JP2020009723A - Fuel battery system and control method of the fuel battery system - Google Patents

Fuel battery system and control method of the fuel battery system Download PDF

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Abstract

To enable supplying of a heat amount to be required for an evaporation independent of a load of a fuel battery to an evaporator.SOLUTION: A fuel battery system S comprises: a fuel battery stack 1; a combustor 4 that makes a residual combustion in an off gas of the fuel battery stack 1 to be combustion; an evaporator 4 to which a raw fuel of the fuel battery is connected so as to be heated by a heat quantity held by a fuel gas of the residual combustion to the combustor 4; and a controller 101 that controls a supply of the raw fuel and an oxidant gas to the fuel battery system S. As a requirement flow amount of a flow amount of the raw fuel in accordance with a request output P of the fuel battery stack 1, in a fuel excess rate η as a ratio of an actual flow amount to the requirement flow amount of the raw fuel, the control is made to the fuel excess rate η when an exhaust heat flow is A, a thermal conversion efficiency in the evaporator is B, a fuel evaporation heat flow is C so as to satisfy the following equation of A×B/C>1.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、原燃料を蒸発させる蒸発器を備える燃料電池システムおよびその制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including an evaporator for evaporating raw fuel and a control method thereof.

特許文献1には、原燃料を燃料電池への供給前に蒸発させるための蒸発器ないし気化器を備えるものとして、メタノールまたはガソリン等の炭化水素系燃料を原燃料とする次のような燃料電池システムが開示されている。燃料電池から排出されるオフガス中の残燃料を燃焼器で燃焼させ、これにより得られた燃焼ガスを蒸発器に供給することで、燃焼ガスとの熱交換により原燃料を加熱し、蒸発させるものである。   Patent Literature 1 discloses a fuel cell including a hydrocarbon-based fuel such as methanol or gasoline as a raw fuel, which includes an evaporator or a vaporizer for evaporating the raw fuel before supplying the fuel to the fuel cell. A system is disclosed. Combustion of residual fuel in off-gas discharged from a fuel cell in a combustor and supply of the resulting combustion gas to an evaporator to heat and evaporate the raw fuel by heat exchange with the combustion gas It is.

特開2003−197236号公報(段落0016)JP 2003-197236 A (paragraph 0016)

ここで、燃料電池の負荷の変化、特に負荷の低下に対し、原燃料および酸化剤ガスの流量を一定の割合で減少させる場合は、蒸発器に供給される燃焼ガスが有する熱量に不足が生じ、原燃料を充分に蒸発させることができなくなるという問題がある。原燃料の蒸発が不充分になると、蒸発器の下流側に備わる改質器に原燃料が液体の状態のまま供給されたり、燃料電池に未改質のガスが供給されたりして、改質器または燃料電池、特に改質器等に備わる触媒に劣化を生じさせてしまう。   Here, when the flow rates of the raw fuel and the oxidizing gas are reduced at a fixed rate in response to a change in the load of the fuel cell, particularly a decrease in the load, the amount of heat of the combustion gas supplied to the evaporator becomes insufficient. However, there is a problem that the raw fuel cannot be sufficiently evaporated. When the evaporation of the raw fuel becomes insufficient, the raw fuel is supplied in a liquid state to a reformer provided downstream of the evaporator, or an unreformed gas is supplied to the fuel cell, and the reforming is performed. This causes deterioration of a catalyst provided in a reactor or a fuel cell, particularly a reformer.

本発明は、蒸発器に対し、燃料電池の負荷によらず原燃料の蒸発に必要な熱量の供給を可能として、蒸発器を適切に動作させることのできる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a fuel cell system capable of supplying an amount of heat required for evaporation of raw fuel to an evaporator irrespective of the load of the fuel cell, and appropriately operating the evaporator, and a control method thereof. The purpose is to:

本発明の一形態では、燃料電池と、燃料電池のアノード排出通路およびカソード排出通路に接続され、燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させる燃焼器と、燃料電池の原燃料を蒸発させる蒸発器であって、燃焼器に対し、残燃料の燃焼ガスが有する熱量により原燃料を加熱可能に接続された蒸発器と、蒸発器に原燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料供給装置および酸化剤ガス供給装置を制御する供給制御部と、を備える燃料電池システムが提供される。本形態において、供給制御部は、燃料電池の要求出力に応じた原燃料の流量を必要流量として、燃料電池の負荷の低下に対し、原燃料の必要流量に対する実際の流量の比である燃料過剰率を、蒸発器の入口側で燃焼ガスが有する排気熱流をAとし、蒸発器における原燃料と燃焼ガスとの熱交換効率をBとし、蒸発器における原燃料の蒸発に要する燃料蒸発熱流をCとして、A×B/C>1となる燃料過剰率に制御する。   According to one embodiment of the present invention, a fuel cell, a combustor connected to an anode exhaust passage and a cathode exhaust passage of the fuel cell, for burning remaining fuel in off-gas of the fuel cell, and an evaporator for evaporating raw fuel for the fuel cell An evaporator connected to the combustor so as to be able to heat the raw fuel by the amount of heat of the remaining fuel combustion gas, a fuel supply device for supplying the raw fuel to the evaporator, and an oxidizing gas supplied to the fuel cell. A fuel cell system is provided that includes an oxidizing gas supply device that supplies the fuel gas and a supply control unit that controls the fuel supply device and the oxidizing gas supply device. In the present embodiment, the supply control unit sets the flow rate of the raw fuel according to the required output of the fuel cell as a required flow rate, and sets The rate is assumed to be A, the exhaust heat flow of the combustion gas at the inlet side of the evaporator, the heat exchange efficiency between the raw fuel and the combustion gas in the evaporator as B, and the fuel evaporation heat flow required for the evaporation of the raw fuel in the evaporator as C. To control the excess fuel ratio so that A × B / C> 1.

他の形態では、燃料電池システムの制御方法が提供される。   In another aspect, a method for controlling a fuel cell system is provided.

本発明によれば、蒸発器に対し、燃料電池の負荷によらず、原燃料の消費を極力抑えながら原燃料の蒸発に必要な熱量を供給することが可能となり、蒸発器を適切に動作させることができる。原燃料に付与される熱量が確保されることから、エタノール水溶液等、比較的に蒸発させ難い性質のものを原燃料とする場合に、特に有効である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to supply the calorie | heat amount required for evaporation of a raw fuel to an evaporator regardless of the load of a fuel cell, minimizing consumption of a raw fuel, and operate an evaporator appropriately. be able to. Since the amount of heat applied to the raw fuel is ensured, it is particularly effective when the raw fuel is relatively hard to evaporate, such as an aqueous ethanol solution.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention. 図2は、同上実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an operation at the time of startup of the fuel cell system according to the embodiment. 図3は、同上実施形態に係る燃料電池システムの通常時における動作を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an operation of the fuel cell system according to the embodiment in a normal state. 図4は、同上実施形態に係る燃料電池システムの通常時における動作の他の例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing another example of the operation of the fuel cell system according to the embodiment in a normal state. 図5は、燃料電池の出力に対する熱流比(=排気熱流/燃料蒸発熱流)の変化を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a change in the heat flow ratio (= exhaust heat flow / fuel evaporation heat flow) with respect to the output of the fuel cell. 図6は、燃料電池システムの部位に応じた熱流の関係を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship of the heat flow according to the parts of the fuel cell system. 図7は、燃料電池システムの低負荷運転時における発電制御の流れを示すフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart showing the flow of power generation control during low-load operation of the fuel cell system. 図8は、同上発電制御における目標空気過剰率設定処理の具体的な内容を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing specific contents of a target excess air ratio setting process in the power generation control. 図9は、燃料電池システムの放熱量(システム放熱量)の設定傾向を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing a setting tendency of the heat radiation amount (system heat radiation amount) of the fuel cell system. 図10は、外気温に関する燃料過剰率補正値の設定傾向を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a setting tendency of the excess fuel ratio correction value regarding the outside air temperature. 図11は、大気圧に関する燃料過剰率補正値の設定傾向を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a setting tendency of the excess fuel ratio correction value with respect to the atmospheric pressure. 図12は、燃料過剰率に基づく酸化剤ガス流量の設定傾向を示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram showing a setting tendency of the oxidizing gas flow rate based on the excess fuel ratio.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(燃料電池システムの全体構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムSの構成を概略的に示している。
(Overall configuration of fuel cell system)
FIG. 1 schematically shows a configuration of a fuel cell system S according to an embodiment of the present invention.

本実施形態に係る燃料電池システム(以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある)Sは、燃料電池スタック1と、燃料処理部21〜23と、酸化剤ガス加熱部3と、燃焼器4と、コントローラ101と、を備える。   The fuel cell system S according to the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as “fuel cell system” or simply “system”) S includes a fuel cell stack 1, fuel processing units 21 to 23, and an oxidizing gas heating unit 3. , A combustor 4 and a controller 101.

燃料電池スタック(以下、単に「スタック」という場合がある)1は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。   A fuel cell stack (hereinafter sometimes simply referred to as a “stack”) 1 is configured by stacking a plurality of fuel cells or fuel cell unit cells, and each fuel cell as a power generation source is, for example, a solid oxide type. It is a fuel cell (SOFC).

燃料処理部21〜23は、一次燃料である原燃料を処理し、燃料電池での発電反応に用いられる燃料ガスに変換する。燃料処理部21〜23は、アノード供給通路11に介装され、原燃料の供給を受ける。本実施形態において、原燃料は、含酸素燃料と水との混合物であり、アノード供給通路11に接続された燃料タンク7に貯蔵されている。本実施形態に適用可能な原燃料として、エタノールと水との混合物(つまり、エタノール水溶液)を例示することができ、その場合の燃料ガスは、エタノールの改質により得られる水素である。   The fuel processing units 21 to 23 process raw fuel as a primary fuel and convert it into fuel gas used for a power generation reaction in a fuel cell. The fuel processing units 21 to 23 are interposed in the anode supply passage 11 and receive supply of raw fuel. In the present embodiment, the raw fuel is a mixture of the oxygen-containing fuel and water, and is stored in the fuel tank 7 connected to the anode supply passage 11. As a raw fuel applicable to the present embodiment, a mixture of ethanol and water (that is, an aqueous ethanol solution) can be exemplified. In that case, the fuel gas is hydrogen obtained by reforming ethanol.

酸化剤ガス加熱部3は、酸化剤ガスを燃料電池スタック1への供給前に加熱する。酸化剤ガス加熱部3は、カソード供給通路12に介装され、酸化剤ガスの供給を受ける。酸化剤ガスは、例えば、空気であり、大気中の空気を燃料電池のカソード極に供給することで、発電反応に用いられる酸素をカソード極に供給することが可能である。   The oxidizing gas heating unit 3 heats the oxidizing gas before supplying it to the fuel cell stack 1. The oxidizing gas heating section 3 is interposed in the cathode supply passage 12 and receives supply of the oxidizing gas. The oxidizing gas is, for example, air. By supplying air in the atmosphere to the cathode of the fuel cell, it is possible to supply oxygen used for the power generation reaction to the cathode.

ここで、固体酸化物形燃料電池のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式により表すことができる。
アノード極: 2H2+4O2- → 2H2O+4e- …(1.1)
カソード極: O2+4e- → 2O2- …(1.2)
Here, the reaction related to power generation at the anode and cathode of the solid oxide fuel cell can be expressed by the following equation.
Anode: 2H 2 + 4O 2- → 2H 2 O + 4e (1.1)
Cathode: O 2 + 4e → 2O 2- … (1.2)

燃焼器4は、燃料電池スタック1から排出されるオフガス中の残燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。本実施形態において、燃焼器4は、アノード排出通路11exhおよびカソード排出通路12exhに接続され、これらの通路11exh、12exhを通じてアノードオフガスおよびカソードオフガスの供給を受ける。燃焼ガスが有する熱量は、燃料処理部21〜23および酸化剤ガス加熱部3に供給され、原燃料および酸化剤ガスの加熱に用いられる。   The combustor 4 burns residual fuel in off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to generate combustion gas. In the present embodiment, the combustor 4 is connected to the anode discharge passage 11exh and the cathode discharge passage 12exh, and receives the supply of the anode off-gas and the cathode off-gas through these passages 11exh and 12exh. The amount of heat of the combustion gas is supplied to the fuel processing units 21 to 23 and the oxidizing gas heating unit 3 and used for heating the raw fuel and the oxidizing gas.

燃料電池システムSの構成についてさらに説明すると、燃料電池スタック1は、アノード系において、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するためのアノード供給通路11と、アノード極から排出される発電反応後のアノードオフガスを流すためのアノード排出通路11exhと、を備える一方、カソード系において、燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給するためのカソード供給通路12と、カソード極から排出される発電反応後のカソードオフガスを流すためのカソード排出通路12exhと、を備える。   The configuration of the fuel cell system S will be further described. The fuel cell stack 1 includes, in an anode system, an anode supply passage 11 for supplying a fuel gas to an anode electrode of the fuel cell, and a power generation reaction discharged from the anode electrode. A cathode supply passage 12 for supplying an oxidant gas to the cathode of the fuel cell in the cathode system, and an anode discharge passage 11exh for flowing the anode off-gas after the power generation reaction discharged from the cathode. A cathode discharge passage 12exh for flowing a cathode off-gas.

そして、燃料タンク7と燃料電池スタック1とが、アノード供給通路11を介して接続され、アノード供給通路11には、流れの方向に関して上流側から順に、蒸発器21、燃料熱交換器22および改質器23が介装されている。さらに、蒸発器21の上流側でアノード供給通路11から分岐燃料通路11subが分岐し、分岐燃料通路11subは、燃焼器4に接続されている。分岐燃料通路11subの分岐点と蒸発器21との間のアノード供給通路11に第1燃料インジェクタ51が介装され、分岐燃料通路11subに第2燃料インジェクタ52が介装されている。   The fuel tank 7 and the fuel cell stack 1 are connected via an anode supply passage 11, and the evaporator 21, the fuel heat exchanger 22, and the reformer 21 are sequentially connected to the anode supply passage 11 from the upstream side in the flow direction. A porcelain 23 is interposed. Further, a branch fuel passage 11sub branches from the anode supply passage 11 on the upstream side of the evaporator 21, and the branch fuel passage 11sub is connected to the combustor 4. A first fuel injector 51 is provided in the anode supply passage 11 between the branch point of the branch fuel passage 11sub and the evaporator 21, and a second fuel injector 52 is provided in the branch fuel passage 11sub.

蒸発器21は、燃料タンク7から原燃料であるエタノール水溶液の供給を受け、これを加熱して蒸発させ、エタノールガスおよび水蒸気を生成する。   The evaporator 21 receives a supply of an aqueous solution of ethanol as a raw fuel from the fuel tank 7, and heats and evaporates the aqueous solution to generate ethanol gas and water vapor.

燃料熱交換器22は、燃焼器4から燃焼ガスの熱量を受け、エタノールガスおよび水蒸気をさらに加熱する。   The fuel heat exchanger 22 receives the calorific value of the combustion gas from the combustor 4 and further heats the ethanol gas and the steam.

改質器23は、改質用触媒を内蔵し、気体の状態にあるエタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。
25OH+3H2O → 6H2+2CO2 …(2)
The reformer 23 incorporates a reforming catalyst and generates hydrogen from ethanol in a gaseous state by steam reforming. Steam reforming can be represented by the following equation.
C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2 (2)

酸化剤ガス加熱部3は、空気熱交換器により構成され、燃焼器4から燃焼ガス通路13を通じて供給される燃焼ガスとの熱交換により、カソード供給通路12を流れる酸化剤ガスを加熱する。本実施形態では、カソード供給通路12の開放端付近にブロアないしエアコンプレッサ6が設置され、酸化剤ガスとして大気中の空気が、ブロア6を介してカソード供給通路12に吸入される。吸入された空気は、酸化剤ガス加熱部3を通過する際に常温(例えば、25℃)から昇温され、燃料電池スタック1に供給される。   The oxidizing gas heating unit 3 is configured by an air heat exchanger, and heats the oxidizing gas flowing through the cathode supply passage 12 by heat exchange with the combustion gas supplied from the combustor 4 through the combustion gas passage 13. In the present embodiment, a blower or an air compressor 6 is provided near the open end of the cathode supply passage 12, and air in the atmosphere is sucked into the cathode supply passage 12 through the blower 6 as an oxidizing gas. The drawn air is heated from normal temperature (for example, 25 ° C.) when passing through the oxidizing gas heating unit 3 and is supplied to the fuel cell stack 1.

燃焼器4は、燃焼用触媒を内蔵し、燃料電池スタック1からアノードオフガスの供給を受け、アノードオフガス中の残燃料の触媒燃焼により燃焼ガスを生成する。燃焼器4は、アノードオフガスに加え、分岐燃料通路11subを通じて原燃料であるエタノール水溶液の供給を受けることも可能であり、その場合は、燃焼ガスの生成に際し、残燃料に加えてエタノールをも燃焼させる。本実施形態では、燃焼器4と蒸発器21とが燃焼ガス通路13を介して接続される一方、燃料熱交換器22および改質器23が燃焼器4と共用のケースLに収容され(ケースLを、二点鎖線により概念的に示す)、燃焼ガスの熱量がケースLの内部で燃料熱交換器22および改質器23に効率的に伝わるように構成されている。   The combustor 4 has a built-in combustion catalyst, receives supply of anode off-gas from the fuel cell stack 1, and generates combustion gas by catalytic combustion of residual fuel in the anode off-gas. The combustor 4 can receive, in addition to the anode off-gas, the supply of the aqueous solution of ethanol as the raw fuel through the branch fuel passage 11sub. In this case, when generating the combustion gas, the combustor 4 also combusts the ethanol in addition to the residual fuel. Let it. In the present embodiment, the combustor 4 and the evaporator 21 are connected via the combustion gas passage 13, while the fuel heat exchanger 22 and the reformer 23 are housed in the case L shared with the combustor 4 (case L is conceptually indicated by a two-dot chain line), and the heat quantity of the combustion gas is efficiently transmitted to the fuel heat exchanger 22 and the reformer 23 inside the case L.

コントローラ101は、燃料電池システムSの運転中、蒸発器21および燃焼器4に対する原燃料の供給を制御するとともに、酸化剤ガス加熱部3に対する酸化剤ガスの供給を制御する。コントローラ101は、電子制御ユニットとして構成することが可能である。第1燃料インジェクタ51、第2燃料インジェクタ52およびブロア6は、コントローラ101からの信号に応じて作動し、蒸発器21および燃焼器4に原燃料を供給するとともに、酸化剤ガス加熱部3に酸化剤ガスを供給する。   The controller 101 controls the supply of the raw fuel to the evaporator 21 and the combustor 4 and controls the supply of the oxidizing gas to the oxidizing gas heating unit 3 during the operation of the fuel cell system S. The controller 101 can be configured as an electronic control unit. The first fuel injector 51, the second fuel injector 52, and the blower 6 operate in response to a signal from the controller 101 to supply raw fuel to the evaporator 21 and the combustor 4 and to oxidize the oxidizing gas heating unit 3 Supply agent gas.

燃料電池スタック1の発電電力は、図示しないバッテリを充電したり、電動モータまたはモータジェネレータ等の外部装置を駆動したりするのに用いることが可能である。例えば、燃料電池システムSは、車両用の駆動システムに適用することが可能であり、燃料電池スタック1の定格運転により生じた電力をバッテリに充電したり、車両の目標駆動力に応じた電力をバッテリおよび燃料電池スタック1から走行用のモータジェネレータに供給したりすることができる。   The power generated by the fuel cell stack 1 can be used to charge a battery (not shown) or drive an external device such as an electric motor or a motor generator. For example, the fuel cell system S can be applied to a driving system for a vehicle, and charges a battery with power generated by rated operation of the fuel cell stack 1 or supplies power according to a target driving force of the vehicle. It can be supplied from the battery and the fuel cell stack 1 to a motor generator for traveling.

(制御システムの構成および基本的な動作)
本実施形態において、コントローラ101は、中央演算ユニット(CPU)、ROMおよびRAM等の各種記憶ユニット、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットとして構成され、第1燃料インジェクタ51、第2燃料インジェクタ52およびブロア6等、燃料電池システムSの運転に要する各種装置ないし部品の動作を制御する。
(Configuration and basic operation of control system)
In the present embodiment, the controller 101 is configured as an electronic control unit including a central processing unit (CPU), various storage units such as a ROM and a RAM, and a microcomputer having an input / output interface and the like. The operation of various devices and parts required for operation of the fuel cell system S, such as the fuel injector 52 and the blower 6, is controlled.

コントローラ101は、燃料電池システムSの制御に関わる情報として、スタック温度Tstkを検出するスタック温度センサ201からの信号、燃料流量Ffを検出する燃料流量センサ202からの信号、空気流量Faを検出する空気流量センサ203からの信号、燃焼ガス流量Fcを検出する燃焼ガス流量センサ204からの信号、燃料温度Tfを検出する燃料温度センサ205からの信号、燃焼ガス温度Tcを検出する燃焼ガス温度センサ206からの信号、外気温Tatmを検出する外気温センサ207からの信号、大気圧Patmを検出する大気圧センサ208からの信号を入力するほか、システム起動スイッチ209からの信号を入力する。   The controller 101 includes, as information relating to the control of the fuel cell system S, a signal from the stack temperature sensor 201 for detecting the stack temperature Tstk, a signal from the fuel flow sensor 202 for detecting the fuel flow Ff, and air for detecting the air flow Fa. A signal from the flow rate sensor 203, a signal from the combustion gas flow rate sensor 204 for detecting the combustion gas flow rate Fc, a signal from the fuel temperature sensor 205 for detecting the fuel temperature Tf, and a signal from the combustion gas temperature sensor 206 for detecting the combustion gas temperature Tc. , A signal from the outside air temperature sensor 207 for detecting the outside air temperature Patm, a signal from the atmospheric pressure sensor 208 for detecting the atmospheric pressure Patm, and a signal from the system start switch 209.

スタック温度Tstkは、燃料電池スタック1または燃料電池の温度を示す指標であり、本実施形態では、燃料電池スタック1のカソード出口付近にスタック温度センサ101を設置し、スタック温度センサ201により検出された温度をもってスタック温度Tstkとする。   The stack temperature Tstk is an index indicating the temperature of the fuel cell stack 1 or the fuel cell. In the present embodiment, the stack temperature sensor 101 is installed near the cathode outlet of the fuel cell stack 1 and detected by the stack temperature sensor 201. The temperature is referred to as a stack temperature Tstk.

燃料流量Ffは、蒸発器21に供給される原燃料の流量である。本実施形態では、蒸発器21の上流側のアノード供給通路11に燃料流量センサ202を設置し、燃料流量センサ202により検出された流量をもって燃料流量Ffとする。   The fuel flow rate Ff is a flow rate of the raw fuel supplied to the evaporator 21. In the present embodiment, a fuel flow sensor 202 is installed in the anode supply passage 11 on the upstream side of the evaporator 21, and the flow detected by the fuel flow sensor 202 is used as the fuel flow Ff.

空気流量Faは、燃料電池スタック1に供給される酸化剤ガスの流量である。本実施形態では、酸化剤ガス加熱部3の上流側のカソード供給通路12に空気流量センサ203を設置し、空気流量センサ203により検出された流量をもって空気流量Faとする。   The air flow rate Fa is a flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 1. In the present embodiment, an air flow sensor 203 is installed in the cathode supply passage 12 on the upstream side of the oxidizing gas heating unit 3, and the flow detected by the air flow sensor 203 is defined as the air flow Fa.

燃焼ガス流量Fcは、蒸発器21に供給される燃焼ガスの流量である。本実施形態では、蒸発器21の上流側、具体的には、酸化剤ガス加熱部3と蒸発器21との間の燃焼ガス通路13に燃焼ガス流量センサ204を設置し、燃焼ガス流量センサ204により検出された流量をもって燃焼ガス流量Fcとする。   The combustion gas flow rate Fc is a flow rate of the combustion gas supplied to the evaporator 21. In the present embodiment, a combustion gas flow sensor 204 is installed on the upstream side of the evaporator 21, specifically, in the combustion gas passage 13 between the oxidizing gas heating unit 3 and the evaporator 21. Is set as the combustion gas flow rate Fc.

燃料温度Tfは、蒸発器21に供給される原燃料の温度である。本実施形態では、蒸発器21の上流側のアノード供給通路11に燃料温度センサ205を設置し、燃料温度センサ205により検出された温度をもって燃料温度Tfとする。   The fuel temperature Tf is the temperature of the raw fuel supplied to the evaporator 21. In the present embodiment, a fuel temperature sensor 205 is installed in the anode supply passage 11 on the upstream side of the evaporator 21, and the temperature detected by the fuel temperature sensor 205 is used as the fuel temperature Tf.

燃焼ガス温度Tcは、蒸発器21に供給される燃焼ガスの温度である。本実施形態では、蒸発器21の上流側、具体的には、酸化剤ガス加熱部3と蒸発器21との間の燃焼ガス通路13に燃焼ガス温度センサ206を設置し、燃焼ガス温度センサ206により検出された温度をもって燃焼ガス温度Tcとする。   The combustion gas temperature Tc is the temperature of the combustion gas supplied to the evaporator 21. In the present embodiment, a combustion gas temperature sensor 206 is installed on the upstream side of the evaporator 21, specifically, in the combustion gas passage 13 between the oxidizing gas heating unit 3 and the evaporator 21. Is the combustion gas temperature Tc.

コントローラ101は、システム起動スイッチ209から燃料電池システムSの起動要求を入力すると、燃料電池スタック1の暖機を行う起動制御を実行する。燃料電池スタック1の暖機とは、停止中に低温(例えば、常温)にあった燃料電池スタック1をその動作温度にまで昇温させることをいう。   When a request to start the fuel cell system S is input from the system start switch 209, the controller 101 executes start control for warming up the fuel cell stack 1. The warming-up of the fuel cell stack 1 refers to raising the temperature of the fuel cell stack 1 that was at a low temperature (for example, normal temperature) during the stop to the operating temperature.

そして、燃料電池スタック1の温度が動作温度に達すると、コントローラ101は、起動制御を終了し、通常時の発電制御に移行する。通常時では、基本的には、燃料電池スタック1をその定格点で運転させ、定格運転に要する流量の原燃料を、第1燃料インジェクタ52を介して蒸発器21に供給する。ここで、燃料電池スタック1の定格運転とは、燃料電池スタック1の最大発電出力での運転をいう。   Then, when the temperature of the fuel cell stack 1 reaches the operating temperature, the controller 101 ends the startup control and shifts to the normal power generation control. In normal times, basically, the fuel cell stack 1 is operated at its rated point, and the amount of raw fuel required for the rated operation is supplied to the evaporator 21 via the first fuel injector 52. Here, the rated operation of the fuel cell stack 1 refers to the operation of the fuel cell stack 1 at the maximum power generation output.

図2、3は、燃料電池システムSの動作を示す。図2は、起動時における動作を、図3は、通常時における動作を、夫々示している。図中矢印付きの太線は、ガスまたは液体の流れのある通路を、点線は、流れのない通路を示す。   2 and 3 show the operation of the fuel cell system S. FIG. 2 shows the operation at the time of startup, and FIG. 3 shows the operation at the time of normal operation. In the figure, a thick line with an arrow indicates a passage having a gas or liquid flowing, and a dotted line indicates a passage having no flow.

起動時(図2)では、第1燃料インジェクタ51を停止させる一方、第2燃料インジェクタ52を作動させ、燃料タンク7に貯蔵されている原燃料を、第2燃料インジェクタ52を介して燃焼器4に供給する。他方で、大気中の空気をブロア6によりカソード供給通路12に取り込み、酸化剤ガス加熱部3を介して燃料電池スタック1に供給する。燃料電池スタック1を通過した空気は、カソード排出通路12exhを通じ、原燃料の酸化剤として燃焼器4に供給される。燃焼により生じた燃焼ガスが燃焼ガス通路13を通じて酸化剤ガス加熱部3および蒸発器21に供給され、その一方で、燃焼ガスの熱量がケースLの内部で燃料熱交換器22および改質器23に伝達される。よって、起動時では、原燃料の燃焼により生じた輻射熱により燃料電池スタック1が加熱されるとともに、酸化剤ガス加熱部3で加熱された空気を熱媒体としてさらに加熱され、燃焼電池スタック1の昇温が促進される。起動時では、原燃料の供給流量(つまり、第2燃料インジェクタ52の噴射流量)は、スタック温度Tstkをもとに設定する。   At the time of startup (FIG. 2), the first fuel injector 51 is stopped, while the second fuel injector 52 is operated, and the raw fuel stored in the fuel tank 7 is supplied to the combustor 4 via the second fuel injector 52. To supply. On the other hand, air in the atmosphere is taken into the cathode supply passage 12 by the blower 6 and supplied to the fuel cell stack 1 via the oxidizing gas heating unit 3. The air that has passed through the fuel cell stack 1 is supplied to the combustor 4 as an oxidant of raw fuel through a cathode discharge passage 12exh. The combustion gas generated by the combustion is supplied to the oxidizing gas heating unit 3 and the evaporator 21 through the combustion gas passage 13, while the amount of heat of the combustion gas is reduced inside the case L by the fuel heat exchanger 22 and the reformer 23. Is transmitted to Therefore, at the time of startup, the fuel cell stack 1 is heated by the radiant heat generated by the combustion of the raw fuel, and further heated using the air heated by the oxidizing gas heating unit 3 as a heat medium, and the fuel cell stack 1 rises. Warmth is promoted. At the time of startup, the supply flow rate of the raw fuel (that is, the injection flow rate of the second fuel injector 52) is set based on the stack temperature Tstk.

これに対し、通常時(図3)では、第2燃料インジェクタ52を停止させる一方、第1燃料インジェクタ51を作動させ、原燃料を、第1燃料インジェクタ51を介して蒸発器21に供給する。これに併せ、ブロア6を作動させ、酸化剤ガスである空気を、酸化剤ガス加熱部3を介して燃料電池スタック1に供給する。燃料電池スタック1から排出される発電反応後のオフガス(アノードオフガス、カソードオフガス)は、アノード排出通路11exhおよびカソード排出通路12exhを通じて燃焼器4に供給される。アノードオフガス中の残燃料が燃焼器4で燃焼し、これにより生じた燃焼ガスが燃焼ガス通路13を通じて酸化剤ガス加熱部3および蒸発器21に供給される一方、燃焼ガスの熱量がケースLの内部で燃料熱交換器22および改質器23に伝達される。これにより、燃料処理部21〜23および酸化剤ガス加熱部3が加熱され、蒸発器21が原燃料(エタノール水溶液)を蒸発可能な温度に維持されるとともに、改質器23が原燃料(エタノール)を改質可能な温度に維持される。通常時では、原燃料の供給流量(つまり、第1燃料インジェクタ51の噴射流量)は、燃料電池スタック1に要求される出力、換言すれば、燃料電池システム1の負荷をもとに設定する。蒸発器21および改質器23の温度維持に必要な熱量を生じさせるのにアノードオフガス中の残燃料だけでは不足する場合は、第2燃料インジェクタ52を作動させ、燃焼器4に対し、第2燃料インジェクタ52を介して原燃料を供給することも可能である(図4)。   On the other hand, in the normal state (FIG. 3), the second fuel injector 52 is stopped, while the first fuel injector 51 is operated, and the raw fuel is supplied to the evaporator 21 via the first fuel injector 51. At the same time, the blower 6 is operated to supply air, which is an oxidizing gas, to the fuel cell stack 1 via the oxidizing gas heating unit 3. The off-gases (anode off-gas, cathode off-gas) discharged from the fuel cell stack 1 after the power generation reaction are supplied to the combustor 4 through the anode exhaust passage 11exh and the cathode exhaust passage 12exh. The remaining fuel in the anode off-gas is burned in the combustor 4 and the resulting combustion gas is supplied to the oxidizing gas heating unit 3 and the evaporator 21 through the combustion gas passage 13, while the calorific value of the combustion gas is less than that of the case L. The heat is internally transmitted to the fuel heat exchanger 22 and the reformer 23. Thereby, the fuel processing units 21 to 23 and the oxidizing gas heating unit 3 are heated, the evaporator 21 is maintained at a temperature at which the raw fuel (ethanol aqueous solution) can be evaporated, and the reformer 23 is heated at the raw fuel (ethanol). ) Is maintained at a temperature at which it can be reformed. In normal times, the supply flow rate of the raw fuel (that is, the injection flow rate of the first fuel injector 51) is set based on the output required for the fuel cell stack 1, in other words, the load of the fuel cell system 1. If the remaining fuel alone in the anode off-gas is not enough to generate the heat required to maintain the temperatures of the evaporator 21 and the reformer 23, the second fuel injector 52 is operated, and the second combustor 4 Raw fuel can also be supplied via the fuel injector 52 (FIG. 4).

ここで、暖機後の通常時に燃料電池スタック1の負荷を下げて運転する場合、例えば、低負荷域での定常運転時または低負荷側への出力変動時に、燃料電池スタック1の負荷の低下に対し、原燃料および酸化剤ガスの流量を一定の割合で減少させたとすると、燃料電池システムSに投入されたエネルギ全体のうち、排熱として利用可能な熱流が減少し、蒸発器21に供給される燃焼ガスが有する熱量に、原燃料の蒸発に要する熱流に対する不足が生じる。これにより、原燃料を充分に蒸発させることができなくなり、改質器23に原燃料が液体の状態のまま供給されたり、燃料電池スタック1に未改質のガスが供給されたりして、改質器23または燃料電池スタック1に備わる触媒に劣化を生じさせることが懸念される。ここで、低負荷域での定常運転時として、バッテリの充電状態が充分であり、燃料電池スタック1の高負荷ないし中負荷での発電を必要としない場合を例示することができる。本実施形態において、「熱流」とは、単位時間当たりに通過する熱量[J/s]をいう。   Here, when the operation is performed with the load of the fuel cell stack 1 reduced during normal operation after warm-up, for example, during a steady operation in a low load region or when the output fluctuates to a low load side, the load on the fuel cell stack 1 decreases. On the other hand, assuming that the flow rates of the raw fuel and the oxidizing gas are reduced at a fixed rate, of the entire energy input to the fuel cell system S, the heat flow available as exhaust heat is reduced and supplied to the evaporator 21. The amount of heat of the combustion gas is insufficient for the heat flow required for evaporating the raw fuel. As a result, the raw fuel cannot be sufficiently evaporated, and the raw fuel is supplied to the reformer 23 in a liquid state, or the unreformed gas is supplied to the fuel cell stack 1. It is feared that the catalyst provided in the fuel container 23 or the fuel cell stack 1 may be deteriorated. Here, a case where the state of charge of the battery is sufficient and the fuel cell stack 1 does not need to generate power under a high load or a medium load as the steady operation in the low load region can be exemplified. In the present embodiment, “heat flow” refers to the amount of heat [J / s] that passes per unit time.

図5は、燃料電池スタック1の出力Pに対する熱流比Rhfの変化を示している。ここで、熱流比Rhfとは、排気熱流の、燃料蒸発熱流に対する比(=排気熱流/燃料蒸発熱流)をいう。排気熱流とは、蒸発器21の入口側ないし上流側で燃焼ガスが有する熱流をいい、燃料蒸発熱流とは、蒸発器21における原燃料の蒸発に要する熱流をいう。排気熱流は、燃焼ガス流量Fcおよび燃焼ガス温度Tcと相関し、これらの状態量をもとに算出することが可能であり、燃料蒸発熱流は、燃料流量Ffおよび燃料温度Tfと相関し、これらの状態量をもとに算出することが可能である。   FIG. 5 shows a change in the heat flow ratio Rhf with respect to the output P of the fuel cell stack 1. Here, the heat flow ratio Rhf refers to a ratio of the exhaust heat flow to the fuel evaporation heat flow (= exhaust heat flow / fuel evaporation heat flow). The exhaust heat flow refers to a heat flow of the combustion gas at the inlet side or the upstream side of the evaporator 21, and the fuel evaporation heat flow refers to a heat flow required for evaporating the raw fuel in the evaporator 21. The exhaust heat flow correlates with the combustion gas flow rate Fc and the combustion gas temperature Tc, and can be calculated based on these state quantities. The fuel evaporation heat flow correlates with the fuel flow rate Ff and the fuel temperature Tf. Can be calculated based on the state quantity of

図5に示すように、燃料過剰率ηを一定とし、原燃料および酸化剤ガスの流量を負荷の低下に対して一定の割合で減少させたとすると、熱流比Rhfは、1に向けて徐々に減少する。熱流比Rhfが1に近付くほど、排気熱流は、燃料蒸発熱流に対して不足しがちとなる。排気熱流の不足は、原燃料の蒸発が不充分となることを意味する。そして、原燃料の蒸発が不充分となると、改質器23に原燃料の一部が液体の状態で供給されたり、燃料電池スタック1に未改質のガスが供給されたりして、改質器23または燃料電池スタック1に備わる触媒に劣化を生じさせる。   As shown in FIG. 5, assuming that the excess fuel ratio η is constant and the flow rates of the raw fuel and the oxidizing gas are reduced at a constant rate with respect to the decrease in the load, the heat flow ratio Rhf gradually increases toward 1. Decrease. As the heat flow ratio Rhf approaches 1, the exhaust heat flow tends to be insufficient for the fuel evaporation heat flow. Insufficient exhaust heat flow means insufficient evaporation of the raw fuel. When the evaporation of the raw fuel becomes insufficient, a part of the raw fuel is supplied to the reformer 23 in a liquid state, or the unreformed gas is supplied to the fuel cell stack 1, and the reforming is performed. This causes the catalyst provided in the reactor 23 or the fuel cell stack 1 to deteriorate.

本実施形態では、燃料電池スタック1の負荷の低下に対し、燃料過剰率ηを増大させることで、蒸発器21に対し、燃料電池スタック1の負荷によらず原燃料の蒸発に必要な熱流の供給を可能とする。具体的には、燃料電池スタック1の要求出力Pに応じた原燃料の流量を必要流量として、燃料電池スタック1の負荷の低下に対し、原燃料の必要流量に対する実際の流量の比である燃料過剰率ηを、排気熱流をAとし、蒸発器21における原燃料と燃焼ガスとの熱交換効率をBとし、燃料蒸発熱流をCとして、熱流比=A×B/Cが1よりも大きくなるように制御する。   In the present embodiment, the excess fuel ratio η is increased in response to a decrease in the load on the fuel cell stack 1, so that the evaporator 21 can supply the heat flow required for evaporating the raw fuel irrespective of the load on the fuel cell stack 1. Enable supply. Specifically, the flow rate of the raw fuel according to the required output P of the fuel cell stack 1 is set as a required flow rate, and the ratio of the actual flow rate to the required flow rate of the raw fuel for a decrease in the load on the fuel cell stack 1 Assuming that the excess ratio η is A, the heat flow of exhaust gas is A, the heat exchange efficiency between the raw fuel and the combustion gas in the evaporator 21 is B, and the heat flow of fuel evaporation is C, the heat flow ratio = A × B / C becomes larger than 1. Control.

図6は、燃料電池ステムSの各部における熱流HF1〜HF6の関係を概念的に示している。これに限定されるものではないが、本実施形態では、熱流比(=A×B/C)が1よりも大きくなる燃料過剰率ηとして、1.2を採用する。「燃料過剰率」とは、燃料電池スタック1の要求出力Pに応じた原燃料の流量を必要流量とした場合の、原燃料の必要流量に対する実際の流量の比をいう。後に述べるように、燃料電池スタック1の要求出力Pを2.0kWとする本実施形態では、要求出力P(=2.0kW)を流量に換算したものが原燃料の必要流量に相当し、原燃料の必要流量(=2.0kW)に対する実際の流量(=2.4kW)の比が、「燃料過剰率」に相当する。   FIG. 6 conceptually shows the relationship between the heat flows HF1 to HF6 in each part of the fuel cell stem S. Although not limited to this, in the present embodiment, 1.2 is adopted as the excess fuel ratio η at which the heat flow ratio (= A × B / C) becomes larger than 1. The “excess fuel ratio” refers to the ratio of the actual flow rate to the required flow rate of the raw fuel when the flow rate of the raw fuel according to the required output P of the fuel cell stack 1 is set as the required flow rate. As described later, in the present embodiment in which the required output P of the fuel cell stack 1 is 2.0 kW, a value obtained by converting the required output P (= 2.0 kW) into a flow rate corresponds to the required flow rate of the raw fuel. The ratio of the actual flow rate (= 2.4 kW) to the required fuel flow rate (= 2.0 kW) corresponds to the “fuel excess rate”.

図6に示す符号HF1〜HF6は、次の熱流を示す。既に述べたように、「熱流」とは、対象とする部位を単位時間当たりに通過する熱量である。
HF1:蒸発器21に供給される原燃料が有する熱流(燃料熱流)
HF2:蒸発器21における原燃料の蒸発に要する熱流(燃料蒸発熱流)
HF3:改質器23における改質反応(水蒸気改質)で吸収される熱流(吸収熱流)
HF4:燃焼器4で生成された燃焼ガスが有する熱流(燃焼ガス熱流)
HF5:蒸発器21の入口側で燃焼ガスが有する熱流(排気熱流)
HF6:蒸発器21における熱交換効率ηvapに応じた放出熱流
Symbols HF1 to HF6 shown in FIG. 6 indicate the following heat flows. As described above, the “heat flow” is the amount of heat that passes through a target portion per unit time.
HF1: Heat flow (fuel heat flow) of raw fuel supplied to evaporator 21
HF2: Heat flow required for evaporation of raw fuel in evaporator 21 (fuel evaporation heat flow)
HF3: Heat flow (absorption heat flow) absorbed by reforming reaction (steam reforming) in reformer 23
HF4: Heat flow of combustion gas generated in combustor 4 (combustion gas heat flow)
HF5: heat flow (exhaust heat flow) of the combustion gas at the inlet side of the evaporator 21
HF6: released heat flow according to heat exchange efficiency ηvap in evaporator 21

燃料過剰率ηを1.2とする条件のもと、燃料電池スタック1の要求出力Pを2.0kWとし、燃料電池システムSからの放熱量(以下「システム放熱量」という)Qを0.3kWとした場合の上記各熱流HF1〜HF6を示すと、次のようである。ここで、燃料蒸発熱流HF2および吸収熱流HF3は、原燃料の種類、流量および温度等をもとに予め推定することが可能であり、本実施形態では、夫々燃料熱流HF1の20%、10%とする。   Under the condition that the excess fuel ratio η is 1.2, the required output P of the fuel cell stack 1 is 2.0 kW, and the amount of heat radiation (hereinafter referred to as “system heat radiation”) Q from the fuel cell system S is 0. The respective heat flows HF1 to HF6 when the power is set to 3 kW are as follows. Here, the fuel evaporation heat flow HF2 and the absorption heat flow HF3 can be estimated in advance based on the type, flow rate, temperature, and the like of the raw fuel. In the present embodiment, respectively, 20% and 10% of the fuel heat flow HF1 are used. And

燃料熱流HF1=P×η=2.4kW
燃料蒸発熱流HF2=HF1×0.2=0.48kW
吸収熱流HF3=HF1×0.1=0.24kW
燃焼ガス熱流HF4=HF1+HF2+HF3−P−Q=0.82kW
排気熱流HF5=HF4−HF3=0.58kW
放出熱流HF6=HF5(1−ηvap)
Fuel heat flow HF1 = P × η = 2.4 kW
Fuel evaporation heat flow HF2 = HF1 × 0.2 = 0.48 kW
Absorption heat flow HF3 = HF1 × 0.1 = 0.24 kW
Combustion gas heat flow HF4 = HF1 + HF2 + HF3-P-Q = 0.82kW
Exhaust heat flow HF5 = HF4-HF3 = 0.58kW
Released heat flow HF6 = HF5 (1-ηvap)

ここで、熱流比(=A×B/C)は、次の関係を満たすものである。
{1.2−Q/(P×η)−1/η}×ηvap/0.2>1 …(3)
Here, the heat flow ratio (= A × B / C) satisfies the following relationship.
{1.2−Q / (P × η) −1 / η} × ηvap / 0.2> 1 (3)

燃料過剰率ηは、熱流比(=A×B/C)が燃料電池スタック1の負荷によらず1よりも大きくなる範囲で、負荷を問わず一定としてもよいし、熱流比(=A×B/C)が1を超えながらもできるだけ小さくなるように、負荷の低下に対して増大させてもよい。   The excess fuel ratio η may be constant regardless of the load within a range where the heat flow ratio (= A × B / C) is larger than 1 irrespective of the load of the fuel cell stack 1, or the heat flow ratio (= A × B / C) may be increased in response to a decrease in load so that the ratio becomes as small as possible while exceeding 1.

燃料蒸発熱流HF2(=Qv)は、次のようにして求めることが可能である。
Qv=Ffuel×LHV×α
The fuel evaporation heat flow HF2 (= Qv) can be obtained as follows.
Qv = Ffuel × LHV × α

Ffuelは、蒸発器21に供給される原燃料の流量を示し、LVHは、原燃料の低位発熱量を示す。さらに、αは、原燃料の種類または組成に応じて異なる所定値である。   Ffuel indicates the flow rate of the raw fuel supplied to the evaporator 21, and LVH indicates the lower heating value of the raw fuel. Further, α is a predetermined value that varies depending on the type or composition of the raw fuel.

燃料蒸発熱流Qvの算出は、原燃料の温度Tfuelを考慮した場合に、次のようである。
Qv=Ffuel×LHV×α×(1+β×(Tfuel0−Tfuel)/(Tfuel0−25))
The calculation of the fuel evaporation heat flow Qv is as follows when the temperature Tfuel of the raw fuel is considered.
Qv = Ffuel × LHV × α × (1 + β × (Tfuel0−Tfuel) / (Tfuel0−25))

Tfuel0は、原燃料の気化温度を示し、βは、原燃料の種類または組成に応じて異なる所定値である。   Tfuel0 indicates the vaporization temperature of the raw fuel, and β is a predetermined value that varies depending on the type or composition of the raw fuel.

燃料蒸発熱流Qvをエンタルピの観点から求める場合の計算は、次式による。
Qv=Ffuel×(H_h2o(Tfuel0)−H_h2ol(Tfuel))
The calculation for obtaining the fuel evaporation heat flow Qv from the viewpoint of enthalpy is based on the following equation.
Qv = Ffuel × (H_h 2 o (Tfuel 0) −H_h 2 ol (Tfuel))

H_h2oは、水(ガス)のエンタルピを、H_h2olは、水(液体)のエンタルピを示す。 H_h 2 o indicates the enthalpy of water (gas), and H_h 2 ol indicates the enthalpy of water (liquid).

このように、燃料蒸発熱流Qvは、蒸発器21に供給される、換言すれば、蒸発器21の入口側における原燃料の流量Ffuelおよび温度Tfuelに応じたものとなる。   Thus, the fuel evaporation heat flow Qv is supplied to the evaporator 21, in other words, according to the flow rate Ffuel and the temperature Tfuel of the raw fuel at the inlet side of the evaporator 21.

ここで、原燃料の流量Ffuelおよび温度Tfuelは、「原燃料の状態量」に該当する。   Here, the flow rate Ffuel of the raw fuel and the temperature Tfuel correspond to the “state quantity of the raw fuel”.

他方で、排気熱流HF5(=Qe)は、次のようにして求めることが可能である。
Qe=Fexh×Cp_e×(Texh−T0)
On the other hand, the exhaust heat flow HF5 (= Qe) can be obtained as follows.
Qe = Fexh × Cp_e × (Texh−T0)

Fexhは、蒸発器21の入口側を流れる燃焼ガスの流量を示し、Cp_eは、システムに供給される空気と原燃料との割合(空気燃料比λ)に応じた比熱を示す。さらに、Texhは、蒸発器21の入口側における燃焼ガスの温度を、T0は、外気温を示す。   Fexh indicates the flow rate of the combustion gas flowing on the inlet side of the evaporator 21, and Cp_e indicates the specific heat according to the ratio of the air and the raw fuel supplied to the system (air-fuel ratio λ). Further, Texh indicates the temperature of the combustion gas at the inlet side of the evaporator 21, and T0 indicates the outside air temperature.

排気熱流Qeをエンタルピの観点から求める場合の計算は、次式による。
Qe=Fexh×(α×H_co2(Texh)+β×H_h2o(Texh)+γ×H_o2(Texh)+ζ×H_n2(Texh))
The calculation for obtaining the exhaust heat flow Qe from the viewpoint of enthalpy is based on the following equation.
Qe = Fexh × (α × H_co 2 (Texh) + β × H_h 2 o (Texh) + γ × H_o 2 (Texh) + ζ × H_n 2 (Texh))

α、β、γおよびζは、完全燃焼時における燃焼ガスの組成に応じた係数であり、空気の流量と燃焼ガスの温度とから算出することが可能である。Hは、燃焼ガスの成分毎のエンタルピを示し、H_co2は、二酸化炭素のエンタルピを、H_h2oは、水(ガス)のエンタルピを、H_o2は、酸素のエンタルピを、H_n2は、窒素のエンタルピを示す。 α, β, γ, and ζ are coefficients corresponding to the composition of the combustion gas at the time of complete combustion, and can be calculated from the flow rate of air and the temperature of the combustion gas. H indicates the enthalpy of each component of the combustion gas, H_co 2 indicates the enthalpy of carbon dioxide, H_h 2 o indicates the enthalpy of water (gas), H_o 2 indicates the enthalpy of oxygen, and H_n 2 indicates the enthalpy of oxygen. Shows the enthalpy of

このように、排気熱流Qeは、蒸発器21の入口側における燃焼ガスの流量Fexhおよび温度Texhに応じたものとなる。   As described above, the exhaust heat flow Qe depends on the flow rate Fexh and the temperature Texh of the combustion gas on the inlet side of the evaporator 21.

ここで、燃焼ガスの流量Fexhおよび温度Texhは、「燃焼ガスの状態量」に該当する。   Here, the flow rate Fexh of the combustion gas and the temperature Texh correspond to the “state quantity of the combustion gas”.

(フローチャートによる説明)
図7および8は、コントローラ101が通常時に実行する発電制御(以下「通常制御」という)の内容をフローチャートにより示している。図7は、通常制御の全体的な流れを示し、図8は、通常制御における目標燃料過剰率設定処理の具体的な内容を示している。
(Explanation by flowchart)
7 and 8 are flowcharts showing the contents of power generation control (hereinafter, referred to as “normal control”) executed by the controller 101 in a normal state. FIG. 7 shows the overall flow of the normal control, and FIG. 8 shows the specific contents of the target excess fuel ratio setting process in the normal control.

本実施形態において、コントローラ101は、通常制御を所定時間毎に実行するようにプログラムされており、目標燃料過剰率設定処理は、図7に示す基本ルーチンのサブルーチン(S106)として構成される。   In the present embodiment, the controller 101 is programmed to execute the normal control at predetermined time intervals, and the target excess fuel ratio setting process is configured as a subroutine (S106) of the basic routine shown in FIG.

S101では、各種センサの出力を読み込む。具体的には、スタック温度Tstk、燃料流量Ff、空気流量Fa、燃焼ガス流量Fc、燃料温度Tf、燃焼ガス温度Tc、外気温Tatmおよび大気圧Tatm等を読み込む。燃料電池システムSが車載用であり、車両の駆動源を構成する場合は、以上に加え、アクセル開度APOおよび車速VSP等を読み込む。アクセル開度APOは、車両の要求駆動力を示す指標である。   In S101, the outputs of various sensors are read. Specifically, the stack temperature Tstk, the fuel flow rate Ff, the air flow rate Fa, the combustion gas flow rate Fc, the fuel temperature Tf, the combustion gas temperature Tc, the outside air temperature Tatm, the atmospheric pressure Tatm, and the like are read. When the fuel cell system S is mounted on a vehicle and constitutes a drive source of the vehicle, the accelerator opening APO, the vehicle speed VSP, and the like are read in addition to the above. The accelerator opening APO is an index indicating the required driving force of the vehicle.

S102では、燃料電池システムSの暖機が完了しているか否かを判定する。暖機が完了している場合は、S103へ進み、暖機が完了しておらず、未だ暖機中である場合は、通常制御を終了し、別途設定された暖機制御を実行する。燃料電池システムSの暖機が完了しているか否かは、スタック温度Tstkをもとに判定することが可能である。   In S102, it is determined whether the warm-up of the fuel cell system S has been completed. If the warm-up has been completed, the process proceeds to S103. If the warm-up has not been completed, and if the warm-up is still in progress, the normal control is terminated and the separately set warm-up control is executed. Whether or not the warm-up of the fuel cell system S has been completed can be determined based on the stack temperature Tstk.

S103では、燃料電池スタック1の要求出力Pを算出する。燃料電池システムSが車両の駆動源を構成する場合に、要求出力Pは、アクセル開度APOおよび車速VSPに基づき算出することが可能である。   In S103, the required output P of the fuel cell stack 1 is calculated. When the fuel cell system S constitutes the driving source of the vehicle, the required output P can be calculated based on the accelerator opening APO and the vehicle speed VSP.

S104では、燃料電池スタック1の要求出力Pが低負荷域にあるか否かを判定する。要求出力Pが低負荷域の上限を示す所定負荷以下であり、低負荷域にある場合は、S105へ進み、低負荷域にない場合は、S105以降の処理を行わず、中負荷および高負荷域用に別途設定された処理を実行する。   In S104, it is determined whether the required output P of the fuel cell stack 1 is in a low load range. If the required output P is equal to or less than the predetermined load indicating the upper limit of the low load range and the load is in the low load range, the process proceeds to S105. If not, the process after S105 is not performed. Execute the processing set separately for the area.

S105では、システム放熱量Qを算出する。本実施形態において、システム放熱量Qの算出は、外気温Tatmおよび大気圧Patmに応じてシステム放熱量Qを割り付けた図9に示す傾向のマップを参照して行う。システム放熱量Qは、外気温Tatmおよび大気圧Patmのいずれの低下に対しても増加する傾向を有する。   In S105, the system heat radiation amount Q is calculated. In the present embodiment, the calculation of the system heat radiation amount Q is performed with reference to a tendency map shown in FIG. 9 in which the system heat radiation amount Q is allocated according to the outside air temperature Patm and the atmospheric pressure Patm. The system heat radiation amount Q tends to increase with a decrease in both the outside air temperature Patm and the atmospheric pressure Patm.

S106では、目標燃料過剰率ηfuelを算出する。   In S106, the target excess fuel ratio ηfuel is calculated.

S107では、目標燃料過剰率ηfuelに応じた燃料流量Ffを算出する。燃料流量Ffの算出は、燃料熱流HF1(=P×η)を算出し、これを下式により原燃料の流量Ffに換算することによる。コントローラ101は、燃料流量Ffに応じた信号を第1燃料インジェクタ51に送信し、流量Ffの原燃料を、第1燃料インジェクタ51を介して蒸発器21に供給する。
Ff=(P×η)/LHV …(4)
式(4)中、LHVは、原燃料の低位発熱量を示す。
In S107, a fuel flow rate Ff according to the target excess fuel ratio ηfuel is calculated. The fuel flow rate Ff is calculated by calculating a fuel heat flow rate HF1 (= P × η) and converting it to a raw fuel flow rate Ff according to the following equation. The controller 101 transmits a signal corresponding to the fuel flow rate Ff to the first fuel injector 51, and supplies the raw fuel having the flow rate Ff to the evaporator 21 via the first fuel injector 51.
Ff = (P × η) / LHV (4)
In the equation (4), LHV indicates a lower heating value of the raw fuel.

S108では、空気流量Faを算出する。本実施形態において、空気流量Faの算出は、燃焼器4における熱収支を表す次式に基づき行う。次式により、空気流量Faとして、燃焼器4の温度をその上限温度以下に抑えることのできる酸化剤ガスの下限流量が与えられる。よって、この下限流量を低負荷運転時における空気流量Faに設定する。このようにして設定される空気流量Faは、例えば、出口温度Toutの上昇に対して増大する傾向を有する。これにより、酸化剤ガス(空気)の供給に費やすエネルギを極力削減しながら、燃焼器4の過度な昇温を回避することが可能となる。出口温度Toutは、スタック温度Tstkで代用することができる。
Hf/(Cpf×Ff+Cpa×Fa)<(Tmax−Tout) …(5)
In S108, the air flow rate Fa is calculated. In the present embodiment, the calculation of the air flow rate Fa is performed based on the following equation representing the heat balance in the combustor 4. From the following equation, the lower limit flow rate of the oxidizing gas that can suppress the temperature of the combustor 4 to the upper limit temperature or lower is given as the air flow rate Fa. Therefore, this lower limit flow rate is set to the air flow rate Fa during the low load operation. The air flow rate Fa set in this manner has a tendency to increase, for example, with an increase in the outlet temperature Tout. Thus, it is possible to avoid an excessive rise in the temperature of the combustor 4 while minimizing the energy consumed for supplying the oxidizing gas (air). The outlet temperature Tout can be substituted by the stack temperature Tstk.
Hf / (Cpf × Ff + Cpa × Fa) <(Tmax−Tout) (5)

式(4)に用いられる符号が示すのは、夫々次のようである。
Tout:燃料電池スタック1の出口温度
Cpf:原燃料の比熱
Cpa:空気の比熱
Tmax:燃焼器4の上限温度
The codes used in equation (4) indicate the following, respectively.
Tout: outlet temperature of fuel cell stack 1 Cpf: specific heat of raw fuel Cpa: specific heat of air Tmax: upper limit temperature of combustor 4

そして、コントローラ101は、空気流量Faに応じた信号をブロア6に送信し、流量Faの酸化剤ガス(つまり、空気)を、ブロア6を介して酸化剤ガス加熱部3に供給する。   Then, the controller 101 transmits a signal corresponding to the air flow rate Fa to the blower 6 and supplies the oxidizing gas (that is, air) at the flow rate Fa to the oxidizing gas heating unit 3 via the blower 6.

図8に移り、S201では、基本燃料過剰率ηbaseを算出する。基本燃料過剰率ηbaseは、式(3)により与えられるものであり、本実施形態では、低負荷域の要求出力Pに対応させて予め設定され、要求出力Pが大きいときほど小さな値として算出される。   Referring to FIG. 8, in S201, a basic fuel excess ratio ηbase is calculated. The basic fuel excess ratio ηbase is given by Expression (3). In the present embodiment, the basic fuel excess ratio ηbase is set in advance in correspondence with the required output P in a low load range, and is calculated as a smaller value as the required output P increases. You.

S202では、外気温Tatmに関する燃料過剰率補正値(以下「外気温補正値」という)HOSaを算出する。外気温補正値HOSaは、外気温Tatmが高いときほど小さな値として算出される。これは、外気温Tatmが上昇するほど燃焼ガスからの放熱量が減少し、排熱に利用可能な熱流、つまり、排気熱流HF5が増大するためである。   In S202, an excess fuel ratio correction value (hereinafter, referred to as “outside air temperature correction value”) HOSa regarding the outside air temperature Tatm is calculated. The outside air temperature correction value HOSa is calculated as a smaller value as the outside air temperature Tatm is higher. This is because the heat release amount from the combustion gas decreases as the outside air temperature Tatm increases, and the heat flow available for exhaust heat, that is, the exhaust heat flow HF5 increases.

S203では、大気圧Patmに関する燃料過剰率補正量(以下「大気圧補正値」という)HOSbを算出する。大気圧補正値HOSbは、大気圧Patmが高いときほど大きな値として算出される。これは、大気圧Patmの上昇により燃焼ガスの組成が変化し、原燃料がエタノール水溶液である場合は、大気圧Patmが上昇するほど燃焼ガス中のメタンが増加するため、燃焼ガスの体積流量が減少し、蒸発器21における熱交換効率が低下するためである。つまり、燃焼ガスの組成変化による熱交換効率の低下を、排気熱流HF5の増大により補うのである。   In S203, an excess fuel ratio correction amount (hereinafter referred to as “atmospheric pressure correction value”) HOSb related to the atmospheric pressure Patm is calculated. The atmospheric pressure correction value HOSb is calculated as a larger value as the atmospheric pressure Patm is higher. This is because the composition of the combustion gas changes due to an increase in the atmospheric pressure Patm, and when the raw fuel is an aqueous ethanol solution, the methane in the combustion gas increases as the atmospheric pressure Patm increases. This is because the heat exchange efficiency in the evaporator 21 decreases. That is, the decrease in the heat exchange efficiency due to the change in the composition of the combustion gas is compensated for by the increase in the exhaust heat flow HF5.

S204では、基本燃料過剰率ηbaseを外気温補正値HOSaおよび大気圧補正値HOSbにより補正し、目標燃料過剰率fuelを算出する。
ηfuel=ηbase×HOSa×HOSb …(6)
In S204, the basic excess fuel ratio ηbase is corrected by the outside air temperature correction value HOSa and the atmospheric pressure correction value HOSb, and the target excess fuel ratio fuel is calculated.
ηfuel = ηbase × HOSa × HOSb (6)

本実施形態では、燃料電池スタック1により「燃料電池」が構成され、燃焼器4により「燃焼器」が構成され、蒸発器21により「蒸発器」が構成され、第1燃料インジェクタ51により「燃料供給装置」が構成され、ブロア6により「酸化剤ガス供給装置」が構成され、コントローラ101により「供給制御部」が構成される。   In the present embodiment, the fuel cell stack 1 constitutes a “fuel cell”, the combustor 4 constitutes a “combustor”, the evaporator 21 constitutes an “evaporator”, and the first fuel injector 51 constitutes “fuel”. A supply device ”is configured, a blower 6 configures an“ oxidizing gas supply device ”, and the controller 101 configures a“ supply control unit ”.

(作用効果の説明)
本実施形態に係る燃料電池システムSは、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。
(Explanation of effects)
The fuel cell system S according to the present embodiment is configured as described above, and the operation and effect obtained by the present embodiment will be described below.

第1に、燃料電池スタック1の要求出力Pに応じた原燃料の流量を必要流量(例えば、2.0kW)として、負荷ないし要求出力Pの低下に対し、原燃料の必要流量に対する実際の流量(例えば、2.4kW)の比である燃料過剰率ηを、排気熱流をAとし、蒸発器21における熱交換効率をBとし、燃料蒸発熱流をCとして、A×B/C>1となる燃料過剰率ηに制御した。これにより、蒸発器21に対し、燃料電池システムSの負荷によらず、原燃料の消費を極力抑えながら原燃料の蒸発に必要な熱量の供給を可能として、蒸発器21を適切に動作させることができる。そして、このようにして原燃料に付与される熱量が確保されることから、本実施形態のように、エタノール水溶液を原燃料とする場合に、特に有効である。   First, assuming that the flow rate of the raw fuel according to the required output P of the fuel cell stack 1 is a required flow rate (for example, 2.0 kW), the actual flow rate with respect to the required flow rate of the raw fuel against the decrease of the load or the required output P Assuming that the excess fuel ratio η, which is a ratio of (for example, 2.4 kW), the exhaust heat flow is A, the heat exchange efficiency in the evaporator 21 is B, and the fuel evaporation heat flow is C, A × B / C> 1. The excess fuel ratio η was controlled. Accordingly, the evaporator 21 can be supplied with the amount of heat necessary for evaporating the raw fuel while suppressing the consumption of the raw fuel as much as possible regardless of the load of the fuel cell system S, and the evaporator 21 can be operated appropriately. Can be. Since the amount of heat applied to the raw fuel is secured in this manner, it is particularly effective when the aqueous ethanol solution is used as the raw fuel as in the present embodiment.

ここで、燃料電池スタック1の要求出力Pの低下に対して燃料過剰率ηを増大させることで、燃焼ガスにより蒸発器21に付与される熱量に原燃料の蒸発に必要な熱量に対する不足が生じた場合に、排気熱流HF5を増大させることにより不足分の熱量を補い、蒸発器21の動作の適正化を促すことができる。   Here, by increasing the excess fuel ratio η with respect to the decrease in the required output P of the fuel cell stack 1, the amount of heat provided to the evaporator 21 by the combustion gas becomes insufficient for the amount of heat required for evaporation of the raw fuel. In this case, by increasing the exhaust heat flow HF5, the shortage of heat can be compensated, and the operation of the evaporator 21 can be optimized.

第2に、燃料電池スタック1の要求出力P、外気温Tatmおよび大気圧Patmに基づき、例えば、式(3)により燃料過剰率ηを算出可能とすることで、燃料過剰率ηを予め計算しておくだけでなく、実際の運転時に、実際の外気温Tatm等に応じた適切な燃料過剰率ηを採用することが可能となる。   Second, based on the required output P of the fuel cell stack 1, the outside temperature Tatm, and the atmospheric pressure Patm, for example, the excess fuel ratio η can be calculated by the equation (3), thereby calculating the excess fuel ratio η in advance. In addition to the above, it is possible to employ an appropriate fuel excess ratio η according to the actual outside temperature Tatm or the like during the actual operation.

第3に、燃料電池スタック1の出口温度Toutを検出し、出口温度Toutの上昇に対して酸化剤ガスの流量を増大させることで、燃焼器4を適度に冷却し、燃焼器4の過度な昇温を回避することが可能となる。そして、燃焼器4における熱収支の観点から、式(5)により酸化剤ガスの流量を算出することで、酸化剤ガスの下限流量の設定を可能として、酸化剤ガスの供給に費やすエネルギを削減することができる。   Thirdly, by detecting the outlet temperature Tout of the fuel cell stack 1 and increasing the flow rate of the oxidizing gas with respect to the rise of the outlet temperature Tout, the combustor 4 is appropriately cooled and the combustor 4 is excessively cooled. Heating can be avoided. Then, from the viewpoint of the heat balance in the combustor 4, the lower limit flow rate of the oxidizing gas can be set by calculating the flow rate of the oxidizing gas by the equation (5), thereby reducing the energy consumed for supplying the oxidizing gas. can do.

第4に、外気温Tatmに応じた燃料過剰率補正値(外気温補正値)HOSaを設定し、外気温補正値HOSaにより燃料過剰率ηを補正したことで、外気温Tatmの上昇に対し、燃焼ガスからの放熱量の低下を考慮した燃料過剰率ηの設定が可能となる。具体的には、外気温Tatmの上昇に対して燃料過剰率を減少させることで、原燃料の消費を抑制することができる。   Fourth, by setting a fuel excess ratio correction value (outside air temperature correction value) HOSa according to the outside air temperature Tatm, and correcting the excess fuel ratio η with the outside air temperature correction value HOSa, It is possible to set the excess fuel ratio η in consideration of a decrease in the amount of heat released from the combustion gas. Specifically, the consumption of raw fuel can be suppressed by reducing the excess fuel ratio with respect to the rise in the outside air temperature Tatm.

第5に、大気圧Patmに応じた燃料過剰率補正値(大気圧補正値)HOSbを設定し、大気圧補正値HOSbにより燃料過剰率ηを補正したことで、大気圧Patmの上昇に対し、燃焼ガスを熱媒体とする熱交換効率の低下を考慮した燃料過剰率ηの設定が可能となる。具体的には、大気圧Patmの上昇に対して燃料過剰率ηを増大させることで、熱交換効率の低下を補い、原燃料の蒸発を促すことができる。   Fifth, by setting an excess fuel ratio correction value (atmospheric pressure correction value) HOSb according to the atmospheric pressure Patm and correcting the excess fuel ratio η with the atmospheric pressure correction value HOSb, The excess fuel ratio η can be set in consideration of a decrease in heat exchange efficiency using the combustion gas as a heat medium. Specifically, by increasing the excess fuel ratio η with respect to the increase in the atmospheric pressure Patm, it is possible to compensate for the decrease in the heat exchange efficiency and promote the evaporation of the raw fuel.

さらに、燃焼ガスの流れに関して蒸発器21よりも上流側に配置された改質器23において、大気圧Patmが高く、改質器23における吸収熱流HF3が大きい場合に、吸収熱流HF3の増大により排気熱流HF5に生じる不足分を燃料熱流HF1の増大により補い、原燃料の蒸発を促すことができる。   Further, when the atmospheric pressure Patm is high and the absorption heat flow HF3 in the reformer 23 is large in the reformer 23 disposed upstream of the evaporator 21 with respect to the flow of the combustion gas, the exhaust heat is increased due to the increase in the absorption heat flow HF3. The shortage generated in the heat flow HF5 can be compensated for by increasing the fuel heat flow HF1, and the evaporation of the raw fuel can be promoted.

第6に、蒸発器21の上流側における原燃料の流量Ffまたは温度Tfを検出し、燃料過剰率ηの制御にこれらの状態量の少なくともいずれかを反映させることで、燃料過剰率ηの制御をより適切なものとし、蒸発器21に対し、原燃料の蒸発に必要な熱量をより確実に供給することが可能となる。そして、蒸発器21の上流側における燃焼ガスの流量Fcまたは温度Tcを検出し、燃料過剰率ηの制御にこれらの状態量の少なくともいずれかを反映させることによっても燃料過剰率ηの制御の好適化を促すことが可能である。   Sixth, the control of the excess fuel rate η is performed by detecting the flow rate Ff or the temperature Tf of the raw fuel on the upstream side of the evaporator 21 and reflecting at least one of these state quantities in the control of the excess fuel rate η. Is more appropriate, and the amount of heat necessary for the evaporation of the raw fuel can be more reliably supplied to the evaporator 21. Then, the flow rate Fc or the temperature Tc of the combustion gas on the upstream side of the evaporator 21 is detected, and the control of the excess fuel rate η is preferably performed by reflecting at least one of these state quantities in the control of the excess fuel rate η. Can be encouraged.

本実施形態では、燃焼器4における熱収支の観点から、式(5)により空気流量Faを算出したが(S108)、空気流量Faの算出は、これに限定されるものではなく、例えば、図12に示す傾向を有するテーブルデータからの検索によっても行うことが可能であり、これにより、空気流量Faの計算の簡素化を図ることができる。ここで、燃料過剰率η(目標燃料過剰率ηfuel)の増加に対し、空気流量Faを増大させることで、燃焼器4の過度な昇温を回避し、燃焼器4に備わる触媒の劣化を抑制することが可能である。   In the present embodiment, from the viewpoint of the heat balance in the combustor 4, the air flow rate Fa is calculated by the equation (5) (S108). However, the calculation of the air flow rate Fa is not limited to this. It is also possible to perform the search by using the table data having the tendency shown in FIG. 12, thereby simplifying the calculation of the air flow rate Fa. Here, in response to the increase in the excess fuel ratio η (the target excess fuel ratio ηfuel), the air flow rate Fa is increased to avoid an excessive rise in the temperature of the combustor 4 and to suppress the deterioration of the catalyst provided in the combustor 4. It is possible to

さらに、この場合は、燃料電池スタック1の要求出力Pの低下に対し、燃料過剰率ηを増大させることに加え、燃料電池システムSに供給される酸化剤ガスの流量Faの、原燃料の流量Ffに対する比(=Fa/Ff)を増大させることになるので、蒸発器21だけでなく燃焼器4の適切な動作をも促すことができ、低負荷運転時における燃料電池システムSの動作をシステム全体として安定させることが可能となる。   Further, in this case, in addition to increasing the excess fuel ratio η in response to the decrease in the required output P of the fuel cell stack 1, the flow rate Fa of the oxidizing gas supplied to the fuel cell system S and the flow rate of the raw fuel Since the ratio to Ff (= Fa / Ff) is increased, not only the evaporator 21 but also the combustor 4 can be appropriately operated, and the operation of the fuel cell system S at the time of low load operation can be improved. It is possible to stabilize the whole.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。   As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the above embodiment is only a part of the application example of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. It is not the purpose. Various changes and modifications can be made to the above embodiment within the scope of the matters described in the claims.

S…燃料電池システム
1…燃料電池スタック
21…蒸発器
22…燃料熱交換器
23…改質器
3…酸化剤ガス加熱部(空気熱交換器)
4…燃焼器
51…第1燃料インジェクタ
52…第2燃料インジェクタ
6…ブロア
7…燃料タンク
11…アノード供給通路
12…カソード供給通路
11exh…アノード排出通路
12exh…カソード排出通路
101…コントローラ
S: fuel cell system 1: fuel cell stack 21: evaporator 22: fuel heat exchanger 23: reformer 3: oxidant gas heating unit (air heat exchanger)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Combustor 51 ... 1st fuel injector 52 ... 2nd fuel injector 6 ... Blower 7 ... Fuel tank 11 ... Anode supply passage 12 ... Cathode supply passage 11exh ... Anode discharge passage 12exh ... Cathode discharge passage 101 ... Controller

Claims (10)

燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出通路およびカソード排出通路に接続され、前記燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池の原燃料を、前記燃料電池への供給前に蒸発させる蒸発器であって、前記燃焼器に対し、前記残燃料の燃焼ガスが有する熱量により前記原燃料を加熱可能に接続された蒸発器と、
前記蒸発器に前記原燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料供給装置および前記酸化剤ガス供給装置を制御する供給制御部と、
を備え、
前記供給制御部は、前記燃料電池の要求出力に応じた前記原燃料の流量を必要流量として、前記燃料電池の負荷の低下に対し、前記原燃料の前記必要流量に対する実際の流量の比である燃料過剰率を、前記蒸発器の入口側で前記燃焼ガスが有する排気熱流をAとし、前記蒸発器における前記原燃料と前記燃焼ガスとの熱交換効率をBとし、前記蒸発器における前記原燃料の蒸発に要する燃料蒸発熱流をCとして、A×B/C>1となる燃料過剰率に制御する、
燃料電池システム。
A fuel cell,
A combustor that is connected to the anode discharge passage and the cathode discharge passage of the fuel cell and burns residual fuel in off-gas of the fuel cell;
An evaporator for evaporating raw fuel of the fuel cell before supply to the fuel cell, wherein the evaporator is connected to the combustor so that the raw fuel can be heated by a calorific value of the combustion gas of the remaining fuel. An evaporator,
A fuel supply device for supplying the raw fuel to the evaporator;
An oxidizing gas supply device that supplies an oxidizing gas to the fuel cell;
A supply control unit that controls the fuel supply device and the oxidant gas supply device,
With
The supply control unit sets a flow rate of the raw fuel according to a required output of the fuel cell as a required flow rate, and is a ratio of an actual flow rate of the raw fuel to the required flow rate with respect to a decrease in the load of the fuel cell. The excess fuel ratio is defined as A, the exhaust heat flow of the combustion gas at the inlet side of the evaporator, the heat exchange efficiency between the raw fuel and the combustion gas in the evaporator as B, and the raw fuel in the evaporator as B. The fuel evaporation heat flow required for evaporation of C is controlled as C, and the excess fuel ratio is controlled so that A × B / C> 1.
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
外気温および大気圧を取得する手段を有し、
前記燃料電池の要求出力、外気温および大気圧に基づき、前記燃料過剰率を算出し、
前記燃料供給装置に対し、前記燃料過剰率に応じた流量の前記原燃料を供給させる信号を出力する、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The supply control unit includes:
Has means for acquiring the outside air temperature and atmospheric pressure,
Based on the required output of the fuel cell, the outside air temperature and the atmospheric pressure, the excess fuel ratio is calculated,
For the fuel supply device, output a signal to supply the raw fuel at a flow rate according to the excess fuel rate,
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
前記蒸発器の入口側における前記原燃料の流量および温度のうち少なくとも一方を含む前記原燃料の状態量を取得する手段を有し、
前記燃料過剰率の制御に、前記原燃料の状態量を反映させ、
前記燃料供給装置に対し、前記燃料過剰率に応じた流量の前記原燃料を供給させる信号を出力する、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The supply control unit includes:
Means for acquiring a state quantity of the raw fuel including at least one of a flow rate and a temperature of the raw fuel on the inlet side of the evaporator,
The control of the excess fuel ratio reflects the state quantity of the raw fuel,
For the fuel supply device, output a signal to supply the raw fuel at a flow rate according to the excess fuel rate,
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
前記蒸発器の入口側における前記燃焼ガスの流量および温度のうち少なくとも一方を含む前記燃焼ガスの状態量を取得する手段を有し、
前記燃料過剰率の制御に、前記燃焼ガスの状態量を反映させ、
前記燃料供給装置に対し、前記燃料過剰率に応じた流量の前記原燃料を供給させる信号を出力する、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The supply control unit includes:
Means for acquiring a state quantity of the combustion gas including at least one of a flow rate and a temperature of the combustion gas on the inlet side of the evaporator,
In controlling the excess fuel ratio, the state quantity of the combustion gas is reflected,
For the fuel supply device, output a signal to supply the raw fuel at a flow rate according to the excess fuel rate,
Fuel cell system.
燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出通路およびカソード排出通路に接続され、前記燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池の原燃料を、前記燃料電池への供給前に蒸発させる蒸発器であって、前記燃焼器に対し、前記残燃料の燃焼ガスが有する熱量により前記原燃料を加熱可能に接続された蒸発器と、
前記蒸発器に前記原燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料供給装置および前記酸化剤ガス供給装置を制御する供給制御部と、
を備え、
前記供給制御部は、前記燃料電池の要求出力に応じた前記原燃料の流量を必要流量として、前記原燃料の前記必要流量に対する実際の流量の比である燃料過剰率を、前記燃料電池の負荷の低下に対して増大させる、
燃料電池システム。
A fuel cell,
A combustor that is connected to the anode discharge passage and the cathode discharge passage of the fuel cell and burns residual fuel in off-gas of the fuel cell;
An evaporator for evaporating raw fuel of the fuel cell before supply to the fuel cell, wherein the evaporator is connected to the combustor so that the raw fuel can be heated by a calorific value of the combustion gas of the remaining fuel. An evaporator,
A fuel supply device for supplying the raw fuel to the evaporator;
An oxidizing gas supply device that supplies an oxidizing gas to the fuel cell;
A supply control unit that controls the fuel supply device and the oxidant gas supply device,
With
The supply control unit sets a flow rate of the raw fuel according to a required output of the fuel cell as a required flow rate, and sets an excess fuel ratio, which is a ratio of an actual flow rate to the required flow rate of the raw fuel, to a load of the fuel cell. Increase against a decrease in
Fuel cell system.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、前記燃料電池の出口温度の上昇に対し、前記酸化剤ガスの流量を増大させる、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The supply control unit increases the flow rate of the oxidizing gas with respect to an increase in the outlet temperature of the fuel cell,
Fuel cell system.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、前記燃料電池の負荷の低下に対し、前記燃料過剰率を増大させるとともに、前記酸化剤ガスの流量の、前記原燃料の流量に対する比を増大させる、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The supply control unit increases the excess fuel ratio with respect to a decrease in the load of the fuel cell, and increases a ratio of the flow rate of the oxidizing gas to the flow rate of the raw fuel.
Fuel cell system.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
外気温を取得する手段を有し、
前記外気温の上昇に対し、前記燃料過剰率を減少させる、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein:
The supply control unit includes:
It has a means to get the outside temperature,
Reducing the excess fuel rate with respect to the rise in the outside air temperature;
Fuel cell system.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
大気圧を取得する手段を有し、
前記大気圧の上昇に対し、前記燃料過剰率を増大させる、
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein:
The supply control unit includes:
Has means to obtain atmospheric pressure,
Increasing the excess fuel ratio with respect to the increase in the atmospheric pressure;
Fuel cell system.
燃料電池の原燃料を、前記燃料電池への供給前に蒸発させる蒸発器を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記原燃料を前記蒸発器に供給し、
前記燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させ、
前記燃焼により生じた前記残燃料の燃焼ガスを前記蒸発器に供給し、
前記蒸発器において、前記原燃料を前記燃焼ガスとの熱交換により加熱し、
前記原燃料の供給に際し、前記燃料電池の要求出力に応じた前記原燃料の流量を必要流量として、前記燃料電池の負荷の低下に対し、前記原燃料の前記必要流量に対する実際の供給流量の比である燃料過剰率を、前記蒸発器の入口側で前記燃焼ガスが有する熱流をAとし、前記蒸発器における前記原燃料と前記燃焼ガスとの熱交換効率をBとし、前記蒸発器における前記原燃料の蒸発に要する熱流をCとして、A×B/C>1となる燃料過剰率に制御する、
燃料電池システムの制御方法。
A control method for a fuel cell system including an evaporator that evaporates a raw fuel of a fuel cell before supplying the fuel to the fuel cell,
Supplying the raw fuel to the evaporator;
Burning the remaining fuel in the off-gas of the fuel cell,
Supplying the combustion gas of the residual fuel generated by the combustion to the evaporator,
In the evaporator, the raw fuel is heated by heat exchange with the combustion gas,
In supplying the raw fuel, a flow rate of the raw fuel according to a required output of the fuel cell is set as a required flow rate, and a ratio of an actual supply flow rate of the raw fuel to the required flow rate with respect to a decrease in the load of the fuel cell. Where A is the heat flow of the combustion gas at the inlet side of the evaporator, B is the heat exchange efficiency between the raw fuel and the combustion gas in the evaporator, and The heat flow required for fuel evaporation is defined as C, and the excess fuel ratio is controlled so that A × B / C> 1.
A control method for a fuel cell system.
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