JP2002352836A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
行う燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 水素リッチな改質ガスを生成する改質部
と改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部
とからなる改質器(1)と、この改質器から供給される
改質ガスと酸化剤により発電を行う燃料電池部(2)と
を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器(1)
の起動時または再起動時の直前の温度を一箇所検出する
手段(7)と、検出された改質器(1)の温度に基づき
改質器の暖機運転時間を推定する手段(6)とを備え
た。
Description
池システムの改良に関するものである。
型燃料電池システムがあり、これは、水素原子を含む化
合物を燃料(たとえば炭化水素系燃料)として、この燃
料を改質して改質ガスを生成する改質部と、この改質ガ
スと酸素を含むガスとを各電極に供給して電気化学反応
を生じさせて発電を行う燃料電池部とを備えている。
示される。
カソードにおける反応、(3)式は燃料電池全体で生じ
る反応を示す。
て、要求された負荷に対して燃料電池部での反応が十分
でなく発電量が不足するという問題がある。燃料電池は
一般に常温以上で運転されるものであり、効率よく運転
するためには所定の温度まで昇温させた後に定常運転を
行う必要があり、燃料電池が所定温度に達するまでの時
間、システムが効率よく稼働しないという問題が生じて
いた。
は、改質器で生成された改質ガス中に要求発電量に対応
する水素量が含まれていない場合には、燃料電池部にお
いて要求発電量を発電することができず、システムが正
常に作動しないという問題もある。
池部を所定温度まで昇温させる時間と、改質器が所定の
水素量を含んだ改質ガスを生成するまでの暖機時間とを
考慮する必要がある。通常、改質器の暖機時間は燃料電
池部の昇温時間よりも長く、燃料電池システムの起動時
には、燃料電池部と改質器とを同時に起動し、改質部の
暖機終了を確認後に燃料電池部での発電を開始する、あ
るいは改質器を先に起動し、途中から燃料電池を起動さ
せ同時に起動を完了させることになる。
9510号に記載の従来の改質器の構成で説明する。こ
の改質器30は複数の反応部、たとえば改質ガスを生成
する改質部と、改質器で生成された改質ガス中の一酸化
炭素を所定濃度以下にまで一酸化炭素を除去する一酸化
炭素除去部から構成されており、それぞれの反応部に設
けられた温度検出手段としての温度センサ31、32の
検出値からコントローラ33は改質器30の温度が所定
温度まで昇温したことを判断する。
達したことを確認したことで改質器30の暖機が終了し
たことを確認し、改質器30に燃料ガス、たとえばメタ
ノールと、酸化剤ガス、たとえば空気とを供給して改質
反応を行って水素リッチの改質ガスを生成する。改質ガ
ス中の水素量を推定する水素量推定手段34が改質器3
0の下流に設置され、改質ガス中の水素量が所定量以上
のときに改質ガスが燃料電池35に供給され、発電を生
じるものである。
は、改質ガス中の水素濃度や組成を直接検出してもよい
し、改質ガスの温度や一酸化炭素濃度から間接的に推定
する方法を用いてもよい。
燃料電池システムにおいては、改質器30の温度測定を
実施し、所定温度以上であることを確認する必要があ
り、このとき改質器30を構成する各反応部の温度をす
べて確認する必要がある。さらに各反応部は部位よって
温度分布を有しており、この温度分布はその外気温や使
用頻度等起動時の環境条件によっても変化し、反応部の
温度を一点で推測することができず、同一反応部に複数
の温度センサを設置する必要がある。
達したかどうかの判断はこれら多数の温度センサの検出
値に基づいて判断する必要があり、その構成および制御
が複雑になるという問題がある。
時間をより簡潔な構成および制御によって為し得ること
である。
チな改質ガスを生成する改質部と改質ガス中の一酸化炭
素を除去する一酸化炭素除去部とからなる改質器と、こ
の改質器から供給される改質ガスと酸化剤により発電を
行う燃料電池部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器の起動時または再起動時の直前の温度を一箇
所検出する手段と、検出された改質器の温度に基づき改
質器の暖機運転時間を推定する手段とを備える。
暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度と負荷に
基づき改質器の暖機運転時間を推定する。
暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度に基づき
最大負荷における改質器の暖機運転時間を推定する。
の発明において、前記暖機運転時間推定手段として前記
検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を
推定するマップを備える。
の発明において、前記暖機運転時間推定手段は、燃料電
池部の目標発電量と改質器の負荷に基づき、改質器の暖
機運転終了後の燃料電池部での発電開始から燃料電池部
から電力が出力されるまでの時間を推定する。
暖機運転時間推定手段として燃料電池部の目標発電量と
改質器の負荷から燃料電池部での発電開始から燃料電池
部から電力が出力されるまでの時間を推定するマップを
備える。
の発明において、前記燃料電池部は2次電池を備え、電
力供給源を改質器の暖機状態に応じて燃料電池部と2次
電池とを切り換える。
の発明において、改質ガスが燃料電池部をバイパスする
通路を設け、前記改質器が暖機中は改質ガスがバイパス
通路に流入する。
電池部を加熱する手段を備える。
記加熱手段は改質器が暖機中は燃料電池部の燃料極に改
質ガスと酸化剤を供給する。
いて、前記改質器の起動時または再起動時の直前の温度
を一箇所検出する手段と、検出された改質器の温度に基
づき改質器の暖機運転時間を推定する手段とを備えたの
で、改質器の温度検出個所は1点で足り、改質器暖機時
の制御が1つの温度出力信号のみで行われるので、容易
な制御とすることができ、またその構成も簡素化、小型
化を図ることができ、システムとして低価格化を図るこ
とができる。
段は、前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機
運転時間を推定するので、第1の発明の効果に加えて、
負荷に応じた改質器の暖機時間を推定できるため、無駄
な暖機時間を削減でき、システムの効率向上を図ること
ができる。
段は、前記検出された温度に基づき最大負荷における改
質器の暖機運転時間を推定し、暖機時は常に最大負荷と
することで、暖機時間の短縮を図ることができる。
段として前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖
機運転時間を推定するマップを備えたので、改質器の暖
機時の制御を容易な制御とすることができる。
段は、燃料電池部の目標発電量と改質器の負荷に基づ
き、改質器の暖機運転終了後の燃料電池部での発電開始
から燃料電池部から電力が出力されるまでの時間を推定
するので、システムを正常に起動させ、安定した出力を
維持することができる。
段として燃料電池部の目標発電量と改質器の負荷から燃
料電池部での発電開始から燃料電池部から電力が出力さ
れるまでの時間を推定するマップを備えたので、燃料電
池部の電力の出力までの制御を容易に制御することがで
きる。
池を備え、電力供給源を改質器の暖機状態に応じて燃料
電池部と2次電池とを切り換えるので、改質器から所定
量の改質ガスが供給されず燃料電池部から所望の出力が
期待できないときには2次電池から出力することで、改
質器暖機中においても安定したシステム運転を行うこと
ができる。さらに燃料電池部での発電量が要求発電量を
上回ったときには余剰分を2次電池に充電することがで
き、システムの効率を向上することができる。
バイパスする通路を設け、前記改質器が暖機中は改質ガ
スがバイパス通路に流入するので、燃料電池部の被毒を
防止することができる。
段を備えたので、燃料電池部の起動時間を短縮すること
ができる。
が暖機中は燃料電池部の燃料極に改質ガスと酸化剤を供
給するので、改質ガスと酸化剤との発熱反応によって燃
料電池部が昇温し、燃料電池部の起動時間を短縮でき
る。
する。本発明の構成は、燃料ガスと酸化剤ガスとしての
空気とを供給されて改質ガスを生成する改質器1と、改
質器1からの改質ガスが供給されるアノードと、酸素を
含むガスが供給されるカソードとを備え、各極間で電気
化学反応により発電する燃料電池部2を備える。
の反応部、例えば、改質ガスを生成する改質部と改質ガ
ス中の一酸化炭素(CO)を所定濃度まで除去するCO
除去部から一体的に構成される。
と圧縮機4から空気が供給され、さらに燃料電池部2の
カソードに空気を供給する圧縮機5が備えられる。
出する1つの温度センサ7が備えられ、この温度センサ
7の検出値はコントローラ6に送られ、コントローラ6
は温度検出値と既知のマップを用いて改質器1の暖機時
間を推定する。さらにコントローラ6は温度センサ7の
検出値に基づき燃料電池部2の発電量を制御し、その出
力信号を燃料電池部2に送信する。温度センサ7が検出
する改質器1の温度の測定箇所はいかなる位置であって
もよいが、改質器1の改質部が設置される入口部に設置
することが好ましい。
質器1の起動時の手順について説明すると、まずステッ
プS1で温度センサ7を用いて起動時の改質器1内の温
度を検出する。改質器1の温度を測定するタイミングは
起動時もしくは起動直前とする。ステップS2では、温
度検出値と後述のマップから改質器1に供給される燃料
ガスおよび空気の供給量に基づく改質器1の暖機時間を
推定する。ステップS3で改質器1を起動し、推定した
暖機時間で改質器1を暖機運転する。ステップS4で改
質器1の暖機時間が経過したかどうかを判定し、経過し
ていないときにステップS3に戻り、経過したときには
ステップS5に進む。ステップS5で改質器1の暖機が
終了したと判断し、燃料電池部2での発電を開始し、目
標発電量に達するまでの遅れ時間を後述の図4のマップ
を用いて推定して電力を下流に供給する。ステップS6
で改質器1の起動運転を終了し通常運転に移行する。
を推定するために用いたマップについて説明する。改質
器1を構成する各反応部において、その使用材料や伝熱
特性を考慮すると、反応停止後の各反応部での温度分布
は均一化される方向に変化する。したがって改質器1の
起動時直前の温度分布は均一化していると考えられ、起
動時直前または起動時の温度から改質反応のプロファイ
ルを予測し、改質器1の暖機時間を推定できる。特に反
応部の温度が高温のときには、反応速度よりも反応部の
温度によって暖機時間が影響される。したがって、起動
時の反応部温度と暖機時間の関係をマップにしておき、
温度センサ7によって改質器1の温度を検出し、マップ
から暖機時間を推定することができる。
器1の負荷(一定負荷)と起動時の改質器1の温度から
改質器1の暖機終了と判断される所定量の水素量が生成
されるまでの時間(すなわち改質器1の暖機時間)を示
したものである。
後、燃料電池部2が発電を開始し、一定負荷での燃料電
池部2の供給電力が目標電力に達するまでの遅れ時間を
表すマップであり、改質器1から目標電力を供給するの
に必要な水素量を燃料電池部2に供給しても燃料電池部
2が目標電力を供給するまでに遅れが生じ、その遅れ時
間を表している。この遅れ、タイムラグは改質器1から
の改質ガスが燃料電池部2へ供給される際に1次の応答
遅れを持って供給されるために発生し、したがって、こ
のタイムラグは図4に示すような1次遅れの曲線で近似
できる。
6に図3、図4に示すような改質器1の起動時の温度か
ら暖機時間を推定するマップと暖機終了後の発電開始時
から目標電力を供給するまでの時間(タイムラグ)を推
定するマップとを読み込んでおくことで、改質器の起動
時の温度を検出し、燃料電池部2から供給される電力が
安定的に出力されるまで出力を停止しておくので、電力
をより安定して制御することができる。さらに本発明の
制御では、改質器1の温度検出個所は1点で足り、改質
器1の起動時の制御と燃料電池部2の出力までの制御が
1つの温度出力信号と、前述の2つのマップにより制御
されるので、容易な制御とすることができ、またその構
成も簡素化、小型化を図ることができ、システムとして
低価格化を図ることができる。
した起動時間の判断方法をホットリスタート時に応用し
たものである。
と、燃料電池部2での発電量が消費電力を上回り、過充
電状態となった場合に燃料電池部2での発電は中止され
る。このとき、システムの効率の観点から、改質器1へ
の燃料の供給も停止され、改質反応が中断する。しかし
ながらこの改質器1の改質反応を停止させたときには改
質器1を構成する各反応部の温度が低下し、再び燃料電
池部2での発電を開始するときには、改質器1の暖機を
行った後に改質反応を開始し、改質ガスが燃料電池部2
に供給され、発電を行うことになる。このような場合に
改質器1は改質反応が中止されることで温度が低下する
が、冷間起動時の温度と比較すれば高温からの起動とな
り、この状況をホットリスタートと呼ぶ。ホットリスタ
ートの場合でも第1の実施形態と同様に改質器1の起動
時の温度を検出し、マップを用いて、起動時間を推定す
ることができる。
池システムにおいて電力供給の必要性に応じて改質器
1、燃料電池部2を運転することにより、暖機の必要の
ない改質器1が高温時に暖機を中止し、通常運転とする
ことで非効率な発電を行うことが無く、燃料電池システ
ムの効率を向上することができる。
プとして図5に示すように改質器1の起動時の温度と改
質器1の起動時から最適効率運転開始までの時間との関
係をマップとして読み込んでおいてもよい。このような
マップを読み込むことで最適効率運転開始後に電力の供
給を開始することで燃料電池システムの効率を向上する
ことができる。また燃料電池システムを車両に搭載した
場合には、車両の燃費を向上することができる。
器1の負荷は常に一定として、固定負荷における起動時
間を推定したが、第3の実施形態の構成は、図6に示す
ような燃料電池部2の目標発電量に対応する改質器1の
負荷を考慮した起動時間と改質器1の温度との関係をマ
ップ化してコントローラ6に読み込み、燃料電池システ
ムに図7に示すような負荷検出機構8、例えばアクセル
ペダルの踏み込み量検出センサやガス流量センサを改質
器1の上流に設け、負荷検出機構8の検出値(例えば、
ガス流量)に基づいて、図6に示すマップから改質器1
の起動時間を推定する構成である。
6が行う制御内容を説明するフローチャートを示す。
て改質器1の起動時の負荷(ガス流量)を検出する。続
いてステップS2で温度センサ7を用いて改質器1の起
動時の温度を検出する。ステップS3で、改質器1の温
度と負荷に基づき図6に示すマップから改質器1の暖機
時間(所定の水素量を生成するまでの時間)を推定す
る。ステップS4で改質器1の暖機を開始し、ステップ
S5で暖機時間が所定時間に達したかどうかを判定し、
所定時間に達するまで暖機運転を行い、所定時間に達し
たときにステップ7に進む。
燃料電池部2の要求電流値に基づいて燃料電池部2での
発電開始から電流が出力されるまでのタイムラグを図4
に示すようなマップから推定しステップS7に進む。な
おタイムラグはマップ化せずに最大負荷時の値を固定値
として改質部1の暖機時間に加えてもよい。
タイムラグが改質器1の暖機運転終了時から経過したか
どうかを判定し、経過した場合にステップS8に進み、
燃料電池部2から電流の出力を開始し、ステップS9で
起動運転を終了し、通常運転へ移行する。
ることにより、第1の実施形態の効果に加えて、負荷に
応じて改質器1の起動時間を推定できるため、無駄な起
動時間を削減でき、システムの効率向上を図ることがで
きる。
転することにし、この場合には、改質器1の暖機時間を
短縮できる効果がある。
の燃料ガスが改質器1に供給されることを前提とした
が、燃料は気体に限らず、液体や固体であってもよい。
この場合には改質器1に燃料を供給するにあたって燃料
を気体に気化する必要があり、このために燃料を気化す
る蒸発器を燃料タンク3と改質器1との間に設置する必
要がある。システムに蒸発器を設置することで、使用可
能な燃料の種類を増加することができる。
が発生するまでの時間を暖機時間として推定し、この暖
機時間が経過したかどうかで暖機の完了を判断したが、
これに限らず、燃料、CO、CO2等の特定のガスの成
分量や改質器1の温度のいずれかを予めマップ化してコ
ントローラ6に読み込んでおき、このマップと要求負荷
から起動時間を推定して、起動の完了を判定するように
してもよい。
電池部2には2次電池50を接続したもので、2次電池
50を設置することで、改質器1が起動運転を完了する
までの間、燃料電池部2に所定流量の改質ガスが供給さ
れないときに2次電池50から電力を取り出し、システ
ムを稼動することができるので、改質器暖機中において
も安定したシステム運転を行うことができる。さらに燃
料電池部2での発電量が要求発電量を上回ったときには
余剰分を2次電池50に充電することができ、システム
の効率を向上することができる。
1の起動時間中でも改質器1から排出されたCOが所定
濃度以上の未改質ガスが燃料電池部2に供給される構成
であったが、未改質ガスとともに酸化剤(例えば、空
気)をアノード(燃料極)に供給して還元ガス成分を酸
化させたり、燃料電池部2をバイパスする通路を設け
て、改質器1の起動時間中は未改質ガスを燃料電池部2
に供給しないように構成してもよい。バイパス通路を設
けた場合には、燃料電池部2の被毒を防止し、発電性能
の低下を抑止できる。またアノードに空気を供給した場
合には、燃料電池部2の被毒を防止するとともに、改質
ガス中のCOと酸素が発熱反応を生じて燃料電池部2が
加熱されて、起動時間を短縮できる。なお、バイパス通
路を設けて起動時に未改質ガスを燃料電池部2に供給し
ない場合には、燃料電池部2の起動時は別置の加熱手段
によって加熱する構成とすることで、燃料電池部2の起
動時間を短縮し、燃料電池システムとしての小型化や低
価格化を図ることができる。
構成する改質反応を行う反応器はオートサーマル方式の
反応器を例として説明したが、これに限らず、他の形式
の反応器に適用することも可能である。
テム概要図である。
るフローチャートである。
間を示すマップである。
ある。
すマップである。
までに必要な時間を示すマップである。
図である。
るフローチャートである。
図である。
要図である。
Claims (10)
- 【請求項1】水素リッチな改質ガスを生成する改質部と
改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と
からなる改質器と、 この改質器から供給される改質ガスと酸化剤により発電
を行う燃料電池部とを備えた燃料電池システムにおい
て、 前記改質器の起動時または再起動時の直前の温度を一箇
所検出する手段と、検出された改質器の温度に基づき改
質器の暖機運転時間を推定する手段とを備えた燃料電池
システム。 - 【請求項2】前記暖機運転時間推定手段は、前記検出さ
れた温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定す
ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項3】前記暖機運転時間推定手段は、前記検出さ
れた温度に基づき最大負荷における改質器の暖機運転時
間を推定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電
池システム。 - 【請求項4】前記暖機運転時間推定手段として前記検出
された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定
するマップを備えたことを特徴とする請求項1から3の
いずれか一つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項5】前記暖機運転時間推定手段は、燃料電池部
の目標発電量と改質器の負荷に基づき、改質器の暖機運
転終了後の燃料電池部での発電開始から燃料電池部から
電力が出力されるまでの時間を推定することを特徴とす
る請求項1から4のいずれか一つに記載の燃料電池シス
テム。 - 【請求項6】前記暖機運転時間推定手段として燃料電池
部の目標発電量と改質器の負荷から燃料電池部での発電
開始から燃料電池部から電力が出力されるまでの時間を
推定するマップを備えたことを特徴とする請求項5に記
載の燃料電池システム。 - 【請求項7】前記燃料電池部は2次電池を備え、電力供
給源を改質器の暖機状態に応じて燃料電池部と2次電池
とを切り換えることを特徴とする請求項1から6のいず
れか一つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項8】改質ガスが燃料電池部をバイパスする通路
を設け、前記改質器が暖機中は改質ガスがバイパス通路
に流入することを特徴とする請求項1から7のいずれか
一つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項9】燃料電池部を加熱する手段を備えたことを
特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項10】前記加熱手段は改質器が暖機中は燃料電
池部の燃料極に改質ガスと酸化剤を供給することを特徴
とする請求項9に記載の燃料電池システム。
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