JP5533399B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
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。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
このような燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、負荷への供給電力が不足しないように燃料電池の発電量が制御されている。燃料電池の発電に用いる燃料ガスは、気化させた液体燃料を改質することによって得ることができる(例えば特許文献1参照)。 In a fuel cell system including such a fuel cell, the amount of power generated by the fuel cell is controlled so that the power supplied to the load is not insufficient. The fuel gas used for the power generation of the fuel cell can be obtained by reforming the vaporized liquid fuel (see, for example, Patent Document 1).
従来、負荷の要求電力が増大した場合に、応答性よく燃料電池の発電量を増大させることは困難であった。例えば、負荷の要求電力が増大したときに原燃料の改質に必要な熱が不足することがある。この場合、燃料ガスを応答性よく増大させることが困難になることから、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることは困難であった。 Conventionally, it has been difficult to increase the power generation amount of the fuel cell with high responsiveness when the required power of the load increases. For example, when the required power of the load increases, the heat necessary for reforming the raw fuel may be insufficient. In this case, since it is difficult to increase the fuel gas with high responsiveness, it is difficult to increase the power generation amount of the fuel cell with high responsiveness.
本発明は、燃料電池の発電量を応答性よく増大させ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。 An object of this invention is to provide the fuel cell system which can increase the electric power generation amount of a fuel cell with sufficient responsiveness.
本発明に係る燃料電池システムは、気化させた原燃料ガスであるアンモニアガスを改質することによって燃料ガスを発生する改質手段と、前記燃料ガスに含まれる残留アンモニアガスを除去し、前記残留アンモニアガスが除去された後の前記燃料ガスを燃料電池に供給する除去器と、前記燃料電池の燃料オフガスの燃焼熱で前記改質手段に供給される前記アンモニアガスを加熱する加熱手段と、前記アンモニアガスの少なくとも一部を前記改質手段の前段で貯留する第1バッファータンクと、前記燃料オフガスの少なくとも一部を前記加熱手段の前段で貯留する第2バッファータンクと、前記燃料電池に対する要求負荷が増大する際に、前記第1バッファータンクおよび前記第2バッファータンクの出口を開に制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。 The fuel cell system according to the present invention includes a reforming unit that generates fuel gas by reforming ammonia gas, which is a vaporized raw fuel gas , and removes residual ammonia gas contained in the fuel gas. a heating means for heating the fuel gas and the remover supplied to the fuel cell after the ammonia gas has been removed, the ammonia gas supplied to the reforming means in heat of combustion of the fuel off-gas of the fuel cell, wherein a first buffer tank for storing at least a portion of the ammonia gas in the preceding stage of the reforming unit, and a second buffer tank for storing at least a portion of the fuel off-gas in front of the heating means, a required load for the fuel cell provided but when increasing, and control means for controlling the outlet of the first buffer tank and the second buffer tank is opened, the And it is characterized in and.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求負荷が増大する際に、第1バッファータンクから改質手段へのガス供給を開始し、かつ第2バッファータンクから加熱手段へのガス供給を開始することができる。それにより、原燃料ガスであるアンモニアガスの改質に必要な熱を確保しつつ改質手段の燃料ガス発生量を素早く増大させることができる。その結果、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the required load on the fuel cell increases, gas supply from the first buffer tank to the reforming means is started and gas supply from the second buffer tank to the heating means is started. Can start. As a result, the amount of fuel gas generated by the reforming means can be quickly increased while securing the heat necessary for reforming the ammonia gas , which is the raw fuel gas. As a result, the power generation amount of the fuel cell can be increased with good responsiveness.
本発明によれば、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることができる燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can increase the electric power generation amount of a fuel cell with sufficient responsiveness can be provided.
以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
図1は、実施例1に係る燃料電池システム5の構成を示す模式図である。本実施例において、燃料電池システム5は、車両に搭載されて用いられる。車両は特に限定されず、例えば、内燃機関を有する車両、走行用モータを有する電気駆動式車両、内燃機関および走行用モータの両方を有する車両等を用いることができる。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a fuel cell system 5 according to the first embodiment. In this embodiment, the fuel cell system 5 is mounted on a vehicle and used. The vehicle is not particularly limited, and for example, a vehicle having an internal combustion engine, an electrically driven vehicle having a traveling motor, a vehicle having both an internal combustion engine and a traveling motor, and the like can be used.
燃料電池システム5は、燃料電池10を備えている。燃料電池10は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する。このような燃料電池であれば、燃料電池10の種類は特に限定されない。本実施例においては、一例として、燃料電池10は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池である。燃料電池10の発電で生じた電力は、走行用モータ、補機類(エアコン装置、照明類、メータ等)等、稼動時に電力を消費する装置(以下、負荷と称する)のために利用される。
The fuel cell system 5 includes a
燃料電池システム5は、燃料電池10を運転させるための構成として、貯留タンク20、蒸発器/熱交換器21(以下、蒸発器21と称する)、熱交換器22、改質器23、電熱ヒーター24、混合器25、燃焼器26、バッファータンク30a,30b、除去器40、液体用ポンプ50、気体用ポンプ55a〜55c、流路60a〜60n、開閉弁70a〜70j、3方弁71a〜71g、逆止弁72a〜72f、要求電力検出計80および制御装置90を備えている。
The fuel cell system 5 includes a
貯留タンク20には、液体用ポンプ50および気体用ポンプ55aが接続されている。液体用ポンプ50および蒸発器21は、流路60aによって連通されている。流路60aには、上流側から順に開閉弁70aおよび逆止弁72aが配置されている。また、気体用ポンプ55aおよび混合器25は、流路60bによって連通されている。流路60bには、上流側から順に開閉弁70bおよび逆止弁72bが配置されている。
A
蒸発器21、熱交換器22および改質器23は、流路60cによって連通されている。流路60cの蒸発器21と熱交換器22との間には、開閉弁70cおよび逆止弁72cが上流側から順に配置されている。流路60cの蒸発器21と熱交換器22との間には、バッファータンク30aが流路60dを介して接続されている。流路60dの上流端は流路60cの蒸発器21と開閉弁70cとの間に接続され、下流端は開閉弁70cと逆止弁72cとの間に接続されている。流路60dのバッファータンク30aの前後には、それぞれ開閉弁70dおよび開閉弁70eが配置されている。
The evaporator 21, the
改質器23、除去器40および燃料電池10の燃料ガス入口は、流路60eによって連通されている。流路60eの改質器23と除去器40との間の部分は、蒸発器21内を挿通している。流路60eの除去器40の前後には、それぞれ開閉弁70fおよび開閉弁70gが配置されている。燃料電池10の酸化剤ガス入口には、気体用ポンプ55bが流路60fを介して接続されている。
The
燃料電池10の発電に供されなかった燃料ガス(以下、燃料オフガスと称する)用の出口と混合器25とは、流路60gによって連通されている。流路60gには、気体用ポンプ55cが配置されている。流路60gの燃料電池10と気体用ポンプ55cとの間には、上流側から順に3方弁71aおよび逆止弁72dが配置されている。3方弁71aの3つの接続口のうち一つは、外気へ開放されている。流路60gの気体用ポンプ55cと混合器25との間には、バッファータンク30bが流路60hを介して接続されている。流路60hのバッファータンク30bの前後には、それぞれ開閉弁70hおよび開閉弁70iが配置されている。
An outlet for a fuel gas (hereinafter referred to as fuel off gas) that has not been used for power generation of the
燃料電池10の発電に供されなかった酸化剤ガス(以下、酸化剤オフガスと称する)用の出口と混合器25とは、流路60iによって連通されている。流路60iの流路途中には、電熱ヒーター24が配置されている。流路60iの電熱ヒーター24より上流には、上流側から順に3方弁71b、逆止弁72eおよび開閉弁70jが接続されている。3方弁71bの3つの接続口のうち一つは、外気へ開放されている。
An outlet for oxidant gas (hereinafter referred to as oxidant off-gas) that has not been used for power generation of the
混合器25および燃焼器26は、流路60jによって連通されている。燃焼器26のガス排出口には流路60kが接続されている。流路60kの下流側は、熱交換器22内を挿通している。
The
なお、本実施例において、気体用ポンプ55aおよび混合器25を連通する流路60bと蒸発器21および熱交換器22を連通する流路60cとは、流路60lによって接続されている。流路60lの上流端は流路60bの逆止弁72bと混合器25との間に接続され、下流端は流路60cの逆止弁72cと熱交換器22との間に接続されている。流路60lの流路60lへの接続点には3方弁71cが配置され、流路60lの流路60cへの接続点には3方弁71dが配置されている。
In this embodiment, the
流路60cの熱交換器22と改質器23との間の部分と熱交換器22内を挿通した後の流路60kとは、流路60mによって接続されている。流路60mの流路60kへの接続点には3方弁71eが配置され、流路60mの流路60cへの接続点には3方弁71fが配置されている。3方弁71eの3つの接続口のうち一つは、外気へ開放されている。
A portion of the
気体用ポンプ55bおよび燃料電池10を連通する流路60fと燃料電池10および混合器25を連通する流路60iとは、流路60nによって接続されている。流路60nの下流端は、流路60iの逆止弁72eと開閉弁70jとの間に接続している。流路60nの流路60fへの接続点には3方弁71gが配置されている。流路60nには逆止弁72fが配置されている。
The
貯留タンク20は、液体状態の原燃料を貯留するためのタンクである。本実施例においては、液体状態の原燃料として、アンモニア(NH3)が用いられる。蒸発器21は、流路60aから蒸発器21内に流入したアンモニアと流路60e内のガスとの間で熱交換させることによって、アンモニアを蒸発させてアンモニアガスを生成するための部材である。熱交換器22は、流路60cから熱交換器22内に流入したアンモニアガスと流路60k内のガスとの間で熱交換させることによって、アンモニアガスを加熱するための部材である。
The
改質器23は、改質器23内に流入したアンモニアガスに下記式(1)の改質反応を生じさせて、燃料ガスを発生させるための部材である。改質器23は、式(1)の反応を促進するための触媒を有している。
NH3→1/2N2+3/2H2−46.19kJ/mol・・・(1)
The
NH 3 → 1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 −46.19 kJ / mol (1)
電熱ヒーター24は、制御装置90によって制御されて、流路60i内のガスを加熱するための装置である。本実施例において、電熱ヒーター24用の電力は、二次電池が供給する。混合器25は、混合器25に接続している複数の流路から混合器25内に流入したガスを混合させるための部材である。燃焼器26は、流路60jから燃焼器26内に流入したガスを燃焼させるための部材である。燃焼器26は、燃焼を促進するための触媒を有している。
The
バッファータンク30aは、アンモニアガスを一時的に貯留するためのタンクである。バッファータンク30bは燃料オフガスを一時的に貯留するためのタンクである。除去器40は、流路60e内のアンモニアガス(残留アンモニアガス)を除去するための装置である。それにより、残留アンモニアガスによって燃料電池10が損傷することが抑制されている。
The
液体用ポンプ50および気体用ポンプ55a〜55cは、制御装置90に制御されて稼動、停止等を行う。開閉弁70a〜70jは、制御装置90に制御されて、それぞれの開閉弁に接続されている流路を開閉する。3方弁71a〜71gは、制御装置90に制御されて、それぞれの3方弁に接続されている流路の開口率を調整する。逆止弁72a〜72fは、逆止弁が接続された流路内の流体が逆流することを抑制している。
The
要求電力検出計80は、燃料電池10に対する発電要求量を検出するための計器である。要求電力検出計80には、車速計、アクセルポジションセンサ等、負荷の状態を検出するセンサ類の検出結果が伝えられる。要求電力検出計80は、これらのセンサ類からの検出結果に基づいて、燃料電池10が発電しなければならない電力量を検出し、検出結果を制御装置90に伝える。
The required power detector 80 is an instrument for detecting the required power generation amount for the
制御装置90は、演算部としてのCPU(Central Processing Unit)91、不揮発記憶部としてのROM(Read Only Memory)92、揮発記憶部としてのRAM(Random Access Memory)93等を備えるマイクロコンピュータである。制御装置90は、負荷への供給電力が不足しないような燃料電池10の発電量が得られるように、液体用ポンプ50、気体用ポンプ55a〜55c、電熱ヒーター24、開閉弁70a〜70j、3方弁71a〜71gを制御する。
The
続いて、燃料電池システム5の動作の一例について説明する。本実施例において、燃料電池システム5は通常運転を行う前に暖機運転を行う。まず、燃料電池システム5の暖機運転時の動作の一例について説明する。暖機運転時において、制御装置90は、気体用ポンプ55a、気体用ポンプ55bおよび電熱ヒーター24を作動させる。また、制御装置90は、気体用ポンプ55aから圧送されたアンモニアガスが流路60bを通過して混合器25に流入するように、開閉弁70bを開に制御する。このとき、制御装置90は、流路60lが閉になるように3方弁71cを制御しておく。また、制御装置90は、気体用ポンプ55bから圧送された酸化剤ガス(エア中の酸素)が流路60n,60iを通過して混合器25に流入するように3方弁71gおよび開閉弁70jを制御する。このとき、流路60iを通過する酸化剤ガスは電熱ヒーター24によって加熱されてから混合器25に流入する。
Next, an example of the operation of the fuel cell system 5 will be described. In this embodiment, the fuel cell system 5 performs a warm-up operation before performing a normal operation. First, an example of the operation during the warm-up operation of the fuel cell system 5 will be described. During the warm-up operation, the
混合器25に流入したアンモニアおよび酸化剤ガスは、混合器25内で混合された後、流路60jを通過して燃焼器26に流入し、燃焼器26内において燃焼器26の触媒によって活性化されて下記式(2)の反応を生じる。式(2)の反応は発熱反応であるため、燃焼器26で発生したガス(窒素および水素)の温度は、反応前のアンモニアガスおよび酸素よりも高温になる。
The ammonia and the oxidant gas flowing into the
NH3+3/4O2→1/2N2+3/2H2O+316.56kJ/mol・・・(2) NH 3 + 3 / 4O 2 → 1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 O + 316.56 kJ / mol (2)
制御装置90は、燃焼器26で発生したガスが流路60k,60m,60cを通過して改質器23に流入するように、3方弁71e,71fを制御する。また、制御装置90は、改質器23に流入したガスが流路60e内に滞留するように、開閉弁70fを閉に制御しておく。この場合、蒸発器21内の流路60eに滞留しているガスによって、蒸発器21は加熱される。次いで、制御装置90は、気体用ポンプ55aおよび気体用ポンプ55bを停止させる。以上の処理により暖機運転は終了する。なお、暖機運転時に必要な電力は、例えば二次電池によって供給される。二次電池は、通常運転時に燃料電池10が発生した電力によって充電されてもよい。
The
続いて燃料電池システム5の通常運転時の動作の一例について説明する。制御装置90は、暖機運転が完了した後に通常運転を開始する。通常運転時において、制御装置90は、貯留タンク20内の液体状態のアンモニアの供給を開始させる制御と、気体用ポンプ55bからの酸化剤ガス供給を開始させる制御と、燃料電池10のオフガスの混合器25への供給を開始させる制御と、を行う。
Next, an example of the operation during normal operation of the fuel cell system 5 will be described. The
貯留タンク20内の液体状態のアンモニアの供給を開始させる制御において、制御装置90は、液体用ポンプ50の回転数を第1の回転数に制御する。制御装置90は、貯留タンク20内の液体状態のアンモニアが流路60aを通過して蒸発器21に流入するように、開閉弁70aを開に制御する。蒸発器21に流入したアンモニアは、加熱されてアンモニアガスになる。
In the control for starting the supply of ammonia in the liquid state in the
また、制御装置90は、蒸発器21で発生したアンモニアガスが流路60cを通過して熱交換器22に流入するように、開閉弁70cを開に制御する。熱交換器22に流入したアンモニアガスは、流路60k内のガスと熱交換することによって加熱される。
Further, the
制御装置90は、熱交換器22で加熱されたアンモニアガスが流路60cを通過して改質器23に流入するように3方弁71fを制御する。改質器23においては、式(1)の反応が生じて、燃料ガスが発生する。制御装置90は、改質器23で発生した燃料ガスが流路60eを通過して燃料電池10に流入するように、開閉弁70fおよび開閉弁70gを開に制御する。
The
気体用ポンプ55bからの酸化剤ガス供給を開始させる制御において、制御装置90は、気体用ポンプ55bを作動させるとともに、気体用ポンプ55bによって圧送された酸化剤ガスが流路60fを通過して燃料電池10に流入するように、3方弁71gを制御して流路60nを閉にし流路60fを開にする。燃料電池10においては、酸化剤ガスと燃料ガスとが反応する。それにより、発電が行われる。
In the control for starting the supply of the oxidant gas from the
燃料電池10のオフガスの混合器25への供給を開始させる制御において、制御装置90は、燃料電池10の酸化剤オフガスが流路60iを通過して混合器25に流入するように、3方弁71bおよび開閉弁70jを制御する。制御装置90は、気体用ポンプ55cを作動させるとともに、燃料電池10の燃料オフガスが流路60gを通過して混合器25に流入するように3方弁71aを制御する。
In the control for starting the supply of the off-gas of the
混合器25に流入した燃料オフガスは、混合器25で酸化剤オフガスと混合された後に、流路60jを通過して燃焼器26に流入して燃焼器26内で燃焼する。燃焼後のガスは、熱交換器22において流路60c内のアンモニアガスを加熱した後、3方弁71eから外部に排出される。以上のように、通常運転は行われる。
The fuel off-gas flowing into the
ここで、本実施例に係る燃料電池システム5は、燃料電池10に対する発電要求量が増大した場合に対応するために、通常運転時においてバッファータンク30a,30bへのガス貯留およびガス供給およびバッファータンク30a,30bからのガス貯留を行う。このバッファータンク30a,30bの動作を含めた通常運転時の動作の一例を、以下に説明する。
Here, the fuel cell system 5 according to the present embodiment is configured to store and supply gas to the
図2(a)は、燃料電池システム5の通常運転時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。縦軸は、燃料電池10に対する発電要求量(以下、燃料電池10に対する要求負荷と称する)、車速、液体用ポンプ50の回転数を示し、横軸は時間を示している。車速は、時間t0からt1まで一定であり、時間t1において減少を開始し、時間t2において減少を終了して上昇を開始し、時間t4において上昇を終了して一定になる。なお、図2(a)において、車両は平地を走行しているものとする。
FIG. 2A is a timing chart for explaining an example of the operation of the fuel cell system 5 during normal operation. The vertical axis indicates the amount of power generation required for the fuel cell 10 (hereinafter referred to as the required load for the fuel cell 10), the vehicle speed, and the rotational speed of the
燃料電池10に対する要求負荷は、時間t0からt1まで第1の値を保ち、時間t1において減少を開始して、第2の値(<第1の値)になる。要求負荷は、時間t2において増大を開始して第3の値(>第1の値および第2の値)になる。なお、時間t3は、要求負荷の増大が終了してから所定時間経過した時間である。その後、要求負荷は、時間t4において減少を開始して第4の値になる。すなわち、本実施例において、時間t1は車速が減少を開始することによって燃料電池10に対する要求負荷が減少したときであり、時間t2は車速が上昇を開始することによって燃料電池10に対する要求負荷が増大したときである。
Required load for the
制御装置90は、液体用ポンプ50の回転数を時間t0からt3までの間、第1の回転数に制御する。制御装置90は、時間t3において、液体用ポンプ50の回転数を上昇させる。制御装置90は、時間t4において液体用ポンプ50の回転数を第2の回転数(>第1の回転数)にする。
The
図2(b)〜(d)は、バッファータンク30a,30b近傍の図であり、図2(b)は時間t0〜t1に対応し、図2(c)は時間t1〜t2に対応し、図2(d)は時間t2〜t3に対応している。図1、図2(a)〜(d)を参照して、通常発電時における制御装置90による各種弁およびポンプの制御並びにこれらの制御に伴うガスの流れについて説明する。
Figure 2 (b) ~ (d), the
まず、時間t0〜t1までの間、制御装置90は、バッファータンク30aの前後にそれぞれ配置されている開閉弁70dおよび開閉弁70eを閉に制御しておく。また、時間t0〜t1までの間、制御装置90は、バッファータンク30bの前後にそれぞれ配置されている開閉弁70hおよび開閉弁70iを閉に制御しておく。すなわち、時間t0〜t1までの間、バッファータンク30a,30bへのガス貯留は行われず、バッファータンク30a,30bからのガス供給も行われない。
First, during the period from time t 0 to t 1 , the
制御装置90は、時間t0〜t1までの間、バッファータンク30a,30bをこのように制御した状態で、前述した貯留タンク20内の液体状態のアンモニアの供給を開始させる制御、気体用ポンプ55bからの酸化剤ガス供給を開始させる制御および燃料電池10のオフガスの混合器25への供給を開始させる制御を行う。
The
時間t1において制御装置90は、開閉弁70cを閉に制御する(図2(c))。それにより、蒸発器21を経由したアンモニアガスの熱交換器22への供給は停止される。この場合、燃料電池10の発電量は低下する。また、時間t1において制御装置90は、開閉弁70eを閉に制御した状態で、開閉弁70dを開に制御する。それにより、流路60cのアンモニアガスは、流路60dによってバイパスされてバッファータンク30a内に貯留される。さらに、制御装置90は、開閉弁70iを閉に制御した状態で、開閉弁70hを開に制御する。それにより、流路60gの燃料オフガスは、流路60hによってバイパスされてバッファータンク30bに貯留される。
制御装置90は、バッファータンク30a,30bへのガス貯留を停止するための条件(以下、貯留停止条件と称する)が満たされた場合、開閉弁70d,70hを閉に制御する。貯留停止条件は、特に限定されない。例えば、車両の減速が終了したとき、バッファータンク30a,30b内の圧力が所定圧力以上になったとき、バッファータンク30a,30bへのガス貯留が開始してから所定時間が経過したとき等、種々の条件を用いることができる。
The
時間t2において制御装置90は、開閉弁70cを開に制御する(図2(d))。それにより、蒸発器21を経由したアンモニアガスの熱交換器22への供給が開始される。その結果、燃料電池10の発電量は増加する。さらに、制御装置90は、時間t2において、開閉弁70dを閉に制御した状態で、開閉弁70eを開に制御する。それにより、バッファータンク30aに貯留されていたアンモニアガスの熱交換器22への供給が開始される。
また制御装置90は、時間t2において、開閉弁70hを閉に制御した状態で、開閉弁70iを開に制御する。それにより、バッファータンク30bに貯留されていた燃料オフガスの供給が開始される。この場合、混合器25に流入する燃料オフガスの流量が上昇する。
The
時間t3において制御装置90は、開閉弁70eを閉に制御してバッファータンク30aからのアンモニアガス供給を停止させ、開閉弁70iを閉に制御してバッファータンク30bからの燃料オフガス供給を停止させる。
なお、前述したように、時間t3において液体用ポンプ50の回転数は増大している。このように、燃料電池システム5は、燃料電池10に対する要求負荷が増大する際に、バッファータンク30a,30bからのガス供給を開始し、バッファータンク30a,30bからのガス供給を停止させたときに、液体用ポンプ50の回転数を増大させている。
As described above, the rotation speed of the
なお、制御装置90は、3方弁71aを制御することによって、混合器25およびバッファータンク30bへの燃料オフガス流入量を調整する。例えば制御装置90は、混合器25およびバッファータンク30bへの燃料オフガス流入量を減少させたい場合には、3方弁71aを制御して、燃料オフガスの3方弁71aからの排気量を増大させる。この制御が行われる時期は特に限定されない。
The
また、制御装置90は、3方弁71bを制御することによって、混合器25への酸化剤オフガスの流入量を調整する。それにより、制御装置90は、例えば混合器25の燃料オフガス濃度と酸化剤オフガス濃度との比率を所望の値(例えば1:1程度)に調整することができる。例えば、制御装置90は、混合器25の酸化剤オフガス濃度が高い場合には、3方弁71bからの酸化剤オフガスの排気量が増大するように3方弁71bを制御することによって、酸化剤オフガスの流入量を減少させる。この制御が行われる時期は特に限定されない。
Further, the
続いて、燃料電池システム5の作用効果を、比較例に係る燃料電池システムを用いて説明する。比較例に係る燃料電池システムは、バッファータンク30a,30bを備えていない点において、燃料電池システム5と異なる。比較例に係る燃料電池システムは、車両が加速して燃料電池10に対する要求負荷が増大した際、液体用ポンプ50の回転数の増大のみによって対応する。この場合、改質に必要な熱が不足することが考えられる。例えば、アンモニア改質反応は吸熱反応であることから、改質器23での改質反応に必要な熱が不足することが考えられる。あるいは、蒸発器21における液体状態のアンモニアの気化に必要な熱が不足することも考えられる。したがって、比較例に係る燃料電池システムでは、燃料電池10の発電量を応答性よく増大させることは困難である。
Then, the effect of the fuel cell system 5 is demonstrated using the fuel cell system which concerns on a comparative example. The fuel cell system according to the comparative example is different from the fuel cell system 5 in that the
さらに、比較例に係る燃料電池システムにおいて改質に必要な熱が不足した場合、未改質のアンモニアガスが増大するおそれがある。この場合、除去器40の容積を大型化する必要がある。この場合、比較例に係る燃料電池システムの車両への搭載が困難になるおそれがある。
Furthermore, when the heat required for reforming is insufficient in the fuel cell system according to the comparative example, unreformed ammonia gas may increase. In this case, the volume of the
これに対して、本実施例に係る燃料電池システム5によれば、燃料電池10に対する要求負荷が増大した際に、バッファータンク30a,30bからのガス供給を開始している。この場合、バッファータンク30aからのアンモニアガス供給によって改質器23に供給されるガス量が増大するとともに、バッファータンク30bからの燃料オフガス供給によって熱交換器22におけるアンモニアガス加熱量を増大させることができる。それにより、改質に必要な熱を確保しつつ改質器23の燃料ガス発生量を応答性よく増大させることができる。
On the other hand, according to the fuel cell system 5 according to the present embodiment, when the required load on the
また、未改質のアンモニアガス量の増大も抑制できることから、除去器40を大型化させることなく燃料電池10の発電量を応答性よく増大させることができる。それにより、燃料電池システム5の車両への搭載性を確保しつつ燃料電池10の発電量を応答性よく増大させることができる。
Further, since an increase in the amount of unreformed ammonia gas can be suppressed, the power generation amount of the
なお、制御装置90は、バッファータンク30a,30bからのガス供給を停止させたときに液体用ポンプ50の回転数を増大させている。すなわち、バッファータンク30a,30bからのガス供給によって改質器23における燃料ガス発生量が増大した状態で、液体用ポンプ50の回転量を増大させている。それにより、液体用ポンプ50の回転量を増大させたときに液体状態のアンモニアを蒸発器21で気化させるのに必要な熱が不足することは抑制されている。
The
図3は、制御装置90がバッファータンク30a,30bからのガス供給を開始および停止する処理のフローチャートの一例を示す図である。制御装置90は、図3のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。まず、制御装置90は、燃料電池10に対する要求負荷が増大したか否かを判する(ステップS10)。制御装置90は、要求電力検出計80の検出結果に基づいて、燃料電池10に対する要求負荷が増大したか否かを判定する。制御装置90は、要求負荷が増大したと判定されるまでステップS10を繰り返し実行する。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a flowchart of processing in which the
ステップS10において燃料電池10に対する要求負荷が増大したと判定された場合、制御装置90は、バッファータンク30aからのガス供給が開始するように開閉弁70eを開に制御し、バッファータンク30bからのガス供給が開始するように開閉弁70iを開に制御する(ステップS20)。すなわち、本実施例において、制御装置90は、燃料電池10に対する要求負荷が増大する際に、バッファータンク30a,30bの出口を開に制御している。
When it is determined in step S10 that the required load on the
次いで制御装置90は、バッファータンク30a,30bからのガス供給を停止させるための条件(以下、ガス供給停止条件と称する)が満たされたか否かを判定する(ステップS30)。ステップS30の具体的判断基準は、特に限定されない。本実施例において制御装置90は、一例として、燃料電池10に対する要求負荷の増大が終了した場合に、ガス供給停止条件が満たされたと判定する。より具体的には、制御装置90は、燃料電池10に対する要求負荷の増大が終了してから所定時間経過後(図2(a)の時間t3)に、ガス供給停止条件が満たされたと判定する。所定時間は、例えば制御装置90内の時間検出部(タイマ等)が検出する。制御装置90は、ガス供給停止条件が満たされたと判定されるまでステップS30を繰り返し実行する。
Next, the
ステップS30においてガス供給停止条件が満たされたと判定された場合、制御装置90は、バッファータンク30aからのガス供給が停止するように開閉弁70eを閉に制御し、バッファータンク30bからのガス供給が停止するように開閉弁70iを閉に制御する(ステップS40)。次いで、制御装置90は、フローチャートの実行を終了する。
When it is determined in step S30 that the gas supply stop condition is satisfied, the
図4は、制御装置90がバッファータンク30a,30bへのガス貯留を開始および停止する処理のフローチャートの一例を示す図である。制御装置90は、図4のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。まず、制御装置90は、バッファータンク30a,30bへのガスの貯留を開始するための条件(以下、貯留開始条件と称する)が満たされたか否かを判定する(ステップS100)。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a flowchart of processing in which the
この貯留開始条件が満たされたと判定されるときは、燃料電池10に対する要求負荷が増大していないときであれば、特に限定されない。本実施例において制御装置90は、一例として、車両が減速を開始することによって燃料電池10に対する要求負荷が減少した際(図2(a)の時間t1)に、貯留開始条件が満たされたと判定する。この場合、制御装置90は、車速計の検出結果に基づいて車両が減速を開始したと判定し、かつ要求電力検出計80の検出結果に基づいて要求負荷が減少したと判定した場合に、貯留開始条件が満たされたと判定する。但し、これに限られず、例えば制御装置90は、燃料電池10に対する要求負荷の変動がないとき(例えば図2(a)の時間t0〜t1までの間等)に、貯留開始条件が満たされたと判定してもよい。制御装置90は、貯留開始条件が満たされたと判定されるまで、ステップS100を繰り返し実行する。
When it is determined that the storage start condition is satisfied, there is no particular limitation as long as the required load on the
ステップS100において貯留開始条件が満たされたと判定された場合、制御装置90は、バッファータンク30aにアンモニアガスが貯留されるように開閉弁70dを開に制御し、バッファータンク30bに燃料オフガスが貯留されるように開閉弁70hを開に制御する(ステップS110)。
When it is determined in step S100 that the storage start condition is satisfied, the
次いで制御装置90は、貯留停止条件が満たされたか否かを判定する(ステップS120)。本実施例において、制御装置90は、一例として、車両の減速が終了したときに貯留停止条件が満たされたと判定する。制御装置90は、貯留停止条件が満たされたと判定されるまで、ステップS120を繰り返し実行する。
Next, the
ステップS120において貯留停止条件が満たされたと判定された場合、制御装置90は、開閉弁70dを閉に制御することによってバッファータンク30aへの貯留を停止し、開閉弁70hを閉に制御することによってバッファータンク30bへの貯留を停止する(ステップS130)。次いで、制御装置90は、フローチャートの実行を終了する。
When it is determined in step S120 that the storage stop condition is satisfied, the
なお、制御装置90は、図3のフローチャートと図4のフローチャートとを独立して実行する。但し、図3のフローチャートのステップS10が肯定判定された場合には、制御装置90は、図4のフローチャートの実行を終了して図3のフローチャートのステップS20以下を優先的に行う。
The
(変形例1)
車両の加速が頻繁に繰り返されたとき等、燃料電池10に対する要求負荷の増加が頻繁に繰り返された場合、バッファータンク30a内のアンモニアガス貯留量が不足するおそれがある。この場合、燃料電池10に対する要求負荷が増大した際に十分な量のアンモニアガスを改質器23に供給することが困難になるおそれがある。そこで、制御装置90は、燃料電池10に対する要求負荷の増加が頻繁に繰り返された場合には、貯留タンク20内のアンモニアガスをさらに改質器23に流入させてもよい。
(Modification 1)
When the required load on the
具体的には、制御装置90は、要求電力検出計80の検出結果に基づいて要求負荷の増加が所定期間内に所定回数以上あったと判定した場合、貯留タンク20内のアンモニアガスを改質器23に流入させるための開始条件が満たされたと判定する。この場合、制御装置90は、気体用ポンプ55aを作動させるとともに、気体用ポンプ55aから圧送されたアンモニアガスが流路60b,60l,60cを通過して熱交換器22に流入するように、開閉弁70b、3方弁71c,71dを制御する。
Specifically, when it is determined that the increase in the required load has been greater than or equal to a predetermined number of times within a predetermined period based on the detection result of the required power detector 80, the
この場合、改質器23には、液体用ポンプ50から圧送されて蒸発器21を経由したアンモニアガスおよびバッファータンク30aに貯留されたアンモニアガスに加えて、気体用ポンプ55aから圧送されたアンモニアガスも供給される。それにより、燃料電池10に対する要求負荷の増加が頻繁に繰り返された場合に改質器23へのアンモニアガス供給量が不足することを抑制することができる。
In this case, in addition to the ammonia gas pumped from the
なお、本実施例において、燃料オフガスの燃焼熱は気化された原燃料ガスを加熱することに用いられているが、これに限られない。燃料オフガスの燃焼熱は、液体状態の原燃料を改質ガスにして燃料電池に供給するまでの一連の工程のうち、少なくともいずれかで用いられればよい。例えば、燃料オフガスの燃焼熱を熱交換器22で用いる代わりに蒸発器21で用いてもよく、熱交換器22および蒸発器21の両方で用いてもよい。
In the present embodiment, the combustion heat of the fuel off gas is used to heat the vaporized raw fuel gas, but is not limited thereto. The combustion heat of the fuel off gas may be used in at least one of a series of steps until the raw fuel in a liquid state is supplied as a reformed gas to the fuel cell. For example, the combustion heat of the fuel off gas may be used in the evaporator 21 instead of being used in the
また、本実施例において、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスは燃焼器26における燃焼に再利用されているが、これに限られない。燃焼器26における燃料に利用できるガスであれば、燃焼器26に供給されるガスは燃料オフガスおよび酸化剤オフガスでなくてもよい。この場合、バッファータンク30bに貯留されるガスも、燃料オフガスでなくてよい。但し、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスが再利用される場合の方が、そうでない場合に比較して、燃料電池システム5の燃費を向上できる点で好ましい。
In the present embodiment, the fuel off-gas and the oxidant off-gas are reused for combustion in the
また、本実施例において、原燃料ガスとしてアンモニアガスを用いているが、これに限られない。改質反応によって水素を発生できるガスであれば、原燃料ガスはアンモニアガスに限られない。例えば、原燃料ガスとして、ヒドラジンガス(N2H4)、炭化水素ガス等を用いてもよい。 In this embodiment, ammonia gas is used as the raw fuel gas, but the present invention is not limited to this. The raw fuel gas is not limited to ammonia gas as long as it can generate hydrogen by the reforming reaction. For example, hydrazine gas (N 2 H 4 ), hydrocarbon gas, or the like may be used as the raw fuel gas.
本実施例において、改質器23は、原燃料ガスを改質することによって燃料ガスを発生して燃料電池10に供給する改質手段としての機能を有している。混合器25、燃焼器26および熱交換器22は、燃料オフガスの燃焼熱で原燃料ガスを加熱する加熱手段としての機能を有している。バッファータンク30aは、気化された原燃料ガスの少なくとも一部を改質手段の前段で貯留する第1バッファータンクとしての機能を有している。バッファータンク30bは、燃料オフガスの少なくとも一部を加熱手段の前段で貯留する第2バッファータンクとしての機能を有している。制御装置90は、燃料電池10に対する要求負荷が増大する際に、第1バッファータンクおよび第2バッファータンクの出口を開に制御する制御手段としての機能を有している。
In this embodiment, the
また、本実施例において、流路60cおよび流路60dは、気化された原燃料ガスを改質器23に供給するための原燃料ガス供給手段としての機能を有している。流路60cは、バッファータンク30aの出口が開に制御されていない場合に、気化された原燃料ガスを改質器23に供給するための原燃料ガス供給手段としての機能も有している。流路60gおよび流路60hは、燃料オフガスを加熱手段に供給するための燃料オフガス供給手段としての機能を有している。流路60gは、バッファータンク30bの出口が開に制御されていない場合に、燃料オフガスを加熱手段に供給するための燃料オフガス供給手段としての機能も有している。
In the present embodiment, the
5 燃料電池システム
10 燃料電池
20 貯留タンク
21 蒸発器/熱交換器
22 熱交換器
23 改質器
24 電熱ヒーター
25 混合器
26 燃焼器
30 バッファータンク
40 除去器
50 液体用ポンプ
55 気体用ポンプ
60 流路
70 開閉弁
71 3方弁
72 逆止弁
80 要求電力検出計
90 制御装置
5
Claims (1)
前記燃料ガスに含まれる残留アンモニアガスを除去し、前記残留アンモニアガスが除去された後の前記燃料ガスを燃料電池に供給する除去器と、
前記燃料電池の燃料オフガスの燃焼熱で前記改質手段に供給される前記アンモニアガスを加熱する加熱手段と、
前記アンモニアガスの少なくとも一部を前記改質手段の前段で貯留する第1バッファータンクと、
前記燃料オフガスの少なくとも一部を前記加熱手段の前段で貯留する第2バッファータンクと、
前記燃料電池に対する要求負荷が増大する際に、前記第1バッファータンクおよび前記第2バッファータンクの出口を開に制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A reforming unit for generating a fuel gas by reforming ammonia gas is vaporized raw fuel gas,
A remover for removing residual ammonia gas contained in the fuel gas and supplying the fuel gas after the residual ammonia gas is removed to a fuel cell;
Heating means for heating the ammonia gas supplied to the reforming means with combustion heat of fuel off-gas of the fuel cell;
A first buffer tank for storing at least a part of the ammonia gas in a previous stage of the reforming means;
A second buffer tank for storing at least a part of the fuel off-gas in a preceding stage of the heating means;
A fuel cell system comprising: control means for controlling the outlets of the first buffer tank and the second buffer tank to open when a required load on the fuel cell increases.
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