JP2023085982A - fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示する技術は、燃料電池システムに関する。 The technology disclosed herein relates to a fuel cell system.
特許文献1に燃料電池システムが開示されている。特許文献1の燃料電池システムは、原料ガスを改質することにより改質ガス(水素含有ガス)を生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器により生成された改質ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器と、アンモニア除去器から排出される改質ガスを用いて発電する燃料電池と、アンモニア除去器によりアンモニアを除去した後の改質ガスの温度を検出する温度検知器センサとを備えている。燃焼器は、アンモニア除去器から排出されるガス及び燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させて改質器を加熱する。特許文献1の燃料電池システムでは、制御器が、温度センサにより検出された改質ガスの温度が所定の閾値以上であるときに、改質器から燃料電池への改質ガスの供給を開始する。
燃料電池システムでは、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が高いと、燃料電池の発電効率が低下することがある。また、改質器における加熱量が大きいと、エネルギー消費が大きくなり、システム全体の効率が低下することがある。そこで本明細書は、改質器における加熱量を抑制しつつ改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる技術を提供する。 In a fuel cell system, if the concentration of ammonia contained in the reformed gas is high, the power generation efficiency of the fuel cell may decrease. In addition, if the amount of heating in the reformer is large, the energy consumption becomes large, and the efficiency of the whole system may be lowered. Accordingly, the present specification provides a technique capable of suppressing the concentration of ammonia contained in the reformed gas while suppressing the amount of heating in the reformer.
本明細書に開示する燃料電池システムは、原料ガスを改質することにより改質ガスを生成する改質器と、前記改質器において前記原料ガスを加熱する加熱部と、前記改質器により生成された前記改質ガスが通過するガス通路と、前記ガス通路を通過する前記改質ガスの温度を検出する温度センサと、前記ガス通路を通過した前記改質ガスからアンモニアが除去されることにより生成される燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記温度センサの検出温度から推定される前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて前記加熱部による加熱量を制御する制御部とを備えている。 The fuel cell system disclosed in the present specification includes a reformer that reforms a raw material gas to produce a reformed gas, a heating unit that heats the raw material gas in the reformer, and a gas passage through which the generated reformed gas passes; a temperature sensor that detects the temperature of the reformed gas passing through the gas passage; and removing ammonia from the reformed gas that has passed through the gas passage. a fuel cell that generates electricity using the fuel gas generated by the above; and a control unit that controls the amount of heating by the heating unit according to the concentration of ammonia contained in the reformed gas estimated from the temperature detected by the temperature sensor. It has
上記の構成によれば、改質器における加熱量を抑制しつつ改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる。例えば、温度センサの検出温度から推定されるアンモニアの濃度が高い場合は、改質器においてアンモニアの分解が促進されていない状況であると推定される。この場合は、加熱部による加熱量を増量することにより、アンモニアの分解を促進することができ、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる。また、温度センサの検出温度から推定されるアンモニアの濃度が低い場合は、改質器においてアンモニアの分解が促進されている状況であると推定される。この場合は、加熱部による加熱量を減量することができる。アンモニアの分解が促進されていないときだけ加熱量を増量すればよいので、改質器における加熱量を抑制することができる。 According to the above configuration, it is possible to suppress the concentration of ammonia contained in the reformed gas while suppressing the heating amount in the reformer. For example, when the concentration of ammonia estimated from the temperature detected by the temperature sensor is high, it is estimated that the decomposition of ammonia is not promoted in the reformer. In this case, the decomposition of ammonia can be promoted by increasing the amount of heating by the heating unit, and the concentration of ammonia contained in the reformed gas can be suppressed. Further, when the concentration of ammonia estimated from the temperature detected by the temperature sensor is low, it is estimated that the decomposition of ammonia is promoted in the reformer. In this case, the amount of heating by the heating unit can be reduced. Since the amount of heating needs to be increased only when the decomposition of ammonia is not promoted, the amount of heating in the reformer can be suppressed.
燃料電池システムは、前記ガス通路を通過する前記改質ガスの圧力を検出する圧力センサを更に備えてもよい。前記制御部は、前記温度センサの検出温度および前記圧力センサの検出圧力から推定される前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて前記加熱部による加熱量を制御してもよい。 The fuel cell system may further include a pressure sensor that detects pressure of the reformed gas passing through the gas passage. The control unit may control the amount of heating by the heating unit according to the concentration of ammonia contained in the reformed gas estimated from the temperature detected by the temperature sensor and the pressure detected by the pressure sensor.
この構成によれば、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が温度センサの検出温度および圧力センサの検出圧力から推定されるので推定精度が向上する。これにより、加熱部による加熱量を精度良く制御することができる。 According to this configuration, the concentration of ammonia contained in the reformed gas is estimated from the temperature detected by the temperature sensor and the pressure detected by the pressure sensor, thereby improving the estimation accuracy. Thereby, the amount of heating by the heating unit can be controlled with high accuracy.
前記制御部は、前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定の第1閾値以上であると推定される場合に、前記加熱部による加熱量を増量してもよい。 The control unit may increase the amount of heating by the heating unit when the concentration of ammonia contained in the reformed gas is estimated to be equal to or higher than a predetermined first threshold.
この構成によれば、アンモニアの濃度が高いときに加熱量を増量することにより、アンモニアの分解を促進することができ、アンモニアの濃度を低下させることができる。 According to this configuration, by increasing the amount of heating when the concentration of ammonia is high, the decomposition of ammonia can be promoted and the concentration of ammonia can be reduced.
前記制御部は、前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定の第2閾値未満であると推定される場合に、前記加熱部による加熱量を減量してもよい。前記第2閾値は、前記第1閾値未満の値であってもよい。 The control unit may reduce the amount of heating by the heating unit when the concentration of ammonia contained in the reformed gas is estimated to be less than a predetermined second threshold. The second threshold may be a value less than the first threshold.
この構成によれば、アンモニアの濃度が低いときに加熱量を減量することにより、不要な加熱を抑制することができる。 According to this configuration, unnecessary heating can be suppressed by reducing the heating amount when the concentration of ammonia is low.
前記加熱部は、ジュール熱により前記原料ガスを加熱する第1加熱器を備えてもよい。この構成によれば、加熱部による加熱量を精度良く制御することができる。 The heating unit may include a first heater that heats the raw material gas by Joule heat. According to this configuration, it is possible to accurately control the amount of heating by the heating unit.
前記加熱部は、前記改質器により生成された前記改質ガスの熱により前記原料ガスを加熱する第2加熱器を備えてもよい。この構成によれば、改質ガスの熱を有効利用することにより、原料ガスを加熱することができる。 The heating unit may include a second heater that heats the raw material gas with heat of the reformed gas generated by the reformer. According to this configuration, the raw material gas can be heated by effectively utilizing the heat of the reformed gas.
前記加熱部は、前記燃料電池から排出された排ガスの熱により前記原料ガスを加熱する第3加熱器を備えてもよい。この構成によれば、燃料電池の排ガスの熱を有効利用することにより、原料ガスを加熱することができる。 The heating unit may include a third heater that heats the raw material gas with heat of exhaust gas discharged from the fuel cell. According to this configuration, the raw material gas can be heated by effectively utilizing the heat of the exhaust gas from the fuel cell.
燃料電池システムは、前記ガス通路を通過した前記改質ガスからアンモニアを除去することにより前記燃料ガスを生成する除去器を更に備えてもよい。 The fuel cell system may further include a remover that removes ammonia from the reformed gas that has passed through the gas passage to generate the fuel gas.
この構成によれば、アンモニアの濃度が低い良質な燃料ガスを燃料電池に供給することができる。また、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる構成であれば、除去器が除去するアンモニアの量を抑制することができるので、除去器の負荷を軽減することができる。 According to this configuration, it is possible to supply the fuel cell with good quality fuel gas with a low concentration of ammonia. Further, if the structure can suppress the concentration of ammonia contained in the reformed gas, the amount of ammonia removed by the remover can be suppressed, so the load on the remover can be reduced.
(実施例1)
実施例1の燃料電池システム2について図面を参照して説明する。図1に示すように、実施例1の燃料電池システム2は、原料タンク10と、気化器20と、改質器12と、除去器14と、燃料電池16と、制御部50とを備えている。
(Example 1)
A
原料タンク10は、原料としての液体アンモニアを貯蔵している。原料タンク10には、液体アンモニアが流通する液体供給路70が接続されている。液体供給路70は、上流端が原料タンク10に接続されており、下流端が気化器20に接続されている。液体供給路70を通じて原料タンク10から気化器20に液体アンモニアが供給される。液体供給路70には、液体供給路70の上流側から下流側へ液体アンモニアを圧送するポンプ72が設けられている。
The
気化器20は、液体供給路70により供給される液体アンモニアを加熱することにより気化させる。これにより、原料ガスとしての気体アンモニアが生成される。気化器20には、原料ガス(気体アンモニア)が流通する原料ガス供給路60が接続されている。原料ガス供給路60は、上流端が気化器20に接続されており、下流端が改質器12に接続されている。原料ガス供給路60を通じて気化器20から改質器12に原料ガスが供給される。
The
改質器12は、原料ガス供給路60により供給される原料ガス(気体アンモニア)を改質することにより改質ガスを生成する。原料ガスの改質のために用いられる触媒は、例えば、銅、ニッケル、ルテニウム等である。改質ガスには、原料ガスの改質により生成される水素が含まれる。また、改質ガスには、未分解のアンモニアが含まれる。改質ガスに含まれるアンモニアの濃度は、改質の進行状態によって変動する。
The
改質器12は、原料ガスの改質中に原料ガスを加熱する第1加熱器40(加熱部の一例)を備えている。第1加熱器40は、改質器12において原料ガスの温度を上昇させる。第1加熱器40は、例えば、電気式またはガス式の構成である。本実施例の第1加熱器40は、通電により発熱する電気ヒーターである。第1加熱器40(電気ヒーター)は、電源がオンのときにジュール熱により加熱対象を加熱し、電源がオフのときに加熱対象を加熱しない。第1加熱器40による加熱量は、制御部50により制御される。変形例では、第1加熱器40は、ガスの燃焼熱により加熱対象を加熱するガスバーナーであってもよい。
The
改質器12には、改質ガスが流通する改質ガス供給路62(ガス通路の一例)が接続されている。改質ガス供給路62は、上流端が改質器12に接続されており、下流端が除去器14に接続されている。改質ガス供給路62を通じて改質器12から除去器14に改質ガスが供給される。
A reformed gas supply passage 62 (an example of a gas passage) through which the reformed gas flows is connected to the
改質ガス供給路62には熱交換器22が設けられている。改質器12と除去器14の間に熱交換器22が設けられている。熱交換器22は、改質ガス供給路62を通過する改質ガスと外部の流体との熱交換により改質ガスを冷却する。熱交換器22は、改質器12から除去器14に供給される改質ガスの温度を低下させる。熱交換器22の構造は特に限定されないが、例えば、熱交換用のフィン等を備えていてもよい。
A
改質ガス供給路62には温度センサ30設けられている。温度センサ30は、改質器12と熱交換器22の間に設けられている。温度センサ30は、改質器12から排出される改質ガスの温度を検出する。温度センサ30は、熱交換器22よりも上流側において、改質ガス供給路62を通過する改質ガスの温度を検出する。温度センサ30は、除去器14によりアンモニアが除去される前、かつ、熱交換器22より熱交換される前の改質ガスの温度を検出する。温度センサ30の検出温度の情報は、制御部50に送信される。
A
また、改質ガス供給路62には圧力センサ32が設けられている。圧力センサ32は、改質器12と熱交換器22の間に設けられている。圧力センサ32は、改質器12から排出される改質ガスの圧力を検出する。圧力センサ32は、熱交換器22よりも上流側において、改質ガス供給路62を通過する改質ガスの圧力を検出する。圧力センサ32は、除去器14によりアンモニアが除去される前、かつ、熱交換器22より熱交換される前の改質ガスの圧力を検出する。圧力センサ32の検出圧力の情報は、制御部50に送信される。
A
除去器14は、改質ガス供給路62により供給される改質ガスに含まれるアンモニアを吸着剤によって吸着することにより、改質ガスからアンモニアを除去する。これにより、アンモニアの濃度が低くされた燃料ガスが生成される。アンモニアの吸着のために用いられる吸着剤は、例えば、活性炭、ゼオライト、MOF(Metal Organic Framework)等である。例えば、除去器14の容器の内部に吸着剤が充填されている。
The
除去器14には、燃料ガスが流通する燃料ガス供給路64が接続されている。燃料ガス供給路64は、上流端が除去器14に接続されており、下流端が燃料電池16に接続されている。燃料ガス供給路64を通じて除去器14から燃料電池16に燃料ガスが供給される。
A fuel
燃料電池16には、燃料ガス供給路64の他に、空気が流通する空気供給路68が接続されている。空気供給路68は、上流端が空気供給源(図示省略)に接続されており、下流端が燃料電池16に接続されている。空気供給路68を通じて空気供給源から燃料電池16に空気が供給される。なお、空気供給路68の上流端は外気に開放されていてもよい。
In addition to the fuel
燃料電池16は、燃料ガス供給路64により供給される燃料ガスと、空気供給路68により供給される空気とを用いて発電する。燃料電池16は、例えば、容器の内部に積み重ねられた複数の電池セル(図示省略)を備えており、各電池セルが、燃料ガスに含まれる水素と、空気に含まれる酸素との化学反応により発電する。電池セルは、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC(Solid Oxide Fuel Cell))や固体高分子形燃料電池(PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell))であるが、これらに限定されない。燃料ガスを用いて発電する燃料電池16では、発電の際に未反応の燃料ガスが排ガスとして排出される。
The
燃料電池16には、排ガスが流通する排ガス路66が接続されている。排ガス路66は、上流端が燃料電池16に接続されており、下流端が外部の排出先(図示省略)に接続されている。排ガス路66を通じて燃料電池16から排出先に排ガスが排出される。
An
制御部50は、例えば、CPU(図示省略)と、記憶部52(例えば、ROMやRAM)とを備えており、記憶部52に記憶されているプログラムに従って、燃料電池システム2に関する様々な制御や処理を実行する。
The
制御部50の記憶部52には、アンモニア濃度関係情報が記憶されている。図2は、アンモニア濃度関係情報の一例を示すテーブルである。図2に示すように、アンモニア濃度関係情報は、温度(横軸)および圧力(縦軸)と、アンモニアの濃度(例えば、80%、25%、・・・)との関係を示す。アンモニア濃度関係情報における温度(横軸(例えば、100℃、200℃、・・・))は、改質ガス供給路62に設けられた温度センサ30によって検出される改質ガスの温度に対応する。アンモニア濃度関係情報における圧力(縦軸(例えば、0kPa、100kPa、・・・))は、改質ガス供給路62に設けられた圧力センサ32によって検出される改質ガスの圧力に対応する。アンモニア濃度関係情報におけるアンモニア濃度(例えば、80%、25%、・・・)は、改質ガス供給路62を通過する改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に対応する。アンモニア濃度関係情報は、例えば、予め実験や解析に基づいて作成されている。アンモニア濃度関係情報は、図2に示すテーブルに限られず、例えば、グラフや関数で示されていてもよい。制御部50は、温度センサ30の検出温度と、圧力センサ32の検出圧力と、アンモニア濃度関係情報とに基づいて、改質ガス供給路62を通過する改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を推定する。例えば、温度センサ30の検出温度が100℃であり、圧力センサ32の検出圧力が0kPaである場合、制御部50は、アンモニア濃度関係情報に基づいて、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を80%と推定する。
The
(加熱量制御処理;図3、図4)
次に、実施例1の加熱量制御処理について説明する。加熱量制御処理は、例えば、改質器12の始動指示がある場合に開始される。加熱量制御処理が開始される時点では、改質器12に設けられている第1加熱器40(電気ヒーター)はオフの状態である。図3に示すように、加熱量制御処理のS10では、制御部50が、アンモニア濃度関係情報(図2参照)により推定される改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定の第1閾値Th1(例えば、50%)以上であるか否かを判断する。S10でのアンモニア濃度は、温度センサ30の検出温度と、圧力センサ32の検出圧力と、アンモニア濃度関係情報(図2参照)とに基づいて特定される。所定の第1閾値Th1は、所定の濃度許容値Ta(例えば、60%)未満の値である(図4参照)。所定の濃度許容値Taは、例えば、除去器14のアンモニア除去能力に応じて設定される。S10でアンモニアの濃度が第1閾値Th1以上であると判断される場合(YESの場合)、処理はS12に進む。S10でアンモニアの濃度が第1閾値Th1未満であると判断される場合(NOの場合)、処理は待機する。
(Heating amount control process; Figs. 3 and 4)
Next, the heating amount control process of the first embodiment will be described. The heating amount control process is started, for example, when there is an instruction to start the
S10でYESの後のS12では、制御部50が、改質器12に設けられている第1加熱器40(電気ヒーター)の電源をオンにする(図4参照)。第1加熱器40の電源がオンになると、第1加熱器40が発熱し、改質器12の内部の原料ガスが加熱される。これにより、原料ガスの温度が上昇し、原料ガスの改質が促進される。その結果、アンモニアの分解が促進され、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が低下する。改質ガスの温度は上昇する。
In S12 after YES in S10, the
続くS14では、制御部50が、アンモニア濃度関係情報(図2参照)により推定される改質ガスに含まれるアンモニア濃度が所定の第2閾値Th2(例えば、10%)未満であるか否かを判断する。S14でのアンモニア濃度は、温度センサ30の検出温度と、圧力センサ32の検出圧力と、アンモニア濃度関係情報(図2参照)とに基づいて特定される。所定の第2閾値Th2は、上記の第1閾値Th1未満の値である(図4参照)。S14でアンモニアの濃度が第2閾値Th2未満であると判断される場合(YESの場合)、処理はS16に進む。S14でアンモニアの濃度が第2閾値Th2以上であると判断される場合(NOの場合)、処理はS12に戻る。S12では、第1加熱器40(電気ヒーター)の電源がオンに維持され、第1加熱器40による原料ガスの加熱が維持される。
In subsequent S14, the
S14でYESの後のS16では、制御部50が、第1加熱器40(電気ヒーター)の電源をオフにする(図4参照)。第1加熱器40の電源がオフになると、第1加熱器40による原料ガスの加熱が停止する。その結果、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が上昇すると共に、改質ガスの温度が低下する。
In S16 after YES in S14, the
続くS18では、制御部50が、改質器12の停止指示があるか否かを判断する。改質器12の停止指示があると判断される場合(YESの場合)、加熱量制御処理が終了する。改質器12の停止指示がないと判断される場合(NOの場合)、処理はS10に戻る。制御部50が上記の処理を繰り返す。
In subsequent S18, the
(効果)
以上、実施例1の燃料電池システム2について説明した。以上のように、燃料電池システム2は、原料ガスを改質することにより改質ガスを生成する改質器12と、改質器12において原料ガスを加熱する第1加熱器40と、改質器12により生成された改質ガスが通過する改質ガス供給路62と、改質ガス供給路62を通過する改質ガスの温度を検出する温度センサ30と、改質ガス供給路62を通過した改質ガスからアンモニアが除去されることにより生成される燃料ガスを用いて発電する燃料電池16と、温度センサ30の検出温度から推定される改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて第1加熱器40による加熱量を制御する制御部50とを備えている。
(effect)
The
上記の構成によれば、改質器12における加熱量を抑制しつつ改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる。例えば、温度センサ30の検出温度から推定されるアンモニアの濃度が高い場合は、改質器12においてアンモニアの分解が促進されていない状況であると推定される。この場合は、第1加熱器40による加熱量を増量することにより、アンモニアの分解を促進することができ、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる。また、温度センサ30の検出温度から推定されるアンモニアの濃度が低い場合は、改質器12においてアンモニアの分解が促進されている状況であると推定される。この場合は、第1加熱器40による加熱量を減量することができる。アンモニアの分解が促進されていないときだけ加熱量を増量すればよいので、改質器12における加熱量を抑制することができる。
According to the above configuration, it is possible to suppress the concentration of ammonia contained in the reformed gas while suppressing the heating amount in the
また、燃料電池システム2は、改質ガス供給路62を通過する改質ガスの圧力を検出する圧力センサ32を備えている。制御部50は、温度センサ30の検出温度および圧力センサ32の検出圧力から推定される改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて第1加熱器40による加熱量を制御する。この構成によれば、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が温度センサ30の検出温度および圧力センサ32の検出圧力から推定されるので推定精度が向上する。これにより、第1加熱器40による加熱量を精度良く制御することができる。
The
制御部50は、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定の第1閾値Th1以上であると推定される場合に、第1加熱器40による加熱量を増量する。この構成によれば、アンモニアの濃度が高いときに加熱量を増量することにより、アンモニアの分解を促進することができ、アンモニアの濃度を低下させることができる。
The
制御部50は、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が第1閾値Th1未満の所定の第2閾値Th2未満であると推定される場合に、第1加熱器40による加熱量を減量する。この構成によれば、アンモニアの濃度が低いときに加熱量を減量することにより、不要な加熱を抑制することができる。
The
第1加熱器40は、ジュール熱により原料ガスを加熱する。この構成によれば、第1加熱器40による加熱量を精度良く制御することができる。
The
燃料電池システム2は、改質ガス供給路62を通過した改質ガスからアンモニアを除去することにより燃料ガスを生成する除去器14を備えている。この構成によれば、アンモニアの濃度が低い良質な燃料ガスを燃料電池16に供給することができる。また、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる構成であれば、除去器14が除去するアンモニアの量を抑制することができるので、除去器14の負荷を軽減することができる。
The
(実施例2)
次に、実施例2の燃料電池システム2について説明する。以下では、上記の実施例1と同様の構成については説明を省略する場合がある。図5に示すように、実施例2の燃料電池システム2は、改質器12に設けられている第2加熱器42(加熱部の他の一例)および第3加熱器44(加熱部の他の一例)を備えている。また、実施例2の燃料電池システム2は、改質ガス供給路62に接続されている改質ガス分岐路80と、排ガス路66に接続されている排ガス分岐路90とを備えている。
(Example 2)
Next, the
改質ガス分岐路80の上流端は、温度センサ30および圧力センサ32よりも下流側、かつ、熱交換器22よりも上流側の改質ガス供給路62に接続されている。変形例では、改質ガス分岐路80の上流端は、温度センサ30および圧力センサ32よりも上流側の改質ガス供給路62に接続されていてもよい。改質ガス分岐路80の下流端は、改質器12に設けられている第2加熱器42に接続されている。改質ガス分岐路80を通じて改質ガス供給路62から第2加熱器42に改質ガスが供給される。改質器12から排出される改質ガスが第2加熱器42に供給される。
The upstream end of the reformed
改質ガス分岐路80には、改質ガス分岐路80を開閉する改質ガスバルブ82が設けられている。改質ガスバルブ82が開弁すると、第2加熱器42に改質ガスが供給され、改質ガスバルブ82が閉弁すると、第2加熱器42に改質ガスが供給されなくなる。
The reformed
第2加熱器42は、熱交換器であり、改質ガス分岐路80から供給される改質ガスと改質器12の内部の原料ガスとの熱交換により、原料ガスを加熱すると共に改質ガスを冷却する。第2加熱器42(熱交換器)は、改質器12から排出される改質ガスの熱により原料ガスの温度を上昇させる。
The
第2加熱器42には改質ガス戻り路84の上流端が接続されている。改質ガス戻り路84の下流端は、温度センサ30および圧力センサ32よりも下流側、かつ、熱交換器22よりも上流側の改質ガス供給路62に接続されている。変形例では、改質ガス戻り路84の下流端は、熱交換器22よりも下流側の改質ガス供給路62に接続されていてもよい。改質ガス戻り路84を通じて第2加熱器42から改質ガス供給路62に改質ガスが供給される(戻される)。
The upstream end of the reformed
排ガス分岐路90は、上流端が排ガス路66に接続されており、下流端が第3加熱器44に接続されている。排ガス分岐路90を通じて排ガス路66から第3加熱器44に排ガスが供給される。燃料電池16から排出される排ガスが第3加熱器44に供給される。
The exhaust
排ガス分岐路90には、排ガス分岐路90を開閉する排ガスバルブ92が設けられている。排ガスバルブ92が開弁すると、第3加熱器44に排ガスが供給され、排ガスバルブ92が閉弁すると、第3加熱器44に排ガスが供給されなくなる。
An
第3加熱器44は、熱交換器であり、排ガス分岐路90から供給される排ガスと改質器12の内部の原料ガスとの熱交換により、原料ガスを加熱すると共に排ガスを冷却する。第3加熱器44(熱交換器)は、燃料電池16から排出される排ガスの熱により原料ガスの温度を上昇させる。
The
第3加熱器44には第2排ガス路94の上流端が接続されている。第2排ガス路94の下流端は外部の排出先(図示省略)に接続されており、第2排ガス路94を通じて排出先に排ガスが排出される。
An upstream end of the second
(加熱量制御処理;図6)
次に、実施例2の加熱量制御処理について説明する。実施例2の加熱量制御処理が開始される時点では、改質器12に設けられている第1加熱器40(電気ヒーター)がオフの状態である。また、実施例2の加熱量制御処理が開始される時点では、改質ガス分岐路80に設けられている改質ガスバルブ82が閉弁していると共に、排ガス分岐路90に設けられている排ガスバルブ92が閉弁している状態である。
(Heating amount control process; Fig. 6)
Next, the heating amount control process of the second embodiment will be described. When the heating amount control process of the second embodiment is started, the first heater 40 (electric heater) provided in the
図6に示すように、実施例2の加熱量制御処理のS12では、制御部50が、第1加熱器40(電気ヒーター)の電源をオンにする。また、S12では、制御部50が、改質ガス分岐路80に設けられている改質ガスバルブ82を開弁すると共に、排ガス分岐路90に設けられている排ガスバルブ92を開弁する。
As shown in FIG. 6, in S12 of the heating amount control process of the second embodiment, the
第1加熱器40の電源がオンになると、第1加熱器40が発熱し、改質器12の内部の原料ガスが加熱される。また、改質ガスバルブ82が開弁すると、改質ガス分岐路80を通じて第2加熱器42に改質ガスが供給され、改質ガスの熱により改質器12の内部の原料ガスが加熱される。また、排ガスバルブ92が開弁すると、排ガス分岐路90を通じて第2加熱器42に排ガスが供給され、排ガスの熱により改質器12の内部の原料ガスが加熱される。これにより、原料ガスの温度が上昇し、原料ガスの改質が促進される。その結果、アンモニアの分解が促進され、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が低下する。
When the power of the
図6に示すように、実施例2の加熱量制御処理のS16では、制御部50が、第1加熱器40(電気ヒーター)の電源をオフにする。また、S16では、制御部50が、改質ガス分岐路80に設けられている改質ガスバルブ82を閉弁すると共に、排ガス分岐路90に設けられている排ガスバルブ92を閉弁する。
As shown in FIG. 6, in S16 of the heating amount control process of the second embodiment, the
第1加熱器40の電源がオフになると、第1加熱器40による原料ガスの加熱が停止する。また、改質ガスバルブ82が閉弁すると、第2加熱器42に改質ガスが供給されなくなり、改質ガスの熱による原料ガスの加熱が停止する。また、排ガスバルブ92が閉弁すると、第2加熱器42に排ガスが供給されなくなり、排ガスの熱による原料ガスの加熱が停止する。これにより、第2加熱器42による原料ガスの加熱が停止する。
When the
(効果)
以上、実施例2の燃料電池システム2について説明した。以上のように、燃料電池システム2は、改質器12により生成された改質ガスの熱により原料ガスを加熱する第2加熱器42を備えている。また、燃料電池システム2は、燃料電池16から排出される排ガスの熱により原料ガスを加熱する第3加熱器44を備えている。制御部50は、改質ガス分岐路80に設けられている改質ガスバルブ82を開閉制御することにより、改質器12における加熱量を制御する。また、制御部50は、排ガス分岐路90に設けられている排ガスバルブ92を開閉制御することにより、改質器12における加熱量を制御する。
(effect)
The
この構成によれば、改質ガスの熱を有効利用することにより、原料ガスを加熱することができる。また、燃料電池16の排ガスの熱を有効利用することにより、原料ガスを加熱することができる。この構成によっても、上記の実施例1と同様に、改質器12における加熱量を抑制しつつ改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を抑制することができる。
According to this configuration, the raw material gas can be heated by effectively utilizing the heat of the reformed gas. Also, by effectively utilizing the heat of the exhaust gas from the
また、上記の構成によれば、原料ガスの温度を上昇させることと利用して改質ガスの温度を低下させることができる。これにより、除去器14に供給される改質ガスの温度を低下させることができ、除去器14でのアンモニアの除去を促進することができる。また、原料ガスの温度を上昇させることと利用して排ガスの温度を低下させることができる。これにより、外部に排出される排ガスの温度を低下させることができ、排ガスを安全に排出することができる。
Moreover, according to the above configuration, it is possible to lower the temperature of the reformed gas by utilizing the increase in the temperature of the raw material gas. Thereby, the temperature of the reformed gas supplied to the
(変形例)
(1)上記の実施例1、2では、改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を推定するためのアンモニア濃度関係情報(図2参照)が、温度および圧力と、アンモニアの濃度との関係を示す情報であったが、これに限定されない。変形例では、図7に示すように、アンモニア濃度関係情報が、温度とアンモニアの濃度との関係を示す情報であってもよい。変形例のアンモニア濃度関係情報における温度(横軸(例えば、100℃、200℃、・・・))は、改質ガス供給路62に設けられた温度センサ30によって検出される改質ガスの温度に対応する。アンモニア濃度関係情報におけるアンモニア濃度(例えば、80%、25%、・・・)は、改質ガス供給路62を通過する改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に対応する。制御部50は、温度センサ30の検出温度と、アンモニア濃度関係情報とに基づいて、改質ガス供給路62を通過する改質ガスに含まれるアンモニアの濃度を推定する。変形例では、圧力センサ32を省略することができる。
(Modification)
(1) In Examples 1 and 2 above, the ammonia concentration relationship information (see FIG. 2) for estimating the concentration of ammonia contained in the reformed gas indicates the relationship between the temperature and pressure and the concentration of ammonia. Information, but not limited to. In a modification, as shown in FIG. 7, the ammonia concentration relationship information may be information indicating the relationship between temperature and ammonia concentration. The temperature (horizontal axis (eg, 100° C., 200° C., . corresponds to The ammonia concentration (for example, 80%, 25%, . The
(2)変形例では、制御部50が、第1加熱器40(電気ヒーター)の通電量を調整することにより加熱量を制御する構成であってもよい。例えば、制御部50が、第1加熱器40の通電量を小さくすることにより加熱量を小さくし、通電量を大きくすることにより加熱量を大きくしてもよい。制御部50は、必ずしも第1加熱器40の電源をオン/オフしなくてもよい。
(2) In a modification, the
(3)変形例では、制御部50が、改質ガス分岐路80に設けられている改質ガスバルブ82の開度を調整することにより加熱量を制御する構成であってもよい。例えば、制御部50が、改質ガスバルブ82の開度を小さくすることにより加熱量を小さくし、改質ガスバルブ82の開度を大きくすることにより加熱量を大きくしてもよい。制御部50は、必ずしも改質ガスバルブ82を開状態/閉状態にしなくてもよい。
(3) In a modification, the
(4)変形例では、制御部50が、排ガス分岐路90に設けられている排ガスバルブ92の開度を調整することにより加熱量を制御する構成であってもよい。例えば、制御部50が、排ガスバルブ92の開度を小さくすることにより加熱量を小さくし、排ガスバルブ92の開度を大きくすることにより加熱量を大きくしてもよい。制御部50は、必ずしも排ガスバルブ92を開状態/閉状態にしなくてもよい。
(4) In a modified example, the
(5)変形例では、燃料電池システム2が、第1加熱器40、第2加熱器42および第3加熱器44のいずれか1つまたは2つの加熱器を備える構成であってもよい。第1加熱器40、第2加熱器42および第3加熱器44のいずれか1つまたは2つの加熱器を省略してもよい。
(5) In a modification, the
(6)変形例では、制御部50が、燃料電池16が発電する電力により第1加熱器40(電気ヒーター)に通電してもよい。
(6) In a modified example, the
(7)変形例では、気化器20を省略してもよい。この場合、燃料電池システム2は、原料タンク10に代えてガスボンベ(図示省略)を備えていてもよい。ガスボンベは、原料ガス(例えば、アンモニアガス、炭化水素ガス、ギ酸ガス、ヒドラジンガス等)を貯蔵している。ガスボンベには、原料ガス供給路60が接続されている。なお、アンモニアガス以外の原料ガスが用いられる場合は、改質器12において副生物としてアンモニアが生成される。
(7) In a modification, the
(8)変形例では、除去器14が、改質ガスを水中を通過させることによりアンモニアを除去する構成であってもよい。
(8) In a modification, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical utility either singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
2:燃料電池システム、10:原料タンク、12:改質器、14:除去器、16:燃料電池、20:気化器、22:熱交換器、30:温度センサ、32:圧力センサ、40:第1加熱器、42:第2加熱器、44:第3加熱器、50:制御部、52:記憶部、60:原料ガス供給路、62:改質ガス供給路、64:燃料ガス供給路、66:排ガス路、68:空気供給路、70:液体供給路、72:ポンプ、80:改質ガス分岐路、82:改質ガスバルブ、84:改質ガス戻り路、90:排ガス分岐路、92:排ガスバルブ、94:第2排ガス路
2: fuel cell system, 10: raw material tank, 12: reformer, 14: remover, 16: fuel cell, 20: vaporizer, 22: heat exchanger, 30: temperature sensor, 32: pressure sensor, 40: First heater 42: Second heater 44: Third heater 50: Control unit 52: Storage unit 60: Source gas supply path 62: Reformed gas supply path 64: Fuel gas supply path , 66: Exhaust gas channel, 68: Air supply channel, 70: Liquid supply channel, 72: Pump, 80: Reformed gas branch channel, 82: Reformed gas valve, 84: Reformed gas return channel, 90: Exhaust gas branch channel, 92: Exhaust gas valve, 94: Second exhaust gas passage
Claims (9)
前記改質器において前記原料ガスを加熱する加熱部と、
前記改質器により生成された前記改質ガスが通過するガス通路と、
前記ガス通路を通過する前記改質ガスの温度を検出する温度センサと、
前記ガス通路を通過した前記改質ガスからアンモニアが除去されることにより生成される燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記温度センサの検出温度から推定される前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて前記加熱部による加熱量を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。 a reformer for generating a reformed gas by reforming the raw material gas;
a heating unit for heating the raw material gas in the reformer;
a gas passage through which the reformed gas generated by the reformer passes;
a temperature sensor that detects the temperature of the reformed gas passing through the gas passage;
a fuel cell that generates electricity using a fuel gas generated by removing ammonia from the reformed gas that has passed through the gas passage;
and a control unit that controls the amount of heating by the heating unit according to the concentration of ammonia contained in the reformed gas estimated from the temperature detected by the temperature sensor.
前記ガス通路を通過する前記改質ガスの圧力を検出する圧力センサを更に備え、
前記制御部は、前記温度センサの検出温度および前記圧力センサの検出圧力から推定される前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて前記加熱部による加熱量を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
further comprising a pressure sensor that detects the pressure of the reformed gas passing through the gas passage;
The control unit controls the amount of heating by the heating unit according to the concentration of ammonia contained in the reformed gas estimated from the temperature detected by the temperature sensor and the pressure detected by the pressure sensor.
前記制御部は、前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定の第1閾値以上であると推定される場合に、前記加熱部による加熱量を増量する、燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fuel cell system, wherein the control unit increases the amount of heating by the heating unit when the concentration of ammonia contained in the reformed gas is estimated to be equal to or higher than a predetermined first threshold value.
前記制御部は、前記改質ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定の第2閾値未満であると推定される場合に、前記加熱部による加熱量を減量する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell system, wherein the control unit reduces the amount of heating by the heating unit when the concentration of ammonia contained in the reformed gas is estimated to be less than a predetermined second threshold.
前記第2閾値は、前記第1閾値未満の値である、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4 citing claim 3,
The fuel cell system, wherein the second threshold is less than the first threshold.
前記加熱部は、ジュール熱により前記原料ガスを加熱する第1加熱器を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell system, wherein the heating unit includes a first heater that heats the raw material gas by Joule heat.
前記加熱部は、前記改質器により生成された前記改質ガスの熱により前記原料ガスを加熱する第2加熱器を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell system, wherein the heating unit includes a second heater that heats the raw material gas with heat of the reformed gas generated by the reformer.
前記加熱部は、前記燃料電池から排出された排ガスの熱により前記原料ガスを加熱する第3加熱器を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The fuel cell system, wherein the heating unit includes a third heater that heats the raw material gas with heat of exhaust gas discharged from the fuel cell.
前記ガス通路を通過した前記改質ガスからアンモニアを除去することにより前記燃料ガスを生成する除去器を更に備える、燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8,
The fuel cell system further comprising a remover that removes ammonia from the reformed gas that has passed through the gas passage to generate the fuel gas.
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