JP5052021B2

JP5052021B2 - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム

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Publication number: JP5052021B2
Application number: JP2006082117A
Authority: JP
Inventors: 泰明安藤; 和政 ▲高▼田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: JP2007258039A

Description

本発明は、経年変化に伴う空気比のズレを補正する燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１に記載された燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムは、燃焼排ガス流路内に配置した限界電流式酸素センサ（以下、「酸素センサ」と省略）の出力と、予め記憶された上限値及び下限値とを比較して、燃焼状態が正常であるか異常であるかを判断するものである。そして、燃焼状態が異常である場合は、警報によりその旨を知らせている。この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムによれば、警報により燃焼状態の異常を知ることができるものの、その状況に応じて最適な空気比でオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させることができない。

これに対し、特許文献２に記載された燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムは、改質器と燃料電池と燃焼装置と酸素センサとを備え、第１工程において酸素センサに屋外空気を曝した出力と、予め記憶された正常値との比から酸素センサの出力の補正量を求め、第２工程において補正量により補正された酸素センサの出力値に基づいて求められた燃焼エアを燃焼装置に供給するものである。この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムによれば、酸素センサが劣化しても、燃焼排ガス中の酸素濃度が正確に計測されるため、最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させることができると考えられる。
特開２００４−１９８０７５号公報特開平５−１６４３２２号公報

しかし、上記特許文献２に記載された燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムでは、燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料の燃焼時に常に酸素センサを動作させているため、酸素センサが劣化してしまい頻繁に取り替える必要が生じる。また、酸素センサはセンサ素子が活性化温度になるようにヒータで高温に保つ必要があり、常に酸素センサを動作させていたのでは消費電力が大きくなってしまう。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させるとともに、酸素センサの劣化を抑え、消費電力を低減することができる燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る燃料電池システムの制御方法の特徴は、改質用原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、燃焼用燃料及び／又は前記燃料電池から排出される燃料ガスオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼装置と、該燃焼装置の排気管内に配設され排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備える燃料電池システムの制御方法において、前記酸素センサにより検出された前記酸素濃度に基づいて燃焼エアのエア補正量を求める第１工程と、該エア補正量により補正された燃焼エアを前記燃焼装置に供給する第２工程とを有し、前記第１工程は、所定期間ごとに、前記燃料電池の定常運転中に実行され、前記酸素センサから排気ガス中の酸素濃度を前記燃料電池の２つ以上の発電量において検出された前記酸素濃度がそれぞれ収束するまでの設定時間入力し、該酸素濃度から求めた空気比に基づいて前記エア補正量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において前記設定時間それぞれ計算して記憶するエア補正量計算ルーチンを有し、前記第２工程は、前記燃料電池の定常運転中に継続して実行され、前記燃料電池の発電量に対する基準燃焼エア量を求め、該基準燃焼エア量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において計算して記憶された前記エア補正量に基づいて補正して目標エア量を計算する目標エア量計算ルーチンを有することである。

請求項２に係る燃料電池システムの特徴は、改質用原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、燃焼用燃料及び／又は該燃料電池から排出される燃料ガスオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼装置と、該燃焼装置の排気管内に配設され排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備える燃料電池システムにおいて、所定期間ごとに、前記燃料電池の定常運転中に実行し、前記酸素センサから排気ガス中の酸素濃度を前記燃料電池の２つ以上の発電量において検出された前記酸素濃度がそれぞれ収束するまでの設定時間入力し、該酸素濃度から求めた空気比に基づいてエア補正量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において前記設定時間それぞれ計算して記憶するエア補正量計算手段と、前記燃料電池の定常運転中に継続して実行され、前記燃料電池の発電量に対する基準燃焼エア量を求め、該基準燃焼エア量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において計算して記憶された前記エア補正量に基づいて補正して目標エア量を計算する目標エア量計算手段とを有することである。

請求項１に係る燃料電池システムの制御方法においては、第１工程でエア補正量を求め、第２工程において基準燃焼エア量をエア補正量により補正して目標エア量とし、この目標エア量を燃焼装置に供給するため、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させることができる。また、この燃料電池システムの制御方法においては、第１工程におけるエア補正量計算ルーチンは、所定期間ごとに、燃料電池の定常運転中に実行されるため、燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料の燃焼時に常に酸素センサを動作させる必要がなく、酸素センサの劣化を抑えることができるとともに、ヒータの通電時間も短くすることができる。したがって、この燃料電池システムの制御方法によれば、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させるとともに、酸素センサの劣化を抑え、消費電力を低減することができる。
そして、エア補正量計算ルーチンを検出された酸素濃度が収束するまでの設定時間だけ繰り返し実行してエア補正量を求めることにより、フィードバックによる偏差がゼロに近づき、正確なエア補正量を求めることができる。
さらに、燃料電池の発電量に対する基準燃焼エア量を求め、該基準燃焼エア量を燃料電池の２つ以上の発電量において計算して記憶されたエア補正量に基づいて補正して目標エア量を計算することにより、各出力に対するエア補正量をより正確に求めることができる。

請求項２に係る燃料電池システムにおいては、エア補正量計算手段においてエア補正量を求め、目標エア量計算手段において基準燃焼エア量をエア補正量により補正して目標エア量とし、この目標エア量を燃焼装置に供給するため、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させることができる。また、この燃料電池システムにおいては、エア補正量計算手段は所定期間ごとに、燃料電池の定常運転中に実行されるため、燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料の燃焼時に常に酸素センサを動作させる必要がなく、酸素センサの劣化を抑えることができるとともに、ヒータの通電時間も短くすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させるとともに、酸素センサの劣化を抑え、消費電力を低減することができる。
そして、エア補正量計算手段は、検出された酸素濃度が収束するまでの設定時間だけ繰り返し実行してエア補正量を求めることにより、フィードバックによる偏差がゼロに近づき、正確なエア補正量を求めることができる。
さらに、目標エア量計算手段燃は、料電池の発電量に対する基準燃焼エア量を求め、該基準燃焼エア量を燃料電池の２つ以上の発電量において計算して記憶されたエア補正量に基づいて補正して目標エア量を計算することにより、各出力に対するエア補正量をより正確に求めることができる。

本発明に係る燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを具体化した実施形態を図面に基づいて以下に説明する。この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池システムを用いている。この燃料電池システムは、改質用燃料及び改質水から水素を含む燃料ガスとしての改質ガスを生成する改質器１と、改質ガスと酸化剤ガスとしてのカソード用空気とによって発電する燃料電池３と、燃料電池３から排出されるアノードオフガス（燃料ガスオフガス）及び必要に応じて供給される燃焼用燃料が燃焼エアによって燃焼されることにより、改質器１を加熱する燃焼装置としてのバーナ２と、バーナ２の排気管２１内に配設される酸素センサ２２とを備えている。

改質器１は、燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料と改質水供給源Ｓｗから供給される改質水から改質ガスを生成して燃料電池３に導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施形態においては天然ガスを用いている。

バーナ２は、燃料電池３が発電中である通常運転時においては、可燃性ガスとして燃料電池３からのアノードオフガス及び燃料供給源Ｓｆからの燃焼用燃料が供給され、その可燃性ガスを空気供給源Ｓａ１から供給される燃焼エアにより燃焼させて改質器１を加熱するものである。バーナ２の燃焼排ガスは酸素センサ２２が配設された排気管２１を通って排気される。ただし、バーナ２に着火する起動運転時においては、バーナ２には可燃性ガスとして燃料供給源Ｓｆから燃焼用燃料が供給される。また、改質ガスを安定させる暖機運転中においては、可燃性ガスとして燃料供給源Ｓｆから燃焼用燃料及び改質器１から改質ガスが供給される。なお、酸素センサ２２は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体を有するセンサ素子（図示省略）と、このセンサ素子を所定の活性化温度に加熱するためのヒータ（図示省略）とを備えている。

燃料電池３は、改質器１から燃料極に供給される改質ガス中の水素、及び空気供給源Ｓａ２から酸化剤極に供給される酸化剤ガスである空気中の酸素を用いて発電するものであり、燃料電池３から排出されるアノードオフガスをバーナ２に供給するようになっている。

図２は、この燃料電池システムのブロック線図である。この燃料電池システムは、第１工程において、所定期間ごとに、燃料電池３の定常運転中に実行されるエア補正量計算手段５０と、第２工程において、燃料電池３の定常運転中に継続して実行される目標エア量計算手段４０とを備えている。ここで、「定常運転」とは、改質器１から燃料極に供給される改質ガス中の水素、及び空気供給源Ｓａ２から酸化剤極に供給される空気中の酸素を用いて燃料電池３が発電している状態にあることをいう。また、エア補正量計算手段５０の実行される所定期間は、１週間であってもよく１月間であってもよい。さらには、燃料電池３の起動ごとにエア補正量計算手段５０が実行されてもよい。なお、第２工程は燃料電池３の定常運転中に継続して実行されるため、先に第２工程を説明する。

第２工程の目標エア量計算手段４０は、基準燃焼エア量取得部４１と目標エア量計算部４３を有している。基準燃焼エア量取得部４１により、燃料電池３の発電量に対する基準燃焼エア量Ｖｓを求める。具体的には、予め燃料電池３の発電量に対する基準燃焼エア量Ｖｓのマップを実験によって求め、このマップに基づいて燃料電池３の発電量から基準燃焼エア量Ｖｓを求める。また、目標エア量計算部４３により、基準燃焼エア量Ｖｓと後述するエア補正量計算手段５０により求められるエア補正量Ｖｄとを加算して目標エア量Ｖｒを求める。そして、第２工程では、図示していないが、この目標エア量Ｖｒを空気供給源Ｓａ１よりバーナ２に供給して、最適な空気比でアノードオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させている。

第１工程のエア補正量計算手段５０は、ローパスフィルタ５１と空気比取得部５３と偏差計算部５５とエア補正量取得部５７とを有している。ローパスフィルタ５１により、酸素センサ２２から入力した酸素濃度データから不要な高周波成分を除去する。また、空気比取得部５３により、酸素濃度に対応した空気比を求める。具体的には、酸素濃度に対する空気比のマップから空気比を求める。そして、偏差計算部５５により、目標空気比λｒからこの空気比を減算した偏差λｄを求める。なお、目標空気比λｒとは、標準的な燃焼をする場合の空気比である。標準的な燃焼では、燃料を完全燃焼させるために必要な空気より所定量だけ多くの空気が供給されている。また、空気比とは、燃焼排ガス中の酸素濃度／（大気（燃焼エア）中の酸素濃度―燃焼排ガス中の酸素濃度）をいう。また、この目標空気比λｒは固定したものとしてもよく、例えば１万時間ごとのように時間ごとに変えてもよい。エア補正量取得部５７は、予め実験により求めた偏差λｄに対するエア補正量Ｖｄのマップを用いて、偏差λｄからエア補正量Ｖｄを求める。

次に、この燃料電池システムの制御方法について、図３及び図４に示すフローチャートを用いて説明する。この燃料電池システムの制御方法では、第１工程において、所定期間ごとに、燃料電池３の定常運転中に実行されるエア補正量計算ルーチン（図４）と、第２工程において、燃料電池３の定常運転中に継続して実行される目標エア量計算ルーチン（図３）とを備えている。なお、第２工程は燃料電池３の定常運転中に継続して実行されるため、先に第２工程を説明する。

第２工程の図３に示す目標エア量計算ルーチンが実行されると、まずステップＳ２において、燃料電池３の発電量に対する基準燃焼エア量Ｖｓを求める。具体的には、予め燃料電池３の発電量に対する基準燃焼エア量Ｖｓのマップを実験によって求め、メモリに記憶しておく。そして、このマップに基づいて燃料電池３の発電量から基準燃焼エア量Ｖｓを求める。ステップＳ３においては、基準燃焼エア量Ｖｓと後述するエア補正量計算ルーチンにより求められるエア補正量Ｖｄとを加算して目標エア量Ｖｒを求める。これにより、目標エア量計算ルーチンの実行が終了し、図示しないメインルーチンに制御が移される。そして、メインルーチンでは、この目標エア量Ｖｒを空気供給源Ｓａ１よりバーナ２に供給して、最適な空気比でアノードオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させる。

第１工程の図４に示すエア補正量計算ルーチンが実行されると、まず、ステップＳ１１において、酸素センサ２２のヒータに通電してセンサ素子が活性化温度になるまで待つ。そして、酸素センサ２２から酸素濃度データを入力する。ステップＳ１２においては、この酸素濃度データから不要な高周波成分を除去した後、酸素濃度に対応した空気比を求める。具体的には、酸素濃度に対する空気比のマップがメモリに記憶されており、このマップから空気比を求める。ステップＳ１３においては、目標空気比λｒからこの空気比を減算して偏差λｄを求める。そして、予め実験により求めた偏差λｄに対するエア補正量Ｖｄのマップを用いて、偏差λｄからエア補正量Ｖｄを求める。そして、メインプログラムに制御が移される。このエア補正量計算ルーチンは約６０秒間隔で約１時間実行されるが、燃料電池３の出力ごとに異なる時間実行するようにしてもよい。そして、エア補正量計算ルーチンの実行ごとにエア補正量Ｖｄがオーバーライトされ、エア補正量計算ルーチンの一連の実行が終了した後にエア補正量Ｖｄが確定する。

エア補正量計算ルーチンが実行される時間について、図５により説明する。図５はエア補正量計算ルーチンの実行時間と偏差λｄとの関係を表すグラフである。グラフＧ１は高出力（１ＫＷ）での運転時間Ａにおけるグラフであり、グラフＧ２は低出力時（２５０Ｗ）での運転時間Ｂにおけるグラフである。図５によれば、偏差λｄは運転時間に対して太線で示すように変化しており、運転時間Ａ、Ｂの後に偏差λｄが十分に収束していることがわかる。この運転時間Ａ、Ｂは３０分〜４０分であるため、エア補正量計算ルーチンが約１時間実行されれば、正確なエア補正量Ｖｄが得られる。

なお、エア補正量計算ルーチンを燃料電池３の１つの出力（例えば、３００Ｗ）について実行し、その出力についてのエア補正量Ｖｄから他の出力（例えば、１ＫＷ）のエア補正量Ｖｄを類推することができる。これにより、エア補正量計算ルーチンの実行時間を短くすることができ、さらに酸素センサ２２の劣化を抑えるとともに消費電力を低減することができる。また、２つ以上の出力（例えば、３００Ｗと１ＫＷ）についてエア補正量計算ルーチンを実行して、それぞれのエア補正量Ｖｄから他の出力のエア補正量Ｖｄを類推することもできる。これにより、他の出力に対するエア補正量Ｖｄをより正確に求めることができる。

本実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムでは、第１工程でエア補正量Ｖｄを求め、第２工程において基準燃焼エア量Ｖｓをエア補正量Ｖｄにより補正して目標エア量Ｖｒとし、この目標エア量Ｖｒをバーナ２に供給するため、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させることができる。また、この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムにおいては、第１工程におけるエア補正量計算ルーチン（エア補正量計算手段）は、所定期間ごとに、燃料電池３の定常運転中に実行されるため、燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料の燃焼時に常に酸素センサ２２を動作させる必要がなく、酸素センサ２２の劣化を抑えることができるとともに、ヒータの通電時間も短くすることができる。したがって、この燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムによれば、経年変化に伴う空気比のズレを補正して最適な空気比で燃料ガスオフガス及び燃焼用燃料を燃焼させるとともに、酸素センサ２２の劣化を抑え、消費電力を低減することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムは、燃料電池システムが定常状態にある場合に適用される。しかし、エア補正量Ｖｄは、バーナ２の経年変化に伴う空気比のズレを補正するものであり、燃料電池システムが定常状態にある場合のみならず、起動状態や暖機状態にある場合においても適用することができる。

なお、本発明の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを実施形態に即して説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、本発明の技術的思想に反しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに係り、燃料電池システムの概要図。実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに係り、燃料電池システムのブロック線図。実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに係り、目標エア量計算ルーチンのフローチャート。実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに係り、エア補正量計算ルーチンのフローチャート。実施形態の燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに係り、エア補正量計算ルーチンの実行時間と偏差との関係を表すグラフ。

符号の説明

１…改質器、２…燃焼装置（バーナ）、３…燃料電池、２１…排気管、２２…酸素センサ、Ｓ２、Ｓ３…目標エア量計算ルーチン、ｓ１１〜Ｓ１４…エア補正量計算ルーチン、４０…目標エア量計算手段、５０…エア補正量計算手段、Ｖｄ…エア補正量、Ｖｓ…基準燃焼エア量、Ｖｒ…目標エア量。

Claims

改質用原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、燃焼用燃料及び／又は前記燃料電池から排出される燃料ガスオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼装置と、該燃焼装置の排気管内に配設され排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備える燃料電池システムの制御方法において、
前記酸素センサにより検出された前記酸素濃度に基づいて燃焼エアのエア補正量を求める第１工程と、該エア補正量により補正された燃焼エアを前記燃焼装置に供給する第２工程とを有し、
前記第１工程は、所定期間ごとに、前記燃料電池の定常運転中に実行され、前記酸素センサから排気ガス中の酸素濃度を前記燃料電池の２つ以上の発電量において検出された前記酸素濃度がそれぞれ収束するまでの設定時間入力し、該酸素濃度から求めた空気比に基づいて前記エア補正量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において前記設定時間それぞれ計算して記憶するエア補正量計算ルーチンを有し、
前記第２工程は、前記燃料電池の定常運転中に継続して実行され、前記燃料電池の発電量に対する基準燃焼エア量を求め、該基準燃焼エア量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において計算して記憶された前記エア補正量に基づいて補正して目標エア量を計算する目標エア量計算ルーチンを有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
改質用原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、燃焼用燃料及び／又は該燃料電池から排出される燃料ガスオフガスが燃焼エアによって燃焼されることにより前記改質器を加熱する燃焼装置と、該燃焼装置の排気管内に配設され排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備える燃料電池システムにおいて、
所定期間ごとに、前記燃料電池の定常運転中に実行し、前記酸素センサから排気ガス中の酸素濃度を前記燃料電池の２つ以上の発電量において検出された前記酸素濃度がそれぞれ収束するまでの設定時間入力し、該酸素濃度から求めた空気比に基づいてエア補正量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において前記設定時間それぞれ計算して記憶するエア補正量計算手段と、
前記燃料電池の定常運転中に継続して実行され、前記燃料電池の発電量に対する基準燃焼エア量を求め、該基準燃焼エア量を前記燃料電池の２つ以上の発電量において計算して記憶された前記エア補正量に基づいて補正して目標エア量を計算する目標エア量計算手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。