JP2011108562A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011108562A JP2011108562A JP2009264598A JP2009264598A JP2011108562A JP 2011108562 A JP2011108562 A JP 2011108562A JP 2009264598 A JP2009264598 A JP 2009264598A JP 2009264598 A JP2009264598 A JP 2009264598A JP 2011108562 A JP2011108562 A JP 2011108562A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- fuel cell
- fuel
- amount
- 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.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- 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
Abstract
Description
本発明は、燃料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する水素製造装置と、製造された改質ガスをアノード、空気をカソードに導いて起電力を発生する燃料電池スタックと、を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention includes a hydrogen production apparatus that produces a hydrogen-rich reformed gas by reforming a fuel, and a fuel cell stack that generates an electromotive force by guiding the produced reformed gas to an anode and air to a cathode. The present invention relates to a provided fuel cell system.
この種の燃料電池システムにおいては、前記水素製造装置の各部、具体的には、改質部を加熱するためのバーナ及び、改質ガス中に残存するCOを選択的に酸化除去する選択酸化器と、前記燃料電池スタックのカソードとに空気を供給している。
これら複数個所への必要な空気供給量は、運転条件(要求発電量等)に応じて変化するため、複数のエアポンプを備えて、各箇所への空気供給量を別々に制御する方式があるが、エアポンプを複数配設して個別に制御することは、大型化、コストアップを招き、また、燃料電池システムの総効率を下げることに繋がる。
In this type of fuel cell system, each part of the hydrogen production apparatus, specifically, a burner for heating the reforming section, and a selective oxidizer for selectively oxidizing and removing CO remaining in the reformed gas And air is supplied to the cathode of the fuel cell stack.
Since the required air supply amount to these multiple locations changes according to the operating conditions (required power generation amount, etc.), there is a system in which a plurality of air pumps are provided and the air supply amount to each location is controlled separately. If a plurality of air pumps are arranged and individually controlled, the size and the cost are increased, and the total efficiency of the fuel cell system is lowered.
そこで、1台のエアポンプに接続した空気配管を複数に分岐させて空気を供給することが検討されている。 Therefore, it has been studied to supply air by branching a plurality of air pipes connected to one air pump.
特許文献1,2,3に開示されるものでは、1台のエアポンプに接続した空気配管を複数に分岐し、分岐管毎に介装した流量調整弁によって複数個所への空気供給量を調整している。
しかし、要求発電量の変化に応じて改質部を加熱するためのバーナ及び、改質ガス中に残存するCOを選択的に酸化除去する選択酸化器と、前記燃料電池スタックのカソードが必要とする空気量は一律割合で増減するものではないため、それら全てに不足なく空気を供給しようとすると、エアポンプの出力を過剰に上げる必要があり、結果として燃料電池システムの総効率の低下を招く。
In those disclosed in
However, a burner for heating the reforming unit in accordance with a change in the required power generation amount, a selective oxidizer for selectively oxidizing and removing CO remaining in the reformed gas, and a cathode of the fuel cell stack are required. Since the amount of air to be supplied does not increase or decrease at a uniform rate, if air is to be supplied to all of them, it is necessary to excessively increase the output of the air pump, resulting in a decrease in the total efficiency of the fuel cell system.
そこで、特許文献2では、1台のエアポンプで精度よく空気の流量を調整するためにサージタンク及び複数の流量調整弁を備えているが、燃料電池システム全体が大型化し、エアポンプ及び各流量調整弁の制御負荷も過大になる。
特許文献3では、定常時は1台のエアポンプで燃料電池システムを動作させ、燃料蒸発部への供給空気量を補うために予備として第2のエアポンプを設けることで空気の供給の効率化を図っているが、システム全体が依然として大型化し、コスト高にもつく。
Therefore, in
In
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、コンパクトかつ低コストで、システム要求を満たすことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can meet system requirements in a compact and low-cost manner.
このため本発明は、
燃料電池システムにおいて、燃焼用燃料を燃焼して改質部を加熱するバーナ、改質ガス中に残存するCOを選択的に酸化してCO2に変える選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに空気を供給する空気供給装置を、1台のエアポンプと、該エアポンプに接続した空気供給管から分岐して、それぞれ前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
燃料電池スタックの要求発電量を満たしつつ、バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、前記改質部及び前記選択酸化器の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整可能なパラメータをフィードバック制御する制御手段を備えた構成とした。
For this reason, the present invention
In a fuel cell system, a burner that burns combustion fuel and heats the reforming section, a selective oxidizer that selectively oxidizes CO remaining in the reformed gas and converts it into CO2, and air at the cathode of the fuel cell stack The air supply device for supplying the air is configured to include one air pump and a branch pipe branched from the air supply pipe connected to the air pump to the burner, the selective oxidizer, and the cathode of the fuel cell stack. While
While satisfying the required power generation amount of the fuel cell stack, the air-fuel ratio of the combustion fuel and air supplied to the burner and the temperatures of the reforming unit and the selective oxidizer are maintained within the respective set ranges. In addition, a control means for performing feedback control of parameters capable of adjusting the air-fuel ratio and the temperatures is provided.
また、改質部及び選択酸化器の温度変化の追従性を考慮して、改質部温度及び選択酸化器の現在の温度と前回取得温度とを比較して各種パラメータの制御要否を判定する工程を更に備えた。 In addition, considering the followability of the temperature change of the reforming unit and the selective oxidizer, the current temperature of the reforming unit and the selective oxidizer is compared with the previous acquired temperature to determine whether it is necessary to control various parameters. A process was further provided.
1台のエアポンプと、空気供給箇所毎の精密な空気流量制御を要しない簡素な空気配管構成によってシステムのコンパクト化、コスト低減を図れると共に、要求発電量の変化に応じて変化する要求空気量を満たすようにエアポンプの出力を制御したときの各分岐管に供給される空気量の変化によって生じる前記バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比、改質部及び選択酸化器の燃焼,反応や温度の変化に対し、前記空燃比及び各部の温度を調整可能なパラメータを制御することにより、エアポンプ及び各調整弁の制御負荷を煩雑化させることなくそれぞれ設定域内に維持することができ、燃料電池システムの総効率を著しく損なうことなく要求発電量を維持することができる。 A single air pump and a simple air piping configuration that does not require precise air flow control at each air supply location can make the system compact and reduce costs, and the required air volume that changes according to changes in required power generation. An air-fuel ratio of combustion fuel and air supplied to the burner caused by a change in the amount of air supplied to each branch pipe when the output of the air pump is controlled to satisfy, combustion of the reforming unit and the selective oxidizer, By controlling the parameters that can adjust the air-fuel ratio and the temperature of each part in response to changes in reaction and temperature, the control load of the air pump and each regulating valve can be maintained within the set range without complicating, The required power generation amount can be maintained without significantly impairing the total efficiency of the fuel cell system.
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
水素製造用原燃料ポンプ1は、後述するように改質されて水素ガスを生成する元となる原燃料、例えば、灯油やメタノール等の液体燃料、天然ガス,メタンガス等の気体燃料など水素成分を含む燃料を水素製造装置2の改質部21に供給する。なお、原燃料が硫黄成分を含んでいる場合は脱硫装置を設け、該脱硫装置を介して原燃料から硫黄成分を除去した後、改質部21に供給する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
The
水素製造装置2は、前記改質部21と、変性器22及び選択酸化器23からなるCO除去部24と、を備えて構成される。
改質部21は、改質反応を促進する改質触媒を備え、前記原燃料ポンプ1からの原燃料と改質用水とが混合した状態で供給されつつ、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する。
The
The reforming
この改質反応は吸熱反応であるため、改質部21には、バーナ21aが一体に備えられ、該バーナ21aにバーナ燃焼用燃料ポンプ3から供給された燃焼用燃料を燃焼して、改質部21を加熱し、改質反応を促進する。該燃焼用燃料は、水素製造用原燃料と同一でもよいが、異なる燃料を使用してもよく、また、改質ガス生成後は後述する燃料電池スタックからの余剰のオフガスに切換え又はこれを併用してもよい。
Since this reforming reaction is an endothermic reaction, the
CO除去部24の変成器22は、前記改質部21を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する。
CO除去部24の選択酸化器23は、前記変成器22を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応によりさらに低減し、CO等の不純物を許容値以下まで低減した水素リッチな改質ガスとする。
The
The
このようにして水素製造装置2で得られた改質ガスが、固体高分子形燃料電池(以下PEFCという)スタック4のアノード4aに供給される。
また、改質部21及び選択酸化器23に冷却剤を供給して冷却する冷却剤ポンプ5が、設けられる。本実施形態では冷却剤として冷却水を使用し、CO除去部24(選択酸化器23,変成器22)及び改質部21を経由してこれらを冷却した後、改質部21内に改質用水として供給する。なお、廃熱を回収させた水を冷却剤として利用することもできる。
The reformed gas obtained by the
In addition, a
一方、前記バーナ21aには燃料を燃焼するため、選択酸化器23にはCOを酸化除去するため、PEFCスタック4のカソード4bには起電力を発生させるため、それぞれ酸化剤である空気が供給される。
ここで、本実施形態では、上記各部への空気供給系を以下のように構成する。
電動式のエアポンプ6を1台のみ設置し、該エアポンプ6の吐出口に接続した空気供給管60から3本に分岐して、それぞれバーナ21a、選択酸化器23及びPEFCスタック4のカソード4bに至る分岐管を設ける。
On the other hand, the
Here, in the present embodiment, the air supply system to each of the above parts is configured as follows.
Only one
本実施形態では、空気供給管60は、下流側でPEFCスタック4のカソード4bに至る分岐管61と、もう一方の分岐管62との2方に分岐し、その分岐点に流量分配弁7が装着され、該流量分配弁7により、これら分岐管61,62の空気量の分配比が調整される。前記分岐管62は、下流側でさらに、バーナ21aに至る分岐管63と、選択酸化器23に至る分岐管64とに分岐し、各分岐管63,64には、開口面積を縮小するオリフィスやキャピラリチューブ等の絞り63a,64aが介装される。絞り63a,64aの代わりに流量比例弁を用いてもよい。
In the present embodiment, the
なお、カソード4bへの空気供給を停止するパターンがあり(例えば、燃料電池スタックの起動時であって、燃料電池部への水素燃料供給を開始する前)、その場合は、流量分配弁7の分岐管61へ至る弁を閉じることができる。また、本実施形態では分岐管63,64にそれぞれ開閉弁63b,64bを介装し、これにより、バーナ21a,選択酸化器23への空気供給を独立して停止することもできる。上記絞り63a,64a、開閉弁63b,64b等は簡易的には省略することもできる。
There is a pattern in which the supply of air to the
エアポンプ6の出力(総空気供給量)と、流量分配弁7の分配比とは、制御部8からの制御信号によって制御され、これにより、3つの分岐管61,63,64の流量比、さらには、各分岐管61,63,64の流量が制御される。なお、図2に示すように、各分岐管61,63,64には該分岐管61,63,64内を流通する空気流量を検出する流量センサ10a,10b,10cを設けてもよい。
The output (total air supply amount) of the
センサ類としては、前記空気供給量を検出する流量センサ10a,10b,10c(図1では省略)の他、バーナ21aへの燃料供給配管に設けられて、バーナ21aへの燃料量を検出するバーナ燃料量センサ11,改質部21に設けられて改質部温度を検出する改質部温度センサ12,選択酸化器23に設けられて選択酸化器温度を検出する選択酸化器温度センサ13が設けられ、これらの検出値は制御部8に入力される。
As sensors, in addition to the
制御部8は、前記センサ類の検出値に基づいて、前記水素製造用原燃料ポンプ1及びバーナ燃焼用燃料ポンプ3の出力を制御して各燃料の供給量を制御すると共に、エアポンプ6の出力及び流量分配弁7の分配比を制御し、かつ、冷却剤ポンプ5の出力を制御して、冷却剤供給量を制御する。
図3、図4は、前記制御部8による上記燃料電池システムの各種制御フローを示す。
The
3 and 4 show various control flows of the fuel cell system by the
ステップS1では、各種パラメータの初期化を行う。具体的には、選択酸化器23の温度PT1をPT0とし、改質部21の温度RT1をRT0とし、エアポンプ6の出力補正係数αの初期値α0を1とする。
ステップS2では、エアポンプ6の出力補正係数αを初期値α0(=1)にセットする。
In step S1, various parameters are initialized. Specifically, the temperature PT1 of the
In step S2, the output correction coefficient α of the
ステップS3では、PEFCスタック4の要求発電量に応じたエアポンプ6の基本出力MV0を算出する。具体的には、要求発電量に応じてPEFCスタックでの反応に必要な空気量(酸素量)が定まり、かつ、カソードに供給される空気の利用率(=PEFCスタックで反応した酸素量/カソードへの供給酸素量×100)が所定値以内に収まるように、カソードに供給される空気量が算出される。同じく要求発電量に応じた改質部でのバーナ21aによる加熱量に見合ったバーナ21aへの空気量、選択酸化器23での反応に見合った空気量が算出され、これら3箇所への要求空気量を合計した総空気量を得るためのエアポンプ6の基本出力MV0を算出する。予め、要求発電量毎に基本出力MV0を算出してマップを作成し、要求発電量に応じて該マップから基本出力MV0を検索する方式としてもよい。
In step S3, the basic output MV0 of the
ステップS4では、要求発電量に基づいて流量分配弁7の分配比を算出してセットする。これも、上記要求発電量に応じたカソードへの供給空気量と、バーナ21aへの供給空気量に選択酸化器23への供給空気量を合わせた供給空気量と、の比に応じた分配比として算出される。
ステップS5では、エアポンプ6の前記基本出力MV0に、出力補正係数αを乗じて出力MVを確定する。出力補正係数αは、初期値α0(=1)に対し、後述するように調整によって変化する変数であるが、初期値α0(=1)以上に維持される。
In step S4, the distribution ratio of the
In step S5, the basic output MV0 of the
ここで、前記要求発電量が変化して、各設定値が変化したときには、これに応じて本システムの各種状態量が変化する。
そこで、ステップS6で一定時間の経過を待った後、ステップS7以降へ進んで、各種状態量を検出しつつ、制御パラメータを調整して制御する。
ステップS7では、選択酸化器23へ供給されている実空気量PAを算出する。これは、上述したようにエアポンプ6の出力(総空気供給量)と、流量分配弁7の分配比や絞り64aとに基づいて算出することができる。または、図2のように分岐管64に空気流量センサ10cを設ける場合には、該空気流量センサ10cによって検出することができる。
Here, when the required power generation amount changes and each set value changes, various state amounts of the present system change accordingly.
Therefore, after waiting for the elapse of a predetermined time in step S6, the process proceeds to step S7 and subsequent steps, and control is performed by adjusting control parameters while detecting various state quantities.
In step S7, the actual air amount PA supplied to the
ステップS8では、前記実空気量PAが下限値PAminを下回っているかを判定する。ここで、PEFCスタック4に供給される水素ガス中に残存するCO濃度が許容値を超えるとPEFCスタック4の反応が損なわれて必要な発電量を得られなくなってしまう。そこで、前記下限値PAminは、選択酸化器23での空気による酸化反応によってCO濃度を許容値以下に低減させて安定した発電能力を確保できる値に設定されている。
In step S8, it is determined whether the actual air amount PA is below a lower limit PAmin. Here, if the concentration of CO remaining in the hydrogen gas supplied to the
ステップS8で、実空気量PAが下限値PAmin以上と判定されたときは、ステップS10へ進むが、PAがPAminを下回っていると判定されたときは、出力補正係数αを増加させることにより、ステップS9でエアポンプ6の出力を1ステップ増加させた後、ステップS7へ戻り、PAがPAmin以上となるまで繰り返す。なお、ステップS9で、更新されたαの値を随時取得(記憶)しておく。この下限値PAmin以上に維持する制御は、要求発電量を満たすための制御である。
If it is determined in step S8 that the actual air amount PA is equal to or greater than the lower limit value PAmin, the process proceeds to step S10. If it is determined that PA is less than PAmin, the output correction coefficient α is increased. After the output of the
実空気量PAが下限値PAmin以上に維持されてステップS10に進むと、バーナ21aへ供給される燃料と空気との空燃比BAを算出する。これは、上記実空気量PAの算出と同様、エアポンプ6の出力(総空気供給量)と、流量分配弁7の分配比や絞り63aとに基づいて算出される空気量と、バーナ燃料量センサ11で検出されたバーナ21aへの燃料量との比によって算出する。または、図2のように分岐管63に空気流量センサ10bを設ける場合には、該空気流量10bセンサによって検出される空気量と、バーナ燃料量センサ11で検出されたバーナ21aへの燃料量との比によって算出することができる。
When the actual air amount PA is maintained at the lower limit PAmin or more and the process proceeds to step S10, the air-fuel ratio BA between the fuel and air supplied to the
ステップS11では、バーナ21aへの混合気の空燃比BAの大きさを判定し、空燃比BAが許容下限値BAminより小のときは、ステップS12でバーナ21aへの燃料量を1ステップ減少した後ステップS10へ戻り、BAが許容上限値BAmaxより大のときはステップS13でバーナ21aへの燃料量を1ステップ増大した後ステップS10へ戻り、それぞれ、BAmin≦BA≦BAmaxの範囲に収まるまで繰り返す。
In step S11, the magnitude of the air-fuel ratio BA of the air-fuel mixture to the
そして、ステップS11で、初めから又はステップS12若しくはステップS13を介してBAmin≦BA≦BAmaxと判定されると、ステップS14へ進む。
なお、ステップS9,12,13におけるループ時間は十分短い設定としてあるので、速やかにPA<PAmin及びBAmin≦BA≦BAmaxとすることができるが、目標値と検出値との偏差に基づいて演算したステップ量を与えるようにしてもよい。
If it is determined in step S11 that BAmin ≦ BA ≦ BAmax from the beginning or via step S12 or step S13, the process proceeds to step S14.
The loop times in steps S9, 12, and 13 are set to be sufficiently short, so that PA <PAmin and BAmin ≦ BA ≦ BAmax can be quickly set, but the calculation is performed based on the deviation between the target value and the detected value. A step amount may be given.
ステップS14では、選択酸化器温度センサ13によって検出された選択酸化器23の温度PT2を読み込む。
ステップS15では、選択酸化器23の温度PT2の大きさを判定する。そして、温度PT2が許容下限値PTminより小であると判定されたときはステップS16へ進み、今回検出された温度PT2が前回検出された温度PT1より小であるかを判定する。
In step S14, the temperature PT2 of the
In step S15, the temperature PT2 of the
そして、PT2<PT1と判定されたときは、温度PTが減少中であるので、ステップS17で冷却剤ポンプ5の出力を減少して選択酸化器23への冷却剤(冷却水)量を1ステップ減少してからステップS18へ進む。しかし、PT2≧PT1と判定されたときは、温度PTが上昇中であり前回の冷却剤減少による効果が現れているなどが考えられるので、冷却剤を減少することなく、ステップS18へ進む。
When it is determined that PT2 <PT1, since the temperature PT is decreasing, the output of the
ステップS18では、改質部温度センサ12によって検出された改質部21の温度RT2を読み込む。
ステップS19では、改質部21の温度RT2が許容温度RTminより小であるかを判定し、小のときはステップS20へ進み、選択酸化器23の温度P2の場合と同様、RT2が前回検出値RT1以上で温度上昇中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、RT2がRT1より小と判定されたときは温度RTが減少中であるので、ステップS21へ進んで温度上昇処理を行う。
In step S18, the temperature RT2 of the reforming
In step S19, it is determined whether or not the temperature RT2 of the reforming
ステップS21では、以下の少なくとも1つの改質部21の温度上昇処理を行う。1つは、エアポンプ6出力を1ステップ増大してバーナ21aへの空気量を増大し、かつ、バーナ21aへの燃料量を1ステップ増大する。これにより、バーナ21aの空燃比BAを適正な値に保持しながら、バーナによる加熱量が改質反応による吸熱量を上回るように加熱量を増大させることにより、改質部21の温度を上昇させることができる。もう1つは、改質部21への改質燃料量を1ステップ減少する。改質反応は吸熱反応であるので、改質燃料量を減少することにより吸熱反応が抑制される結果、バーナによる加熱量が改質反応による吸熱量を上回り、改質部21の温度を上昇させることができる。
In step S21, the temperature increase process of at least one reforming
例えば、改質用燃料量が発電要求量を満たすことができる水素を製造するための必要最小限値(基準値)である場合は、エアポンプの出力及びバーナへの燃料量を増大させる制御を主として行うことにより、要求発電量に影響を及ぼすことなく改質部温度を上昇させることができる。
あるいは、バーナ加熱量を増大させ、かつ、改質用燃料量を減少させることにより、過剰にエアポンプの出力を上げることなく改質部の温度をより早く上昇させることができる。
For example, when the amount of fuel for reforming is the minimum necessary value (reference value) for producing hydrogen capable of satisfying the power generation requirement, the control mainly increases the output of the air pump and the amount of fuel to the burner. By doing so, the reforming section temperature can be raised without affecting the required power generation amount.
Alternatively, by increasing the burner heating amount and reducing the reforming fuel amount, the temperature of the reforming section can be increased more quickly without excessively increasing the output of the air pump.
ステップS15に戻って、選択酸化器23の温度PT2が許容上限値PTmaxより大であると判定されたときはステップS22へ進み、温度PT2が前回検出温度PT1より大であるかを判定する。
そして、PT2>PT1と判定されたときは、温度PTが上昇中であるので、ステップS23で冷却剤ポンプ5の出力を増大して選択酸化器23への冷却剤(冷却水)量を1ステップ増大させるが、PT2≦PT1と判定されたときは、温度PTが減少中であり前回の冷却剤増大による効果が現れ始めていると考えられるので、冷却剤を増大することなく、ステップS31へ進む。
Returning to step S15, when it is determined that the temperature PT2 of the
When it is determined that PT2> PT1, since the temperature PT is increasing, the output of the
また、ステップS15において、温度PT2が初めから、又は、上記冷却剤の増減によって、PTmin≦PT≦PTmaxの範囲にあると判定されたときは、PTが適正範囲にあるので、冷却剤を増減することなくステップS24へ進み、改質部21の温度RT2を読み込む。
ステップS25で温度RT2の大きさを判定し、温度RT2が許容下限温度RTminより小のときはステップS19以降へ進み、既述したようにRT2がRT1以上で温度上昇中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、RT2がRT1より小で温度RTが減少中と判定された場合は、ステップS21へ進み、上記の改質部21の温度上昇処理を行う。
In step S15, when it is determined that the temperature PT2 is within the range of PTmin ≦ PT ≦ PTmax from the beginning or due to the increase or decrease of the coolant, the coolant is increased or decreased because PT is within the appropriate range. Without proceeding to step S24, the temperature RT2 of the reforming
In step S25, the magnitude of the temperature RT2 is determined. When the temperature RT2 is smaller than the allowable lower limit temperature RTmin, the process proceeds to step S19 and after. If it is determined that the temperature is rising above RT1 as described above, Although the state is seen as it is, if it is determined that RT2 is lower than RT1 and the temperature RT is decreasing, the process proceeds to step S21, and the temperature increasing process of the reforming
また、ステップS25で、温度RT2が許容上限温度RTmaxより大と判定されたときはステップS26へ進み、RT2が前回値RT1以下で温度減少中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、RT2がRT1より大で温度RTが増大中と判定された場合は、ステップS27へ進み、改質部21の温度下降処理を行う。該温度下降処理は、ステップS21とは、逆の処理を行う。即ち、エアポンプ6出力を1ステップ減少してバーナ21aへの空気量を減少させ、かつ、バーナ21aへの燃料量を1ステップ減少してバーナ21aの空燃比BAを適正な値に保持しながら、加熱量を減少させて改質部21の温度を下降させるか、または、改質部21への改質燃料量を1ステップ増大することにより吸熱反応を促進させ、改質部21の温度を下降させるかの少なくとも一方の処理を実行する。
If it is determined in step S25 that the temperature RT2 is higher than the allowable upper limit temperature RTmax, the process proceeds to step S26. If it is determined that RT2 is equal to or lower than the previous value RT1 and the temperature is decreasing, the process is continued. Is greater than RT1 and it is determined that the temperature RT is increasing, the process proceeds to step S27, and the temperature lowering process of the reforming
例えば、エアポンプの出力が発電要求量を満たすことができる必要最小限値(基準値)である場合は、改質燃料量を1ステップ増大させる制御を主として行うことにより、要求発電量を維持したまま改質部の温度を降下させることができる。
あるいは、バーナ加熱量を減少させ、かつ、改質燃料量を増大することにより改質部の温度をより早く降下させることができる。
For example, when the output of the air pump is a necessary minimum value (reference value) that can satisfy the required power generation amount, the required power generation amount is maintained by mainly performing control to increase the reformed fuel amount by one step. The temperature of the reforming section can be lowered.
Alternatively, the temperature of the reforming section can be lowered more quickly by decreasing the burner heating amount and increasing the reformed fuel amount.
ステップS25で、温度RT2が初めから、又は、上記温度の増減処理によってRTmin≦RT2≦RTmaxの範囲にあると判定されたときは、ステップS28へ進み、エアポンプ6の出力補正係数αがα0(=1)より大きいかを判定し、大きいと判定されたときは、ステップS29へ進んで出力補正係数αを減少してエアポンプの出力を1ステップ減少させて1に近づける。
If it is determined in step S25 that the temperature RT2 is within the range of RTmin ≦ RT2 ≦ RTmax from the beginning or by the temperature increasing / decreasing process, the process proceeds to step S28, where the output correction coefficient α of the
次いで、ステップS30でバーナ21aへの燃料量,改質部21への改質燃料量について、それぞれ基準値を超えている場合は、1ステップ減少させて基準値へ近づけて必要最小限の供給量に節減する処理を行った後、ステップS31へ進む。
これにより、必要最低限のエアポンプ出力で燃料電池システムをバランスさせることでエアポンプの消費電力を減らし、またバーナ燃料及び改質燃料を基準値に近づけることにより、燃料電池システムの総効率を高めることができる。
Next, in step S30, if the fuel amount to the
This reduces the power consumption of the air pump by balancing the fuel cell system with the minimum required air pump output, and increases the total efficiency of the fuel cell system by bringing the burner fuel and reformed fuel closer to the reference value. it can.
ステップS28でαがα0より大きくないとき、つまり、α≒α0(=1)であると判定されたときは、ステップS29,30を経由することなく、ステップS31へ進む。
以上のステップで各種調整を経た後、ステップS31で今回値PT2、RT2を、次回の前回値PT1,RT1とする処理を行い、ステップS33で燃料電池システムの運転停止要求の有無を判定し、停止要求があれば本制御を停止して運転を停止させるが、停止要求が無ければ、ステップS3へ戻って本制御を継続する。
When α is not larger than α0 in step S28, that is, when it is determined that α≈α0 (= 1), the process proceeds to step S31 without going through steps S29 and S30.
After various adjustments in the above steps, the current values PT2 and RT2 are changed to the next previous values PT1 and RT1 in step S31, and in step S33, it is determined whether or not there is a request to stop the operation of the fuel cell system. If there is a request, this control is stopped and the operation is stopped. If there is no stop request, the process returns to step S3 and this control is continued.
なお、改質部温度RTと選択酸化器温度PTとの状態は同一傾向であり、一方を冷却したときに他方を温度上昇させてしまうような、相反する制御が行われないようにRTminやRTmaxを設定する等の工夫がしてある。
本実施形態では、上述したように、要求発電量に応じて、まず、PEFCスタック4のカソード4bへ供給される空気量と、バーナ21a及び選択酸化器23に供給する空気量とを、これらを合計した総空気量を供給するようにエアポンプ6の出力を制御しつつ、流量分配弁7の分配比を制御して流量を分配する初期制御を行う。そして、かかる初期制御によって生じるバーナ21aの空燃比のずれ、改質部21および選択酸化器23の各温度のずれを、それぞれ調整可能なパラメータを制御することによって発電を行う。制御手段としてはフィードバック制御が挙げられ、さらに具体的にはPID制御によって実現することができる。
It should be noted that the reforming part temperature RT and the selective oxidizer temperature PT are in the same tendency, and RTmin and RTmax are controlled so as not to perform contradictory control such that when one is cooled, the other temperature is increased. It has been devised such as setting.
In the present embodiment, as described above, according to the required power generation amount, first, the amount of air supplied to the
以上の制御により、1台のエアポンプと、空気供給箇所毎の精密な空気流量制御を要しない簡素な空気配管構成によってシステムのコンパクト化、コスト低減を図ることができ、要求発電量を満たすように各部への要求空気量を確保しつつ、バーナ21aの空燃比及び、選択酸化器23及び改質部21の各温度を適正な設定域内に収めることができ、かつ、エアポンプ6からの空気量、バーナ21aへの燃焼用燃料量、改質部21への改質用燃料量を必要最小限としてランニングコストを低減することができる。
With the above control, a single air pump and a simple air piping configuration that does not require precise air flow control at each air supply location can reduce the system size and reduce costs, and meet the required power generation amount. The air-fuel ratio of the
また、改質部及び選択酸化器の現在の温度と前回取得温度とを比較して各種パラメータの制御要否を判定することにより、温度変化の追従遅れを考慮したエアポンプの制御が可能になり、エアポンプの頻繁な出力増減を軽減することができ、エアポンプの長寿命化につながる。
尚、上記実施形態では、各分岐管の空気流量をより適正値に分配できるよう、流量分配弁7及び絞り弁63a,64aを設けたが、より、簡易には、流量分配弁7や絞り弁63a,64aを省略することも可能である。この場合、各パラメータの調整量を大きくすることで、要求発電量の変化によるバーナ21aの空燃比の変化、改質部21及び選択酸化器23の各温度の調整を行うことができる。
In addition, by comparing the current temperature of the reforming unit and the selective oxidizer and the previous acquired temperature to determine whether it is necessary to control various parameters, it becomes possible to control the air pump in consideration of the follow-up delay of the temperature change, The frequent increase and decrease of the output of the air pump can be reduced, leading to a longer life of the air pump.
In the above embodiment, the
また、冷却剤の改質部への供給系を、選択酸化器への供給系とは独立して設ける構成とすることで、改質部温度の調整を、冷却剤(冷却水)量の増減によって調整することも可能であり、選択酸化器温度への影響を与えることなく冷却剤量の増減によって改質部の温度調整を行うことができる。
以上の制御においては、選択酸化器23における酸化不足の影響を重視して選択酸化器23への空気量確保を先行して行ったが、他のバーナ21aの空燃比PA,選択酸化器23の温度PT、改質部21の温度RTの制御の順序は、本実施形態に限定されるものではなく任意に変更してよい。
In addition, by providing a system for supplying the coolant to the reforming unit independently of the system for supplying to the selective oxidizer, the temperature of the reforming unit can be adjusted to increase or decrease the amount of coolant (cooling water). Therefore, the temperature of the reforming section can be adjusted by increasing or decreasing the amount of the coolant without affecting the selective oxidizer temperature.
In the above control, the effect of insufficient oxidation in the
1…水素製造用原燃料ポンプ
2…水素製造装置
3…バーナ燃焼用燃料ポンプ
4…PEFCスタック
5…冷却剤ポンプ
6…エアポンプ
7…流量分配弁
8…制御部
11…バーナ燃料量センサ
12…改質部温度センサ
13…選択酸化器温度センサ
21…改質部
22…変成器
23…選択酸化器
24…CO除去部
60…空気供給管
61,62,63,64…分岐管
63a,64a…絞り
63b,64b…開閉弁
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記水素製造装置によって製造された改質ガスをアノードに導入し、空気をカソードに導入して起電力を発生する燃料電池スタックと、
前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに空気を供給する空気供給装置と、
を含む燃料電池システムであって、
前記空気供給装置を、1台のエアポンプと、該エアポンプに接続した空気供給管から分岐して、それぞれ前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
前記燃料電池スタックの要求発電量を満たしつつ、前記バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、前記改質部及び前記選択酸化器の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整可能なパラメータをフィードバック制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A reformer that generates hydrogen-rich reformed gas by reforming while heating the raw fuel for hydrogen production by a burner that burns the fuel for combustion, and selectively oxidizing CO remaining in the reformed gas A hydrogen removal device including a CO removal unit including a selective oxidizer for changing to CO2.
A fuel cell stack that introduces the reformed gas produced by the hydrogen production apparatus into the anode and introduces air into the cathode to generate an electromotive force;
An air supply device for supplying air to the burner, the selective oxidizer, and the cathode of the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising:
The air supply device includes one air pump and a branch pipe branched from the air supply pipe connected to the air pump and reaching the burner, the selective oxidizer, and the cathode of the fuel cell stack, respectively. ,
While satisfying the required power generation amount of the fuel cell stack, the air-fuel ratio of the combustion fuel and air supplied to the burner and the temperatures of the reforming unit and the selective oxidizer are maintained within the respective set ranges. Thus, a fuel cell system comprising control means for feedback-controlling a parameter capable of adjusting the air-fuel ratio and each temperature.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009264598A JP5520013B2 (en) | 2009-11-20 | 2009-11-20 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009264598A JP5520013B2 (en) | 2009-11-20 | 2009-11-20 | Fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011108562A true JP2011108562A (en) | 2011-06-02 |
JP5520013B2 JP5520013B2 (en) | 2014-06-11 |
Family
ID=44231808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009264598A Expired - Fee Related JP5520013B2 (en) | 2009-11-20 | 2009-11-20 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5520013B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013027960A2 (en) * | 2011-08-25 | 2013-02-28 | 주식회사 효성 | Gaseous fuel supplying apparatus of a fuel cell system, and a fuel cell system including same |
Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001165431A (en) * | 1999-12-02 | 2001-06-22 | Osaka Gas Co Ltd | Apparatus for controlling air-fuel ratio of reformer for fuel cell |
JP2002047002A (en) * | 2000-08-02 | 2002-02-12 | Toyota Motor Corp | Fuel reformer and method of manufacturing hydrogen |
JP2002056873A (en) * | 2000-08-10 | 2002-02-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Fuel cell device and method of operating the same |
JP2002063926A (en) * | 2000-08-22 | 2002-02-28 | Osaka Gas Co Ltd | Operating method of solid polymer fuel cell |
JP2002170585A (en) * | 2000-12-04 | 2002-06-14 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel battery device |
JP2003068346A (en) * | 2001-08-24 | 2003-03-07 | Nissan Motor Co Ltd | Reformer of fuel cell |
JP2003229157A (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-15 | Nissan Motor Co Ltd | Control device of reformed type fuel cell system |
JP2003288934A (en) * | 2002-01-23 | 2003-10-10 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel reforming device for fuel cell |
JP2003313003A (en) * | 2002-04-18 | 2003-11-06 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel reforming system and warm-up apparatus |
JP2006196203A (en) * | 2005-01-11 | 2006-07-27 | Casio Comput Co Ltd | Power supply system and control unit of power supply system, and control method of power supply system |
JP2008016399A (en) * | 2006-07-10 | 2008-01-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2008303134A (en) * | 2007-05-10 | 2008-12-18 | Nippon Oil Corp | Hydrogen production apparatus and method for shutting down the same |
-
2009
- 2009-11-20 JP JP2009264598A patent/JP5520013B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001165431A (en) * | 1999-12-02 | 2001-06-22 | Osaka Gas Co Ltd | Apparatus for controlling air-fuel ratio of reformer for fuel cell |
JP2002047002A (en) * | 2000-08-02 | 2002-02-12 | Toyota Motor Corp | Fuel reformer and method of manufacturing hydrogen |
JP2002056873A (en) * | 2000-08-10 | 2002-02-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Fuel cell device and method of operating the same |
JP2002063926A (en) * | 2000-08-22 | 2002-02-28 | Osaka Gas Co Ltd | Operating method of solid polymer fuel cell |
JP2002170585A (en) * | 2000-12-04 | 2002-06-14 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel battery device |
JP2003068346A (en) * | 2001-08-24 | 2003-03-07 | Nissan Motor Co Ltd | Reformer of fuel cell |
JP2003288934A (en) * | 2002-01-23 | 2003-10-10 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel reforming device for fuel cell |
JP2003229157A (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-15 | Nissan Motor Co Ltd | Control device of reformed type fuel cell system |
JP2003313003A (en) * | 2002-04-18 | 2003-11-06 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel reforming system and warm-up apparatus |
JP2006196203A (en) * | 2005-01-11 | 2006-07-27 | Casio Comput Co Ltd | Power supply system and control unit of power supply system, and control method of power supply system |
JP2008016399A (en) * | 2006-07-10 | 2008-01-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2008303134A (en) * | 2007-05-10 | 2008-12-18 | Nippon Oil Corp | Hydrogen production apparatus and method for shutting down the same |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013027960A2 (en) * | 2011-08-25 | 2013-02-28 | 주식회사 효성 | Gaseous fuel supplying apparatus of a fuel cell system, and a fuel cell system including same |
WO2013027960A3 (en) * | 2011-08-25 | 2013-04-18 | 주식회사 효성 | Gaseous fuel supplying apparatus of a fuel cell system, and a fuel cell system including same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5520013B2 (en) | 2014-06-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101199133B1 (en) | Fuel Cell System and Operation Method thereof | |
EP2215681B1 (en) | Solid electrolyte fuel cell system | |
KR20040094807A (en) | Fuel cell system and its control method | |
JP5292173B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2009081052A (en) | Solid oxide fuel cell power generation system and operation control method of solid oxide fuel cell power generation system | |
JPH07296834A (en) | Fuel cell power plant and operating method for reformer of plant | |
JP2004047438A (en) | Operation control method of fuel cell generator | |
JP5520013B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2015041443A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP2014082062A (en) | Fuel cell power generation device and operation method thereof | |
JP2004178990A (en) | Oxidant flow rate control method of fuel cell system | |
JP4337546B2 (en) | Raw fuel control device and raw fuel control method | |
JP6500997B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP2004196611A (en) | Fuel reforming apparatus and fuel cell system | |
JP2007200771A (en) | Reforming catalyst temperature control system and control method of fuel cell power generator | |
JP7116651B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP2004296235A (en) | Reforming device for fuel cell | |
JP5467334B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5487703B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4622244B2 (en) | Operation control method of fuel cell power generator | |
JP2009117170A (en) | Hydrogen and power generating system, and load following power generation method therein | |
JP4135243B2 (en) | Control device for reformer | |
JPH06349510A (en) | Temperature control device for fuel reformer for fuel cell | |
JP5394324B2 (en) | Control device, fuel cell system, control method, and control method of fuel cell system | |
JP2006073215A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120524 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20130522 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20130522 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130612 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130815 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130820 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131018 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140107 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140218 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140311 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140404 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5520013 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |