JP3698101B2 - Control device for fuel reforming fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料改質型燃料電池システムの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムの一つとして、燃料改質型燃料電池システムが知られている。この燃料改質型燃料電池システムは、メタノールやガソリン等を燃料として燃料改質器によって水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスと空気を燃料電池に供給して電力を取り出すものである。
【0003】
この燃料改質型燃料電池システムにおいては、負荷の減少時やシステム停止時等で負荷が急減した場合には、燃料改質器の応答が追いつかず、余剰改質燃料ガスが発生してしまうことがある。
【0004】
従来、このような余剰改質燃料ガスの処理方法としては、例えば、燃焼器を設けて余剰改質燃料ガスを燃焼処理する方法や、余剰改質燃料ガスによって余剰電力を発生させて2次電池に充電する方法がある(特願2000−55482号、特開2001−348746号公報等)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように、余剰改質燃料ガスが発生した場合、余剰改質燃料ガスをそのまま燃焼処理したのでは、システムの燃料消費率が悪化する、という問題がある。
【0006】
一方、余剰電力を発生させ2次電池に充電する場合、2次電池の充電量の上限を超えてしまう恐れがあるため、十分な充電余裕量を用意しておかなければならない。
【0007】
また、図11には、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、2次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示す。即ち、(a)に示すように要求電力が急減した場合に、(b)に示すように改質燃料ガス量は減少遅れを伴って変化するが、(c)に示すようにこの改質燃料ガスの余剰分をすべて燃料電池の発電に使用して、(d)に示すように2次電池の充電量が上限値を超えたときの例を表す。
【0008】
このように充電量の上限値を超えた場合には、例えば速やかに余剰電力の発生を止めて、余剰改質燃料ガスを燃焼器にて燃焼させることになるが、余剰改質燃料ガスの排出に対して、燃料電池の空気極(カソード極)への空気供給量の減少は遅れを伴うために、この遅れによって燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されてしまう、という問題がある。
【0009】
この発明の目的は、燃料改質型燃料電池システムにおいて、負荷の減少時やシステム停止時などで負荷が急減した場合に発生する余剰改質燃料ガスを、2次電池の充電を適切に行いながら、燃料消費率や水の消費量を悪化させることなく、処理できるようにすることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、改質器を含む燃料電池と2次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、前記2次電池の充電量を推定する2次電池充電量推定手段と、前記充電量に基づいて、前記2次電池の充電限界の範囲内で前記燃料電池で発電することの許される上限の電力を算出する発電上限電力算出手段と、前記発電可能電力と前記発電上限電力とに基づいて、前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備える。
【0011】
第2の発明は、改質器を含む燃料電池と2次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、電気負荷の消費電力を算出する消費電力算出手段と、前記2次電池の充電量を推定する2次電池充電量推定手段と、前記充電量に基づいて、前記2次電池に入力することの可能な電力を算出する2次電池入力可能電力算出手段と、前記2次電池入力可能電力と前記消費電力の和と、前記発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備える。
【0012】
第3の発明は、第1、第2の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記2次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【0013】
第4の発明は、第1、第2の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記2次電池の充電量の増加量が大きいほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【0014】
第5の発明は、第1、第2の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【0015】
第6の発明は、第1、第2の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃焼器の温度が低いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【0016】
第7の発明は、第3〜第6の発明において、前記発電電力補正手段は、電気負荷の消費電力よりも発電可能電力が大きい場合に、補正を許可する手段を含んでいる。
【0017】
【発明の効果】
第1の発明にあっては、燃料改質型燃料電池システムにおいて、燃料改質器において生成される改質燃料ガス量を推定し、これに基づいて発電することができる電力(発電可能電力)を算出する。一方、2次電池の充電状態を推定し、これに基づいて2次電池の充電限界の範囲内で燃料電池で発電することの許される上限の電力(発電上限電力)を算出する。そして、発電可能電力と発電上限電力とに基づいて燃料電池の発電電力を算出するので、燃料電池システムの負荷が急減して、電気負荷の消費電力が無い場合、2次電池の充電状態に応じて燃料電池で発電させ、2次電池に的確に充電できる。また、余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、2次電池の充電量が上限値に達した場合に、空気の減少の遅れによって燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。
【0018】
第2の発明にあっては、電気負荷の消費電力を算出し、2次電池入力可能電力と消費電力の和と、発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として燃料電池の発電電力を算出するので、燃料電池システムの負荷が急減した場合、2次電池に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスによって発生した余剰電力を充電することできる。また、余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、2次電池の充電量が上限値に達した場合に、空気の減少の遅れによって燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。
【0019】
第3の発明にあっては、2次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、その減少補正分を含めた余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。また、2次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【0020】
第4の発明にあっては、2次電池の充電量の増加量が大きいほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、2次電池の充電量が上限に達するまでに余剰電力を緩やかに減らすことができる。また、燃料電池に供給する空気量を緩やかに変化させることが可能となり、したがって2次電池の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。また、2次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【0021】
第5の発明にあっては、燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、供給空気量の応答が遅い運転条件において、2次電池の充電量の上限に達したときに減少させなくてはならない発電量を小さくすることができる。したがって、2次電池の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。また、2次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【0022】
第6の発明にあっては、燃焼器の温度が低いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、燃焼器の温度が低い場合ほど、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガスを増加させて、燃焼器の温度を適正温度に維持することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0024】
図1は本発明の実施の形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【0025】
図1に示す実施の形態の燃料電池スタック10は、電気自動車のバッテリ(2次電池)11を充電するために車両の適宜箇所に搭載され、電力制御器12を介して電気自動車のモータ13を間接的または直接的に駆動する。この電力制御器12は、バッテリ11に充電された電力を取り出してモータ13に供給したり、燃料電池スタック10で生成された電力をバッテリ11に充電したり、あるいは燃料電池スタック10で生成された電力をそのままモータ13へ供給したりする。
【0026】
燃料電池スタック10は、燃料極(アノード極)(−)に水素リッチガスが供給される一方、空気極(カソード極)(+)にコンプレッサ21からの空気が供給され、触媒の存在下において電池反応が生じ、これにより発電を行う。この燃料極および空気極に供給されて余剰となった水素ガスおよび空気は燃焼器22に送られて処理される。
【0027】
燃料電池スタック10の燃料極に供給すべき水素リッチガスは、改質器23によって生成することができる。本例の改質システム20は、メタノールと過剰量の水とからなる混合液体燃料(以下、改質原料ともいう。)が収容された燃料タンク24と、改質器23と、一酸化炭素除去器25と、燃焼器22とを備えている。
【0028】
改質器23には、燃料タンク24内の改質原料がポンプ26を用いて送られる一方で、コンプレッサ21から酸化剤としての空気が送られる。そして、気化された改質原料を改質触媒の存在下において改質反応させ、水素と二酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
【0029】
改質器23の下流に設けられた一酸化炭素除去器25は、コンプレッサ21からの空気を導入することで改質ガスに含まれた一酸化炭素を選択酸化させ、燃料電池スタック10の被毒の原因となる一酸化炭素の濃度を低減させるものである。こうして水素リッチとなった改質ガスは燃料電池スタック10の燃料極へ供給される。
【0030】
燃焼器22では、燃料電池スタック10で余剰となった改質ガスおよび空気を燃焼触媒の存在下において燃焼させ、このときの燃焼エネルギーを改質器23へ供給することで排ガス処理と同時に改質反応を促進させる機能を有する。
【0031】
改質器23内には温度センサT1、改質器23の出口配管には温度センサT2、一酸化炭素除去器25内には温度センサT3、一酸化炭素除去器25の出口配管には温度センサT4がそれぞれ設けられ、これらの検出信号は改質器制御装置30へ送出される。燃料電池スタック10の燃料極の出口配管には圧力センサP1が設けられ、この検出信号は電力制御装置のスタック制御器31へ送出される。
【0032】
また、燃料電池スタック10の燃料極の出口配管ならびに空気極の出口配管には、それぞれ制御弁14,15が設けられる。
【0033】
改質器制御装置30は、アクセル等のような外部負荷に応じた指令信号に応答して、改質器23への燃料タンク24からの改質原料の投入量、コンプレッサ21からの空気供給量を制御して、燃料電池スタック10へ供給すべき水素リッチガスの生成量を制御するものである。
【0034】
電力制御装置のスタック制御器31は、水素リッチガスの生成量、バッテリ11の充電余裕量、モータ13等の電気負荷に基づいて、燃料電池スタック10で発電させる電力値を算出、制御するものである。また、電力制御装置のスタック制御器31は、制御弁14,15を介して、燃料電池スタック10で余剰となって燃焼器22に送る水素ガス量、空気量を制御する。
【0035】
電力制御装置のバッテリ監視器32は、バッテリ11の充電量(蓄電量)、充電余裕量(バッテリ11の充電量に対して、あとどれだけ充電できるかの量)を監視するものである。このバッテリ11の充電量、充電余裕量は、例えば予め実験的に求めたバッテリ容量と、充放電時の電流を積算して得られる積算値(=Σ(I×t):Iは電流値、tは時間)から算出する方法や、開放端電圧との関係から算出する方法等、公知の方法を採用することができる。
【0036】
次に、動作について説明する。
【0037】
図2、図3は、本発明の制御装置(電力制御装置)の動作を示すフローチャートである。なお、これは所定の制御周期で実行する。
【0038】
図2のステップ1では、改質原料の投入量Qf[l/sec]に対して、下式を用いて改質燃料ガス(水素)の生成量Qh[mol/sec]を推定(算出)する。下式において、Krは改質原料1[l]から生成することができる改質燃料ガス量[mol]に相当する係数であり、ηrは改質器23の効率をあらわす係数である。また、Trは改質器23の応答時定数[sec]であり、sはラプラス演算子である。
【0039】
Qh=Qf×Kr×ηr/(Trs+1)
ステップ2では、推定した改質燃料ガス量Qhに基づいて燃料電池スタック10から取り出すことが可能な電流Ih[A]を下式に従って算出する。
【0040】
Ih=Qh/(2×F×Sr)
ここで、Fはファラデー定数であり、Srは燃料電池スタック10の水素過剰率である。
【0041】
そして、燃料電池スタック10で発電することが可能な電力Ph[kW]を下式に従って算出する。
【0042】
Ph=Ih×Eh
ここで、Ehは燃料電池スタック10の電圧であり、取り出し電流Ihに基づいて、例えば図4に示す特性をもつテーブルデータを参照することによって算出する。
【0043】
ステップ3では、電力制御装置のバッテリ監視器32において、バッテリ11の充電余裕量Wb[kWh]を推定(算出)する。バッテリ11の充電余裕量の推定方法は前述した通りである。
【0044】
ステップ4では、まず、バッテリ11に入力することが可能な電力Pb[kW]を算出する。この演算は、バッテリ11の充電余裕量Wb[kWh]に基づいて、例えば、図5に示した特性のテーブルデータを参照することによって行なう。
【0045】
次に、電気負荷の消費電力を算出する。電気負荷の消費電力として、電気自動車を駆動するためのモータ13の消費電力Pm[kW]を下式に従って算出する。
【0046】
Pm=Im×Em
ここで、Imはモータ13に流れる電流[A]であり、Emはモータ13の電圧[V]である。
【0047】
そして、バッテリ11に入力することが可能な電力Pb[kW]と、モータ13の消費電力Pm[kW]を加算して、燃料電池スタック10の発電上限電力Pmax[kW]を算出する。
【0048】
モータ13の消費電力Pm[kW]が無いときは、バッテリ11に入力することが可能な電力Pb[kW]が、バッテリ11の充電限界の範囲内で燃料電池スタック10で発電することの許される上限の電力つまり燃料電池スタック10の発電上限電力Pmax[kW]となる。
【0049】
ステップ5では、図3に示したフローチャートに従って燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]の算出を行なう。
【0050】
まず、ステップ11において、燃料電池スタック10で発電することが可能な電力Ph[kW]と燃料電池スタック10の発電上限電力Pmax[kW]から値の小さいものを選択し、その値を燃料電池スタック10の発電電力の基準値Pg0[kW]とする。
【0051】
そして、ステップ12において、燃料電池スタック10の発電可能電力Ph[kW]とモータ13の消費電力Pm[kW]の大小を比較する。
【0052】
燃料電池スタック10の発電可能電力Ph[kW]の方が大きい場合には、ステップ13、14において減少補正係数αを算出して、発電電力基準値Pg0[kW]を減少補正して発電電力Pg[kW]を算出する。
【0053】
この減少補正係数αは、図2のステップ4で推定したバッテリ11の充電余裕量Wb[kWh]に基づいて、図6に示すようなテーブルデータを参照して、算出する。つまり、バッテリ11の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、燃料電池スタック10で発電する電力Pg[kW]が小さくなるように減少補正する。
【0054】
一方、燃料電池スタック10の発電可能電力Ph[kW]の方が小さい場合には、ステップ15において発電電力基準値Pg0[kW]の減少補正を行なわずに、その発電可能電力Ph[kW]を発電電力Pg[kW]にする。
【0055】
なお、電気負荷としてモータ13のほかに、電気自動車に備えられているエアコンやラジエータファン等の電気負荷を加えてよい。
【0056】
このような構成により、燃料電池システムの負荷が急減して、余剰改質燃料ガスが発生した場合(燃料電池スタック10の発電可能電力Ph[kW]>モータ13の消費電力Pm[kW])、余剰改質燃料ガスによって燃料電池スタック10で発電が行われると共に、この場合モータ13の消費電力Pm[kW]が無いときは、バッテリ11の充電限界の範囲内で燃料電池スタック10で発電することの許される上限の電力を燃料電池スタック10の発電電力基準値Pg0[kW]にして、これをバッテリ11の充電量が充電範囲の上限値に近いほど減少補正して、燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]を求め、この発電電力Pg[kW]を得るように、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器22に送られる。
【0057】
これにより、バッテリ11の充電状態に応じて燃料電池スタック10で発電させ、バッテリ11に的確に充電できる。また、バッテリ11の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器22に送られるので、例えばバッテリ11の充電量が上限値に達した後に余剰の水素ガス、空気が燃焼器22に送られるものに比べて、空気の減少が遅れるようなことがなく、その遅れによって燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。
【0058】
また、この場合モータ13の消費電力Pm[kW]が有るときは、バッテリ11に入力することが可能な電力Pb[kW]とモータ13の消費電力Pm[kW]とを加算した燃料電池スタック10の発電上限電力Pmax[kW]と、燃料電池スタック10の発電可能電力Ph[kW]とから値の小さいものを燃料電池スタック10の発電電力基準値Pg0[kW]に選択して、これをバッテリ11の充電量が充電範囲の上限値に近いほど減少補正して、燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]を求め、この発電電力Pg[kW]を得るように、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器22に送られる。
【0059】
これにより、バッテリ11に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスによって発生した余剰電力を充電することできる。また、バッテリ11の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器22に送られるので、モータ13の消費電力Pm[kW]が無いときと同様に、例えばバッテリ11の充電量が上限値に達した後に空気の減少の遅れによって燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。
【0060】
図7は、本例における、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力(モータ13の消費電力Pm[kW])、改質燃料ガス量、発電電力、バッテリ11の充電量、燃焼器22で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。バッテリ11に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスを発電に使用するので、バッテリ11の充電量がその上限を超えることが無いようにしながら、余剰改質燃料ガスのもつエネルギーをバッテリ11に蓄えることができる。また、バッテリ11の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器22に送られることによって、燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。また、バッテリ11の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器22の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器22の容量を小さくすることができる。
【0061】
図8、図9、図10は、燃料電池スタック10で発電させる電力Pg[kW]の減少補正係数αの算出方法の第2、第3、第4の実施の形態を示す。
【0062】
図8のものは、バッテリ11の充電余裕量の変化量に基づいて減少補正係数αを設定するもので、バッテリ11の充電余裕量Wb[kWh]の変化量△Wb[kWh/sec]を算出して、この変化量△Wb[kWh/sec]に基づいて、図8に示すように設定してあるテーブルデータを参照して、減少補正係数αを求める。即ち、バッテリ11の充電量の増加量が大きいほど、燃料電池スタック10で発電する電力Pg[kW]が小さくなるように減少補正する。
【0063】
これによれば、バッテリ11の充電量が上限に達するまでに余剰電力を緩やかに減らすことができる。また、燃料電池に供給する空気量を緩やかに変化させることが可能となり、したがってバッテリ11の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。また、バッテリ11の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器22の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器22の容量を小さくすることができる。
【0064】
図9のものは、燃料電池スタック10の空気極(カソード極)に供給する空気量の応答時定数τ[sec]に基づいて、図9に示すように設定してあるテーブルデータを参照して、減少補正係数αを算出する。即ち、供給空気量の応答時定数τ[sec]が遅いほど、燃料電池スタック10で発電する電力Pg[kW]が小さくなるように減少補正する。ここで、空気量の応答時定数τは燃料電池の運転圧力や、供給空気量に応じて変化するので、これらの条件に対する応答時定数の変化を実験的に求めて、テーブルデータや3次元マップデータなどを用いて応答時定数τ[sec]を算出することができる。
【0065】
これによれば、供給空気量の応答が遅い運転条件において、バッテリ11の充電量が上限に達したときに減少させなくてはならない発電量を小さくすることができる。したがって、バッテリ11の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内(高分子電解質膜内)の水が無駄に消費(排出)されることを防止できる。また、バッテリ11の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器22の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器22の容量を小さくすることができる。
【0066】
図10のものは、燃焼器22の温度Tb[degC]に基づいて、図10に示すようなテーブルデータを参照して、減少補正係数αを算出する。即ち、燃焼器22の温度Tb[degC]が低いほど、燃料電池スタック10で発電する電力Pg[kW]が小さくなるように減少補正する。したがって、燃焼器の温度が低い場合ほど、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガスを増加させて、燃焼器の温度を適正温度に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態を示す燃料電池システムのブロック図である。
【図2】制御内容を示すフローチャートである。
【図3】制御内容を示すフローチャートである。
【図4】燃料電池の電圧を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図5】2次電池に入力することが可能な電力を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図6】燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図7】燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、2次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。
【図8】第2の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図9】第3の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図10】第4の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図11】従来の、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、2次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
10 燃料電池スタック
11 バッテリ(2次電池)
13 モータ
14,15 制御弁
21 コンプレッサ
22 燃焼器
23 改質器
24 燃料タンク
30 改質器制御装置
31 スタック制御器
32 バッテリ監視器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a fuel reforming fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
A fuel reforming fuel cell system is known as one of the fuel cell systems. This fuel reforming fuel cell system generates hydrogen-rich reformed fuel gas by a fuel reformer using methanol or gasoline as fuel, and supplies the reformed fuel gas and air to the fuel cell to extract electric power. Is.
[0003]
In this fuel reforming fuel cell system, when the load suddenly decreases due to a decrease in the load or when the system is stopped, the response of the fuel reformer cannot catch up and excessive reformed fuel gas is generated. There is.
[0004]
Conventionally, as a method for processing such surplus reformed fuel gas, for example, a method of combusting surplus reformed fuel gas by providing a combustor, or a secondary battery in which surplus power is generated by surplus reformed fuel gas is used. (Japanese Patent Application No. 2000-55482, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-348746, etc.).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when surplus reformed fuel gas is generated in this way, there is a problem that if the surplus reformed fuel gas is burned as it is, the fuel consumption rate of the system deteriorates.
[0006]
On the other hand, when the surplus power is generated and the secondary battery is charged, there is a risk that the upper limit of the charge amount of the secondary battery may be exceeded, so a sufficient charge margin must be prepared.
[0007]
Also, FIG. 11 shows changes in required power, reformed fuel gas amount, generated power, secondary battery charge amount, and reformed fuel gas amount burned by the combustor when the load of the fuel cell system is suddenly reduced. Show. That is, when the required power is drastically reduced as shown in (a), the reformed fuel gas amount changes with a decrease delay as shown in (b), but this reformed fuel as shown in (c). An example in which the surplus amount of gas is used for the power generation of the fuel cell and the amount of charge of the secondary battery exceeds the upper limit value as shown in FIG.
[0008]
In this way, when the upper limit value of the charge amount is exceeded, for example, the generation of surplus power is quickly stopped and the surplus reformed fuel gas is burned in the combustor, but the surplus reformed fuel gas is discharged. On the other hand, since the decrease in the air supply amount to the air electrode (cathode electrode) of the fuel cell is accompanied by a delay, the water in the fuel cell (polymer electrolyte membrane) is wasted (discharged) due to this delay. There is a problem that.
[0009]
An object of the present invention is to appropriately charge a secondary battery with surplus reformed fuel gas generated when the load is suddenly reduced when the load is reduced or the system is stopped in a fuel reforming fuel cell system. It is to be able to process without deteriorating the fuel consumption rate and water consumption.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a control device for a fuel reforming fuel cell system including a fuel cell including a reformer, a secondary battery, and a combustor that combusts exhaust gas from the fuel cell. Reformable fuel gas amount estimating means for estimating the amount of generated reformed fuel gas, and electric power generation capability calculation for calculating electric power that can be generated with the reformed fuel gas amount based on the reformed fuel gas amount And a secondary battery charge amount estimating means for estimating a charge amount of the secondary battery, and based on the charge amount, the fuel cell is allowed to generate electric power within a range of a charge limit of the secondary battery. Power generation upper limit power calculation means for calculating an upper limit power, and power generation power calculation means for calculating a power value to be generated by the fuel cell based on the power that can be generated and the power generation upper limit power.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a control device for a fuel reforming fuel cell system including a fuel cell including a reformer, a secondary battery, and a combustor that combusts exhaust gas from the fuel cell. Reformable fuel gas amount estimating means for estimating the amount of generated reformed fuel gas, and electric power generation capability calculation for calculating electric power that can be generated with the reformed fuel gas amount based on the reformed fuel gas amount Means, power consumption calculating means for calculating power consumption of the electric load, secondary battery charge amount estimating means for estimating the charge amount of the secondary battery, and input to the secondary battery based on the charge amount The secondary battery input possible power calculation means for calculating the possible power, the sum of the secondary battery input power and the power consumption, and the power generation possible power are selected, and the selected one is selected. With the fuel cell as the upper limit Comprising a generated power calculating means for calculating a power value.
[0012]
According to a third invention, in the first and second inventions, there is provided generated power correcting means for correcting a calculated value of the generated power calculating means, wherein the generated power correcting means has a charge amount of the secondary battery within a charging range. This is means for correcting the decrease so that the power generated by the fuel cell becomes smaller as the value approaches the upper limit value.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first and second aspects of the present invention, the apparatus includes a generated power correction unit that corrects a calculated value of the generated power calculation unit, and the generated power correction unit increases the amount of charge of the secondary battery. This is means for correcting the decrease so that the power generated by the fuel cell becomes smaller as the value of becomes larger.
[0014]
According to a fifth invention, in the first and second inventions, there is provided generated power correcting means for correcting a calculated value of the generated power calculating means, and the generated power correcting means is supplied to the air electrode side of the fuel cell. It is a means for correcting the decrease so that the slower the response of the air amount, the smaller the electric power generated by the fuel cell.
[0015]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first and second aspects of the invention, the power generation power correction unit corrects the calculated value of the power generation power calculation unit, and the power generation power correction unit decreases the temperature of the combustor. This is means for correcting the decrease so that the electric power generated by the fuel cell is reduced.
[0016]
According to a seventh invention, in the third to sixth inventions, the generated power correction means includes means for permitting correction when the power that can be generated is larger than the power consumption of the electric load.
[0017]
【The invention's effect】
In the first invention, in the fuel reforming fuel cell system, the amount of reformed fuel gas generated in the fuel reformer is estimated, and electric power that can be generated based on this amount (power that can be generated) Is calculated. On the other hand, the state of charge of the secondary battery is estimated, and based on this, the upper limit power (power generation upper limit power) allowed to be generated by the fuel cell within the range of the secondary battery charge limit is calculated. Since the power generated by the fuel cell is calculated based on the power that can be generated and the power generation upper limit power, if the load on the fuel cell system decreases rapidly and there is no power consumed by the electric load, the power consumption depends on the state of charge of the secondary battery. The power can be generated by the fuel cell and the secondary battery can be charged accurately. Moreover, when the amount of charge of the secondary battery reaches the upper limit by sending surplus reformed fuel gas and air to the combustor, the fuel cell (in the polymer electrolyte membrane) is delayed due to the delay of the decrease in air. Water can be prevented from being wasted (discharged).
[0018]
In the second invention, the power consumption of the electric load is calculated, and the smaller value is selected from the sum of the secondary battery input possible power and the power consumption and the power generation possible power, and the selected value is set as the upper limit. Therefore, when the load of the fuel cell system is drastically reduced, surplus power generated by the surplus reformed fuel gas can be charged within a range in which the secondary battery can be charged. Moreover, when the amount of charge of the secondary battery reaches the upper limit by sending surplus reformed fuel gas and air to the combustor, the fuel cell (in the polymer electrolyte membrane) is delayed due to the delay of the decrease in air. Water can be prevented from being wasted (discharged).
[0019]
In the third aspect of the invention, as the amount of charge of the secondary battery is closer to the upper limit value of the charging range, the power generated by the fuel cell is corrected to decrease so that the power generated by the fuel cell is reduced. By sending surplus reformed fuel gas and air including air to the combustor, it is possible to prevent wasteful consumption (discharge) of water in the fuel cell (in the polymer electrolyte membrane). Also, by starting the combustion of the surplus reformed fuel gas before the charge amount of the secondary battery reaches the upper limit, it is not necessary to complete the combustion of the surplus reformed fuel gas in a short time, so the temperature of the combustor rises. And the capacity of the combustor can be reduced.
[0020]
In the fourth aspect of the invention, the amount of power generated by the fuel cell is corrected so as to decrease as the amount of increase in the amount of charge of the secondary battery increases. The surplus power can be gradually reduced before reaching the upper limit. In addition, the amount of air supplied to the fuel cell can be gradually changed. Therefore, when the charge amount of the secondary battery reaches the upper limit, the inside of the fuel cell (polymer electrolyte membrane) The water inside can be prevented from being wasted (discharged) wastefully. Also, by starting the combustion of the surplus reformed fuel gas before the charge amount of the secondary battery reaches the upper limit, it is not necessary to complete the combustion of the surplus reformed fuel gas in a short time, so the temperature of the combustor rises. And the capacity of the combustor can be reduced.
[0021]
In the fifth aspect of the invention, as the response of the amount of air supplied to the air electrode side of the fuel cell is slower, the generated power of the fuel cell is corrected to decrease so that the power generated by the fuel cell is reduced. In an operating condition in which the response of the amount is slow, the amount of power generation that must be reduced when the upper limit of the charge amount of the secondary battery is reached can be reduced. Therefore, when the charge amount of the secondary battery reaches the upper limit, water in the fuel cell (in the polymer electrolyte membrane) can be prevented from being wasted (discharged) with the delay of the air decrease. Also, by starting the combustion of the surplus reformed fuel gas before the charge amount of the secondary battery reaches the upper limit, it is not necessary to complete the combustion of the surplus reformed fuel gas in a short time, so the temperature of the combustor rises. And the capacity of the combustor can be reduced.
[0022]
In the sixth aspect of the invention, the power generated by the fuel cell is corrected so as to decrease as the temperature of the combustor decreases as the temperature of the combustor decreases. Therefore, the combustor decreases as the temperature of the combustor decreases. The temperature of the combustor can be maintained at an appropriate temperature by increasing the reformed fuel gas to be burned in
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
[0025]
A
[0026]
In the
[0027]
The hydrogen rich gas to be supplied to the fuel electrode of the
[0028]
While the reforming raw material in the
[0029]
A carbon monoxide remover 25 provided downstream of the
[0030]
In the
[0031]
The temperature sensor T1 is in the
[0032]
[0033]
The
[0034]
The stack controller 31 of the power control device calculates and controls the power value generated by the
[0035]
The battery monitor 32 of the power control device monitors the charge amount (storage amount) of the
[0036]
Next, the operation will be described.
[0037]
2 and 3 are flowcharts showing the operation of the control device (power control device) of the present invention. This is executed at a predetermined control cycle.
[0038]
In
[0039]
Qh = Qf × Kr × ηr / (Trs + 1)
In
[0040]
Ih = Qh / (2 × F × Sr)
Here, F is the Faraday constant, and Sr is the hydrogen excess rate of the
[0041]
Then, electric power Ph [kW] that can be generated by the
[0042]
Ph = Ih × Eh
Here, Eh is the voltage of the
[0043]
In
[0044]
In
[0045]
Next, the power consumption of the electric load is calculated. As the power consumption of the electric load, the power consumption Pm [kW] of the
[0046]
Pm = Im × Em
Here, Im is a current [A] flowing through the
[0047]
Then, the power generation upper limit power Pmax [kW] of the
[0048]
When there is no power consumption Pm [kW] of the
[0049]
In
[0050]
First, in
[0051]
In
[0052]
If the power generation possible power Ph [kW] of the
[0053]
The decrease correction coefficient α is calculated with reference to table data as shown in FIG. 6 based on the charge margin amount Wb [kWh] of the
[0054]
On the other hand, if the power generation possible power Ph [kW] of the
[0055]
In addition to the
[0056]
With such a configuration, when the load of the fuel cell system is suddenly reduced and surplus reformed fuel gas is generated (power generation possible power Ph [kW] of the
[0057]
As a result, the
[0058]
In this case, when the power consumption Pm [kW] of the
[0059]
Thus, surplus power generated by the surplus reformed fuel gas can be charged within a range in which the
[0060]
FIG. 7 shows the required power (power consumption Pm [kW] of the motor 13), the reformed fuel gas amount, the generated power, the charge amount of the
[0061]
8, 9, and 10 show the second, third, and fourth embodiments of the calculation method of the decrease correction coefficient α of the electric power Pg [kW] generated by the
[0062]
In FIG. 8, the decrease correction coefficient α is set based on the change amount of the charge margin of the
[0063]
According to this, the surplus power can be gradually reduced until the charge amount of the
[0064]
9 refers to the table data set as shown in FIG. 9 based on the response time constant τ [sec] of the amount of air supplied to the air electrode (cathode electrode) of the
[0065]
This makes it possible to reduce the amount of power generation that must be reduced when the charge amount of the
[0066]
In FIG. 10, the reduction correction coefficient α is calculated based on the temperature Tb [degC] of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system showing a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing control contents.
FIG. 3 is a flowchart showing control contents.
FIG. 4 is a diagram showing characteristics of table data for calculating a voltage of a fuel cell.
FIG. 5 is a diagram illustrating characteristics of table data for calculating electric power that can be input to the secondary battery.
FIG. 6 is a diagram showing characteristics of table data for calculating a coefficient for correcting the generated power of the fuel cell.
FIG. 7 is a graph showing changes in required power, reformed fuel gas amount, generated power, secondary battery charge amount, and reformed fuel gas amount combusted in a combustor when the load of the fuel cell system is suddenly reduced. It is.
FIG. 8 is a diagram illustrating characteristics of table data for calculating a coefficient for correcting the generated power of the fuel cell according to the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing characteristics of table data for calculating a coefficient for correcting the generated power of the fuel cell according to the third embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing characteristics of table data for calculating a coefficient for correcting the generated power of the fuel cell according to the fourth embodiment.
FIG. 11 shows changes in required power, reformed fuel gas amount, generated power, secondary battery charge amount, and reformed fuel gas amount burned in a combustor when the load of the conventional fuel cell system is suddenly reduced. It is the shown graph.
[Explanation of symbols]
10 Fuel cell stack
11 Battery (secondary battery)
13 Motor
14,15 Control valve
21 Compressor
22 Combustor
23 reformer
24 Fuel tank
30 Reformer control device
31 Stack controller
32 battery monitor
Claims (7)
前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、
前記2次電池の充電量を推定する2次電池充電量推定手段と、
前記充電量に基づいて、前記2次電池の充電限界の範囲内で前記燃料電池で発電することの許される上限の電力を算出する発電上限電力算出手段と、
前記発電可能電力と前記発電上限電力とに基づいて、前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備えることを特徴とする燃料改質型燃料電池システムの制御装置。In a control device for a fuel cell and a secondary battery including a reformer, and a fuel reforming fuel cell system including a combustor that combusts exhaust gas of the fuel cell,
Based on the reformed fuel gas amount estimating means for estimating the reformed fuel gas amount generated by the reformer, and calculating electric power that can be generated with the reformed fuel gas amount based on the reformed fuel gas amount Power generation possible electric power calculation means,
Secondary battery charge amount estimating means for estimating the charge amount of the secondary battery;
A power generation upper limit power calculating means for calculating an upper limit power allowed to be generated by the fuel cell within a range of a charge limit of the secondary battery based on the charge amount;
A control device for a fuel reforming fuel cell system, comprising: generated power calculation means for calculating a power value generated by the fuel cell based on the power that can be generated and the power generation upper limit power.
前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、
電気負荷の消費電力を算出する消費電力算出手段と、
前記2次電池の充電量を推定する2次電池充電量推定手段と、
前記充電量に基づいて、前記2次電池に入力することの可能な電力を算出する2次電池入力可能電力算出手段と、
前記2次電池入力可能電力と前記消費電力の和と、前記発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備えることを特徴とした燃料改質型燃料電池システムの制御装置。In a control device for a fuel cell and a secondary battery including a reformer, and a fuel reforming fuel cell system including a combustor that combusts exhaust gas of the fuel cell,
Based on the reformed fuel gas amount estimating means for estimating the reformed fuel gas amount generated by the reformer, and calculating electric power that can be generated with the reformed fuel gas amount based on the reformed fuel gas amount Power generation possible electric power calculation means,
Power consumption calculating means for calculating the power consumption of the electrical load;
Secondary battery charge amount estimating means for estimating the charge amount of the secondary battery;
A secondary battery input possible power calculating means for calculating power that can be input to the secondary battery based on the charge amount;
A power generation calculation for calculating a power value to be generated by the fuel cell with the selected value as an upper limit by selecting the smaller value from the sum of the secondary battery input power and the power consumption and the power generation possible power And a control device for the fuel reforming type fuel cell system.
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