JP2007048490A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改質器を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a reformer.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. This fuel cell is environmentally superior and can realize high energy efficiency, and therefore has been widely developed as a future energy supply system.
現在、多くの燃料電池においては、改質器によりガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、燃料電池のアノードに供給される。この改質器においては、水蒸気を用いた水蒸気改質反応等により改質が行われている。 Currently, in many fuel cells, a reformer generates hydrogen-containing reformed gas from a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, natural gas, and methanol, and supplies the reformed gas to the anode of the fuel cell. In this reformer, reforming is performed by a steam reforming reaction using steam or the like.
この改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を促進するためには改質器を加熱する必要がある。そのため、燃焼装置等によって改質器に熱が与えられる燃料電池システムが開発されている。例えば、改質器を加熱するための燃焼ガスとしてアノードオフガスを用いる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この技術によれば、高い改質効率が得られる。 Since this reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to heat the reformer to promote the reforming reaction. Therefore, a fuel cell system in which heat is applied to the reformer by a combustion device or the like has been developed. For example, a technique using an anode off gas as a combustion gas for heating the reformer is disclosed (see, for example, Patent Document 1). According to this technique, high reforming efficiency can be obtained.
しかしながら、特許文献1の技術では、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが行われていない。この場合、アノードオフガス中の可燃成分のそれぞれの着火性、燃焼熱等が異なることから、改質器内の温度が不均一となるおそれがある。したがって、改質効率が低下するおそれがある。
However, the technique of
本発明は、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which combustible components in anode off-gas can be properly used.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のアノードオフガスを、少なくとも、第1の可燃成分を含有する第1のガスと第2の可燃成分を含有する第2のガスとに分離する分離手段とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、分離手段によりアノードオフガスが少なくとも第1の可燃成分を含有する第1のガスと第2の可燃成分を含有する第2のガスとに分離される。この場合、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能となる。したがって、アノードオフガスを用いた燃焼熱の制御またはアノードオフガスを用いた温度制御が可能となる。 A fuel cell system according to the present invention separates a fuel cell and an anode off gas of the fuel cell into at least a first gas containing a first combustible component and a second gas containing a second combustible component. And separating means. In the fuel cell system according to the present invention, the anode off-gas is separated into the first gas containing at least the first combustible component and the second gas containing the second combustible component by the separating means. In this case, the combustible component in the anode off gas can be properly used. Therefore, combustion heat control using the anode off gas or temperature control using the anode off gas is possible.
第1の可燃成分の燃焼熱量は、第2の可燃成分の燃焼熱量と異なっていてもよい。この場合、燃焼熱量の異なる可燃成分の使い分けが可能となる。したがって、第1の可燃成分および第2の可燃成分を用いて燃焼熱を制御することができる。第1の可燃成分は、炭化水素であり、第2の可燃成分は、水素であってもよい。また、炭化水素は、メタンであってもよい。 The amount of combustion heat of the first combustible component may be different from the amount of combustion heat of the second combustible component. In this case, it is possible to selectively use combustible components having different amounts of combustion heat. Therefore, combustion heat can be controlled using the first combustible component and the second combustible component. The first combustible component may be a hydrocarbon, and the second combustible component may be hydrogen. The hydrocarbon may be methane.
炭化水素燃料から水素を含む改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池のアノードに供給する改質手段と、第1の可燃成分および第2の可燃成分の少なくとも一方を燃焼させることにより改質手段を加熱する燃焼手段と、第1のガスおよび第2のガスのいずれか一方または両方を選択して燃焼手段に供給する供給手段と、改質手段の要求熱量に基づいて供給手段を制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。この場合、改質手段により改質ガスが燃料電池のアノードに供給され、燃焼手段において第1の可燃成分および第2の可燃成分の少なくとも一方が燃焼することにより改質手段が加熱され、改質手段の要求熱量に基づいて供給手段により第1のガスおよび第2のガスのいずれか一方または両方が選択的に燃焼手段に供給される。それにより、第1の可燃成分と第2の可燃成分の組合せにより燃焼手段における燃焼熱が制御される。したがって、第1の可燃成分と第2の可燃成分の組合せにより改質部の温度が制御される。また、第1の可燃成分および第2の可燃成分の着火性が異なることから、改質部の温度分布を制御することができる。したがって、改質手段の温度が効率よく適切に制御される。また、炭化水素がメタンである場合、メタンの比率が大きくなることによって、燃焼部における燃焼熱が大きくなる。それにより、改質手段の温度を効率よく上昇させることができる。 Reforming means for generating reformed gas containing hydrogen from hydrocarbon fuel and supplying the reformed gas to the anode of the fuel cell, and reforming by burning at least one of the first combustible component and the second combustible component A combustion means for heating the quality means, a supply means for selecting one or both of the first gas and the second gas to supply to the combustion means, and controlling the supply means based on the required heat quantity of the reforming means And a control means for performing the above. In this case, the reforming gas is supplied to the anode of the fuel cell by the reforming means, and the reforming means is heated by reforming at least one of the first combustible component and the second combustible component in the combustion means, and reforming is performed. One or both of the first gas and the second gas are selectively supplied to the combustion means by the supply means based on the required heat quantity of the means. Thereby, the combustion heat in the combustion means is controlled by the combination of the first combustible component and the second combustible component. Therefore, the temperature of the reforming unit is controlled by the combination of the first combustible component and the second combustible component. Further, since the ignitability of the first combustible component and the second combustible component is different, the temperature distribution in the reforming section can be controlled. Therefore, the temperature of the reforming unit is efficiently and appropriately controlled. Further, when the hydrocarbon is methane, the heat of combustion in the combustion section is increased by increasing the ratio of methane. Thereby, the temperature of the reforming means can be increased efficiently.
供給手段は、第1のガスおよび第2のガスの流量を調整して、第1のガスおよび第2のガスを燃焼手段に供給してもよい。この場合、燃焼手段に供給される第1の可燃成分の流量と第2の可燃成分の流量とが調整される。その結果、改質手段の温度がより適切に制御される。 The supply means may adjust the flow rates of the first gas and the second gas to supply the first gas and the second gas to the combustion means. In this case, the flow rate of the first combustible component and the flow rate of the second combustible component supplied to the combustion means are adjusted. As a result, the temperature of the reforming means is more appropriately controlled.
制御手段は、改質手段の温度を上昇させる場合には、炭化水素の比率が大きくなるように供給手段を制御してもよい。また、燃料電池に要求される負荷を検出する要求負荷検出手段をさらに備え、制御手段は、要求負荷検出手段の検出結果に基づいて目標温度を設定してもよい。 When the temperature of the reforming unit is raised, the control unit may control the supply unit so that the hydrocarbon ratio becomes large. Further, a required load detecting means for detecting a load required for the fuel cell may be further provided, and the control means may set the target temperature based on a detection result of the required load detecting means.
制御手段は、燃料電池を起動させる際に、燃焼手段に第2の可燃成分が供給されるように供給手段を制御してもよい。この場合、第2の可燃成分の着火性が高いことから、効率よく改質手段を加熱することができる。また、制御手段は、第2の可燃成分が着火した後に燃焼手段に第1の可燃成分が供給されるように、供給手段を制御してもよい。この場合、効率よく改質手段の温度を上昇させることができる。 The control means may control the supply means so that the second combustible component is supplied to the combustion means when starting the fuel cell. In this case, since the ignitability of the second combustible component is high, the reforming means can be efficiently heated. Further, the control means may control the supply means so that the first combustible component is supplied to the combustion means after the second combustible component is ignited. In this case, the temperature of the reforming means can be increased efficiently.
本発明によれば、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能となる。したがって、アノードオフガスを用いた燃焼熱の制御またはアノードオフガスを用いた温度制御が可能となる。 According to the present invention, it is possible to properly use combustible components in the anode off gas. Therefore, combustion heat control using the anode off gas or temperature control using the anode off gas is possible.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、制御部10、燃料供給部20、改質器30、燃料電池40、水素分離器50、流量調整弁60,61、エアポンプ70,80および要求負荷検出部90を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a
改質器30は、改質部31、燃焼部32、温度センサ33,34および空気過剰率λセンサ35を備える。温度センサ33は、改質部31内の上流端に設けられている。温度センサ34は、改質部31内の下流端に設けられている。空気過剰率λセンサ35は、燃焼部32から外部に通じる排気系に設けられている。ここで、空気過剰率λとは、燃焼部32における完全燃焼に必要な酸素量に対する、燃焼部32に供給される酸素量の比を示す。燃料電池40は、カソード41、アノード42、熱交換部43、電圧計44および電流計45を備える。水素分離器50は、水素分離膜51によってアノードオフガス室52および水素室53に仕切られた構造を有する。
The
本実施例においては、燃料電池40として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。
In this example, a hydrogen separation membrane battery was used as the
制御部10は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成され、温度センサ33,34、空気過剰率λセンサ35、電圧計44、電流計45および要求負荷検出部90から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム100を制御する。詳細は後述する。
The
燃料供給部20は、炭化水素燃料を貯蔵する貯蔵手段とインジェクタ等の燃料供給手段とを備え、制御部10の指示に従って必要量の炭化水素燃料を改質部31に供給する。本実施例においては、炭化水素燃料としてCNG(Compressed Natural Gas)を用いた。なお、炭化水素燃料としてCNG以外の炭化水素燃料を用いることもできる。
The
改質部31においては、炭化水素燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、炭化水素燃料中のメタンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素とメタンとが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。
In the reforming
改質部31において生成された改質ガスは、アノード42に供給される。アノード42においては、改質ガス中の水素が水素イオンに変換される。アノード42において水素イオンに変換されなかった水素、ならびに、改質部31において反応しなかったメタン、一酸化炭素、窒素および水蒸気は、アノードオフガスとして水素分離器50のアノードオフガス室52に供給される。
The reformed gas generated in the reforming
アノードオフガス室52に供給されたアノードオフガス中の水素は、水素分離膜51を透過し、水素室53を介して流量調整弁61に供給される。流量調整弁61は、制御部10の指示に従って、必要量の水素を燃焼部32に供給する。水素を除くアノードオフガスは、水素分離膜51を透過せずに流量調整弁60に供給される。流量調整弁60は、制御部10の指示に従って、必要量のアノードオフガスを燃焼部32に供給する。
Hydrogen in the anode off gas supplied to the anode off
エアポンプ70は、制御部10の指示に従って、必要量のエアを熱交換部43に供給する。熱交換部43に供給されたエアは、燃料電池40を冷却して水素分離器50の水素室53に供給される。水素室53に供給されたエアは、水素分離膜51を透過した水素をパージし、パージされた水素とともに流量調整弁61を介して燃焼部32に供給される。したがって、水素室53内の水素分圧は低い値に維持される。その結果、アノードオフガス室52に供給されるアノードオフガス中の水素は、水素分離膜51によって効率よく分離される。
The
燃焼部32においては、流量調整弁60から供給されるメタンと流量調整弁61から供給されるエアおよび水素とによって燃焼反応が起こる。燃焼部32における燃焼反応によって発生する排気ガスは、燃料電池システム100の外部に排出される。また、燃焼部32における燃焼反応による燃焼熱は、改質部31における水蒸気改質反応に利用される。
In the
温度センサ33は、改質部31内の上流端の温度を検出し、その検出結果を制御部10に与える。温度センサ34は、改質部31内の下流端の温度を検出し、その検出結果を制御部10に与える。空気過剰率λセンサ35は、燃焼部32から排出される排気ガスから燃焼部32における空気過剰率λを検出し、その検出結果を制御部10に与える。
The
エアポンプ80は、制御部10の指示に従って、必要量の酸素をカソード41に供給する。カソード41においては、アノード42において変換された水素イオンとカソード41に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池40において発生する熱によって水蒸気となる。カソード41において発生した水蒸気および水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部31に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。
The
電圧計44は、燃料電池40における発電により発生した電圧を検出し、その検出結果を制御部10に与える。また、電流計45は、燃料電池40における発電反応により発生した電流を検出し、その検出結果を制御部10に与える。要求負荷検出部90は、燃料電池40に要求される負荷(以下、要求負荷Preqと呼ぶ)を検出し、その検出結果を制御部10に与える。要求負荷Preqは、アクセルの開度、補機の出力等から求められる。
The
本実施例に係る燃料電池システム100においては、燃焼部32に供給されるメタン量および水素量を調整することができる。それにより、改質部31の温度および温度分布を適切に調整することができる。以下、燃焼部32に供給する水素およびメタンのモル比の制御方法について説明する。
In the
まず、制御部10は、現時点において燃焼部32に供給される水素およびメタンのモル比を推定する。以下、水素のモル数に対するメタンのモル数の比をモル比Rと呼ぶ。燃焼部32におけるモル比Rは、改質部31に設けられている触媒の温度と燃焼部32における空気過剰率λとから推定される。空気過剰率λは、空気過剰率λセンサ35によって検出される。改質部31の触媒の温度は、温度センサ33の検出温度(以下、温度T1)と温度センサ34の検出温度(以下、温度T2)との平均値(以下、温度平均値Y)により求められる。
First, the
温度平均値Yは、改質部31における改質反応に必要な熱量(以下、吸熱量Q1)と、燃焼部32における燃焼熱量(以下、燃焼熱量Q2)と、改質器30の放熱量(以下、放熱量Q3)とにより決定される。したがって、温度平均値Y、吸熱量Q1および放熱量Q3が求まれば、燃焼熱量Q2が求まる。 The temperature average value Y includes the amount of heat necessary for the reforming reaction in the reforming section 31 (hereinafter referred to as the endothermic amount Q1), the amount of combustion heat in the combustion section 32 (hereinafter referred to as the combustion heat amount Q2), and the amount of heat released from the reformer 30 ( Hereinafter, it is determined by the heat dissipation amount Q3). Therefore, if the temperature average value Y, the heat absorption amount Q1, and the heat release amount Q3 are obtained, the combustion heat amount Q2 is obtained.
吸熱量Q1は、改質部31に供給される炭化水素燃料の量と、改質部31におけるS/C比(改質部31に供給される水蒸気と改質部31に供給される炭化水素燃料中の炭素とのモル比)と、改質部31におけるO/C比(改質部31に供給される酸素と改質部31に供給される炭化水素燃料中の炭素とのモル比)とから求められる。
The endothermic amount Q1 is the amount of hydrocarbon fuel supplied to the reforming
改質部31に供給される炭化水素燃料の量は、燃料供給部20のインジェクタの制御デューティ比によって求めることができる。S/C比は、燃料電池40の発電電流から求められる。したがって、S/C比は、電流計45の検出結果から求めることができる。O/C比は、燃料電池40の発電電流とエアポンプ80からカソード41に供給される酸素量とから求められる。エアポンプ80からカソード41に供給される酸素量は、エアポンプ80の回転数から求めることができ、流量計によって求めることもできる。
The amount of hydrocarbon fuel supplied to the reforming
燃焼熱量Q2は、燃焼部32に供給される燃料量と空気過剰率λとから求めることができる。以下、燃焼熱量Q2について説明する。図2は、モル比Rと、空気過剰率λと、燃焼熱量Q2との関係を示す図である。図2の横軸は空気過剰率λを示し、図2の縦軸は規格化燃焼熱量を示す。ここで、規格化燃焼熱量とは、水素とメタンとのモル比が1対1であって、空気過剰率λが3である場合の燃焼熱量Q2に対する比を表す。
The amount of combustion heat Q2 can be obtained from the amount of fuel supplied to the
水素の燃焼熱は241.8kJ/molであり、メタンの燃焼熱は802.4kJ/molであって水素の燃焼熱に比較して大きい。したがって、図2に示すように、メタンのモル比が大きいほど燃焼熱量Q2は大きくなる。また、燃焼熱量Q2は、空気過剰率λが1の場合に最大となり、空気過剰率λが1より大きくなると低下する。燃焼に用いられる可燃原料が少なくなるからである。以上のことから、燃焼熱量Q2が求まれば、図2に基づいて、燃焼部32に供給される燃料の量が求まる。さらに、燃焼部32に供給される燃料の量が求まれば、モル比Rが求まる。放熱量Q3は、改質器30の構造、大きさ等に依存する。以上のことから、温度平均値Yおよび空気過剰率λが検出されれば、モル比Rを推定することができる。
The combustion heat of hydrogen is 241.8 kJ / mol, and the combustion heat of methane is 802.4 kJ / mol, which is larger than the combustion heat of hydrogen. Therefore, as shown in FIG. 2, the combustion heat quantity Q2 increases as the molar ratio of methane increases. Further, the combustion heat quantity Q2 becomes maximum when the excess air ratio λ is 1, and decreases when the excess air ratio λ becomes larger than 1. It is because the combustible raw material used for combustion decreases. From the above, when the amount of combustion heat Q2 is obtained, the amount of fuel supplied to the
次に、制御部10は、燃料電池40が要求負荷Preqを出力する際に燃焼部32が改質部31に与える必要のある所要加熱熱量Qtrgを算出する。ここで、要求負荷Preqが増加すると燃料電池40における発電に必要な水素量も増加する。燃料電池40に供給する水素量を多くするためには、改質部31における改質反応を促進する必要がある。改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を促進するためには改質部31の温度を増加させる必要がある。したがって、所要加熱熱量Qtrgは、要求負荷Preqの関数となる。以下、要求負荷Preqと所要加熱熱量Qtrgとの関係について説明する。
Next, the
図3は、燃料電池40の要求負荷Preqと所要加熱熱量Qtrgとの関係を示す図である。図3の横軸は要求負荷Preqを示し、図3の縦軸は所要加熱熱量Qtrgを示す。図3に示すように、所要加熱熱量Qtrgは、要求負荷Preqに比例し、要求負荷Preqが増加するとともに増加する。以上のことから、制御部10は、図3を用いて所要加熱熱量Qtrgを要求負荷Preqから求める。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the required load Preq of the
次いで、制御部10は、燃焼部32から改質部31に与えられる加熱熱量Q(=燃焼熱量Q2−吸熱量Q1−放熱量Q3)を求める。図4は、燃料電池40の発電反応によって発生する発電電力Wと加熱熱量Qとの関係を示す図である。図4の横軸は発電電力Wを示し、図4の縦軸は加熱熱量Qを示す。図4に示すように、加熱熱量Qは、発電電力Wに比例し、発電電力Wが増加するとともに増加する。以上のことから、制御部10は、図4を用いて発電電力Wから加熱熱量Qを求める。なお、改質器30の放熱量Q3が大きくなるほど、加熱熱量Qは増大する方向に補正される。また、制御部10は、電圧計44および電流計45の検出結果に基づいて発電電力Wを算出する。
Next, the
ここで、水素およびメタンの着火性について説明する。水素は、メタンに比較して着火性が高く、燃焼部32に供給されるとすぐに着火する。したがって、水素が燃焼部32に供給されると燃焼部32内の上流端の温度が増加する。それにより、改質部31内の上流端の温度が増加する。一方、メタンは水素に比較して着火性が低い。それにより、メタンが着火するまでの時間は長くなる。したがって、メタンが燃焼部32に供給されると燃焼部32内の下流端の温度が増加する。その結果、改質部31内の下流端の温度が増加する。以上のことから、メタンおよび水素の量が適切に調整されていなければ、改質部31に温度分布が発生する。本実施例においては、制御部10は、モル比Rに基づいてこの温度分布の発生を防止する。その詳細を以下に説明する。
Here, the ignitability of hydrogen and methane will be described. Hydrogen has higher ignitability than methane and ignites as soon as it is supplied to the
制御部10は、まず、所要加熱熱量Qtrgと加熱熱量Qとのずれが大きいか否かを判定する。所要加熱熱量Qtrgと加熱熱量Qとのずれがしきい値Qref以上であれば、制御部10は、改質部31に温度分布が発生していると判断してモル比Rを補正する。図5は、制御部10がモル比Rを補正する際に用いるマップである。図5の横軸は温度T2と温度T1との差を示し、図5の縦軸は補正モル比Rtrgを示す。
First, the
図5に示すように、制御部10は、温度T2と温度T1との差が大きくなるにつれて補正モル比Rtrgを小さく設定する。補正モル比Rtrgが求まれば、制御部10は、補正モル比Rtrgを現在のモル比Rに反映させる。一例として、制御部10は、現在のモル比Rおよび補正モル比Rtrgの平均値を新たなモル比Rに設定する。次に、制御部10は、新たなモル比Rに基づいて、流量調整弁60,61を制御する。なお、しきい値Qrefは、適宜選択される。また、補正モル比Rtrgは、水素およびメタンの着火性による温度変化応答性が考慮されて決定される。このように、モル比Rが補正されることによって、燃焼部32における温度分布の発生が防止される。その結果、改質部31における温度分布の発生が防止される。
As shown in FIG. 5, the
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム100においては、モル比Rを調整することにより改質部31の温度が効率よく制御される。また、モル比を調整することにより、改質部31の温度分布の発生を防止することができる。したがって、改質部31における改質反応が効率よく行われる。
From the above, in the
続いて、制御部10がモル比Rを制御する際のフローチャートについて説明する。図6は、上記フローチャートの一例を示す図である。制御部10は、所定の周期(例えば、500msごと)に図6のフローチャートを実行する。図6に示すように、制御部10は、図2を用いて、空気過剰率λと温度平均値Yとからモル比Rを推定する(ステップS1)。
Next, a flowchart when the
次に、制御部10は、図3を用いて要求負荷Preqから所要加熱熱量Qtrgを求める(ステップS2)。次いで、制御部10は、図4を用いて加熱熱量Qを発電電力Wから求める(ステップS3)。次に、制御部10は、所要加熱熱量Qtrgと加熱熱量Qとの差の絶対値がしきい値Qref未満であるか否かを判定する(ステップS4)。
Next, the
ステップS4において所要加熱熱量Qtrgと加熱熱量Qとの差の絶対値がしきい値Qref未満であると判定されなかった場合、制御部10は、図5のマップを用いて温度T2と温度T1との差から補正モル比Rtrgを算出する(ステップS5)。次に、制御部10は、ステップS1において推定したモル比RとステップS5において算出した補正モル比Rtrgとの平均値を新たなモル比Rに設定し直す(ステップS6)。
If it is not determined in step S4 that the absolute value of the difference between the required heating heat amount Qtrg and the heating heat amount Q is less than the threshold value Qref, the
次いで、制御部10は、ステップS6において設定したモル比Rに基づいて流量調整弁60,61を制御する(ステップS7)。その後、制御部10は、動作を終了させる。なお、ステップS4において所要加熱熱量Qtrgと加熱熱量Qとの差の絶対値がしきい値Qref未満であると判定された場合、制御部10は、ステップS7の動作を行う。
Next, the
以上のように、図6のフローチャートに従って燃料電池システム100が制御されることにより、モル比Rが適切に設定される。それにより、改質部31における改質反応が効率よく行われる。
As described above, the molar ratio R is appropriately set by controlling the
なお、本実施例においては、燃料電池40として水素分離膜電池を用いたが、その他の燃料電池を用いることができる。また、水素分離器50と流量調整弁60,61との間にバッファタンクが設けられていてもよい。さらに、本実施例においては温度センサ33,34の両方により改質部31の触媒の温度が求められているが、いずれか一方によって求めることもできる。また、本実施例においては、水素の流量およびメタンの流量の両方を制御しているが、いずれか一方の流量を変化させることによりモル比Rを制御することもできる。さらに、水素分離機50によって分離された水素を燃料電池40のアノード42に供給する燃料ガスとして用いてもよい。
In this embodiment, the hydrogen separation membrane battery is used as the
本実施例においては、改質部31が改質手段に相当し、水素分離器50が分離手段に相当し、燃焼部32が燃焼手段に相当し、流量調整弁60,61が供給手段に相当し、制御部10が制御手段に相当し、要求負荷検出部90が要求負荷検出手段に相当し、所要加熱熱量Qtrgが要求熱量に相当する。
In this embodiment, the reforming
続いて、本発明の第2実施例に係る燃料電池システム100aについて説明する。図7は、燃料電池システム100aの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム100aが図1の燃料電池システム100と異なる点は、改質部31に着火装置36が設けられている点、水素吸蔵放出装置54、メタン吸蔵放出装置55および起動スイッチ91が新たに設けられている点、ならびに流量調整弁60,61の代わりに切替弁62,63が設けられている点である。
Subsequently, a
起動スイッチ91は、燃料電池40を起動させるためのスイッチであり、使用者によって操作される。着火装置36は、燃料電池40の起動時に、制御部10の指示に従って改質部31に供給される水素ガスを着火する。この場合、水素の着火性が高いことから、燃料電池40を効率よく加熱することができる。
The
水素吸蔵放出装置54は、水素吸蔵合金等を備える。水素室53の水素は、水素吸蔵放出装置54に供給される。水素吸蔵放出装置54は、制御部10の指示に従って、供給された水素を吸蔵し、または必要量の水素を放出する。水素吸蔵放出装置54によって放出された水素は、切替弁62に供給される。
The hydrogen storage /
メタン吸蔵放出装置55は、ハイドロカーボン吸着剤等を備える。アノードオフガス室52のアノードオフガスは、メタン吸蔵放出装置55に供給される。メタン吸蔵放出装置55は、制御部10の指示に従って、供給されたアノードオフガス中のメタンを吸蔵し、または必要量のメタンを放出する。メタン吸蔵放出装置55によって放出されたメタンは、切替弁63に供給される。
The methane storage /
切替弁62,63は、三方コック等からなる。切替弁62は、制御部10の指示に従って、水素吸蔵放出装置54から供給された水素の改質部31および燃焼部32への供給を切り替える。切替弁63は、制御部10の指示に従って、メタン吸蔵放出装置55から供給されたメタンの改質部31および燃焼部32への供給を切り替える。
The switching
本実施例に係る燃料電池システム100aにおいては、改質部31に供給されるメタン量および水素量を調整することにより、燃料電池40を効率よく起動させることができる。それにより、改質部31の温度および温度分布を適切に調整することができる。燃料電池40の起動時における燃焼部32に供給する水素量およびメタン量の制御方法について説明する。
In the
まず、制御部10は、起動スイッチ91がオンされると、改質部31に水素が供給されるように、水素吸蔵放出装置54および切替弁62を制御する。次に、制御部10は、改質部31において水素が着火するように、着火装置36を制御する。それにより、改質部31の温度が増加する。また、水素の燃焼によって生成された高温の燃焼ガスがアノード42に供給される。その結果、燃料電池40が効率よく加熱される。
First, the
水素が着火された後、制御部10は、改質部31に供給される水素量が増加するように水素吸蔵放出装置54を制御する。改質部31の温度がメタンの着火温度以上になると、制御部10は、改質部31にメタンが供給されるようにメタン吸蔵放出装置55および切替弁63を制御する。その後、制御部10は、改質部31の温度が適温まで増加するように改質部31に供給される水素量およびメタン量を制御する。この場合、制御部10は、図8のマップに従う。
After the hydrogen is ignited, the
図8は、水素の着火後に改質部31に供給する必要のある水素量およびメタン量を示すマップである。図8の横軸は温度平均値Yを示し、図8の縦軸は改質部31に供給する必要のある水素量およびメタン量を示す。図8に示すように、水素着火後、温度平均値Yがメタンの着火温度まで増加するまでは、改質部31に供給される水素量も増加する。それにより、効率よく改質部31の温度を増加させることができるとともに、アノード42に供給される燃焼ガスによって燃料電池40が加熱される。
FIG. 8 is a map showing the amount of hydrogen and the amount of methane that need to be supplied to the reforming
また、改質部31の温度がメタンの着火温度以上になると、改質部31に供給される水素量が減少するとともに改質部31に供給されるメタン量が増加する。ここで、メタンの着火性は水素の着火性に比較して低いが、メタンの燃焼熱は水素の燃焼熱よりも大きい。したがって、改質部31の温度をさらに増加させることができるとともに、アノード42に供給される燃焼ガスの温度が増大する。その結果、燃料電池40がさらに効率よく加熱される。
When the temperature of the reforming
改質部31および燃料電池40の温度がそれぞれの起動温度以上になると(例えば、400℃程度)、制御部10は、改質部31に炭化水素燃料および酸素が供給されるように燃料供給部20およびエアポンプ80を制御する。それにより、改質部31において部分酸化反応が起こって改質ガスがアノード42に供給される。その結果、燃料電池40において発電が行われる。この場合、カソードオフガスに含有される水蒸気量が増加するとともに、アノードオフガスに含有される水素量が増加する。
When the temperatures of the reforming
その後、制御部10は、燃焼部32に供給される水素量が増加するように水素吸蔵放出装置54および切替弁62を制御する。それにより、改質部31の温度がさらに増加する。また、制御部10は、改質部31におけるO/C比が徐々に減少するようにエアポンプ80を制御する。この場合、制御部10は、図9のマップに従う。
Thereafter, the
図9は、部分酸化反応開始後のO/C比を示すマップである。図9の横軸は温度平均値Yを示し、図9の縦軸は改質部31におけるO/C比を示す。図9に示すように、部分酸化反応開始後、温度平均値Yの増加とともにO/Cは減少する。それにより、水蒸気改質反応に移行しやすくなる。
FIG. 9 is a map showing the O / C ratio after the start of the partial oxidation reaction. The horizontal axis in FIG. 9 indicates the temperature average value Y, and the vertical axis in FIG. 9 indicates the O / C ratio in the reforming
改質部31の温度が通常時改質温度以上になると(例えば、600℃程度)、制御部10は、改質部31において水蒸気改質反応が起こるように、燃料供給部20、エアポンプ80および切替弁62,63を制御する。以上の手順により、燃料電池40の起動は完了する。
When the temperature of the reforming
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム100aは、改質部31の温度を効率よく制御することができる。その結果、燃料電池40を効率よく起動させることができる。
From the above, the
続いて、燃料電池40の起動時に制御部10が燃料電池システム100aを制御する際のフローチャートについて説明する。図10は、上記フローチャートの一例を示す図である。制御部10は、所定の周期(例えば、500msごと)に図10のフローチャートを実行する。図10に示すように、制御部10は、使用者により起動スイッチがオンされたか否かを判定する(ステップS11)。
Next, a flowchart when the
ステップS11において起動スイッチ91がオンされたと判定されなかった場合には、制御部10は、動作を終了させる。ステップS11において起動スイッチ91がオンされたと判定された場合には、制御部10は、温度平均値Yが水素着火温度Tref1未満であるか否かを判定する(ステップS12)。ステップS12において温度平均値Yが水素着火温度Tref1未満であると判定された場合、制御部10は、改質部31に水素が供給されるように水素吸蔵放出装置54および切替弁62を制御する(ステップS13)。
If it is not determined in step S11 that the
次に、制御部10は、改質部31に供給された水素が着火するように着火装置36を制御する(ステップS14)。次いで、制御部10は、水素が着火したか否かを判定する(ステップS15)。この場合、制御部10は、温度T1が増加したか否かにより判定することができる。
Next, the
ステップS15において水素が着火したと判定されなかった場合、制御部10は、ステップS14の動作を繰り返す。ステップS15において水素が着火したと判定された場合、制御部10は、改質部31に供給される水素量が増加するように図8のマップを用いて水素吸蔵放出装置54を制御する(ステップS16)。なお、ステップS12において温度平均値Yが水素着火温度Tref1未満であると判定されなかった場合、制御部10は、ステップS16の動作を行う。それにより、改質部31に供給された水素が着火する。
If it is not determined in step S15 that hydrogen has ignited, the
次に、制御部10は、温度平均値Yがメタン着火温度Tref2未満であるか否かを判定する(ステップS17)。ステップS17において温度平均値Yがメタン着火温度Tref2未満であると判定された場合、制御部10は、ステップS16の動作を繰り返す。ステップS17において温度平均値Yがメタン着火温度Tref2未満であると判定されなかった場合、制御部10は、図8のマップを用いて、改質部31に水素およびメタンが供給されるように水素吸蔵放出装置54、メタン吸蔵放出装置55および切替弁62,63を制御する(ステップS18)。
Next, the
次に、制御部10は、温度平均値Yが改質機能開始温度Tref3未満であるか否かを判定する(ステップS19)。本実施例においては、改質機能開始温度Tref3は400℃に設定してある。ステップS19において温度平均値Yが改質機能開始温度Tref3未満であると判定された場合、制御部10は、ステップS18の動作を繰り返す。ステップS19において温度平均値Yが改質機能開始温度Tref3未満であると判定されなかった場合、制御部10は、図9のマップを用いて所望のO/C比になるようにエアポンプ80を制御する(ステップS20)。
Next, the
次に、制御部10は、温度平均値Yが通常時改質温度Tref4未満であるか否かを判定する(ステップS21)。本実施例においては、通常時改質温度Tref4は600℃に設定してある。ステップS21において温度平均値Yが通常時改質温度Tref4未満であると判定された場合、制御部10は、ステップS20の動作を繰り返す。ステップS21において温度平均値Yが通常時改質温度Tref4未満であると判定なかった場合、制御部10は、動作を終了させる。以上の手順により、燃料電池40の起動が完了する。
Next, the
以上のように、図10のフローチャートによる制御を行うことにより、改質部31の温度を効率よく制御することができる。その結果、燃料電池40を効率よく起動させることができる。なお、本実施例においては、改質部31が改質手段および燃焼手段に相当する。
As described above, the temperature of the reforming
続いて、本発明の第3実施例に係る燃料電池システム100bについて説明する。図11は、燃料電池システム100bの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム100bが図1の燃料電池システム100と異なる点は、メタン吸蔵放出装置55にCO吸蔵放出装置56が新たに設けられている点である。CO吸蔵放出装置56は、パラジウム等のCO吸着素材を備える構造を有し、制御部10の指示に従ってアノードオフガス中のCOの吸蔵または放出を行う。
Subsequently, a
本実施例に係る燃料電池システム100bにおいては、メタン吸蔵放出装置55に吸蔵されたメタンおよびCO吸蔵放出装置56に吸蔵されたCOは、切替弁63によって燃焼部32に供給され、アノードオフガス中の窒素および水蒸気は外部に排出される。それにより、燃焼部32からの排気流量が低減される。したがって、燃焼部32による改質部31の加熱効率が向上する。その結果、燃料電池システム100bのシステム効率が向上する。
In the
10 制御部
20 燃料供給部
30 改質器
31 改質部
32 燃焼部
33,34 温度センサ
35 空気過剰率λセンサ
36 着火装置
40 燃料電池
50 水素分離器
54 水素吸蔵放出装置
55 メタン吸蔵放出装置
60,61 流量調整弁
62,63 切替弁
90 要求負荷検出部
91 起動スイッチ
100,100a,100b 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記燃料電池のアノードオフガスを、少なくとも、第1の可燃成分を含有する第1のガスと第2の可燃成分を含有する第2のガスとに分離する分離手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
Separation means for separating the anode off-gas of the fuel cell into at least a first gas containing a first combustible component and a second gas containing a second combustible component. Battery system.
前記第2の可燃成分は、水素であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池システム。 The first combustible component is a hydrocarbon;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the second combustible component is hydrogen.
前記第1の可燃成分および前記第2の可燃成分の少なくとも一方を燃焼させることにより前記改質手段を加熱する燃焼手段と、
前記第1のガスおよび前記第2のガスのいずれか一方または両方を選択して前記燃焼手段に供給する供給手段と、
前記改質手段の要求熱量に基づいて前記供給手段を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。 Reforming means for generating a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel and supplying the reformed gas to the anode of the fuel cell;
Combustion means for heating the reforming means by burning at least one of the first combustible component and the second combustible component;
Supply means for selecting one or both of the first gas and the second gas and supplying the selected gas to the combustion means;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a control unit that controls the supply unit based on a required heat amount of the reforming unit.
前記制御手段は、前記要求負荷検出手段の検出結果に基づいて前記要求熱量を設定することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の燃料電池システム。 Further comprising required load detecting means for detecting a load required for the fuel cell;
8. The fuel cell system according to claim 5, wherein the control unit sets the required heat quantity based on a detection result of the required load detection unit.
10. The fuel cell according to claim 9, wherein the control means controls the supply means so that the first combustible component is supplied to the combustion means after the second combustible component is ignited. system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005228941A JP2007048490A (en) | 2005-08-05 | 2005-08-05 | Fuel cell system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008218034A (en) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and method of controlling the same |
-
2005
- 2005-08-05 JP JP2005228941A patent/JP2007048490A/en not_active Withdrawn
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