JP4748465B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
このように構成された本発明においては、先ず、ポンプを使用してパルス制御により間欠的に水を改質器に供給するようにしているので、高温環境下でも使用でき、また構造が簡単で安価なポンプの採用が可能となり、更に制御も簡易なパルス制御が可能となる。また、ATRの領域では、少なくともポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制するようにしたので、上述した水の供給の直後に生じる燃料の過剰供給を防止することができ、その結果、構造が簡単で安価なポンプによる間欠制御であっても、ATRの領域において、安定した燃料供給、及び安定したオートサーマル改質反応が可能となる。
このように構成された本発明においては、ATR領域及びSR領域において、それぞれ、ポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給が規制されるようにしたので、間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に追従して燃料が過剰に供給されることを確実に防止できる。
このように構成された本発明においては、ATRの領域で、燃料供給手段の制御ゲインを起動時の他の領域に比べ最も低下させたので、極微量な水の供給が必要なATRの領域であっても間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に起因した燃料の過剰供給や制御ハンチングを確実に防止することができる。
上述した燃料供給手段の制御ゲインを低下させたことにより、燃料供給量検出センサに基づいて燃料供給量を正確な状態に維持する制御能力が低下し、その結果制御遅れに起因した制御不良になることが考えられる。本発明においては、ATRの領域で、燃料供給量の制御に影響を与える空気の供給量及び水の供給量をそれぞれ変更せずに一定量に保持させて、燃料供給量の変更が積極的に生じないようにして、燃料供給手段の制御ゲインを低下させたことによる上述した制御不良の発生を確実に防止することができる。
本発明においては、ATRの領域で燃料供給手段の制御ゲインを低下させたことにより、特に水の少ないATR1では変動が大きくなるためPOXからATR1への移行時の目標燃料供給量の変更の際に燃料供給の追従遅れが発生して過剰な燃料な供給が行われる恐れがあるが、POXからATR1への水の目標供給量への単位時間当たりの変更量(目標値変更ゲイン)を小さくしたので、燃料供給手段の制御ゲインの低下に伴う目標燃料供給量への追従遅れを確実に防止することができ、制御を安定させることができる。
ATR1からATR2への移行時よりもATR2からSRへの移行時の方が、水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、改質器内の圧力変動が緩和されて圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の問題も緩和することができる。このため、本発明においては、燃料供給手段の制御ゲインの低下させると共に、目標供給量への単位時間当たりの変更量(目標値変更ゲイン)を、ATR1からATR2への移行時の方が、ATR2からりSRへの移行時の方よりも小さくするようにしたので、圧力変動に伴って発生する燃料の過剰供給やハンチング発生の問題と、目標燃料供給量に対する追従遅れの問題を高いレベルで上手にバランスさせて解決することが可能となる。
ATR2の領域の方がATR1の領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本発明においては、ATR2領域での燃料供給手段の制御ゲイン低下量を、ATR1の領域のそれよりも小さくすることにより、燃料の過剰供給の抑制と目標燃料値への追従性能の低下を抑制して追従遅れの緩和を同時に図ることができる。
SR領域の方がATR領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に起因した燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本発明においては、SR領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量を、ATR領域の制御ゲインの低下量をより小さくすることにより、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の抑制を図ると同時に、目標燃料供給量への追従遅れの緩和という相反する課題を高いレベルで両立することができる。
このように構成された本発明においては、ATRの領域で、燃料供給手段の制御ゲインと同様に、改質用空気供給手段の制御ゲインを低下させたので、間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に起因した空気の過剰供給を防止することができる。
このように構成された本発明においては、間欠的な水供給に伴って発生する改質起内の圧力変動によって、燃料の供給量とともに改質器内に供給される改質用空気の供給量も変動してしまう。このため、本発明においては、改質器用空気供給手段の制御ゲインも低下させたため、過剰空気の供給、及び、制御ゲインハンチングの発生を一層確実に防止できる。また、改質器用空気の供給量は燃料の供給量と比べて非常に多いので、水が蒸発することにより生じる圧力変動の影響を、改質空気の方が燃料よりも受け難い。このため、本発明においては、改質器用空気供給手段の制御ゲインの低下量を燃料供給手段の制御ゲインの低下量よりも小さくしているので、無用に目標改質用空気供給量に対して追従遅れが発生することを確実に防止することができる。
図1は、本発明の一実施形態によるSOFCを示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態によるSOFC1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
図6に示すように、燃料電池装置1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
先ず、本実施形態によるSOFCによる起動時の概要を説明する。SOFCは、起動時において、燃料ガスを着火する燃焼運転、部分酸化改質反応(POX)、オートサーマル改質反応(ATR)、水蒸気改質反応(SR)を経て、発電運転に以降する。
CmHn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
図7の時刻t0において、固体電解質型燃料電池1を起動すると、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気供給手段である発電用空気流量調整ユニット45により、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール2に供給する。なお、本実施形態においては、時刻t0において供給が開始される改質用空気の供給量は10L/min、発電用空気の供給量は100L/minである。
この図8に示すように、この本実施形態の変形例においては、オートサーマル改質反応(ATR)は、ART1とATR2と言う2つの領域を有さず、このATR領域において、発電用空気、燃料、水、改質用空気のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器20に供給されるようになっている。
また、水蒸気改質反応(SR)も、SR1とSR2と言う2つの領域を有さず、このSR領域において、発電用空気、燃料、水のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器20に供給されるようになっている。
図9に示すように、水供給装置(水流量調整ユニット28)は、水道水を一時的に貯蔵する水タンク152と、水を供給するポンプ154と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのRO膜(逆浸透膜)156と、生成された純水を一時的に貯蔵する純水タンク26と、この純水を燃料電池モジュール2の改質器20にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ160とを備えている。また、水及び純水が凍結するのを防止するための、熱交換器162やヒーター164も備えている。
先ず、従来、水の供給量が非常に少ないATRの領域においては、毎分数ミリリットルという極微量な水を正確に安定的に供給するために高価な特殊なポンプを使用しなければならないたが、本実施形態においては、図10に示したように、従来の高価な特殊なポンプの代わりにパルスポンプ160を使用してパルス制御により間欠的に水を改質器20に供給するようにしているので、構造が簡単で安価なポンプの採用が可能となり、更に制御も簡易なパルス制御が可能となる。
先ず、水の供給については、水供給手段である水流量調整ユニット28のパルスポンプ160により、パルス状の水供給制御信号に基づき、間欠的に極少量の水が改質器20内へ供給される。この水が改質器内で水蒸気となるので、水が供給された直後に、改質器20内の圧力が上昇する。この改質器内の圧力上昇により、燃料が改質器20内に供給され難くなる。このため、図11において、燃料供給量(比較例:基準の制御ゲイン使用)として示すように、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまう。
このように、本実施形態によれば、パルスポンプ160による改質器への水の供給の後(所定期間の間)、燃料の供給量の変化を制御ゲインを低下させることにより抑制するようにしたので、上述した水の供給の直後に生じる燃料の過剰供給を防止することができ、その結果、構造が簡単で安価なポンプによる間欠制御であっても、ATRの領域において、安定した燃料供給、及び安定したオートサーマル改質反応が可能となる。
ここで、図7に示すように、ATR1からATR2への移行時よりもATR2からSRへの移行時の方が、水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、改質器20内の圧力変動が緩和されて圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の問題も緩和することができる。このため、本実施形態においては、燃料供給手段(燃料流量調整ユニット38)の制御ゲインの低下させると共に、目標供給量への単位時間当たりの変更量(目標値変更ゲイン)を、ATR1からATR2への移行時の方が、ATR2からりSRへの移行時の方よりも小さくするようにしたので、圧力変動に伴って発生する燃料の過剰供給やハンチング発生の問題と、目標燃料供給量に対する追従遅れの問題を高いレベルで上手にバランスさせて解決することが可能となる。
図12に示すように、S21において、水蒸気改質期間か否かを判定する。ここで、水蒸気改質期間は、上述したATR(ATR1とATR2を含む)領域及びSR領域である。水蒸気改質期間の場合には、S22に進み、改質器内へのパルスポンプ160による間欠的な水供給が開始されたか否かを判定する。
なお、この他の実施形態においては、規制時間T0 において、燃料及び改質空気の両方の供給を規制したが、燃料の供給のみを規制するようにしても良い。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
52 制御ボックス
83 点火装置
84 燃料電池セル
130 改質用空気流量センサ
132 燃料流量センサ
134 水流量センサ
138 圧力センサ
142 発電室温度センサ
144 燃焼室温度センサ
148 改質器温度センサ
152 水タンク
154 ポンプ
156 RO膜(逆浸透膜)
160 パルスポンプ
Claims (10)
- 改質器により燃料を改質し、この改質された燃料と空気により燃料電池が発電を行う燃料電池装置であって、
改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
改質器に空気を供給する改質用空気供給手段と、
純水を生成しこの純水を改質器に供給する水供給手段と、
上記燃料供給手段による燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、
上記改質用空気供給手段による空気供給量を検出する空気供給量検出センサと、
上記水供給手段による水供給量を検出する水供給量検出センサと、
起動時において、上記改質器に燃料及び空気を供給して改質器内で部分酸化改質反応(POX)を行わせ、その後、上記改質器に、燃料、空気、水を供給して改質器内でオートサーマル改質反応(ATR)を行わせ、その後、上記改質器に、燃料及び水を供給して改質器内で水蒸気改質反応(SR)を行わせ、且つ、上記改質器へ供給される、上記燃料供給手段による燃料供給量、改質用空気供給手段による空気供給量、及び、水供給手段による水供給量を制御する制御手段と、を有し、
上記水供給手段は、パルス制御により間欠的に極少量の水を改質器に供給するポンプを備え、
上記制御手段は、上記燃料供給量検出センサ、空気供給量検出センサ及び水供給量検出センサのそれぞれの出力に基づいて、上記燃料供給手段、改質用空気供給手段及び水供給手段が、それらの目標燃料供給量、目標空気供給量及び水の目標供給量を上記改質器へそれぞれ供給できるように、上記燃料供給手段、改質用空気供給手段及び水供給手段を、上記POX領域、ATR領域、及び、SR領域の各領域毎に独立して制御し、
上記制御手段は、上記ATRの領域では、少なくとも上記ポンプによる上記改質器への水の供給後の所定期間の間、上記改質器への上記燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制することを特徴とする燃料電池装置。 - 上記制御手段は、上記ATR領域及びSR領域において、それぞれ、上記ポンプによる水の供給後の所定期間の間、上記燃料供給手段による燃料の供給を規制する請求項1に記載の燃料電池装置。
- 上記制御手段は、上記ATRの領域では、上記燃料供給手段の制御ゲインを、上記POXの領域及び上記SRの領域よりも、低下させる請求項1に記載の燃料電池装置。
- 上記制御手段は、上記ATRの領域では、上記改質用空気供給手段による空気の供給量、及び、水供給手段による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にした請求項3に記載の燃料電池装置。
- 上記ATRの領域は、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応1(ATR1)の領域と、このATR1の後に運転され、ATR1より水の供給量が多いオートサーマル改質反応2(ATR2)の領域を有し、
上記制御手段は、POXからATR1への移行時、及び、ATR1からATR2への移行時に、少なくとも水の目標供給量を変更するものであって、ATR1からATR2への移行時はPOXからATR1の移行時よりも水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくした請求項3に記載の燃料電池装置。 - 上記制御手段は、ATR1からATR2への移行時、及び、ATR2からSRへの移行時に、ぞれぞれ、燃料、空気、及び、水のそれぞれの目標供給量を変更すると共に、ATR1からATR2への移行時及びATR2からSRへの移行時に、それぞれ、燃料、空気、水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくし、且つ、それらの目標供給量への単位時間当たりの変更量を、ATR1からATR2の移行時の方が、ATR2からSRへの移行時よりも小さくなるようにした請求項5に記載の燃料電池装置。
- 上記ATRの領域は、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応1(ATR1)の領域と、このATR1の後に運転され、水の供給量がATR1より多いオートサーマル改質反応2(ATR2)の領域を有し、
上記制御手段は、ATR1の領域及びATR2の領域での燃料供給手段の制御ゲインを、上記POXの領域又はSRの領域よりも低下させ、さらに、ATR2領域での燃料供給手段の制御ゲインの低下量をATR1の領域の制御ゲインの低下量よりも小さくした請求項3に記載の燃料電池装置。 - 上記制御手段は、上記ATRの領域及び上記SRの領域での燃料供給手段の制御ゲインを、上記POXの領域よりも低下させるとともに、前記SRの領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量をATR領域の制御ゲインの低下量よりも小さくした請求項3に記載の燃料電池装置。
- 上記制御手段は、上記ATRの領域では、上記改質用空気供給手段の制御のゲインを上記POXの領域よりも低下させる請求項3に記載の燃料電池装置。
- 上記制御手段は、上記ATRの領域では、上記燃料供給手段の制御ゲインの低下量を上記改質用空気供給手段の制御ゲインの低下量よりも大きくする請求項9に記載の燃料電池装置。
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