JP2007001799A - Hydrogen fuel-supplying system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば燃料電池に水素を含有する燃料ガスを供給するための水素燃料供給システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen fuel supply system for supplying a fuel gas containing hydrogen to a fuel cell, for example.
例えば水素を含有する燃料ガスを燃料電池に供給する水素燃料供給システムとして、炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼することで改質工程で低下した触媒温度を上昇させる再生工程とを交互に繰り返すバッチ式炭化水素改質を行うシステムが知られている(例えば、特許文献1参照)。この文献記載のシステムでは、改質工程と再生工程とを行い得る一対の反応器を備えており、一方の反応器が改質工程を行っている間に他方の反応器が再生工程を行うことで、バッチ式に炭化水素改質を行いながら水素含有ガスを連続的に燃料電池に供給するようになっている。
ところで、上記のような従来の技術では、再生工程から改質工程に切り換えられた直後の反応器から排出されるガスは、安定して改質工程を行う状態で排出される上記水素含有ガスと比較して水素量又は水素濃度が低くなる。このため、水素供給(排出)量の増加要求のタイミングと反応器の再生工程から改質工程への切替タイミングとがほぼ一致した場合、水素供給量の増加要求に対し実際の水素供給量が減少してしまう問題が生じる。 By the way, in the conventional technology as described above, the gas discharged from the reactor immediately after switching from the regeneration process to the reforming process is the same as the hydrogen-containing gas discharged in a state where the reforming process is stably performed. In comparison, the hydrogen amount or the hydrogen concentration is lowered. For this reason, if the timing for requesting an increase in hydrogen supply (discharge) and the timing for switching from the reactor regeneration process to the reforming process are almost the same, the actual hydrogen supply will decrease in response to the request for an increase in hydrogen supply. Cause problems.
本発明は、上記事実を考慮して、複数の反応器を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる水素燃料供給システムを得ることが目的である。 An object of the present invention is to obtain a hydrogen fuel supply system that includes a plurality of reactors and can follow the demand for an increase in the amount of hydrogen supply satisfactorily in consideration of the above facts.
上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な複数の反応器と、前記各反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第1の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第2の状態とを切り換えるための切換装置と、少なくとも2つの前記反応器の前記第1の状態から第2状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第1の状態と第2の状態とを交互に生じさせるように、かつ、1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされた場合に、該1つの反応器が、該切換タイミングで前記第2の状態に切り換わることなく、前記第1の状態に維持されつつ前記原料の供給量が増加されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、を備えている。
In order to achieve the above object, a hydrogen fuel supply system according to
請求項1記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器は、それぞれ第1の状態への切換(選択)状態で生じる改質工程と、第2の状態への切換状態で生じる再生工程とを交互に行う。少なくとも2つの反応器における改質工程から再生工程への切換タイミングがずれているため、複数のバッチ式の反応器によって連続的に水素含有の燃料ガスを供給することが可能である。1つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングの所定時間前から該切換タイミングまでの間に、所定量又は所定増加率以上の水素供給(排出)量の増加要求があると、制御装置は、該切換タイミングに至っても改質工程を行っている上記1つの反応器の改質工程を維持する。これにより、水素含有の燃料ガスの供給量増加期間中には、改質工程に維持された反応器から安定して燃料ガスが排出され、該燃料ガス中の水素量(濃度)が一時的に低下してしまうことが防止される。
In the hydrogen fuel supply system according to
このように、請求項1記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
As described above, the hydrogen fuel supply system according to
上記目的を達成するために請求項2記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な複数の反応器と、前記各反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第1の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第2の状態とを切り換えるための切換装置と、少なくとも2つの前記反応器の前記第1の状態から第2状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第1の状態と第2の状態とを交互に生じさせるように、かつ、前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされている期間中に1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換を生じさせることなく、該1つの反応器への前記原料の供給量が増加されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、を備えている。
In order to achieve the above object, a hydrogen fuel supply system according to the invention described in
請求項2記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器は、それぞれ第1の状態への切換(選択)状態で生じる改質工程と、第2の状態への切換状態で生じる再生工程とを交互に行う。少なくとも2つの反応器における改質工程から再生工程への切換タイミングがずれているため、複数のバッチ式の反応器によって連続的に水素含有の燃料ガスを供給することが可能である。例えば、所定量又は所定増加率以上の水素供給(排出)量の増加要求がされている期間中に1つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングが到来する(と判断する)と、制御装置は、該切換タイミングで改質工程を行っている1つの反応器を再生工程に切り換えることなく改質工程に維持する。これにより、水素含有の燃料ガスの供給量増加期間中には、改質工程に維持された反応器から安定して燃料ガスが排出され、該燃料ガス中の水素量(濃度)が一時的に低下してしまうことが防止される。
In the hydrogen fuel supply system according to
このように、請求項2記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
Thus, the hydrogen fuel supply system according to
請求項3記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項1又は請求項2記載の水素燃料供給システムにおいて、前記各反応器の温度又は熱量に応じた信号を前記制御装置に出力する改質能力検出手段と、前記各反応器をそれぞれ加熱可能な加熱手段とをさらに備え、前記制御装置は、前記改質能力検出手段の出力信号に基づいて前記第1の状態に維持されている前記反応器の保熱量が設定熱量を下回ると判断した場合に、該反応器の前記加熱手段を作動させる。 A hydrogen fuel supply system according to a third aspect of the present invention is the hydrogen fuel supply system according to the first or second aspect, wherein the reformer outputs a signal corresponding to the temperature or heat quantity of each reactor to the control device. The reaction apparatus further includes a capacity detecting means and a heating means capable of heating each of the reactors, and the control device is maintained in the first state based on an output signal of the reforming capacity detecting means. When it is determined that the heat retention amount of the reactor is lower than the set heat amount, the heating means of the reactor is activated.
請求項3記載の水素燃料供給システムでは、例えば上記の如く改質工程から再生工程への切換タイミングで再生工程に切り換えられることなく改質工程に維持された反応器は、該改質工程の維持時間が長くなると、所要の改質量に対し蓄熱量が不足する場合がある。制御装置は、改質能力検出手段の検出結果すなわち反応器の温度又は蓄熱量に基づいて、該反応器の蓄熱量が設定熱量を下回ると判断した場合には、加熱手段を作動して該反応器を加熱させる。これにより、要求改質量(燃料ガス生成量)を生成する改質工程を維持し得る熱量として設定熱量を設定しておけば、所定増加率以上の水素供給(排出)量の増加要求がされている期間中、上記1つの反応器を改質工程に維持することができる。なお、加熱手段としては、例えばヒータ等の外部熱源を用いるものを採用しても良く、反応器内の部分酸化比率を向上する手段等の内部発熱を促す手段を採用しても良い。 In the hydrogen fuel supply system according to claim 3, for example, the reactor maintained in the reforming process without being switched to the regeneration process at the switching timing from the reforming process to the regeneration process as described above maintains the reforming process. When the time becomes long, the heat storage amount may be insufficient with respect to the required reforming amount. When the controller determines that the heat storage amount of the reactor is lower than the set heat amount based on the detection result of the reforming capacity detection means, that is, the temperature or the heat storage amount of the reactor, Heat the vessel. As a result, if the set heat amount is set as the heat amount that can maintain the reforming step for generating the required reforming amount (fuel gas generation amount), an increase in the hydrogen supply (discharge) amount exceeding the predetermined increase rate is requested. During this period, the one reactor can be maintained in the reforming process. In addition, as a heating means, what uses external heat sources, such as a heater, may be employ | adopted, for example, the means to promote internal heat_generation | fever, such as a means to improve the partial oxidation ratio in a reactor, may be employ | adopted.
請求項4記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項1乃至請求項3の何れか1項記載の水素燃料供給システムにおいて、前記制御装置は、1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換タイミングまでの時間が別途所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に、別の反応器が前記第2の状態から第1の状態に切り換わるように前記切換装置を切り換える。 A hydrogen fuel supply system according to a fourth aspect of the present invention is the hydrogen fuel supply system according to any one of the first to third aspects, wherein the control device is configured to perform the first state of one of the reactors. When a request for reduction of the fuel gas supply amount to a predetermined amount or a predetermined reduction rate is made at a time when the time from the switch to the second state is a predetermined time or less separately, before the switch timing The switching device is switched so that another reactor switches from the second state to the first state.
請求項4記載の水素燃料供給システムでは、1つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングの別途所定時間前から該切換タイミングまでの間に、所定量又は所定低減率以上の水素供給量の低減要求があると、制御装置は、該切換タイミングに至る前に別の反応器を再生工程から改質工程に切り換える。これにより、この水素供給量の低減要求の直後に水素供給量の増加要求があった場合に、改質工程への切換からの経過時間が短く、蓄熱量が大である上記別の反応器から水素含有の燃料ガスを供給することができる。すなわち、上記した切換タイミング後に改質工程を維持する制御の実行頻度、加熱手段の作動時間等を減じることが可能となる。別の反応器の改質工程の末期に所定増加率以上の水素供給量の増加要求がある場合には、請求項1乃至請求項3の何れかの制御を行う。
5. The hydrogen fuel supply system according to claim 4, wherein a hydrogen supply of a predetermined amount or a predetermined reduction rate or more is performed between a predetermined time before the switching timing from the reforming process to the regeneration process of one reactor and the switching timing. When there is a request to reduce the amount, the control device switches another reactor from the regeneration process to the reforming process before reaching the switching timing. As a result, when there is a request to increase the hydrogen supply immediately after the request to reduce the hydrogen supply, the elapsed time from switching to the reforming process is short, and the other reactor having a large heat storage amount is used. Hydrogen-containing fuel gas can be supplied. That is, it is possible to reduce the execution frequency of the control for maintaining the reforming process after the switching timing described above, the operation time of the heating means, and the like. If there is a request for an increase in the amount of hydrogen supply exceeding a predetermined rate at the end of the reforming step of another reactor, the control according to any one of
請求項5記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な複数の反応器と、前記各反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第1の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第2の状態とを切り換えるための切換装置と、少なくとも2つの前記反応器の前記第1の状態から第2状態への切換タイミングが異なるように該各反応器にそれぞれ前記第1の状態と第2の状態とを交互に生じさせ、かつ、1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に別の反応器が、前記第2の状態から第1の状態に切り換わるように前記切換装置を切り換える制御装置と、を備えている。 A hydrogen fuel supply system according to a fifth aspect of the invention includes a reforming step of generating a fuel gas containing hydrogen from a supplied raw material, and combustion of a regeneration gas supplied with a temperature lowered by the reforming step A plurality of reactors that can be switched to perform a regeneration step that raises the temperature to a reformable temperature, a first state in which the fuel gas is discharged while supplying the raw materials to the reactors, A switching device for switching between the second state in which the regeneration gas is discharged while supplying the regeneration gas to the reactor, and the switching timing of the at least two of the reactors from the first state to the second state. The first state and the second state are alternately generated in the respective reactors in a different manner, and the timing of switching the first reactor from the first state to the second state is different. Time is predetermined When the fuel gas supply amount is requested to be reduced by a predetermined amount or a predetermined reduction rate or more at a time that is less than or equal to the interval, the other reactor is moved from the second state to the first state before the switching timing. And a control device for switching the switching device so as to switch to a state.
請求項5記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器は、それぞれ第1の状態への切換(選択)状態で生じる改質工程と、第2の状態への切換状態で生じる再生工程とを交互に行う。少なくとも2つの反応器における改質工程から再生工程への切換タイミングがずれているため、複数のバッチ式の反応器によって連続的に水素含有の燃料ガスを供給することが可能である。1つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングの別途所定時間前から該切換タイミングまでの間に、所定量又は所定低減率以上の水素供給量の低減要求があると、制御装置は、該切換タイミングに至る前に別の反応器を再生工程から改質工程に切り換える。これにより、この水素供給量の低減要求の直後に水素供給量の増加要求があった場合に、改質工程への切換からの経過時間が短く、蓄熱量が大である上記別の反応器から水素含有の燃料ガスを供給することができる。 In the hydrogen fuel supply system according to claim 5, each of the plurality of reactors includes a reforming step that occurs in the switching (selection) state to the first state and a regeneration step that occurs in the switching state to the second state. Alternately. Since the switching timing from the reforming process to the regeneration process is shifted in at least two reactors, hydrogen-containing fuel gas can be continuously supplied by a plurality of batch reactors. If there is a request for reduction of the hydrogen supply amount over a predetermined amount or a predetermined reduction rate between a predetermined time before the switching timing from the reforming step to the regeneration step of one reactor and the switching timing, the control device Before the switching timing is reached, another reactor is switched from the regeneration process to the reforming process. As a result, when there is a request to increase the hydrogen supply immediately after the request to reduce the hydrogen supply, the elapsed time from switching to the reforming process is short, and the other reactor having a large heat storage amount is used. Hydrogen-containing fuel gas can be supplied.
以上説明したように本発明に係る水素燃料供給システムは、複数の反応器を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができるという優れた効果を有する。 As described above, the hydrogen fuel supply system according to the present invention includes a plurality of reactors, and has an excellent effect of being able to satisfactorily follow the demand for increasing the hydrogen supply amount.
本発明の実施形態に係る水素燃料供給システム12が適用された燃料電池システム10について、図1乃至図9に基づいて説明する。この実施形態に係る燃料電池システム10は、比較的負荷変動の大きい自動車駆動用のモータに電力を供給するための電源システムを構成している。この電源システムは、燃料電池システム10の他にバッテリを備えるハイブリッドシステムとして構成されても良く、燃料電池システム10単独で構成されても良い。先ず、本発明の燃料電池システム10の全体構成を説明し、次いで本発明の要部である、燃料電池システム10が適用された自動車の急加速時(燃料電池14へ供給する燃料ガス(水素)の要求量が急増した場合)の制御について説明することとする。
A
(燃料電池システム構成)
図5には、燃料電池システム10のシステム構成図(システムフローシート)が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム10は、水素燃料供給システム12と、水素燃料供給システム12から水素燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池14と、水素燃料供給システム12と燃料電池との間で熱交換を行う熱交換器16とを主要構成要素として構成されている。
(Fuel cell system configuration)
FIG. 5 shows a system configuration diagram (system flow sheet) of the
水素燃料供給システム12は、一対の反応器18を備えている。一対の反応器18は、それぞれ筒状に形成されたハウジングの内部に改質触媒を配設して構成されており、おり、それぞれ供給される炭化水素ガス(ガソリン、メタノール、天然ガス等)と改質用ガス(水蒸気、酸素)を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する(改質反応を行う)ようになっている。改質反応は、以下の式(1)乃至(4)で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素(CxHy)等の可燃性ガス、二酸化炭素(CO2)、水(H2O)等の不燃性ガスを含むようになっている。
The hydrogen
CnHm+nH2O → nCO +(n+m/2)H2 … (1)
CnHm+n/2O2 → nCO + m/2H2 … (2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O … (4)
この改質反応は、所定の温度以上(本実施形態では、700℃)で行われるようになっている。そして、各反応器18は、改質反応によって低下した触媒温度を上昇するために、改質反応とは独立して、供給された再生用ガスと酸素とを反応させて触媒を加熱すると共に該触媒に蓄熱する再生反応を行うようになっている。この実施の形態では、再生用ガス(後述するアノードオフガス)を燃焼することで、各反応器18の触媒を上記した改質反応を行い得る温度まで昇温する構成としている。したがって、各反応器18は、改質反応と再生反応とを選択的に行い得る構成である。各反応器18の内部構造については後述する。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m /
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CH CH 4 + H 2 O (4)
This reforming reaction is performed at a predetermined temperature or higher (in this embodiment, 700 ° C.). Each
燃料電池14は、水素燃料供給システム12からアノード電極(水素極)に供給される上記改質反応によって得た燃料ガス(水素、一酸化炭素、及び未反応の炭化水素を含むガス)と、カソード電極(酸素極)に供給される酸素とを電気化学的反応させることで発電を行う構成とされている。この実施形態では、燃料電池14は、アノード電極とカソード電極との間に水素分離膜が設けられた水素分離膜式燃料電池(HMFC)とされており、上記燃料ガスのうち水素分離膜を透過した水素のみをカソード極の酸素と反応させる(すなわち、燃料ガスのうち水素ガスのみを発電に用いる)ようになっている。このため、燃料電池14のアノードオフガスは、主に一酸化炭素及び炭化水素(水素を含む場合もある)が混合した可燃性ガスである。一方、燃料電池14のカソードオフガスは、酸素と水素との反応によって生成された水(水蒸気)及び酸素を含む空気である。
The
そして、各種ガスの流れについては後述するが、燃料電池システム10では、上記アノードオフガスを反応器18の再生用ガスとして利用するようになっている。また、燃料電池システム10では、カソードオフガスが含む水蒸気及び酸素を、上式(1)、(2)の如く改質反応ガスである炭化水素ガスと反応させるようになっている。さらに、燃料電池14は、その反応温度を略一定(この実施形態では略400℃〜500℃の間の一定温度)に保つために冷却用空気にて冷却される構成とされている。燃料電池14を冷却して昇温された冷却用空気は、再生反応を行うための支燃ガスである酸素含有ガス、すなわち燃焼用空気として利用されるようになっている。したがって、燃料電池システム10は、基本的には炭化水素原料と、カソード用及び冷却用の空気とを供給するだけで作動するようになっている。
The flow of various gases will be described later. In the
熱交換器16は、燃料電池14のアノード電極に供給される高温ガスとしての燃料ガス(700℃)と、低温ガスとしてのカソードオフガス(400℃〜500℃)との熱交換を行い、燃料電池システムの熱効率を向上するようになっている。
The
水素燃料供給システム12は、一対の反応器18への改質反応ガス(炭化水素ガス、水蒸気、酸素)の流路、改質反応によって生成された燃料ガスの流路、再生用ガス及び燃焼用空気の各流路、並びに再生排ガスの流路を切り換えるための切換装置20を備えている。以下の説明では、2つの反応器18を区別する場合に、各図の紙面上側に示す一方の反応器18を第1反応器18A、他方の反応器18を第2反応器18Bということとする。
The hydrogen
切換装置20は、第1反応器18Aに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせている期間に第2反応器18Bに再生用ガス及び酸素を供給して再生反応を行わせる状態と、第1反応器18Aに再生用ガス及び酸素を供給して再生反応を行わせている期間に第2反応器18Bに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせる状態とを切り換える構成とされている。以下、切換装置20の具体的構成例を説明する。なお、以下の説明では、反応器18が改質反応を行っている状態(期間)を改質工程、反応器18が再生反応を行っている状態(期間)を再生工程という場合がある。
The switching
図5に示される如く、水素燃料供給システム12は、原料供給ライン21備えており、原料供給ライン21上には、図示しない燃料タンクから液体の炭化水素原料を供給する燃料ポンプ22が配置されている。原料供給ライン21における燃料ポンプ22の下流には、蒸発器(気化器)24が配置されており、例えば燃料電池システム10の排ガスとの熱交換によって炭化水素原料を蒸発させるようになっている。また、原料供給ライン21における蒸発器24の下流には、混合器26が配置されている。混合器26は、炭化水素燃料と後述するカソードオフガス(式(1)の水蒸気及び式(2)の酸素)とを混合して、改質反応ガスとして下流に排出するようになっている。なお、カソードオフガスが高温であることから、液体の炭化水素原料を混合器26内に噴射する構成(インジェクション)を採用することで、蒸発器24を備えない構成とすることも可能である。さらに、蒸発器24と混合器26との間には、炭化水素原料遮断手段としてのバルブV0が配設されている。
As shown in FIG. 5, the hydrogen
原料供給ライン21の下流端には、環状のブリッジ管路28が接続されている。このブリッジ管路28には、4つのバルブV1A、V1B、V2B、V2Aが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。原料供給ライン21の下流端は、ブリッジ管路28におけるバルブV1AとバルブV1Bとの間に接続されている。ブリッジ管路28におけるバルブV2AとバルブV2Bとの間には、排気ライン30の上流端が接続されている。排気ライン30上には、排気処理器32が配置されている。排気処理器32は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、再生反応で燃焼しなかった再生用ガスを酸化処理(浄化)するようになっている。排気ライン30の下流端は、排気口30Aとされている。また、排気ライン30における排気処理器32の下流からは、排気戻しライン34が分岐しており、排気戻しライン34は混合器26に排ガスを導入可能に接続されている。排気戻しライン34にはバルブV3が配設されている。なお、この基本構成に係る燃料電池システム10では、排気処理器32を備えなくても良い。
An
また、ブリッジ管路28におけるバルブV1AとバルブV2Aとの間からは、一端が第1反応器18Aの第1出入口18Cに接続された第1ライン36Aの他端が接続されている。さらに、ブリッジ管路28におけるバルブV1BとバルブV2Bとの間からは、一端が第2反応器18Bの第1出入口18Dに接続された第2ライン36Bの他端が接続されている。第1ライン36A、第2ライン36Bは、それぞれ改質反応を行う第1反応器18A、第2反応器18Bへの上記改質反応ガスの供給用、再生反応を行う第1反応器18A、第2反応器18Bからの再生排ガスの排出用として、選択的に用いられるようになっている。
Further, the other end of the
さらに、第1反応器18Aにおける第1出入口18Cと反対側(ガス流れ方向の反対側)に配置された第2出入口18Eには、第3ライン38Aの一端が接続されており、第2反応器18Bにおける第1出入口18Dと反対側に配置された第2出入口18Fには、第4ライン38Bの一端が接続されている。第3ライン38A、第4ライン38Bの各他端は、それぞれ環状のブリッジ管路40に接続されている。このブリッジ管路40には、4つのバルブV5A、V5B、V6B、V6Aが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。第3ライン38Aの他端は、ブリッジ管路40におけるバルブV5AとバルブV6Aとの間に接続されており、第4ライン38Bの他端は、ブリッジ管路40におけるバルブV5BとバルブV6Bとの間に接続されている。
Furthermore, one end of a
このブリッジ管路40におけるバルブV6AとバルブV6Bとの間には、燃料ガス供給ライン42の一端が接続されている。燃料ガス供給ライン42の他端は、熱交換器16の高温ガス入口16A(燃料電池14の燃料ガス入口14A)に接続されている。また、ブリッジ管路40におけるバルブV5AとバルブV5Bとの間には、再生用ガス導入ライン44の一端が接続されている。再生用ガス導入ライン44の他端は、燃料電池14のアノードオフガス出口14Bに接続されている。
One end of a fuel
また、燃料ガス供給ライン42からは、下流端が排気口46Aである排気ライン46が分岐しており、排気ライン46上には、排気処理器48が配置されている。排気処理器48は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、基本的には水素燃料供給システム12のスタートアップ時の排ガス(燃焼ガス)を浄化するようになっている。排気ライン46における排気処理器48の上流にはバルブV7が配設されている。
An
さらに、切換装置20は、一端が混合器26に接続され、該混合器26に水蒸気及び酸素を供給する水蒸気供給ライン50を備えている。水蒸気供給ライン50は、その他端が熱交換器16の低温ガス出口16Dに接続されており、燃料電池14のカソードオフガスを混合器26に送給するようになっている。水蒸気供給ライン50上にはバルブV9が配設されている。
Furthermore, the switching
また、切換装置20は、一端が第1反応器18Aにおける第2出入口18Eに接続された燃焼用空気供給ライン52A、及び一端が第2反応器18Bにおける第2出入口18Fに接続された燃焼用空気供給ライン52Bを備えている。燃焼用空気供給ライン52A上にはバルブV4Aが配設されており、燃焼用空気供給ライン52B上にはバルブV4Bが配設されている。燃焼用空気供給ライン52A、52Bの各他端(上流端)は、それぞれ一端が燃料電池14の冷却用空気出口14Fに接続された冷却用空気排出ライン54の他端に接続されている。
The switching
この冷却用空気排出ライン54からは、下流端が排気口56Aである排気ライン56が分岐しており、排気ライン56上にはバルブV8が配設されている。バルブV8は、任意の弁開度を取り得る構成とされており、この弁開度に応じて、排気ライン56による排気量、すなわち燃焼用空気供給ライン52A、52Bを通じて反応器18に供給する燃焼用空気の供給量を調整可能とされている。
An
さらに、切換装置20は、一端が第3ライン38Aから分岐すると共に他端が第1反応器18Aの筒壁における第2出入口18E側に配置された再生用ガス入口18Gに接続された再生用ガスライン55Aと、一端が第4ライン38Bから分岐すると共に他端が第2反応器18Bの筒壁における第2出入口18F側に配置された再生用ガス入口18Hに接続された再生用ガスライン55Bとを備えている。第3ライン38Aにおける再生用ガスライン55Aの分岐部38Cと、第1反応器18Aとの間には、該分岐部38C側から第2出入口18Eへのガス流入を阻止する逆止弁CV1Aが配設されている。また、再生用ガスライン55Aにおける分岐部38Cと再生用ガス入口18Gとの間には、該再生用ガス入口18G側から分岐部38C側へのガス流入を阻止する逆止弁CV2Aが配設されている。同様に、第4ライン38Bにおける再生用ガスライン55Bの分岐部38Dと、第2反応器18Bとの間には、該分岐部38D側から第2出入口18Fへのガス流入を阻止する逆止弁CV1Bが配設されている。また、再生用ガスライン55Bにおける分岐部38Dと再生用ガス入口18Hとの間には、該再生用ガス入口18H側から分岐部38D側へのガス流入を阻止する逆止弁CV2Bが配設されている。
Further, the switching
これらにより、第1反応器18Aからブリッジ管路40側に排出されるガスは、第2出入口18E、第3ライン38A(逆止弁CV1A)を経由してブリッジ管路40に至り、ブリッジ管路40側から第1反応器18A側に流れるガス(再生用ガス)は、第3ライン38A、再生用ガスライン55A(逆止弁CV2A)、再生用ガス入口18Gを経由して第1反応器18Aに至るようになっている。同様に、第2反応器18Bからブリッジ管路40側に排出されるガスは、第2出入口18F、第4ライン38B(逆止弁CV1B)を経由してブリッジ管路40に至り、ブリッジ管路40側から第1反応器18A側に流れるガスは、第4ライン38B、再生用ガスライン55B(逆止弁CV2B)、再生用ガス入口18Hを経由して第2反応器18Bに至るようになっている。このため、改質工程で生成された燃料ガスは第2出入口18E、18Fから排出され、再生工程の燃料となる再生用ガスは、反応器18内における燃焼用空気供給ライン52A、52Bから第1出入口18C、18D側に向かう燃焼用空気の流れに対し交差する方向から供給される構成とされている。したがって、再生用ガスと燃焼用空気とは反応器18よりも上流で予混合されないようになっている。
As a result, the gas discharged from the
以上説明した切換装置20は、バルブV1A、V1Bの開閉に応じて一対の反応器18への改質反応ガス(炭化水素ガス、水蒸気、酸素)の流路を切り換え、バルブV6A、V6Bの開閉に応じて改質反応によって生成された燃料ガスの流路を切り換え、バルブV5A、V5Bの開閉に応じて再生用ガス(アノードオフガス)の流路を切り換え、バルブV4A、V4Bの開閉に応じて燃焼用空気(冷却用空気)の流路を切り換え、バルブV2A、V2Bの開閉に応じて再生排ガスの流路を切り換えるようになっている。各バルブは電磁弁とされており、後述する制御装置70からの作動信号に基づいて開閉する(バルブV8は弁開度の調節)を行う構成である。切換装置20のバルブ開閉による切り換え動作、すなわち水素燃料供給システム12の具体的な動作については、燃料電池システム10の基本動作として後述する。なお、上記した各逆止弁CV1A、CV1B、CV2A、CV2Bに代えて、制御装置70の作動信号に基づいて開閉する電磁開閉弁を備える構成としても良い。
The switching
燃料電池14の燃料ガス入口14Aと熱交換器16の高温ガス出口16Bとは燃料ガスライン58によって接続されている。これにより、燃料電池14の燃料ガス入口14Aには、改質工程を行う反応器18、第3ライン38A又は第4ライン38B、ブリッジ管路40のバルブV6A又はバルブV6B、燃料ガス供給ライン42、熱交換器16内の高温ガス流路、燃料ガスライン58を通過した燃料ガスが送給される構成である。燃料ガス入口14Aから燃料電池14内に導入された燃料ガスは、アノード電極に供給されて上記の通り水素ガスのみが発電に使用され、残余の可燃性ガス成分はアノードオフガスとして燃料電池14のアノードオフガス出口14Bから排出されるようになっている。アノードオフガスは、再生用ガス導入ライン44、バルブV5A又はバルブV5B、第3ライン38A又は第4ライン38Bを通じて、再生用ガスとして反応器18に供給される構成である。
The
また、燃料電池14のカソード用空気入口14Cには、一端が空気ポンプ60の吐出側に接続されたカソード用空気供給ライン62の他端が接続されている。カソード用空気供給ライン62上にはバルブV10が配設されている。カソード用空気入口14Cから燃料電池14内に導入された空気(酸素)は、カソード電極に導入されて、上記の通り水素分離膜を透過してきた水素と反応するようになっている。この反応によって生成された水蒸気、未反応の空気は、カソードオフガスとしてカソードオフガス出口14Dから排出されるようになっている。
The
燃料電池14のカソードオフガス出口14Dと熱交換器16の低温ガス入口16Cとは、低温ガスライン64にて接続されている。したがって、カソードオフガス出口14Dから排出されたカソードオフガスは、低温ガスライン64、熱交換器16内の低温ガス流路、水蒸気供給ライン50を通じて混合器26に導入され、混合器26内で炭化水素原料と混合されるようになっている。この混合ガスが、原料供給ライン21、ブリッジ管路28のバルブV1A又はバルブV1B、第1ライン36A又は第2ライン36Bを通じて改質反応ガスとして反応器18に供給される構成である。
The
さらに、燃料電池14の冷却用空気入口14Eは、一端が空気ポンプ66の吐出側に接続された冷却用空気供給ライン68の他端が接続されている。冷却用空気供給ライン68上にはバルブV11が配設されている。冷却用空気入口14Eから燃料電池14内に導入された空気は、図示しない冷却空気流路を流動しつつ該燃料電池14を冷却して運転温度を略一定温度に保つようになっている。燃料電池14を冷却した後の冷却用空気は、冷却用空気出口14Fから排出され、冷却用空気排出ライン54、燃焼用空気供給ライン52A又は燃焼用空気供給ライン52Bを通じて再生工程の燃焼用空気として反応器18に送給されるようになっている。
Further, the cooling
再生工程で発生した再生排ガス(燃焼ガス)は、第1ライン36A又は第2ライン36B、ブリッジ管路28のバルブV2A又はバルブV2B、排気ライン30を通じて排気口30Aからシステム外に排出されるようになっている。
Regenerated exhaust gas (combustion gas) generated in the regeneration process is discharged out of the system from the
また、燃料電池システム10は、制御装置70を備えている。図6に示される如く、制御装置70は、切換装置20の各バルブ(バルブV0、V1A、V1B、V2A、V2B、V3、V4A、V4B、V5A、V5B、V6A、V6B、V7、V8、V9)、燃料電池14への空気供給用の各バルブV10、V11、燃料ポンプ22、及び各空気ポンプ60、66に電気的に接続されており、各バルブの開閉(バルブV8については弁開度の調節)及び各ポンプの作動、停止(燃料又は空気の供給量の制御)を制御する構成とされている。この制御装置70は、図7に示すフローチャートに示す如き動作を行うようになっている。この動作については、燃料電池システム10の基本動作と共に説明する。
Further, the
さらに、図5及び図6にも示される如く、燃料電池システム10は、各反応器18A、18B内に配設された改質能力検出手段としての温度センサ72A、72Bを備えている。図6に示される如く、温度センサ72A、72Bは、制御装置70に電気的に接続されており、対応する反応器18内の触媒温度に対応する信号を制御装置70に出力するようになっている。
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the
さらにまた、自動車駆動用モータの電源システムを構成する燃料電池システム10の制御装置70には、各種車両情報が入力されるようになっている。この実施形態では、図6に示される如く、車両情報として、アクセルペダルの操作量、車速、ブレーキペダルの操作量等が制御装置70に入力される構成とされている。例えば、制御装置70は、入力されるアクセルペダルの操作量(機械的なアクセル開度、又は単なる電気信号等)に応じて、燃料ポンプ22による炭化水素原料の吐出量を変化させるようになっている。また、これらの車両情報は、後述する急加速要求に対する制御に用いられる。
Furthermore, various types of vehicle information are input to the control device 70 of the
(基本動作)
次に、燃料電池システム10の基本的な運転動作を説明する。図8には、第1反応器18Aが改質工程を行うと共に第2反応器18Bが再生工程を行う状態がシステム構成図にて示されており、図9には、第1反応器18Aが再生工程を行うと共に第2反応器18Bが改質工程を行う状態がシステム構成図にて示されている。なお、燃料電池システム10の動作を表す各図において、開放状態のバルブを白抜きで示すと共に閉止状態のバルブを黒塗りで示し、かつバルブが閉じて流体の流れが遮断されている流路を想像線にて示すこととする。
(basic action)
Next, basic operation of the
図8に示される状態では、バルブV0、V1A、V2B、V4B、V5B、V6A、V9、V10、V11が開放されている。一方、バルブV1B、V2A、V4A、V5A、V6Bが閉止されている。これにより、炭化水素原料は、原料供給ライン21(バルブV0)を通じて混合器26に至り、混合器26にて水蒸気、空気(酸素)と混合され改質反応ガスとなる。混合器26から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路28(バルブV1A)、第1ライン36Aを経由して第1反応器18A内に供給される。第1反応器18A内では、触媒と改質反応ガスとの接触により上式(1)乃至(4)の反応を含む改質反応が行われ、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成される。
In the state shown in FIG. 8, the valves V0, V1A, V2B, V4B, V5B, V6A, V9, V10, and V11 are opened. On the other hand, the valves V1B, V2A, V4A, V5A, and V6B are closed. Thus, the hydrocarbon raw material reaches the
この燃料ガスは、第3ライン38A、ブリッジ管路40(バルブV6A)を通じて熱交換器16に導入され、該熱交換器16にて改質用ガスであるカソードオフガスと熱交換を行って冷却される。このとき、燃料ガスの上流である第1反応器18A内が分岐部38C側のよりも高圧であるため、分岐部38Cから第1反応器18Aへのガス逆流が逆止弁CV2Aによって阻止されている。熱交換器16にて冷却された燃料ガスは、燃料ガスライン58、燃料電池14の燃料ガス入口14Aを通じて燃料電池14内のアノード電極に導入される。燃料電池14には、カソード用空気供給ライン62、カソード用空気入口14Cを通じて、カソード電極に空気すなわち酸素が常時供給されている。アノード電極からは、水素分離膜を通じて水素ガスのみがプロトンとなってカソード電極に移動し、この水素とカソード電極に供給された酸素との反応によって発電が行われる。また、燃料電池14には、冷却用空気供給ライン68、冷却用空気入口14Eを通じて、冷却用空気が常時供給されており、運転温度が400℃〜500℃の略一定温度に保たれている。
This fuel gas is introduced into the
燃料電池14のカソードオフガス出口14Dから排出された水蒸気、酸素を含むカソードオフガスは、熱交換器16の低温ガス流路に導入されて上記の通りアノード電極に導入される燃料ガスと熱交換を行う。その後、このカソードオフガスは、水蒸気供給ライン50を通じて混合器26に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第1反応器18Aに導入される。
The cathode offgas containing water vapor and oxygen discharged from the
燃料電池14のアノードオフガス出口14Bから排出された一酸化炭素、炭化水素原料を含むアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン44、ブリッジ管路40(バルブV5B)、第4ライン38B、再生用ガスライン55Bを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口18Hから第2反応器18Bに導入される。このとき、再生用ガスの上流である分岐部38D側の方が第2反応器18B内よりも高圧であるため、第2反応器18Bから分岐部38Dへのガス逆流が逆止弁CV1Bによって阻止されている。一方、燃料電池14の冷却用空気出口14Fから排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン54、燃焼用空気供給ライン52B(バルブV4B)を通じて、燃焼用空気として第2出入口18Fから第2反応器18Bに導入される。この第2反応器18B内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した可燃性ガスである再生用ガスが燃焼する。これにより、第2反応器18Bの触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第2ライン36B、ブリッジ管路28(バルブV2B)、排気ライン30を通じてシステム外に排出される。
The anode off gas containing carbon monoxide and hydrocarbon raw material discharged from the anode off
燃料電池システム10の制御装置70は、図7に示すフローチャートのステップS10において、第1反応器18Aを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングでないと判断すると、ステップS16に進んで、上記の通りバルブV1A、V2B、V4B、V5B、V6Aが開放されると共にバルブV1B、V2A、V4A、V5A、V6Bが閉止された状態を維持する。一方、制御装置70は、改質反応を行っていた第1反応器18Aの触媒温度が低下し、改質反応を維持できなくなる場合(所定時間の経過、触媒温度が閾値を下回る等の制御パラメータにより判断される)、切換装置20を切り換えることで、第1反応器18Aを改質工程から再生工程に切り換える。また、この切り換えとほぼ同時に、第2反応器18Bを再生工程から改質工程に切り換える。すなわち、制御装置70は、第1反応器18Aを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップS12に進み、バルブV1A、V2B、V4B、V5B、V6Aを閉止すると共に、バルブV1B、V2A、V4A、V5A、V6Bを開放する。これにより、燃料電池システム10は、図8に示す状態から図9に示す状態に切り換わる。
If the control device 70 of the
図8の状態と異なる部分を説明すると、混合器26から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路28(バルブV1B)、第2ライン36Bを経由して第2反応器18B内に供給され、触媒との接触により改質反応が行われ、水素、一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、第4ライン38B、ブリッジ管路40(バルブV6B)を通じて熱交換器16・燃料電池14内のアノード電極に導入される。燃料電池14から排出されたカソードオフガスは、熱交換器16を通過した後、混合器26に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第2反応器18Bに導入される。
Explaining the difference from the state of FIG. 8, the reforming reaction gas discharged from the
燃料電池14から排出されたアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン44、ブリッジ管路40(バルブV5A)、第3ライン38A、再生用ガスライン55Aを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口18Gから第1反応器18Aに導入される。一方、燃料電池14から排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン54、燃焼用空気供給ライン52A(バルブV4A)を通じて燃焼用空気として第2出入口18Eから第1反応器18Aに導入される。この第1反応器18A内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した再生用ガスの燃焼によって、触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第1ライン36A、ブリッジ管路28(バルブV2A)、排気ライン30を通じてシステム外に排出される。
The anode off gas discharged from the
また、制御装置70は、図7に示すフローチャートのステップS14において、第2反応器18Bを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミング(第1反応器18Aを再生交代から改質工程へ切り換えるタイミング)でないと判断すると、ステップS12に戻って、上記の通りバルブV1B、V2A、V4A、V5A、V6Bが開放されると共にバルブV1A、V2B、V4B、V5B、V6Aが閉止された状態を維持する。一方、制御装置70は、第2反応器18Bを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップS16に進み、バルブV1B、V2A、V4A、V5A、V6Bを閉止すると共に、バルブV1A、V2B、V4B、V5B、V6Aを開放する。これにより、燃料電池システム10は、図9に示す状態から図8に示す状態に切り換わる。したがって、ステップS12のバルブ開閉状態は、第1反応器18Aに対する本発明における第2の状態であると共に、第2反応器18Bに対する第1の状態であり、S16のバルブ開閉状態は、第1反応器18Aに対する第1の状態であると共に、第2反応器18Bに対する第2の状態である。
Further, in step S14 of the flowchart shown in FIG. 7, the control device 70 is not the timing for switching the
そして、制御装置70は、上記各反応器18の改質工程と再生工程との切り換え制御を行いつつ、燃料電池14の負荷に応じて燃料ガスの供給量(改質工程を行う反応器18に対する原料供給量)を調整する制御、再生工程を行う際の触媒燃焼温度を所定温度範囲に保持する制御を行うようになっている。この実施形態では、制御装置70は、再生工程での空気過剰率(燃焼ストイキ)を予め設定した制御目標(この実施形態では1.1)となるように燃焼用空気(燃料電池14の冷却後の空気)の反応器18への供給量、すなわちバルブV8の弁開度や空気ポンプ66の吐出量を制御して、触媒燃焼温度を800℃乃至900℃に保つようになっている。
The control device 70 controls the switching between the reforming process and the regeneration process of each
以上により、燃料電池システム10では、各反応器18が改質工程と再生工程とを交互に繰り返し断続的(バッチ的)に燃料ガスを生成する構成でありながら、燃料電池14に対し連続的に燃料ガスを供給して連続的に安定して発電を行うことができる構成を実現している。また、燃料電池システム10では、燃料電池14が水素分離膜によって燃料ガスから水素のみを分離して発電に用い、残余のガスを再生工程の燃料として用いるため、改質工程にて得た燃料ガス中の一酸化炭素を、さらに水と反応させて水素及び二酸化炭素を得るシフト反応を行う必要がない。シフト反応は反応速度が遅く大型の反応器を必要とするが、このシフト反応を行う必要がないため、燃料電池システム10をコンパクトに構成することができる。
As described above, in the
(急加速要求に対する制御)
自動車に適用された燃料電池システム10では、制御装置70は、アクセルペダルの操作量(の変化)に基づいて自動車の所定加速度以上での加速要求(以下、急加速要求という)があったと判断した場合には、燃料ポンプ22による炭化水素原料の吐出量を増加させる。これにより、改質工程を行っている反応器18による燃料ガス生成量が増加し、燃料電池14による発電量が増大するため、自動車の加速が可能になる。そして、制御装置70は、この自動車の急加速要求に対応する期間中に、改質工程を行っている反応器18が該改質工程から再生工程に切り換えられないように、切換装置20を切り換える制御を行うようになっている。
(Control for sudden acceleration request)
In the
この制御について、図2に示すフローチャート、図1に示すタイミングチャートを参照しつつ説明する。なお、図1に示すタイミングチャートにおいて、各反応器18の工程切換タイミングのチャートは、各反応器18A、18Bの改質工程を実線にて示し、再生工程を破線にて示す。
This control will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 2 and the timing chart shown in FIG. In the timing chart shown in FIG. 1, the process switching timing chart of each
制御装置70は、図2に示すフローチャートのステップS20で、急加速要求があるか否かを判断する。具体的には、制御装置70は、アクセルペダルの操作量、車速情報に基づいて、単位時間あたりの炭化水素原料を改質工程の反応器18に供給すべき量の増加率が設定された増加率を超える場合に、急加速要求があったと判断する。急加速要求がないと判断した場合には、ステップS32に進み、図7のフローチャートに示す基本動作を維持する。ステップS20で急加速要求がされた判断すると、制御装置70は、ステップS22に進み、この急加速要求に応じて炭化水素原料の供給量が増すように燃料ポンプ22の吐出量を増加させる(図1のタイミングチャート参照)。
The control device 70 determines whether or not there is a rapid acceleration request in step S20 of the flowchart shown in FIG. Specifically, the control device 70 sets an increase in which the rate of increase in the amount of hydrocarbon raw material per unit time to be supplied to the
制御装置70は、次いでステップS24に進み、急加速要求の期間中に、改質工程を行っている反応器18の上記基本動作における再生工程への切換タイミングT1(図1参照)に至る(確率が高い)か否かを判断する。具体的には、制御装置70は、改質工程の開始から設定時間が経過している(切換タイミングT1の直前に急加速要求がなされた)場合に、急加速中に切換タイミングT1に至ると判断する。この実施形態では、上記の設定時間は、基本動作における改質工程の維持時間(例えば10秒)の70%以上で100%未満の時間として設定されている。なお、設定時間による判断に代えて、例えば、温度センサ72A又は温度センサ72Bから改質工程を行っている反応器18の触媒温度が設定温度を下回っていることに対応する信号が入力された場合に、上記急加速期間中に切換タイミングT1に至ると判断するようにしても良い。また、ステップS24では、急加速要求が維持されている期間中に現実に切換タイミングT1に至ったか否か(ステップS10、S14の判断の成否)を判断するようにしても良い。
The control device 70 then proceeds to step S24, and reaches the switching timing T1 (see FIG. 1) for switching to the regeneration step in the basic operation of the
制御装置70は、ステップS24で急加速中に切換タイミングT1に至る、すなわち基本動作を維持すると急加速要求が維持されている期間中に反応器18の改質工程から再生工程への切換が行われる場合であると判断すると、ステップS26に進み、この切換タイミングT1で反応器18を再生工程に切り換えることなく改質工程を維持させる。図1のタイミングチャートに示す例では、急加速要求の前に改質工程を行っていた第2反応器18Bを、該急加速要求の開始直後の切換タイミングT1で再生工程に切り換えることなく、改質工程に維持する。また、第1反応器18Aを再生工程に維持する。すなわち、切換装置20を図9の状態から図8の状態に切り換えることなく、図9に示す状態に維持する。
The control device 70 switches from the reforming step to the regeneration step of the
一方、制御装置70は、ステップS24で急加速中に切換タイミングT1に至らない(急加速中に切換タイミングT1に至る確率が低い)と判断した場合には、ステップS32に進み、図7のフローチャートに示す基本動作を維持する。すなわち、この場合には、切換タイミングT1において、第2反応器18Bが再生工程に切り換えられると共に第1反応器18Aが再生工程から改質工程に切り換えられる。
On the other hand, if the control device 70 determines in step S24 that the switching timing T1 is not reached during the rapid acceleration (the probability of reaching the switching timing T1 during the rapid acceleration is low), the control device 70 proceeds to step S32, and the flowchart of FIG. The basic operation shown in is maintained. That is, in this case, at the switching timing T1, the
ステップS26に次いで、制御装置70は、ステップS28に進み、急加速要求が解除されたか否か、すなわち、上記した供給すべき炭化水素燃料の増加率が設定された増加率を超えた状態が維持されているか否かを、アクセルペダルの操作量、車速情報に基づいて判断する。急加速要求が解除されたと判断した場合には、制御装置70は、ステップS30に進み、改質工程を行っていた一方の反応器18を再生工程に切り換えると共に、他方の反応器18を改質工程に切り換える。図1のタイミングチャートに示す例では、急加速要求解除のタイミングにおいて、第2反応器18Bが再生工程に切り換えられると共に第1反応器18Aが再生工程から改質工程に切り換えられている。その後、制御装置70は、ステップS32に進み、基本動作(の切換タイミングでの各反応器の改質工程と再生工程との切り換え)を行う状態に復帰する。
Subsequent to step S26, the control device 70 proceeds to step S28 and maintains whether or not the rapid acceleration request has been canceled, that is, the above-described increase rate of the hydrocarbon fuel to be supplied exceeds the set increase rate. It is determined based on the operation amount of the accelerator pedal and vehicle speed information. When it is determined that the rapid acceleration request has been canceled, the control device 70 proceeds to step S30, switches one
一方、ステップS26で急加速要求が解除されていないと判断した場合に制御装置70は、ステップS34に進み、改質工程を行っている反応器18の該改質工程を維持するための熱量(以下、改質熱量という)が不足するか否かを判断する。具体的には、図1のタイミングチャートに示す例では、制御装置70は、改質工程を行っている第2反応器18Bに設けた温度センサ72Bからの信号値が予め設定した下限温度(例えば、700℃)に対応する閾値を下回った場合に改質熱量が不足していると判断する。
On the other hand, if it is determined in step S26 that the rapid acceleration request has not been canceled, the control device 70 proceeds to step S34, and the amount of heat for maintaining the reforming process of the
制御装置70は、ステップS34で改質熱量が不足しないと判断した場合には、ステップS26に戻る。一方、制御装置70は、ステップS34で改質熱量が不足していると判断した場合には、ステップS36に進み、改質工程を行っている反応器18に対する吸熱補助を行う。この実施形態では、制御装置70は、本発明における加熱手段を構成する空気ポンプ60の空気吐出量を増大し、改質反応を行っている反応器18内での酸化反応(上式(2)や一酸化炭素の酸化)を促進する、換言すれば反応器18内の部分散比率を向上する。この酸化反応に伴う発熱によって、改質反応(のうちの吸熱反応)の吸熱を補助する。これにより、上記した切換タイミングT1を超えて改質工程すなわち燃料電池14への水素供給(供給量増加)を維持することができる。
If the controller 70 determines in step S34 that the amount of reforming heat is not insufficient, the controller 70 returns to step S26. On the other hand, if the controller 70 determines in step S34 that the amount of reforming heat is insufficient, the control device 70 proceeds to step S36 and performs heat absorption assistance for the
制御装置70は、ステップS36の実行(開始)後、ステップS26に戻り、ステップS28にて急加速要求が解除されたと判断するまで、改質工程を行う反応器18の該改質工程を維持する。
After executing (starting) step S36, the control device 70 returns to step S26 and maintains the reforming step of the
ここで、水素燃料供給システム12では、急加速要求がされている期間中に、改質工程を行っている反応器18の改質工程から再生工程への切換タイミングT1に至ると判断した場合に、該切換タイミングで反応器18を改質工程から再生工程に切り換えず改質工程に維持されるため、自動車の急加速時に燃料電池14への水素供給量が一時的に低下することが防止される。すなわち、水素燃料供給システム12では、改質工程への切換直後の反応器18内には、再生用ガス、再生排ガス、燃焼用空気等から成る再生残留ガスが残留しており、再生残留ガスが生成された燃料ガスに押し出されて燃料電池14に供給されるため、該切換直後には一時的(瞬間的)に燃料電池14に供給されるガス中の水素濃度が低下するが、上記の制御によって、急加速中に燃料電池14に供給されるガス中の水素濃度の低下が生じることが防止される。このため、自動車の運転者に対し、加速のためにアクセルペダルの操作量を増したにも拘わらず、水素供給量の低下によってモータ出力が一時的に低下するといった加速遅れや走行感性の悪化が生じることが防止又は抑制される。また、加速遅れの発生後に高濃度の水素が燃料電池14に供給されて生じる加速ショックが防止又は抑制される。
Here, in the hydrogen
また、水素燃料供給システム12では、急加速要求が維持されている期間中に改質工程を維持している反応器18の水素生成能力が低下すると、換言すれば、該反応器18の触媒に蓄熱量が低下すると、吸熱補助動作を行うため、再生工程により昇温、蓄熱がなされない反応器18に改質工程を長時間に亘り維持させることができる。このため、自動車の急加速の全期間中に、反応器18に改質工程から再生工程への切換すなわち燃料電池14への水素供給量の一時的な減少を生じさせない制御(構成)が実現されている。
Further, in the hydrogen
このように、第1の実施形態に係る水素燃料供給システム12では、複数の反応器18を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
As described above, the hydrogen
(急加速要求に対する準備)
また、自動車に適用された燃料電池システム10では、制御装置70は、ブレーキペダルの操作量(の変化)に基づいて自動車の所定減速度以上での減速要求(以下、急減速要求という)があったと判断した場合には、燃料ポンプ22による炭化水素原料の吐出量を減少させる。これにより、改質工程を行っている反応器18による燃料ガス生成量が減少し、燃料電池14による発電量が低減する。そして、制御装置70は、この自動車の急減速要求があると、所定の場合に次回の加速に備えるために切換装置20を切り換える制御を行うようになっている。
(Preparation for sudden acceleration request)
Further, in the
この制御について、図4に示すフローチャート、図3に示すタイミングチャートを参照しつつ説明する。なお、図3に示すタイミングチャートにおいて、各反応器18の工程切換タイミングのチャートは、各反応器18A、18Bの改質工程を実線にて示し、再生工程を破線にて示す。
This control will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 4 and the timing chart shown in FIG. In the timing chart shown in FIG. 3, the process switching timing chart of each
制御装置70は、図4に示すフローチャートのステップS40で、急減速要求があるか否かを判断する。具体的には、制御装置70は、ブレーキペダルの操作量、車速情報に基づいて、単位時間あたりの炭化水素原料を改質工程の反応器18に供給すべき量の低減率が設定された低減率を超える場合に、急減速要求があったと判断する。急減速要求がないと判断した場合には、ステップS48に進み、図7のフローチャートに示す基本動作を維持する。ステップS40で急減速要求がされた判断すると、制御装置70は、ステップS42に進み、この急減速要求に応じて炭化水素原料の供給量が低減されるように燃料ポンプ22の吐出量を低減させる(図3のタイミングチャート参照)。
The control device 70 determines whether or not there is a sudden deceleration request in step S40 of the flowchart shown in FIG. Specifically, the control device 70 is a reduction in which a reduction rate of the amount of hydrocarbon raw material per unit time to be supplied to the
制御装置70は、次いでステップS44に進み、急減速要求の期間中に、再生工程を行っている反応器18の上記基本動作における改質工程への切換タイミングT2までの時間が所定時間以下であるか否かを判断する。具体的には、制御装置70は、再生工程の開始から設定時間が経過している(切換タイミングT2の直前又は近傍で急減速要求がなされた)場合に、切換タイミングT2までの時間が所定時間以下であると判断する。この実施形態では、上記の設定時間は、基本動作における再生工程の維持時間(例えば10秒)の70%以上で100%未満の時間として設定されている。なお、設定時間による判断に代えて、例えば、温度センサ72A又は温度センサ72Bからの信号が再生工程を行っている反応器18が十分な昇温及び蓄熱を完了していることに対応する場合に、上記切換タイミングT2までの時間が所定時間以下であると判断するようにしても良い。
The control device 70 then proceeds to step S44, and during the rapid deceleration request period, the time until the switching timing T2 to the reforming step in the basic operation of the
制御装置70は、ステップS44で急減速要求開始から切換タイミングT2までの時間が所定時間を超えると判断した場合には、ステップS48に進み、図7のフローチャートに示す基本動作を維持する。図3のタイミングチャートに示す例では、切換タイミングT2において、第2反応器18Bが再生工程に切り換えられると共に第1反応器18Aが再生工程から改質工程に切り換えられる。
If the control device 70 determines in step S44 that the time from the sudden deceleration request start to the switching timing T2 exceeds the predetermined time, the control device 70 proceeds to step S48 and maintains the basic operation shown in the flowchart of FIG. In the example shown in the timing chart of FIG. 3, at the switching timing T2, the
一方、制御装置70は、ステップS44で急減速要求開始から切換タイミングT2までの時間が所定時間を超えると判断した場合には、ステップS46に進み、切換タイミングT2に至る前に、改質工程を行っている一方の反応器18を再生工程に切り換えると共に、他方の反応器18を再生工程から改質工程に切り換える。図3のタイミングチャートに示す例では、第2反応器18Bが改質工程から再生工程に切り換えられると共に、第1反応器18Aが再生工程から改質工程に切り換えられる。その後、制御装置70は、ステップS48に進み、基本動作(の切換タイミングでの各反応器の改質工程と再生工程との切り換え)を行う状態に復帰する。
On the other hand, when the control device 70 determines in step S44 that the time from the start of the rapid deceleration request to the switching timing T2 exceeds the predetermined time, the control device 70 proceeds to step S46 and performs the reforming process before reaching the switching timing T2. One of the
ここで、水素燃料供給システム12では、急減速要求された後の所定時間以内に切換タイミングT2に至る場合には、該切換タイミングT2に至る前に再生工程を行っていた反応器18を積極的に改質工程に切り換えることで、次回の急加速要求に対し上記図2のフローチャートに示す制御を実行する確率を低くするための準備が為される。具体的には、自動車においては、急減速の直後に急加速要求が為されることが多いため、再生工程で十分な触媒再生(触媒の昇温及び蓄熱)が行われた反応器18を改質工程に切り換えておくことで、蓄熱式の反応器18(改質側)の保熱量、温度レベルが切換直後の初期状態(フレッシュ状態)にリセットされる。
Here, in the hydrogen
したがって、例えば、図3に示す急減速要求の入力から切換タイミングT2までの間のタイミングT3に急加速要求がされた場合には、図2のフローチャートに示す制御を行うことなく、急加速要求に対応することができる。すなわち、本制御を行うことで、図2のフローチャートに示す制御の実行頻度を低減することができる。これに伴って、該図2の制御の吸熱補助(ステップS36)を行う頻度(確率)が低くなるので、水素燃料供給システム12の全体としての効率が良好である。
Therefore, for example, when a sudden acceleration request is made at timing T3 between the input of the sudden deceleration request shown in FIG. 3 and the switching timing T2, the sudden acceleration request is made without performing the control shown in the flowchart of FIG. Can respond. That is, by performing this control, the execution frequency of the control shown in the flowchart of FIG. 2 can be reduced. Along with this, the frequency (probability) of performing the heat absorption assistance (step S36) of the control of FIG. 2 is reduced, so that the efficiency of the entire hydrogen
(他の実施形態)
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態と基本的に同一の部品、部分については上記第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
(Other embodiments)
Next, another embodiment of the present invention will be described. Note that components and portions that are basically the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and description thereof is omitted.
図10には、第2の実施形態に係る水素燃料供給システム82を備える燃料電池システム80のシステム構成図が示されている。この図に示される如く、水素燃料供給システム82は、切換装置20に代えて切換装置84を備えている。切換装置84は、水蒸気供給ライン50から分岐したカソードオフガス排気ライン86を備えており、カソードオフガス排気ライン86の下流端は排気口86Aとされている。このカソードオフガス排気ライン86にはバルブV12が配設されている。バルブV12は、バルブV8と同様に、制御装置70からの制御信号に基づいて任意の弁開度を取り得る構成とされており、この弁開度に応じて、カソードオフガス排気ライン86による排気量、改質工程への水蒸気及び空気(酸素)の供給量を調整可能とされている。このバルブV12は、本発明における加熱手段を構成する。
FIG. 10 shows a system configuration diagram of a
この水素燃料供給システム82の作用における水素燃料供給システム12とは異なる部分を説明する。水素燃料供給システム82では、改質工程が要求する量の水蒸気を反応器18に供給するように、制御装置70がバルブV12の弁開度を制御している。この水素燃料供給システム82では、図2のフローチャートにおけるステップS36に進むと、制御装置70は、空気ポンプ60の吐出量を増す前に、バルブV12の弁開度を小さくすることで水蒸気供給ライン50の流量を増し、改質工程を行っている反応器18内での酸化反応(発熱反応)を促進し、改質熱量の不足分を補助する。また、このとき改質工程を行っている反応器18への水蒸気の供給量も増すため、改質反応(上式(1)、(3)の反応)による水素の生成量が増大する。バルブV12の全閉後の制御は、第1の実施形態と同じである。
A portion different from the hydrogen
この水素燃料供給システム82の他の作用効果は、水素燃料供給システム12と同様である。したがって、水素燃料供給システム82によっても、複数の反応器18を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
Other functions and effects of the hydrogen
図11には、第3の実施形態に係る水素燃料供給システム92を備える燃料電池システム90のシステム構成図が示されている。この図に示される如く、水素燃料供給システム92は、各反応器18を加熱するための加熱手段としてのヒータ94A、94Bを備えている。各ヒータ94A、94Bは、電気ヒータとされており、図示しないバッテリとの通電(ON/OFF)が制御装置70によって制御されるようになっている。この実施形態では、バッテリは自動車の駆動源であるモータに駆動電流を供給するハイブリッドシステムのバッテリではなく、補器類の駆動用のバッテリとされている。
FIG. 11 shows a system configuration diagram of a
この水素燃料供給システム92の作用における水素燃料供給システム12とは異なる部分を説明する。水素燃料供給システム92では、上記した基本動作を行う場合には、ヒータ94A、94Bに通電されることはなく、各反応器18は再生工程で蓄えた熱によって改質工程を行う。この水素燃料供給システム82では、図2のフローチャートにおけるステップS36に進むと、制御装置70は、空気ポンプ60の吐出量を増すことなく、改質方工程を行っている反応器18のヒータ94A又はヒータ94Bに通電し、該ヒータが発生する熱によって改質工程の吸熱補助を行い、該改質工程を維持させる。
A different part from the hydrogen
この水素燃料供給システム92の他の作用効果は、水素燃料供給システム12と同様である。したがって、水素燃料供給システム92によっても、複数の反応器18を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
Other functions and effects of the hydrogen
なお、上記各実施形態では、温度センサ72A、72Bの出力信号に基づいて、反応器18の改質熱量が不足する否かを判断する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、温度センサ72A、72Bに代えて設けた熱量計の出力に基づいて反応器18の改質熱量が不足する否かを判断するようにしても良い。
In each of the above embodiments, an example in which it is determined whether or not the reforming heat quantity of the
また、上記各実施形態では、反応器18を2つ備え、一方の反応器18の改質工程から再生工程への切換タイミングと、他方の反応器18の再生工程から改質工程への切換タイミングとがほぼ一致している例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、反応器18を3つ以上備えても良く、2つ又は2つ以上の反応器18が共に改質工程を行う(第1の状態とされる)期間が存在するように切換装置20を切り換えるようにしても良い。
Moreover, in each said embodiment, the two
さらに、上記各実施形態では、図2に示す制御のステップS36で吸熱補助を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、基本動作による急加速対応中に吸熱補助行うようにしても良い。 Furthermore, in each of the above-described embodiments, the example in which the heat absorption assistance is performed in step S36 of the control shown in FIG. 2 has been described. However, the present invention is not limited to this. Anyway.
12 水素燃料供給システム
18 反応器
20 切換装置
60 空気ポンプ(加熱手段)
70 制御装置
72A・72B 温度センサ(改質能力検出手段)
94A・94B ヒータ(加熱手段)
V12 バルブ(加熱手段)
12 Hydrogen
70
94A / 94B Heater (heating means)
V12 valve (heating means)
Claims (5)
前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第1の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第2の状態とを切り換えるための切換装置と、
少なくとも2つの前記反応器の前記第1の状態から第2状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第1の状態と第2の状態とを交互に生じさせるように、かつ、1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされた場合に、該1つの反応器が、該切換タイミングで前記第2の状態に切り換わることなく、前記第1の状態に維持されつつ前記原料の供給量が増加されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
を備えた水素燃料供給システム。 A reforming step of generating a fuel gas containing hydrogen from the supplied raw material, and a regeneration step of burning the supplied regeneration gas to a temperature capable of reforming by reducing the temperature reduced by the reforming step. A plurality of reactors that can be switched to perform;
A switching device for switching between a first state in which the fuel gas is discharged while supplying the raw material to the reactor and a second state in which the regeneration exhaust gas is discharged while supplying the regeneration gas to the reactor When,
The switching timing of the at least two of the reactors from the first state to the second state is made different and the first state and the second state are alternately generated in the plurality of reactors, respectively. In addition, when the time until the switching timing of the one reactor from the first state to the second state is equal to or less than a predetermined time, an increase request for the predetermined amount or the predetermined increase rate of the fuel gas supply amount is made. The switching device so that the supply amount of the raw material is increased while the one reactor is maintained in the first state without switching to the second state at the switching timing. A control device for switching between,
A hydrogen fuel supply system.
前記各反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第1の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第2の状態とを切り換えるための切換装置と、
少なくとも2つの前記反応器の前記第1の状態から第2状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第1の状態と第2の状態とを交互に生じさせるように、かつ、前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされている期間中に1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換を生じさせることなく、該1つの反応器への前記原料の供給量が増加されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
を備えた水素燃料供給システム。 A reforming step of generating a fuel gas containing hydrogen from the supplied raw material, and a regeneration step of burning the supplied regeneration gas to a temperature capable of reforming by reducing the temperature reduced by the reforming step. A plurality of reactors that can be switched to perform;
Switching for switching between a first state in which the fuel gas is discharged while supplying the raw material to each reactor and a second state in which the regeneration exhaust gas is discharged while supplying the regeneration gas to the reactor Equipment,
The switching timing of the at least two of the reactors from the first state to the second state is made different and the first state and the second state are alternately generated in the plurality of reactors, respectively. And without causing the switching of one of the reactors from the first state to the second state during a period when the fuel gas supply amount is requested to increase more than a predetermined amount or a predetermined increase rate, A control device that switches the switching device so that the amount of the raw material supplied to the one reactor is increased;
A hydrogen fuel supply system.
前記各反応器をそれぞれ加熱可能な加熱手段とをさらに備え、
前記制御装置は、前記改質能力検出手段の出力信号に基づいて前記第1の状態に維持されている前記反応器の保熱量が設定熱量を下回ると判断した場合に、該反応器の前記加熱手段を作動させる請求項1又は請求項2記載の水素燃料供給システム。 Reforming capacity detecting means for outputting a signal corresponding to the temperature or heat quantity of each reactor to the control device;
Heating means capable of heating each of the reactors,
When the control device determines that the heat retention amount of the reactor maintained in the first state is lower than a set heat amount based on the output signal of the reforming capacity detection means, the heating of the reactor The hydrogen fuel supply system according to claim 1 or 2, wherein the means is operated.
前記各反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第1の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第2の状態とを切り換えるための切換装置と、
少なくとも2つの前記反応器の前記第1の状態から第2状態への切換タイミングが異なるように該各反応器にそれぞれ前記第1の状態と第2の状態とを交互に生じさせ、かつ、1つの前記反応器の前記第1の状態から第2の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に別の反応器が、前記第2の状態から第1の状態に切り換わるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
を備えた水素燃料供給システム。 A reforming step of generating a fuel gas containing hydrogen from the supplied raw material, and a regeneration step of burning the supplied regeneration gas to a temperature capable of reforming by reducing the temperature reduced by the reforming step. A plurality of reactors that can be switched to perform;
Switching for switching between a first state in which the fuel gas is discharged while supplying the raw material to each reactor and a second state in which the regeneration exhaust gas is discharged while supplying the regeneration gas to the reactor Equipment,
Causing each of the reactors to alternately generate the first state and the second state so that at least two of the reactors have different timings for switching from the first state to the second state, and 1 When a request for reduction of the fuel gas supply amount by a predetermined amount or a predetermined reduction rate is made at a time when the time from the first state to the second state of the two reactors is a predetermined time or less And a control device for switching the switching device so that another reactor is switched from the second state to the first state before the switching timing,
A hydrogen fuel supply system.
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