JP5521358B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

発電に用いられる水素は、都市ガス等の炭化水素燃料を改質することによって得られる。改質に必要な炭化水素燃料は、発電に必要な水素ガス量に応じて決まる。したがって、燃料電池の発電制御のためには、炭化水素燃料の流量を検出して制御する必要がある。

特許文献１には、原燃料ラインにオリフィス流量計等の瞬時流量計と、ガスメータ等の積算流量計を直列に設置することによって、原燃料ガスの瞬時流量計測を可能にするとともに、積算流量計の出力を利用して瞬時流量計の補正を行うことによって長期間の運転継続を可能とする技術が開示されている。

特開２０００−２１４３２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、原燃料ガスを燃料電池以外のガス機器に使用することが想定されていない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、原燃料ガスを燃料電池以外のガス機器と共通して消費する場合に、改質器への原燃料ガスの供給量の誤補正を回避することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、原燃料ガスを改質部および外部のガス機器に供給する分岐路よりも下流にあり、目標流量に応じて前記原燃料ガスを前記改質部に供給するガス供給手段と、改質部および外部のガス機器に供給される原燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、ガス供給手段の目標流量と流量検出手段によって検出された検出流量との差に基づいて前記目標流量を補正する補正手段と、を備え、補正手段は、目標流量が検出流量よりも少ない場合には目標流量が多くなるように補正し、補正手段は、目標流量と検出流量との差がしきい値を超える場合に補正を行わないことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、他のガス機器において原燃料ガスが使用されている場合に、改質部への原燃料ガスの供給量の誤補正を回避することができる。この場合、改質部への原燃料ガスの供給量を適正に補正することができる。

補正手段は、目標流量が検出流量よりも大きい場合には目標流量が少なくなるように補正してもよい。それにより、改質部への原燃料ガスの供給量を適正に補正することができる。

流量検出手段は、原燃料ガスの流量に応じて課金するための課金用ガスメータであってもよい。この場合、既存の課金メータを用いることができる。それにより、新たな機器を設置する必要がない。

改質部において生成された水素ガスを用いて発電を行う燃料電池からの排気ガスを燃焼させることによって改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段と、をさらに備え、補正手段は、温度検出手段によって検出された温度が基準値よりも高い場合には前記目標流量が少なくなるように補正し、温度検出手段によって検出された温度が基準値よりも低い場合には前記目標流量が多くなるように補正してもよい。この場合、燃焼部の温度を適正範囲に制御することができる。

温度検出手段は、燃焼部において燃料電池からの排気ガスに着火するグロープラグの電気抵抗に基づいて、燃焼部の温度を検出してもよい。この場合、温度を検出するための新たな機器を設ける必要が無い。

本発明によれば、原燃料ガスを燃料電池以外のガス機器と共通して消費する場合に、改質器への原燃料ガスの供給量の誤補正を回避することができる。

実施例１に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 制御部によって実行されるフローチャートの一例について説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、フローチャートの実行の際に用いられるマップを示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、課金メータ２０、燃料ポンプ３０、改質水供給部４０、エアポンプ５０、改質器６０、燃料電池７０、および熱交換器８０、を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。課金メータ２０は、都市ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスの流量に応じて課金するための流量検出手段である。燃料ポンプ３０は、課金メータ２０を経由した原燃料ガスを後述する改質部６１に供給するためのガス供給手段である。

改質水供給部４０は、後述する改質部６１における改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク４１、改質水タンク４１に貯蔵された改質水を改質部６１に供給するための改質水ポンプ４２等を含む。エアポンプ５０は、後述するカソード７１にエアを酸化剤ガスとして供給するためのポンプである。改質器６０は、改質部６１および燃焼室６２を含む。燃焼室６２には、グロープラグ６３が設けられている。燃料電池７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質が挟持された構造を有する。

続いて、燃料電池システム１００の動作の概要を説明する。課金メータ２０は、原燃料ガスの流量を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、課金メータ２０は、改質器６０に供給される原燃料ガスの流量と、他のガス機器で消費される原燃料ガスの流量と、の合計流量を検出する。

燃料ポンプ３０は、制御部１０の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質部６１に供給する。改質水ポンプ４２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質部６１に供給する。改質部６１は、燃焼室６２で発生する熱を利用した改質反応によって原燃料ガスと改質水とから水素を生成する。生成された水素は、アノード７２に供給される。

エアポンプ５０は、制御部１０の指示に従って必要量のエアをカソード７１に供給する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。カソード７１から排出されたカソードオフガスおよびアノード７２から排出されたアノードオフガスは、燃焼室６２に流入する。グロープラグ６３は、制御部１０の指示に従って、アノードオフガスに着火する。それにより、アノードオフガスは、カソードオフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質部６１に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、アノードオフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６２において燃焼させることができる。

熱交換器８０は、燃焼室６２から排出された排気ガスと水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク４１に貯蔵される。

また、制御部１０は、課金メータ２０の検出結果に基づいて、燃料ポンプ３０による原燃料供給量を補正する補正手段としても機能する。図２および図３（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ、制御部１０による原燃料供給量の補正について説明する。図２は、制御部１０によって実行されるフローチャートの一例について説明するための図である。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、フローチャートの実行の際に参照されるマップを示す図である。

図２に示すように、制御部１０は、燃料電池７０に要求される要求電力P_reqに基づいて、発電に必要な原燃料流量Q_bseを取得する（ステップＳ１）。なお、要求電力P_reqが決まれば、必要な水素ガス流量が決まる。水素ガス流量が決まれば、改質に必要な原燃料流量Q_bseが決まる。図３（ａ）は、要求電力P_reqと原燃料流量Q_bseとの関係を示すマップである。本実施例においては、制御部１０は、図３（ａ）のマップから原燃料流量Q_bseを取得する。

次に、制御部１０は、下記式（１）に従って、原燃料流量Q_bseを基に原燃料流量Qを算出する（ステップＳ２）。なお、式（１）において、「K_fb」は、改質部６１に供給される原燃料流量をフィードバック制御するためのフィードバック係数である。制御部１０は、算出された原燃料流量Qを目標流量として原燃料ガスが改質部６１に供給されるように、燃料ポンプ３０を制御する。
Q ＝ Q_bse × K_fb （１）

次いで、制御部１０は、下記式（２）に従って、積算流量ΣQを算出する（ステップＳ３）。式（２）において、「Q[n-1]」は、前回のフローチャート実行時における原燃料流量を示す。
ΣQ ＝ Q ＋ Q[n-1] （２）

次に、制御部１０は、原燃料流量の積算値が所定値に到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。例えば、制御部１０は、ステップＳ３で求めた積算流量ΣQがΣQ_ref以上になった場合に、原燃料流量の積算値が所定値に到達したと判定する。このステップＳ４を実行することによって、後述するステップＳ５〜Ｓ１１の実行周期を長くすることができる。それにより、応答性の低い課金メータを用いても、原燃料流量の検出精度低下を抑制することができる。なお、「ΣQ_ref」は任意に決めることができるが、本実施例においては一例として１Ｌとする。

ステップＳ４において原燃料流量の積算値が所定値に到達したと判定されなかった場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ４において原燃料流量の積算値が所定値に到達したと判定された場合、制御部１０は、課金メータ２０が検出した課金メータ流量Q_mtを取得する（ステップＳ５）。次に、制御部１０は、下記式（３）に従って、前回のフローチャート実行時から今回のフローチャート実行時までの課金メータ流量dQ_mtを算出する（ステップＳ６）。式（３）において、「Q_mt[n-1]」は、前回にフィードバック係数K_fbを補正した際の課金メータ流量を示す。
dQ_mt ＝ Q_mt − Q_mt[n-1] （３）

課金メータ２０の検出精度が高くかつ燃料ポンプ３０から改質部６１へ供給される原燃料流量が目標流量と一致していれば、上記の積算流量ΣQと課金メータ流量dQ_mtとが一致する。しかしながら、製造ばらつき等に起因して流量に誤差が生じる。そこで、制御部１０は、下記式（４）に従って、流量の誤差Q_errを算出する（ステップＳ７）。
Q_err ＝ dQ_mt − ΣQ （４）

次いで、制御部１０は、下記式（５）に従って、ステップＳ７で算出された誤差Q_errをフィードバック係数K_fbに反映させる（ステップＳ８）。
K_fb ＝ K_fb × ｉ （５）

図３（ｂ）は、誤差Q_errと補正係数ｉとの関係を示すマップである。図３（ｂ）において、横軸は誤差Q_errを示し、縦軸は補正係数ｉを示す。まず、誤差Q_errの絶対値が小さい場合には、補正係数ｉは「１」のままである。それにより、課金メータ２０の検出誤差が補償される。

式（４）によれば、積算流量ΣQの方が課金メータ流量dQ_mtよりも大きくなると、誤差Q_errがマイナスになる。このことは、目標流量が実際に検出された検出流量よりも多くなっていることを示している。そこで、補正係数ｉを「１」よりも小さい値に設定する。改質部６１に実際に流入する原燃料流量と目標流量とを一致させることができる。なお、図３（ｂ）に示すように、補正係数ｉには最小値が設定してある。それにより、過補正が防止される。

課金メータ流量dQ_mtの方が積算流量ΣQよりも大きくなると、誤差Q_errがプラスになる。このことは、実際に検出された検出流量が目標流量よりも多くなっていることを示している。そこで、補正係数ｉを「１」よりも大きい値に設定する。改質部６１に実際に流入する原燃料流量と目標流量とを一致させることができる。

なお、図３（ｂ）に示すように誤差Q_errがしきい値以上になった場合、原燃料ガスが他のガス機器で消費されていると推定することができる。この場合、補正係数ｉを「１」に戻す。それにより、フィードバック係数K_fbに対する誤った補正を回避することができる。

次に、制御部１０は、積算流量ΣQをリセットして「０」に戻す（ステップＳ９）。次いで、制御部１０は、燃焼室６２内の温度TMP_htを取得する（ステップＳ１０）。ここで、グロープラグ６３の電気抵抗は、燃焼室６２内の温度TMP_htと相関を有する。図３（ｃ）にその相関を示す。図３（ｃ）の関係を用いて、グロープラグ６３の電気抵抗から温度TMP_htを間接的に取得することができる。なお、燃焼室６２内の温度を温度センサ等を用いて直接的に取得してもよいが、その場合には新たに温度センサを設ける必要がある。したがって、グロープラグ６３から温度TMP_htを取得することによって、新たな機器の設置を回避することができる。

次に、制御部１０は、下記式（６）に従って、ステップＳ９で検出された温度TMP_htをフィードバック係数K_fbに反映させる（ステップＳ１１）。
K_fb ＝ K_fb × ｊ （６）

図３（ｄ）は、温度TMP_htと補正係数ｊとの関係を示すマップである。図３（ｄ）において、横軸は検出された温度TMP_htを示し、縦軸は補正係数ｊを示す。まず、検出された温度TMP_htが目標温度に近い場合には、補正係数ｊは「１」のままである。それにより、グロープラグ６３の検出誤差が補償される。

温度TMP_htが目標温度に比較して小さい場合、改質部６１における吸熱が補償されない。そこで、補正係数ｊを「１」よりも大きい値に設定する。それにより、燃料ポンプ３０によって改質部６１に供給される原燃料流量を増加させることができる。その結果、燃焼室６２に供給されるアノードオフガス量が増加することから、燃焼室６２の温度が適正温度範囲に制御される。ただし、補正係数ｊには最大値が設定してある。それにより、過補正が防止される。

一方、温度TMP_htが目標温度に比較して大きい場合、高温に起因して燃焼部６２が劣化するおそれがある。そこで、補正係数ｊを「１」よりも小さい値に設定する。それにより、燃料ポンプ３０によって改質部６１に供給される原燃料流量を減少させることができる。その結果、燃焼室６２に供給されるアノードオフガス量が減少することから、燃焼室６２の温度が適正温度範囲に制御される。

制御部１０は、ステップＳ１１の実行後、フローチャートの実行を終了する。図２のフローチャートによれば、課金メータ２０の検出結果に基づいて、燃料ガス供給量を補正することができる。この場合、既存の課金メータを用いることができることから、新たな装置を設置する必要がない。

また、他のガス器具で燃料ガスを消費していると推定される場合に、フィードバック係数K_fbの補正が行われない。この場合、フィードバック係数K_fbに対する誤った補正を回避することができる。さらに、燃焼室６２の温度に基づいて燃料ガス量を補正することによって、燃焼室６２の温度を適正範囲に制御することができる。

１０ 制御部
２０ 課金メータ
３０ 燃料ポンプ
４０ 改質水供給部
４１ 改質水タンク
４２ 改質水ポンプ
５０ エアポンプ
６０ 改質器
６１ 改質部
６２ 燃焼室
６３ グロープラグ
７０ 燃料電池
７１ カソード
７２ アノード
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 原燃料ガスを改質部および外部のガス機器に供給する分岐路よりも下流にあり、目標流量に応じて前記原燃料ガスを前記改質部に供給するガス供給手段と、
   前記改質部および外部のガス機器に供給される前記原燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
   前記ガス供給手段の目標流量と前記流量検出手段によって検出された検出流量との差に基づいて、前記目標流量を補正する補正手段と、を備え、
   前記補正手段は、前記目標流量が前記検出流量よりも少ない場合には前記目標流量が多くなるように補正し、
   前記補正手段は、前記目標流量と前記検出流量との差がしきい値を超える場合に、前記補正を行わないことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記補正手段は、前記目標流量が前記検出流量よりも大きい場合には前記目標流量が少なくなるように補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記流量検出手段は、前記原燃料ガスの流量に応じて課金するための課金用ガスメータであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記改質部において生成された水素ガスを用いて発電を行う燃料電池からの排気ガスを燃焼させることによって前記改質部を加熱する燃焼室と、
   前記燃焼室の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段と、をさらに備え、
   前記補正手段は、前記温度検出手段によって検出された温度が基準値よりも高い場合には前記目標流量が少なくなるように補正し、前記温度検出手段によって検出された温度が基準値よりも低い場合には前記目標流量が多くなるように補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記温度検出手段は、前記燃焼室において前記燃料電池からの排気ガスに着火するグロープラグの電気抵抗に基づいて、前記燃焼室の温度を検出することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。

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