JP5520013B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
これら複数個所への必要な空気供給量は、運転条件(要求発電量等)に応じて変化するため、複数のエアポンプを備えて、各箇所への空気供給量を別々に制御する方式があるが、エアポンプを複数配設して個別に制御することは、大型化、コストアップを招き、また、燃料電池システムの総効率を下げることに繋がる。
しかし、要求発電量の変化に応じて改質部を加熱するためのバーナ及び、改質ガス中に残存するCOを選択的に酸化除去する選択酸化器と、前記燃料電池スタックのカソードが必要とする空気量は一律割合で増減するものではないため、それら全てに不足なく空気を供給しようとすると、エアポンプの出力を過剰に上げる必要があり、結果として燃料電池システムの総効率の低下を招く。
特許文献3では、定常時は1台のエアポンプで燃料電池システムを動作させ、燃料蒸発部への供給空気量を補うために予備として第2のエアポンプを設けることで空気の供給の効率化を図っているが、システム全体が依然として大型化し、コスト高にもつく。
燃料電池システムにおいて、燃焼用燃料を燃焼して改質部を加熱するバーナ、改質ガス中に残存するCOを選択的に酸化してCO2に変える選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに空気を供給する空気供給装置を、1台のエアポンプと、該エアポンプに接続した空気供給管から分岐して、それぞれ前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
前記燃料電池スタックの要求発電量に応じて前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードの各要求空気量を算出し、各要求空気量を加算した総空気量に応じて前記エアポンプを制御すると共に、前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードへの各空気量を制御する第1制御手段と、
前記第1制御手段の制御後、前記燃料電池スタックの要求発電量を満たしつつ前記バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、前記改質部及び前記選択酸化器の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整可能なパラメータをフィードバック制御する第2制御手段と、
前記第2制御手段の制御によって、前記空燃比及び前記各温度がそれぞれの設定域内に維持されたとき、前記エアポンプの制御量が前記第1制御手段による初期の制御量を超える場合は、前記エアポンプの制御量を前記初期の制御量に近づけるように漸減させつつ前記第1制御手段及び第2制御手段による制御を継続させる第3制御手段と、
を備えた構成とした。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
水素製造用原燃料ポンプ1は、後述するように改質されて水素ガスを生成する元となる原燃料、例えば、灯油やメタノール等の液体燃料、天然ガス,メタンガス等の気体燃料など水素成分を含む燃料を水素製造装置2の改質部21に供給する。なお、原燃料が硫黄成分を含んでいる場合は脱硫装置を設け、該脱硫装置を介して原燃料から硫黄成分を除去した後、改質部21に供給する。
改質部21は、改質反応を促進する改質触媒を備え、前記原燃料ポンプ1からの原燃料と改質用水とが混合した状態で供給されつつ、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する。
CO除去部24の選択酸化器23は、前記変成器22を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応によりさらに低減し、CO等の不純物を許容値以下まで低減した水素リッチな改質ガスとする。
また、改質部21及び選択酸化器23に冷却剤を供給して冷却する冷却剤ポンプ5が、設けられる。本実施形態では冷却剤として冷却水を使用し、CO除去部24(選択酸化器23,変成器22)及び改質部21を経由してこれらを冷却した後、改質部21内に改質用水として供給する。なお、廃熱を回収させた水を冷却剤として利用することもできる。
ここで、本実施形態では、上記各部への空気供給系を以下のように構成する。
電動式のエアポンプ6を1台のみ設置し、該エアポンプ6の吐出口に接続した空気供給管60から3本に分岐して、それぞれバーナ21a、選択酸化器23及びPEFCスタック4のカソード4bに至る分岐管を設ける。
図3、図4は、前記制御部8による上記燃料電池システムの各種制御フローを示す。
ステップS2では、エアポンプ6の出力補正係数αを初期値α0(=1)にセットする。
ステップS5では、エアポンプ6の前記基本出力MV0に、出力補正係数αを乗じて出力MVを確定する。出力補正係数αは、初期値α0(=1)に対し、後述するように調整によって変化する変数であるが、初期値α0(=1)以上に維持される。
そこで、ステップS6で一定時間の経過を待った後、ステップS7以降へ進んで、各種状態量を検出しつつ、制御パラメータを調整して制御する。
ステップS7では、選択酸化器23へ供給されている実空気量PAを算出する。これは、上述したようにエアポンプ6の出力(総空気供給量)と、流量分配弁7の分配比や絞り64aとに基づいて算出することができる。または、図2のように分岐管64に空気流量センサ10cを設ける場合には、該空気流量センサ10cによって検出することができる。
なお、ステップS9,12,13におけるループ時間は十分短い設定としてあるので、速やかにPA<PAmin及びBAmin≦BA≦BAmaxとすることができるが、目標値と検出値との偏差に基づいて演算したステップ量を与えるようにしてもよい。
ステップS15では、選択酸化器23の温度PT2の大きさを判定する。そして、温度PT2が許容下限値PTminより小であると判定されたときはステップS16へ進み、今回検出された温度PT2が前回検出された温度PT1より小であるかを判定する。
ステップS19では、改質部21の温度RT2が許容温度RTminより小であるかを判定し、小のときはステップS20へ進み、選択酸化器23の温度P2の場合と同様、RT2が前回検出値RT1以上で温度上昇中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、RT2がRT1より小と判定されたときは温度RTが減少中であるので、ステップS21へ進んで温度上昇処理を行う。
あるいは、バーナ加熱量を増大させ、かつ、改質用燃料量を減少させることにより、過剰にエアポンプの出力を上げることなく改質部の温度をより早く上昇させることができる。
そして、PT2>PT1と判定されたときは、温度PTが上昇中であるので、ステップS23で冷却剤ポンプ5の出力を増大して選択酸化器23への冷却剤(冷却水)量を1ステップ増大させるが、PT2≦PT1と判定されたときは、温度PTが減少中であり前回の冷却剤増大による効果が現れ始めていると考えられるので、冷却剤を増大することなく、ステップS31へ進む。
ステップS25で温度RT2の大きさを判定し、温度RT2が許容下限温度RTminより小のときはステップS19以降へ進み、既述したようにRT2がRT1以上で温度上昇中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、RT2がRT1より小で温度RTが減少中と判定された場合は、ステップS21へ進み、上記の改質部21の温度上昇処理を行う。
あるいは、バーナ加熱量を減少させ、かつ、改質燃料量を増大することにより改質部の温度をより早く降下させることができる。
これにより、必要最低限のエアポンプ出力で燃料電池システムをバランスさせることでエアポンプの消費電力を減らし、またバーナ燃料及び改質燃料を基準値に近づけることにより、燃料電池システムの総効率を高めることができる。
以上のステップで各種調整を経た後、ステップS31で今回値PT2、RT2を、次回の前回値PT1,RT1とする処理を行い、ステップS33で燃料電池システムの運転停止要求の有無を判定し、停止要求があれば本制御を停止して運転を停止させるが、停止要求が無ければ、ステップS3へ戻って本制御を継続する。
本実施形態では、上述したように、要求発電量に応じて、まず、PEFCスタック4のカソード4bへ供給される空気量と、バーナ21a及び選択酸化器23に供給する空気量とを、これらを合計した総空気量を供給するようにエアポンプ6の出力を制御しつつ、流量分配弁7の分配比を制御して流量を分配する初期制御を行う。そして、かかる初期制御によって生じるバーナ21aの空燃比のずれ、改質部21および選択酸化器23の各温度のずれを、それぞれ調整可能なパラメータを制御することによって発電を行う。制御手段としてはフィードバック制御が挙げられ、さらに具体的にはPID制御によって実現することができる。
尚、上記実施形態では、各分岐管の空気流量をより適正値に分配できるよう、流量分配弁7及び絞り弁63a,64aを設けたが、より、簡易には、流量分配弁7や絞り弁63a,64aを省略することも可能である。この場合、各パラメータの調整量を大きくすることで、要求発電量の変化によるバーナ21aの空燃比の変化、改質部21及び選択酸化器23の各温度の調整を行うことができる。
以上の制御においては、選択酸化器23における酸化不足の影響を重視して選択酸化器23への空気量確保を先行して行ったが、他のバーナ21aの空燃比PA,選択酸化器23の温度PT、改質部21の温度RTの制御の順序は、本実施形態に限定されるものではなく任意に変更してよい。
2…水素製造装置
3…バーナ燃焼用燃料ポンプ
4…PEFCスタック
5…冷却剤ポンプ
6…エアポンプ
7…流量分配弁
8…制御部
11…バーナ燃料量センサ
12…改質部温度センサ
13…選択酸化器温度センサ
21…改質部
22…変成器
23…選択酸化器
24…CO除去部
60…空気供給管
61,62,63,64…分岐管
63a,64a…絞り
63b,64b…開閉弁
Claims (12)
- 燃焼用燃料を燃焼するバーナによって水素製造用原燃料を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中に残存するCOを選択的に酸化してCO2に変える選択酸化器を含むCO除去部と、を備える水素製造装置と、
前記水素製造装置によって製造された改質ガスをアノードに導入し、空気をカソードに導入して起電力を発生する燃料電池スタックと、
前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに空気を供給する空気供給装置と、
を含む燃料電池システムであって、
前記空気供給装置を、1台のエアポンプと、該エアポンプに接続した空気供給管から分岐して、それぞれ前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
前記燃料電池スタックの要求発電量に応じて前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードの各要求空気量を算出し、各要求空気量を加算した総空気量に応じて前記エアポンプを制御すると共に、前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードへの各空気量を制御する第1制御手段と、
前記第1制御手段の制御後、前記燃料電池スタックの要求発電量を満たしつつ前記バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、前記改質部及び前記選択酸化器の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整可能なパラメータをフィードバック制御する第2制御手段と、
前記第2制御手段の制御によって、前記空燃比及び前記各温度がそれぞれの設定域内に維持されたとき、前記エアポンプの制御量が前記第1制御手段による初期の制御量を超える場合は、前記エアポンプの制御量を前記初期の制御量に近づけるように漸減させつつ前記第1制御手段及び第2制御手段による制御を継続させる第3制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記各分岐管の少なくとも1つに絞りが介装されている請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記分岐管の分岐点に、各分岐管への空気量の分配比を調整する流量分配弁が介装されている請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記第1制御手段は、前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードの各要求空気量に基づいて、前記各分岐管への空気量の分配比を算出し、該分配比を用いて前記流量分配弁を制御する請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記第1制御手段は、前記エアポンプの基本出力を、要求発電量を満たすために前記燃料電池スタックのカソードで必要な空気量を該カソードに至る分岐管に分配可能な出力に基づいて決定する請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記空燃比を調整可能なパラメータは、前記エアポンプの出力と前記バーナへの燃焼用燃料供給量である請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記改質部の温度を調整可能なパラメータは、前記バーナへの燃焼用燃料供給量、前記改質部への水素製造用原燃料供給量、前記改質部へ供給される冷却剤の供給量の少なくとも一つを含む請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記改質部へ供給される冷却剤は水であり、水素製造用原料と混合して改質させるため供給される改質用水として使用される請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記第2制御手段は、前記改質部の現在取得温度と前回取得温度とを比較して該改質部の温度変更操作の要否を判定する請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記選択酸化部の温度を調整可能なパラメータは、前記選択酸化部の温度調節に使用される冷却剤量である請求項1〜請求項9のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記選択酸化部に供給される冷却剤は水であり、水素製造用原料と混合して改質させるため供給される改質用水として使用される請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記第2制御手段は、前記選択酸化部の現在取得温度と前回取得温度とを比較して該選択酸化部の温度変更操作の要否を判定する請求項1〜請求項11のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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