JP5263292B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
燃料電池システムであって、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池における発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記改質器の温度または前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システム:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000は、いわゆる改質型燃料電池システムである。燃料電池システム1000は、原料を改質する改質器20と、この改質器20によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガス(水素)を用いて発電を行う燃料電池100と、を備えている。また、改質器20は、吸熱反応である水蒸気改質反応によって原料の改質を行う。このため、燃料電池システム1000は、改質器20を加熱するための燃焼部40も備えている。なお、本実施例では、燃料電池100として、固体酸化物型の燃料電池を用いるものとした。この場合、水素だけでなく、改質ガスに含まれる炭化水素等の未反応燃料(未改質原料)や、改質反応によって生成された一酸化炭素も、燃料電池100での発電に使われる。燃料電池100として、固体高分子型やリン酸型や溶融炭酸塩型などの他のタイプの燃料電池を用いるようにしてもよい。
図2は、第1実施例の燃料電池システム1000の運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電中に、制御ユニット50が、所定の時間間隔で、繰り返し実行する処理である。本実施例では、制御ユニット50は、1024(ms)間隔で、この処理を実行するものとした。
B1.燃料電池システム:
図7は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム1000Aの概略構成を示す説明図である。第2実施例の燃料電池システム1000Aの構成は、以下の点を除いて、第1実施例の燃料電池システム1000の構成と同じである。すなわち、第2実施例の燃料電池システム1000Aは、第1実施例の燃料電池システム1000における温度センサ41を備えていない。第2実施例の燃料電池システム1000Aは、温度センサ41の代わりに、配管46に、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素センサ48を備えている。そして、第2実施例の燃料電池システム1000Aでは、制御ユニット50Aが実行する運転制御の内容が、第1実施例における制御ユニット50が実行する運転制御の内容と異なっている。
図8は、第2実施例の燃料電池システム1000Aの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニット50Aが、所定の時間間隔で、繰り返し実行する処理である。本実施例においても、第1実施例と同様に、制御ユニット50Aは、1024(ms)間隔で、この処理を実行する。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
上記第1実施例では、温度センサ41によって燃焼部40の温度T_brnを検出し(図2のS140参照)、燃焼部40の温度T_brnに基づいて、改質器20への原料の供給量Qf_finを決定する(同、S150〜S170参照)。しかし、本発明は、この態様に限られない。温度センサによって改質器20の温度を検出し、改質器20の温度に基づいて、改質器20への原料の供給量Qf_finを決定するようにしてもよい。
上記第2実施例では、一酸化炭素センサ48によって排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出し、その濃度に基づいて、燃焼部40の温度T_brnを推定する(図8のS140a参照)。しかし、本発明は、この態様に限られない。例えば、排ガスに含まれる酸素や窒素酸化物の濃度を検出し、これらの濃度に基づいて、燃焼部40の温度T_brnを推定するようにしてもよい。
上記第2実施例では、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、燃焼部40の温度T_brnを推定する(図8のS140a参照)。しかし、本発明は、この態様に限られない。例えば、排ガスに含まれる一酸化炭素や酸素や窒素酸化物の質量に基づいて、燃焼部40の温度T_brnを推定するものとしてもよい。一酸化炭素や酸素や窒素酸化物の質量は、種々の方法によって検出可能である。また、質量の代わりに、客観的に測定可能な他の「量」に基づいて、燃焼部40の温度T_brnを推定するものとしてもよい。
上記第2実施例の燃料電池システム1000Aでは、触媒装置44の後段、すなわち、配管46に一酸化炭素センサ48が配設されている(図7参照)。しかし、本発明は、この態様に限られない。燃焼部40の直後、または、燃焼部40と触媒装置44との間の配管42に一酸化炭素センサ48を配設するようにしてもよい。燃料電池システム1000Aでは、触媒装置44によって低減された一酸化炭素の濃度に基づいて燃焼部40の温度を推定する。このため、例えば、触媒装置44の性能が劣化した場合には、燃焼部40の温度推定を精度よく行うことができない場合がある。しかし、触媒装置44の前段に設置された一酸化炭素センサによって、触媒装置44の前段における一酸化炭素の濃度を検出することにより、触媒装置44の性能劣化等の影響を受けることなく、より正確な燃焼部40の温度推定が可能となる。ただし、この場合、触媒装置44の性能劣化や一酸化炭素の排出量を監視するために、触媒装置44の後段にも一酸化炭素センサを配設することが好ましい。
上記実施例では、燃料電池システム1000,1000Aの運転制御において、要求発電電力−要求発電電流変換マップ(図3)、要求発電電流−基本原料供給量変換マップ(図4)、要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ(図5)、温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップ(図6)を参照する。しかし、本発明は、これらの態様に限られない。各量の間の変換の処理を、例えば、演算によって行うものとしてもよい。また、電電力−要求発電電流変換マップ(図3)、要求発電電流−基本原料供給量変換マップ(図4)、要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ(図5)、温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップ(図6)は、それぞれ図3〜図6以外の態様とすることもできる。たとえば、要求発電電力−要求発電電流変換マップにおける要求発電電力に対する要求発電電流の関係は、下に凸のカーブとすることもできる。すなわち、電電力−要求発電電流変換マップ、要求発電電流−基本原料供給量変換マップ、要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ、温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップは、それぞれ一つの入力値に対して一つの出力値を決めることができる何らかの情報であればよい。
上記実施例では、燃料電池システム1000,1000Aの運転制御において、基本原料供給量Qf_bseと負帰還制御原料供給量Qf_fbとを加算することによって最終原料供給量Qf_finを決定する(図2および図8のS170参照)。しかし、本発明は、この態様に限られない。例えば、図4に示した基本原料供給量Qf_bseに、燃焼部40の温度に応じた補正係数をかけることによって、最終原料供給量Qf_finを決定するものとしてもよい。また、図4に示したQf1と、Qf2に燃焼部40の温度に応じた補正係数をかけた値との和を、最終原料供給量Qf_finとして決定するものとしてもよい。本発明においては、一般に、改質器20の温度が原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、改質器20に供給すべき原料の供給量を制御すればよい。
なお、本発明を適用しうるコンピュータプログラム製品は、様々な態様で実現することができる。たとえば、以下のような態様である。
(i)コンピュータ読み取り可能な記録媒体。たとえば、フレキシブルディスク、光ディスク、半導体メモリなど。
(ii)磁気ディスクや半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体を含むコンピュータ。
(iii)データ搬送はを介してメモリ内に一時的にコンピュータプログラムを格納しているコンピュータ。
Claims (4)
- 燃料電池システムであって、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池における発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する制御部と、
を備え、
前記温度検出部は、前記燃焼部から排出される排ガスに含まれる所定ガスの濃度または量に基づいて、前記燃焼部の温度を決定する、
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記所定ガスは、一酸化炭素であり、
前記温度検出部は、前記排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素センサを備える、
燃料電池システム。 - 燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池において発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、を備えており、
前記制御方法は、
前記燃焼部の温度を検出する工程と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する工程と、
を備え、
前記燃焼部の温度を検出する工程は、前記燃焼部から排出される排ガスに含まれる所定ガスの濃度または量に基づいて、前記燃焼部の温度を決定する工程である、制御方法。 - 請求項3記載の制御方法であって、
前記所定ガスは、一酸化炭素であり、
前記燃焼部の温度を検出する工程は、前記排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する工程を備える、
制御方法。
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