极排出气体的组成。在燃料电池堆1的温度(≈阳极排出气体温度)与重整器26的温度(≈阳极气体温度)之差ΔT为规定的值T_pre以上的情况下，燃料电池堆1中的催化剂不发挥功能，阳极排出气体的组成成为取决于重整器26的温度的组成。因此，在本实施方式中，在阳极排出气体温度与阳极气体温度之差为规定的值T_pre以上的情况下，基于阳极气体温度来估计出阳极排出气体的组成。由此，在像暖机运转时那样燃料电池堆1处于低温状态时，也能够高精度地控制燃烧气体温度。
(第三实施方式)
参照图4，来说明第三实施方式的燃料电池系统100。此外，对与第一实施方式及第二实施方式同样的要素标注相同的附图标记，并省略其说明。
在本实施方式中，与其它实施方式的不同点在于：基于燃料流量的检测值和阳极排出气体的组成来估计阳极排出气体的热流。
图4是说明第三实施方式的燃料电池系统100的燃烧气体温度控制的流程图。此外，以下的控制都由控制器5执行。
与第一实施方式中的步骤S110及步骤S120相同之处在于：在步骤S310中获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量，在步骤S320中估计阳极排出气体浓度。
在步骤S330中，控制器5获取燃料流量。燃料流量是从燃料箱21向燃料供给通路20供给的燃料的流量。燃料流量由设置于燃料供给通路20中的燃料箱21与分支通路22之间的位置的流量传感器201检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。
在步骤S340中，控制器5基于在步骤S320中估计出的阳极排出气体浓度以及在步骤S330中获取到的燃料流量，来估计阳极排出气体热流。关于阳极排出气体热流的估计，例如能够如以下所示那样使用焓来计算。
例如，当考虑甲烷的水蒸气重整时，提供以下的化学反应式(式(7))。此外，在式(7)中，a、b、c、d表示各组成的浓度。
[数7]
CH4+H2O→a*CO+b*CO2+c*H2+d*H2O…(7)
在步骤S320中，估计出阳极排出气体浓度(a、b、c、d)。另外，在步骤S330中，获取了燃料流量(CH4和H2O的总量)，因此能够根据物质守恒来估计各组成的流量。其结果，能够估计各组成的每单位流量的焓，并如以下的式(8)所示，能够根据各组成的每单位流量的焓的总和来估计阳极排出气体的热流(阳极排出气体的焓)H_anodegas[W]。此外，式(8)中的h_CO、h_CO2、h_H2、h_H2O分别表示每单位流量的CO、CO2、H2、H2O的焓[W/mol/s]。
[数8]
h_CO*a+h_CO2*b+h_H2*c+h_H2O*d＝H_anodegs…(8)
此外，也可以使用各组成的比热来估计阳极排出气体的热流H_anodegas[W]。
接着，在步骤S350中，与第一实施方式同样，控制器5运算使排气燃烧器41的燃烧气体的燃烧温度成为目标燃烧温度那样的目标燃料流量F_fuel[mol/s]。在此，阳极排出气体的热流已经在步骤S340中估计出，因此能够仅使用式(4)来确定目标燃料流量F_fuel。
此外，在燃料与阳极排出气体的流量比α下的燃料流量能够使用在步骤S330中获取到的流量传感器201的检测值。
当控制器5在步骤S350中运算出目标燃料流量F_fuel时，控制器5在步骤S360中进行控制，以基于运算出的目标燃料流量F_fuel来从燃料箱21向燃料供给通路20供给原燃料。
当在步骤S360中按照目标燃料流量F_fuel供给了原燃料时，燃料电池系统100再次开始燃烧气体温度控制，并回到步骤S310。
像这样，在本实施方式中，基于阳极排出气体的热流来确定目标燃料流量F_fuel，该阳极排出气体的热流是基于阳极排出气体浓度和燃料流量来估计的。
根据上述的第三实施方式的燃料电池系统100，还能够获得以下的效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，检测燃料流量(原燃料的流量)，基于阳极排出气体浓度(阳极排出气体的组成)和燃料流量的检测值来估计阳极排出气体热流，该阳极排出气体浓度是基于阳极排出气体温度、电流值以及POX流量来估计的。然后，基于估计出的阳极排出气体热流来利用燃料流量控制部调整原燃料的流量，由此控制燃烧器的温度。像这样，基于使用燃料流量的检测值估计出的阳极排出气体热流来调整原燃料的流量，因此燃烧器的温度控制的精度进一步提高。因而，能够更可靠地防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的劣化等。
(第四实施方式)
参照图5，来说明第四实施方式的燃料电池系统100。此外，对与其它实施方式同样的要素标注相同的附图标记，并省略其说明。
在本实施方式中，与其它实施方式的不同点在于：检测阴极气体的流量、阴极排出气体温度，并基于这些检测值来估计阴极气体热量。
图5是说明第四实施方式的燃料电池系统100的燃烧气体温度控制的流程图。此外，以下的控制都由控制器5执行。
当燃料电池系统100开始燃烧气体温度控制时，在步骤S410中，控制器5获取阴极气体流量、阴极排出气体温度。
阴极气体流量由设置于空气供给通路30的流量传感器301检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。
阴极排出气体温度由设置于阴极排出气体通路43的温度传感器402(阴极排出气体温度检测单元)检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。此外，优选的是，阴极排出气体温度使用检测值，但是也可以使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值。
接着，在步骤S420中，控制器5基于在步骤S410中获取到的阴极气体流量、阴极排出气体温度来估计阴极排出气体热流H_cathodegas[W]。
关于阴极排出气体热流H_cathodegas[W]的估计，能够根据前述的使用了阴极气体流量F_air[mol/s]、空气的比热Cp_air以及升温温度ΔT的式(5)来求出。但是，在此，阴极气体流量F_air使用在步骤S410中获取到的流量传感器301的检测值。另外，升温温度AT是从阴极排出气体温度减去大气温度而得到的值，但是阴极排出气体温度使用在步骤S410中获取到的温度传感器402的检测值。
此外，优选的是，升温温度ΔT的计算中的阴极排出气体温度使用温度传感器402的检测值，但是不一定限于此。例如也可以使用根据系统的运转状况而任意设定的规定值，另外，也可以使用检测阳极排出气体温度的温度传感器401的检测值。
另外，关于阴极排出气体热流H_cathodegas[W]的估计，也能够与阳极排出气体热流H_anodegas[W]同样地根据焓来求出。具体的是，能够根据以下的使用了阴极气体流量F_air[mol/s]和阴极排出气体的每单位流量的热流h_cathodegas[W/mol/s]的式(9)来求出。
[数9]
H_cathodegas＝F_air*h_cahodegas…(9)
阴极气体流量F_air[mol/s]使用在步骤S410中获取到的流量传感器301的检测值。
能够根据阴极排出气体的温度和阴极气体流量来估计阴极排出气体的每单位流量的热流h_cathodegas[W/mol/s]。阴极气体排出气体的温度和阴极气体流量能够分别使用在步骤S410中获取到的温度传感器402的检测值和流量传感器301的检测值。
当控制器5在步骤S420中估计出阴极排出气体热流H_cathodegas[W]时，控制器5在步骤S430中与第一实施方式的步骤S110同样地获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量。
接着，在步骤S440中，与第一实施方式的步骤S120同样，控制器5估计阳极排出气体浓度。
接着，在步骤S450中，与步骤S130同样，控制器5基于目标燃烧温度、阳极排出气体浓度、阴极排出气体的热流，来运算使排气燃烧器41的燃烧气体的燃烧温度成为目标燃烧温度那样的目标燃料流量F_fuel[mol/s]。但是，在本实施方式中，阴极排出气体的热流H_cathodegas不被赋予规定值而使用在步骤S420中根据检测值估计出的值。像这样基于根据检测值估计出的阴极排出气体的热流H_cathodegas来运算目标燃料流量F_fuel，因此排气燃烧器41的温度控制的精度进一步提高。
此外，也可以是，如第三实施方式那样基于阳极排出气体浓度和燃料流量的检测值来估计阳极排出气体热流H_anodegas[W]，使用该估计出的阳极排出气体热流H_anodegas来运算目标燃料流量F_fuel。即，也可以是，基于在步骤S420中估计出的阴极排出气体的热流H_cathodegas和阳极排出气体热流H_anodegas来运算目标燃料流量F_fuel，该阳极排出气体热流H_anodegas是基于阳极排出气体浓度和燃料流量的检测值来估计的。
当控制器5在步骤S450中运算出目标燃料流量F_fuel时，控制器5在步骤S460中进行控制，以基于运算出的目标燃料流量F_fuel来从燃料箱21向燃料供给通路20供给原燃料。
当在步骤S460中按照目标燃料流量F_fuel供给了原燃料时，燃料电池系统100再次开始燃烧气体温度控制，并回到步骤S410。
根据上述的第四实施方式的燃料电池系统100，还能够获得以下的效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，基于阴极气体流量的检测值来估计阴极气体热流，基于估计出的阴极气体热流和阳极排出气体的组成来控制原燃料的流量，由此控制排气燃烧器41的温度。像这样基于根据阴极气体流量的检测值估计出的阴极排出气体的热流来控制原燃料的流量，因此燃烧器的温度控制的精度进一步提高。因而，能够更可靠地防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的恶化等。
另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，基于阴极排出气体温度的检测值来估计阴极气体热流。然后，基于估计出的阴极气体热流和阳极排出气体的组成来控制原燃料的流量，由此控制排气燃烧器41(燃烧器)的温度。像这样，基于根据阴极排出气体温度的检测值估计出的阴极排出气体的热流来控制原燃料的流量，因此排气燃烧器41的温度控制的精度进一步提高。因而，能够更可靠地防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的启动性、发电性能的劣化等。
(第五实施方式)
参照图6，来说明第五实施方式的燃料电池系统100。此外，对与其它实施方式同样的要素标注相同的附图标记，并省略其说明。
在本实施方式中，与其它实施方式的不同点在于：在估计阴极排出气体热流时，考虑发电时的氧移动。
图6是说明第五实施方式的燃料电池系统100的燃烧气体温度控制的流程图。此外，以下的控制都由控制器5执行。
当燃料电池系统100开始燃烧气体温度控制时，在步骤S510中，控制器5获取阴极气体流量、阴极排出气体温度以及发电电流值。
与第四实施方式同样，控制器5根据流量传感器301的检测值来获取阴极气体流量，并根据温度传感器402的检测值来获取阴极排出气体温度。
发电电流值由设置于燃料电池堆1的电流传感器101检测。检测值以信号的形式被发送到控制器5，控制器5接收该信号。此外，优选的是，发电电流值使用检测值，但是也可以使用根据系统的运转状况而设定的发电电流的目标值。
接着，在步骤S520中，控制器5基于在步骤S510中获取到的阴极气体流量、阴极排出气体温度、发电电流值来估计阴极排出气体热流H_cathodegas[W]。
在其它实施方式中，阴极排出气体热流H_cathodegas的估计中使用了式(5)，但是在本实施方式中，还使用以下的考虑了发电时的氧移动的式(10)。此外，式(10)的I为发电电流值，α为转换系数(从电流向氧转换)、Cp_O2为氧比热。在式(10)中，从式(5)的左边减去了与因发电引起的氧移动量相应的热流的值。
[数10]
I是由燃料电池堆1发电产生的发电电流值，使用在步骤S510中获取到的电流传感器101的检测值。转换系数α及氧比热Cp_O2为固定值。
像这样，在式(10)中，考虑由发电时的氧移动引起的热流的变化，基于由燃料电池堆1发电产生的电流值和阴极气体流量来估计阴极排出气体热流H_cathodegas。通过考虑因发电时的氧移动引起的热流的变化，由此阴极排出气体热流的估计精度进一步提高。
此外，关于阴极排出气体热流H_cathodegas[W]的估计，在本实施方式中也能够根据焓来求出。具体的是，只要从式(9)的右边减去由于因发电引起的氧移动而产生的热量即可。
当控制器5在步骤S520中估计出阴极排出气体热流H_cathodegas[W]时，控制器5在步骤S530中与第一实施方式的步骤S110同样地获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量。
接着，在步骤S540中，与步骤S120同样，控制器5估计阳极排出气体浓度，在步骤S550中，与步骤S130同样，控制器5运算目标燃料流量F_fuel。
接下来，在步骤S560中，控制器5基于目标燃料流量F_fuel供给原燃料，当供给了原燃料时，燃料电池系统100再次开始燃烧气体温度控制，并回到步骤S510。
根据上述的第五实施方式的燃料电池系统100，还能够获得以下的效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，基于阴极气体流量的检测值和由燃料电池堆1发电产生的电流值来估计阴极气体热流。然后，基于估计出的阴极气体热流和阳极排出气体的组成来控制原燃料的流量，由此控制排气燃烧器41(燃烧器)的温度。像这样基于电流值来估计阴极气体热流，因此考虑到因发电时的氧移动引起的热流的变化，阴极排出气体热流的估计精度进一步提高。基于估计出的阴极排出气体的热流来控制原燃料的流量，由此控制排气燃烧器41的温度，因此排气燃烧器41的温度控制的精度也提高。因而，能够更可靠地防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的劣化等。
(第六实施方式)
参照图7来说明第六实施方式的燃料电池系统100。此外，对与其它实施方式同样的要素标注相同的附图标记，并省略其说明。
在本实施方式中，与其它实施方式的不同点在于：考虑来自排气燃烧器41的放热量。
图6是说明第五实施方式的燃料电池系统100的燃烧气体温度控制的流程图。此外，以下的控制都由控制器5来执行。
当燃料电池系统100开始燃烧气体温度控制时，在步骤S610中控制器5获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量、燃烧器放热量。
通过与其它实施方式同样的方法来获取阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量。
燃烧器放热量是从排气燃烧器41向外部放出的热量，能够利用一般的热交换的式子、基于实验的实机评价的结果来确定。
例如能够根据以下的式(11)来确定燃烧器放热量Q_heat[W]。但是，在式(11)中，h表示排气燃烧器41的热阻[K/W]，A表示排气燃烧器41的表面积，T_target表示目标燃烧温度，T_outside表示大气温度。
[数11]
Q_heat＝h*A*(Ttarget-Toutside)…(11)
当控制器5在步骤S610中获取到阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量、燃烧器放热量时，控制器5在步骤S620中估计阳极排出气体浓度(阳极排出气体组成)。能够与其它实施方式同样地，基于阳极排出气体温度、发电电流值、POX流量，根据原燃料的组成、向燃料供给的氧的量以及阳极排出气体温度来估计阳极排出气体浓度。
接着，在步骤S630中，控制器5运算使排气燃烧器41的燃烧气体的燃烧温度成为目标燃烧温度那样的目标燃料流量F_fuel[mol/s]。能够基于阳极排出气体浓度和燃烧器放热量，根据例如以下的式(12)来求出目标燃料流量F_fuel。
[数12]
F_fuel*f_anodegas-Qheat＝F_exh*Cp_exh*ΔT…(12)
式(12)是从式(6)的左边减去燃烧器放热量Q_heat[W]得到的式子，考虑燃烧器放热量Q_heat来确定目标燃料流量F_fuel。
根据上述的第六实施方式的燃料电池系统100，还能够获得以下的效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，基于阳极排出气体浓度和从排气燃烧器41向外部的放热量来控制原燃料的流量，由此控制了排气燃烧器41的温度。即，在对用于将排气燃烧器41控制为目标温度的目标燃料流量进行计算时，考虑从排气燃烧器41向外部的放热量。因而，与根据在不考虑放热量的情况下计算出的目标燃料流量来控制排气燃烧器41的温度的情况相比，能够更高精度地控制排气燃烧器41的温度。因而，能够更可靠地防止由于燃烧气体温度过高导致的燃烧催化剂劣化(例如，烧结)、由于燃烧气体温度过低导致的燃料电池的启动性、发电性能的劣化等。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，其主旨不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
上述的各实施方式分别作为单独的实施方式进行了说明，但是也可以适当地组合。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备：燃料电池堆；重整器，其对原燃料进行重整并向所述燃料电池堆供给；燃料流量控制部，其控制向所述重整器供给的所述原燃料的流量；空气供给管，其向所述原燃料供给氧；以及燃烧器，其使从所述燃料电池堆排出的阴极排出气体与阳极排出气体混合并进行燃烧，
所述控制方法包括以下步骤：
对从所述空气供给管供给的氧供给量进行检测，
基于所述氧供给量来估计所述阳极排出气体的组成，
基于估计出的所述阳极排出气体的组成来利用所述燃料流量控制部调整所述原燃料的流量，由此控制所述燃烧器的温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
还对由所述燃料电池堆发电产生的电流值以及从所述燃料电池堆排出的所述阳极排出气体的温度进行检测，
基于所述阳极排出气体的温度、所述电流值以及所述氧供给量来估计所述阳极排出气体的组成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
还对由所述燃料电池堆发电产生的电流值、从所述燃料电池堆排出的所述阳极排出气体的温度以及向所述燃料电池堆供给的重整后的原燃料的温度进行检测，
在所述阳极排出气体的温度与所述重整后的原燃料的温度之差为规定的值以上的情况下，基于所述重整后的原燃料的温度、所述电流值以及所述氧供给量来估计所述阳极排出气体的组成，
在所述阳极排出气体的温度与所述重整后的原燃料的温度之差小于规定的值的情况下，根据所述阳极排出气体温度、所述电流值以及所述氧供给量来估计所述阳极排出气体的组成。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
还对所述原燃料的流量进行检测，
基于所述原燃料的流量和所述阳极排出气体的组成来估计阳极排出气体热流，
基于所述阳极排出气体热流来利用所述燃料流量控制部调整所述原燃料的流量，由此控制所述燃烧器的温度。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
还对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行检测，
基于所述阴极气体的流量来估计阴极气体热流，
基于估计出的所述阴极气体热流和所述阳极排出气体的组成来控制原燃料的流量，由此控制所述燃烧器的温度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
还对从所述燃料电池堆排出的阴极排出气体的温度进行检测，
基于所述阴极气体的流量和所述阴极排出气体的温度来估计所述阴极气体热流。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
基于所述阴极气体的流量和由所述燃料电池堆发电产生的电流值来估计阴极气体热流。
8.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
基于所述阳极排出气体的组成和从所述燃烧器向外部的放热量来控制所述原燃料的流量，由此控制所述燃烧器的温度。
9.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池堆；
重整器，其对原燃料进行重整并向所述燃料电池堆供给；
燃料流量控制部，其控制向所述重整器供给的所述原燃料的流量；
空气供给管，其向所述原燃料供给氧；
燃烧器，其使从所述燃料电池堆排出的阴极排出气体与阳极排出气体混合并进行燃烧；以及
控制部，
所述燃料电池系统还具备检测单元，所述检测单元对从所述空气供给管供给的氧供给量进行检测，
其中，所述控制部基于所述氧供给量来估计所述阳极排出气体的组成，
所述控制部基于估计出的所述阳极排出气体的组成来利用所述燃料流量控制部调整所述原燃料的流量，由此控制所述燃烧器的温度。
CN201980094804.3A 2019-03-27 2019-03-27 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 Active CN113632269B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2019/000404 WO2020194019A1 (ja) 2019-03-27 2019-03-27 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113632269A CN113632269A (zh) 2021-11-09
CN113632269B true CN113632269B (zh) 2024-02-27

Family

ID=72611636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980094804.3A Active CN113632269B (zh) 2019-03-27 2019-03-27 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11721821B2 (zh)
EP (1) EP3951966B1 (zh)
JP (1) JP7120445B2 (zh)
CN (1) CN113632269B (zh)
WO (1) WO2020194019A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112290056A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62234871A (ja) * 1986-04-04 1987-10-15 Hitachi Ltd 燃料電池発電プラント
JP2005268118A (ja) * 2004-03-19 2005-09-29 Corona Corp 改質型燃料電池システム及び改質型燃料電池システムの運転制御方法
EP0973219B1 (en) * 1998-07-16 2007-04-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Control apparatus for reformer and method of controlling reformer using control apparatus
JP2008059877A (ja) * 2006-08-31 2008-03-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2011034715A (ja) * 2009-07-30 2011-02-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムとこの燃料電池システムに用いる燃料電池の昇温方法
CN102232256A (zh) * 2008-12-01 2011-11-02 Utc电力公司 用于燃料电池电源设备的阳极利用率控制系统
CN102349185A (zh) * 2009-03-09 2012-02-08 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及用于燃料电池的状态检测方法
JP2014207133A (ja) * 2013-04-12 2014-10-30 パナソニック株式会社 水素生成システムおよび燃料電池システム
CN104428937A (zh) * 2012-05-11 2015-03-18 百拉得动力系统公司 操作燃料电池电力系统的方法
JP2017050049A (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム
CN106910912A (zh) * 2015-12-18 2017-06-30 通用电气公司 燃料电池系统及其操作方法及燃料电池发电厂
CN108432016A (zh) * 2015-12-25 2018-08-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
CN108604693A (zh) * 2015-12-25 2018-09-28 日产自动车株式会社 固体氧化物型燃料电池系统、固体氧化物型燃料电池系统的控制方法
JP2018186079A (ja) * 2017-04-21 2018-11-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高温動作型燃料電池システム

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6306531B1 (en) 1999-07-06 2001-10-23 General Motors Corporation Combustor air flow control method for fuel cell apparatus
JP4854848B2 (ja) * 2000-12-22 2012-01-18 本田技研工業株式会社 加熱処理システムの制御方法
US10050293B2 (en) 2014-11-28 2018-08-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Method for operating fuel cell system and method for estimating composition of fuel used in fuel cell system
JP6459063B2 (ja) * 2015-04-20 2019-01-30 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法
JP6452741B2 (ja) * 2017-03-06 2019-01-16 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
CN111788731B (zh) * 2018-03-07 2024-03-12 大阪瓦斯株式会社 燃料电池系统和燃料电池系统的运转方法
CN109860660B (zh) * 2019-01-28 2021-11-09 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种高效固体氧化物燃料电池系统

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62234871A (ja) * 1986-04-04 1987-10-15 Hitachi Ltd 燃料電池発電プラント
EP0973219B1 (en) * 1998-07-16 2007-04-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Control apparatus for reformer and method of controlling reformer using control apparatus
JP2005268118A (ja) * 2004-03-19 2005-09-29 Corona Corp 改質型燃料電池システム及び改質型燃料電池システムの運転制御方法
JP2008059877A (ja) * 2006-08-31 2008-03-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
CN102232256A (zh) * 2008-12-01 2011-11-02 Utc电力公司 用于燃料电池电源设备的阳极利用率控制系统
CN102349185A (zh) * 2009-03-09 2012-02-08 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及用于燃料电池的状态检测方法
JP2011034715A (ja) * 2009-07-30 2011-02-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムとこの燃料電池システムに用いる燃料電池の昇温方法
CN104428937A (zh) * 2012-05-11 2015-03-18 百拉得动力系统公司 操作燃料电池电力系统的方法
JP2014207133A (ja) * 2013-04-12 2014-10-30 パナソニック株式会社 水素生成システムおよび燃料電池システム
JP2017050049A (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム
CN106910912A (zh) * 2015-12-18 2017-06-30 通用电气公司 燃料电池系统及其操作方法及燃料电池发电厂
CN108432016A (zh) * 2015-12-25 2018-08-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
CN108604693A (zh) * 2015-12-25 2018-09-28 日产自动车株式会社 固体氧化物型燃料电池系统、固体氧化物型燃料电池系统的控制方法
JP2018186079A (ja) * 2017-04-21 2018-11-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高温動作型燃料電池システム

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Effect of temperature and NOx concentration on nitric oxide removal from simulated lean-burn engine exhaust via electrochemical-catalytic cells;Ta-Jen Huang等;Chemical Engineering Journal;第173卷;530-535 *
固体氧化物燃料电池与燃气轮机混合发电的发展及甲烷蒸汽重整的研究;于建国 等;燃气轮机技术;第23卷(第2期);1-4、24 *
直接内重整型固体氧化物燃料电池建模与仿真;朱润凯 等;船电技术;第38卷(第3期);12-17 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113632269A (zh) 2021-11-09
WO2020194019A1 (ja) 2020-10-01
US11721821B2 (en) 2023-08-08
JPWO2020194019A1 (zh) 2020-10-01
US20220190368A1 (en) 2022-06-16
EP3951966B1 (en) 2024-04-24
EP3951966A1 (en) 2022-02-09
EP3951966A4 (en) 2022-03-23
JP7120445B2 (ja) 2022-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6838577B2 (ja) 燃料電池システム
JP4854848B2 (ja) 加熱処理システムの制御方法
JP2017050049A (ja) 燃料電池システム
JP7116651B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
CN113632269B (zh) 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
JP2016134278A (ja) 燃料電池システム
US11069907B2 (en) Fuel cell system and method for controlling fuel cell system
CN110959214B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
US20230197983A1 (en) Fuel cell system and control method for fuel cell system
US11211624B2 (en) Fuel cell system
JP7155907B2 (ja) 燃料電池システム
US11205792B2 (en) Fuel cell system and control method for same
JP2003077517A (ja) 燃料電池システム
JP7484351B2 (ja) 燃料電池システム
US11769887B2 (en) Combustion system and combustion control method
JP2002134140A (ja) 燃料電池システム
JP4824915B2 (ja) 燃料電池システム
JP2022123613A (ja) 燃料電池システム
JP6387525B2 (ja) 水素生成装置およびそれを備える燃料電池システム
JP2019220366A (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
JPWO2019026146A1 (ja) 燃料電池システムの制御方法、及び、燃料電池システム
WO2001041244A1 (fr) Systeme de pile a combustible et procede de fonctionnement associe
JP2004196586A (ja) 燃料改質システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant