JP5533399B2

JP5533399B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5533399B2
Application number: JP2010168586A
Authority: JP
Inventors: 秀男永長
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: JP2012028269A

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).

特開平７−１４６００号公報JP 7-14600 A

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.

実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Example 1. FIG. 図２（ａ）は、燃料電池システム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。図２（ｂ）〜（ｄ）は、バッファータンク近傍の図であり、図２（ｂ）は時間ｔ_０〜ｔ_１に対応し、図２（ｃ）は時間ｔ_１〜ｔ_２に対応し、図２（ｄ）は時間ｔ_２〜ｔ_３に対応している。FIG. 2A is a timing chart for explaining an example of the operation during normal operation of the fuel cell system. 2B to 2D are views near the buffer tank. FIG. 2B corresponds to the time t _{0 to} t ₁ , and FIG. 2C corresponds to the time t _{1 to} t _2. FIG. 2D corresponds to times t _{2 to} t ₃ . 制御装置がバッファータンク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。It is a figure which shows an example of the flowchart of the process which a control apparatus starts and stops the gas supply from a buffer tank. 制御装置がバッファータンク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。It is a figure which shows an example of the flowchart of the process which a control apparatus starts and stops the gas storage to a buffer tank.

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 fuel cell 10. The fuel cell 10 is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate power. If it is such a fuel cell, the kind of fuel cell 10 will not be specifically limited. In this embodiment, as an example, the fuel cell 10 is a fuel cell provided with a solid polymer electrolyte membrane. The electric power generated by the power generation of the fuel cell 10 is used for a device (hereinafter referred to as a load) that consumes electric power during operation, such as a driving motor, auxiliary equipment (air conditioner, lighting, meter, etc.). .

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 storage tank 20, an evaporator / heat exchanger 21 (hereinafter referred to as an evaporator 21), a heat exchanger 22, a reformer 23, an electric heater as a configuration for operating the fuel cell 10. 24, mixer 25, combustor 26, buffer tanks 30a, 30b, remover 40, liquid pump 50, gas pumps 55a-55c, flow paths 60a-60n, on-off valves 70a-70j, three-way valves 71a-71g , Check valves 72a to 72f, a required power detector 80 and a control device 90 are provided.

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 liquid pump 50 and a gas pump 55 a are connected to the storage tank 20. The liquid pump 50 and the evaporator 21 are communicated with each other by a flow path 60a. In the flow path 60a, an on-off valve 70a and a check valve 72a are arranged in order from the upstream side. Further, the gas pump 55a and the mixer 25 are communicated with each other through a flow path 60b. In the flow path 60b, an on-off valve 70b and a check valve 72b are arranged in order from the upstream side.

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 heat exchanger 22, and the reformer 23 are communicated with each other through a flow path 60c. An open / close valve 70c and a check valve 72c are arranged in this order from the upstream side between the evaporator 21 and the heat exchanger 22 in the flow path 60c. A buffer tank 30a is connected between the evaporator 21 and the heat exchanger 22 in the flow path 60c via the flow path 60d. The upstream end of the flow path 60d is connected between the evaporator 21 and the on-off valve 70c of the flow path 60c, and the downstream end is connected between the on-off valve 70c and the check valve 72c. An open / close valve 70d and an open / close valve 70e are disposed before and after the buffer tank 30a in the flow path 60d.

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 reformer 23, the remover 40, and the fuel gas inlet of the fuel cell 10 are connected by a flow path 60e. A portion of the flow path 60e between the reformer 23 and the remover 40 passes through the evaporator 21. An open / close valve 70f and an open / close valve 70g are disposed before and after the remover 40 in the flow path 60e. A gas pump 55b is connected to the oxidant gas inlet of the fuel cell 10 via a flow path 60f.

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 fuel cell 10 and the mixer 25 are communicated with each other through a flow path 60g. A gas pump 55c is disposed in the flow path 60g. Between the fuel cell 10 of the flow path 60g and the gas pump 55c, a three-way valve 71a and a check valve 72d are arranged in this order from the upstream side. One of the three connection ports of the three-way valve 71a is open to the outside air. A buffer tank 30b is connected between the gas pump 55c in the flow path 60g and the mixer 25 via a flow path 60h. An open / close valve 70h and an open / close valve 70i are disposed before and after the buffer tank 30b in the flow path 60h.

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 fuel cell 10 and the mixer 25 are communicated with each other through a flow path 60i. The electric heater 24 is disposed in the middle of the flow path 60i. A three-way valve 71b, a check valve 72e, and an on-off valve 70j are connected to the flow path 60i upstream of the electric heater 24 in order from the upstream side. One of the three connection ports of the three-way valve 71b is open to the outside air.

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 mixer 25 and the combustor 26 are communicated with each other through a flow path 60j. A flow path 60k is connected to the gas discharge port of the combustor 26. The downstream side of the flow path 60k is inserted through the heat exchanger 22.

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 flow path 60b that communicates the gas pump 55a and the mixer 25 and the flow path 60c that communicates the evaporator 21 and the heat exchanger 22 are connected by a flow path 60l. The upstream end of the flow path 60l is connected between the check valve 72b of the flow path 60b and the mixer 25, and the downstream end is connected between the check valve 72c of the flow path 60c and the heat exchanger 22. . A three-way valve 71c is disposed at a connection point of the flow path 60l to the flow path 60l, and a three-way valve 71d is disposed at a connection point of the flow path 60l to the flow path 60c.

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 flow path 60c between the heat exchanger 22 and the reformer 23 and the flow path 60k after passing through the heat exchanger 22 are connected by a flow path 60m. A three-way valve 71e is disposed at a connection point of the flow path 60m to the flow path 60k, and a three-way valve 71f is disposed at a connection point of the flow path 60m to the flow path 60c. One of the three connection ports of the three-way valve 71e is open to the outside air.

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 flow path 60f that communicates the gas pump 55b and the fuel cell 10 and the flow path 60i that communicates the fuel cell 10 and the mixer 25 are connected by a flow path 60n. The downstream end of the flow path 60n is connected between the check valve 72e and the on-off valve 70j of the flow path 60i. A three-way valve 71g is disposed at a connection point of the flow path 60n to the flow path 60f. A check valve 72f is disposed in the flow path 60n.

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（ＮＨ_３）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 storage tank 20 is a tank for storing raw fuel in a liquid state. In the present embodiment, ammonia (NH ₃ ) is used as the raw fuel in the liquid state. The evaporator 21 is a member for generating ammonia gas by evaporating ammonia by exchanging heat between the ammonia flowing into the evaporator 21 from the flow path 60a and the gas in the flow path 60e. The heat exchanger 22 is a member for heating the ammonia gas by exchanging heat between the ammonia gas flowing into the heat exchanger 22 from the flow path 60c and the gas in the flow path 60k.

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。
ＮＨ_３→１／２Ｎ_２+３／２Ｈ_２−４６．１９ｋＪ／ｍｏｌ・・・（１） The reformer 23 is a member for generating a fuel gas by causing the ammonia gas flowing into the reformer 23 to undergo a reforming reaction of the following formula (1). The reformer 23 has a catalyst for promoting the reaction of the formula (1).
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 electric heater 24 is a device that is controlled by the control device 90 and heats the gas in the flow path 60i. In the present embodiment, the secondary battery supplies power for the electric heater 24. The mixer 25 is a member for mixing gases that have flowed into the mixer 25 from a plurality of flow paths connected to the mixer 25. The combustor 26 is a member for burning the gas that has flowed into the combustor 26 from the flow path 60j. The combustor 26 has a catalyst for promoting combustion.

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 buffer tank 30a is a tank for temporarily storing ammonia gas. The buffer tank 30b is a tank for temporarily storing fuel off gas. The remover 40 is a device for removing ammonia gas (residual ammonia gas) in the flow path 60e. Thereby, it is suppressed that the fuel cell 10 is damaged by the residual ammonia gas.

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 liquid pump 50 and the gas pumps 55a to 55c are controlled by the control device 90 to operate and stop. The on-off valves 70a to 70j are controlled by the control device 90 to open and close the flow paths connected to the respective on-off valves. The three-way valves 71a to 71g are controlled by the control device 90 to adjust the opening ratio of the flow paths connected to the respective three-way valves. The check valves 72a to 72f suppress the backflow of the fluid in the flow path to which the check valve is connected.

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 fuel cell 10. The required power detector 80 is informed of the detection results of sensors such as a vehicle speedometer and an accelerator position sensor that detect the state of the load. The required power detector 80 detects the amount of power that the fuel cell 10 must generate based on the detection results from these sensors, and transmits the detection results to the control device 90.

制御装置９０は、演算部としてのＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）９１、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）９２、揮発記憶部としてのＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）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 control device 90 is a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit) 91 as a calculation unit, a ROM (Read Only Memory) 92 as a nonvolatile storage unit, a RAM (Random Access Memory) 93 as a volatile storage unit, and the like. The control device 90 provides the liquid pump 50, the gas pumps 55a to 55c, the electric heater 24, and the on-off valves 70a to 70j, 3 so that the power generation amount of the fuel cell 10 can be obtained so that the power supplied to the load is not insufficient. The direction valves 71a to 71g are controlled.

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 control device 90 operates the gas pump 55a, the gas pump 55b, and the electric heater 24. Further, the control device 90 controls the on-off valve 70b to be opened so that the ammonia gas pumped from the gas pump 55a passes through the flow path 60b and flows into the mixer 25. At this time, the control device 90 controls the three-way valve 71c so that the flow path 60l is closed. In addition, the control device 90 provides a three-way valve 71g and an on-off valve 70j so that the oxidant gas (oxygen in the air) pumped from the gas pump 55b passes through the flow paths 60n and 60i and flows into the mixer 25. To control. At this time, the oxidant gas passing through the flow path 60 i is heated by the electric heater 24 and then flows into the mixer 25.

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 mixer 25 are mixed in the mixer 25, then flow through the flow path 60 j and flow into the combustor 26, and are activated by the catalyst of the combustor 26 in the combustor 26. Then, the reaction of the following formula (2) occurs. Since the reaction of formula (2) is an exothermic reaction, the temperature of the gas (nitrogen and hydrogen) generated in the combustor 26 is higher than that of the ammonia gas and oxygen before the reaction.

ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋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 control device 90 controls the three-way valves 71e and 71f so that the gas generated in the combustor 26 flows into the reformer 23 through the flow paths 60k, 60m, and 60c. Further, the control device 90 controls the on-off valve 70f to be closed so that the gas flowing into the reformer 23 stays in the flow path 60e. In this case, the evaporator 21 is heated by the gas staying in the flow path 60e in the evaporator 21. Next, the control device 90 stops the gas pump 55a and the gas pump 55b. The warm-up operation is completed by the above processing. Note that the electric power necessary for the warm-up operation is supplied by, for example, a secondary battery. The secondary battery may be charged with electric power generated by the fuel cell 10 during normal operation.

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 control device 90 starts normal operation after the warm-up operation is completed. During normal operation, the control device 90 controls to start supplying ammonia in the liquid state in the storage tank 20, control to start supplying oxidant gas from the gas pump 55b, and mixing of off-gas of the fuel cell 10. And control for starting the supply to the container 25.

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 storage tank 20, the control device 90 controls the rotation speed of the liquid pump 50 to the first rotation speed. The control device 90 controls the on-off valve 70a to be opened so that the liquid ammonia in the storage tank 20 passes through the flow path 60a and flows into the evaporator 21. The ammonia flowing into the evaporator 21 is heated to become ammonia gas.

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 control device 90 controls the open / close valve 70c to be opened so that ammonia gas generated in the evaporator 21 passes through the flow path 60c and flows into the heat exchanger 22. The ammonia gas that has flowed into the heat exchanger 22 is heated by exchanging heat with the gas in the flow path 60k.

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 control device 90 controls the three-way valve 71f so that the ammonia gas heated by the heat exchanger 22 passes through the flow path 60c and flows into the reformer 23. In the reformer 23, the reaction of the formula (1) occurs, and fuel gas is generated. The control device 90 controls the on-off valve 70f and the on-off valve 70g to be opened so that the fuel gas generated in the reformer 23 passes through the flow path 60e and flows into the fuel cell 10.

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 gas pump 55b, the control device 90 operates the gas pump 55b, and the oxidant gas pumped by the gas pump 55b passes through the flow path 60f and becomes fuel. The three-way valve 71g is controlled so as to flow into the battery 10, and the flow path 60n is closed and the flow path 60f is opened. In the fuel cell 10, the oxidant gas and the fuel gas react. Thereby, power generation is performed.

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 fuel cell 10 to the mixer 25, the control device 90 is configured so that the oxidant off-gas of the fuel cell 10 flows into the mixer 25 through the flow path 60i. 71b and on-off valve 70j are controlled. The control device 90 operates the gas pump 55c and controls the three-way valve 71a so that the fuel off-gas of the fuel cell 10 passes through the flow path 60g and flows into the mixer 25.

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 mixer 25 is mixed with the oxidant off-gas in the mixer 25, then passes through the flow path 60j, flows into the combustor 26, and burns in the combustor 26. The gas after combustion heats the ammonia gas in the flow path 60c in the heat exchanger 22, and then is discharged to the outside from the three-way valve 71e. As described above, normal operation is performed.

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 buffer tanks 30a and 30b and to supply the buffer tank during normal operation in order to cope with an increase in the amount of power generation required for the fuel cell 10. Gas storage from 30a, 30b is performed. An example of operation during normal operation including the operation of the buffer tanks 30a and 30b will be described below.

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ｔ_０からｔ_１まで一定であり、時間ｔ_１において減少を開始し、時間ｔ_２において減少を終了して上昇を開始し、時間ｔ_４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 liquid pump 50, and the horizontal axis indicates time. The vehicle speed is constant from time t ₀ to t ₁ , starts decreasing at time t ₁ , ends decreasing at time t ₂ , starts increasing, and ends increasing at time t ₄ and becomes constant. In FIG. 2A, it is assumed that the vehicle is traveling on a flat ground.

燃料電池１０に対する要求負荷は、時間ｔ_０からｔ_１まで第１の値を保ち、時間ｔ_１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ｔ_２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ｔ_３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ｔ_４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ｔ_１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ｔ_２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 fuel cell 10 keeps the first value from the time t ₀ to t _1, the start of the decrease in time t _1, comprising a second value (<the first value). The required load starts to increase at time t _{2 and} reaches a third value (> first value and second value). The time t ₃ is the time at which the increase in the required load has passed a predetermined time period from the completion. Thereafter, the required load becomes a fourth value starts decreasing at time t _4. That is, in this embodiment, the time t ₁ is the time when the required load for the fuel cell 10 is reduced by the vehicle speed starts to decrease, the time t ₂ is required load for the fuel cell 10 by the vehicle speed starts to increase When is increased.

制御装置９０は、液体用ポンプ５０の回転数を時間ｔ_０からｔ_３までの間、第１の回転数に制御する。制御装置９０は、時間ｔ_３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ｔ_４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 control device 90, between the rotational speed of the liquid pump 50 from time t ₀ to t _3, and controls the first rotation speed. Control device 90, at time t _3, increases the rotational speed of the liquid pump 50. Controller 90, to the rotational speed of the liquid pump 50 a second rotational speed (> first speed) at time t _4.

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ｔ_０〜ｔ_１に対応し、図２（ｃ）は時間ｔ_１〜ｔ_２に対応し、図２（ｄ）は時間ｔ_２〜ｔ_３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 buffer tank 30a, a diagram of 30b near, FIG. 2 (b) corresponds to the time _t 0 ~t _1, FIG. 2 (c) time _t 1 ~t ₂ 2D corresponds to the time t _{2 to} t ₃ . With reference to FIG. 1, FIG. 2 (a)-(d), control of the various valves and pumps by the control apparatus 90 at the time of normal electric power generation, and the gas flow accompanying these control are demonstrated.

まず、時間ｔ_０〜ｔ_１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ｔ_０〜ｔ_１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ｔ_０〜ｔ_１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 control device 90 controls the on-off valve 70d and the on-off valve 70e that are respectively disposed before and after the buffer tank 30a to be closed. Further, during the period from time t _{0 to} t ₁ , the control device 90 controls the on-off valve 70 h and the on-off valve 70 i disposed before and after the buffer tank 30 b to be closed. That is, during the period from time t _{0 to} t ₁ , gas storage in the buffer tanks 30a and 30b is not performed, and gas supply from the buffer tanks 30a and 30b is not performed.

制御装置９０は、時間ｔ_０〜ｔ_１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 control device 90, until the time t ₀ ~t _1, the buffer tank 30a, 30b in a state where the control was this way, the control for starting the supply of the ammonia in the liquid state in the storage tank 20 described above, the gas pump Control for starting supply of the oxidant gas from 55b and control for starting supply of the off gas of the fuel cell 10 to the mixer 25 are performed.

時間ｔ_１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ｔ_１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。 Controller 90 at time _{t 1} controls the on-off valve 70c in the closed (FIG. 2 (c)). Thereby, the supply of ammonia gas to the heat exchanger 22 via the evaporator 21 is stopped. In this case, the power generation amount of the fuel cell 10 decreases. Further, the control unit 90 at time t _1, in a state where the opening and closing valve 70e is controlled to the closed, to control the opening and closing valve 70d to open. Thereby, the ammonia gas in the flow path 60c is bypassed by the flow path 60d and stored in the buffer tank 30a. Further, the control device 90 controls the opening / closing valve 70h to be opened while the opening / closing valve 70i is controlled to be closed. Thereby, the fuel off gas in the flow path 60g is bypassed by the flow path 60h and stored in the buffer tank 30b.

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 control device 90 controls the on-off valves 70d and 70h to be closed when a condition for stopping gas storage in the buffer tanks 30a and 30b (hereinafter referred to as storage stop condition) is satisfied. The storage stop condition is not particularly limited. For example, when deceleration of the vehicle is completed, when the pressure in the buffer tanks 30a, 30b becomes equal to or higher than a predetermined pressure, when a predetermined time has elapsed since the start of gas storage in the buffer tanks 30a, 30b, etc. The following conditions can be used.

時間ｔ_２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ｔ_２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。 Controller 90 at time _{t 2} controls the opening and closing valve 70c to open (Figure 2 (d)). Thereby, supply of the ammonia gas to the heat exchanger 22 via the evaporator 21 is started. As a result, the power generation amount of the fuel cell 10 increases. Furthermore, the control device 90, at time _{t 2,} in a state where the on-off valve 70d is controlled in the closed, to control the opening and closing valve 70e to open. Thereby, supply of the ammonia gas stored in the buffer tank 30a to the heat exchanger 22 is started.

また制御装置９０は、時間ｔ_２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 control device 90, at time t _2, in a state where the opening and closing valve 70h is controlled closed, to control the opening and closing valve 70i to open. Thereby, supply of the fuel off gas stored in the buffer tank 30b is started. In this case, the flow rate of the fuel off gas flowing into the mixer 25 increases.

時間ｔ_３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。 Controller 90 at time t ₃ stops the ammonia gas supply from the buffer tank 30a-off valve 70e is controlled to a closed to stop the fuel off-gas supply from the buffer tank 30b off valve 70i is controlled to the closed .

なお、前述したように、時間ｔ_３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 liquid pump 50 is increased at time t _3. Thus, the fuel cell system 5 starts gas supply from the buffer tanks 30a and 30b and stops gas supply from the buffer tanks 30a and 30b when the required load on the fuel cell 10 increases. The rotational speed of the liquid pump 50 is increased.

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 control device 90 adjusts the amount of fuel offgas flowing into the mixer 25 and the buffer tank 30b by controlling the three-way valve 71a. For example, the control device 90 controls the three-way valve 71a to increase the exhaust amount of the fuel off-gas from the three-way valve 71a when it is desired to decrease the inflow amount of the fuel off-gas to the mixer 25 and the buffer tank 30b. . The time when this control is performed is not particularly limited.

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 control device 90 adjusts the amount of oxidant off-gas flowing into the mixer 25 by controlling the three-way valve 71b. Thereby, the control apparatus 90 can adjust the ratio of the fuel off gas concentration and the oxidant off gas concentration of the mixer 25 to a desired value (for example, about 1: 1), for example. For example, when the oxidant off-gas concentration of the mixer 25 is high, the control device 90 controls the three-way valve 71b so that the exhaust amount of the oxidant off-gas from the three-way valve 71b increases, whereby the oxidant is controlled. Reduce inflow of off-gas. The time when this control is performed is not particularly limited.

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 buffer tanks 30a and 30b are not provided. The fuel cell system according to the comparative example responds only by increasing the number of rotations of the liquid pump 50 when the vehicle accelerates and the required load on the fuel cell 10 increases. In this case, it is considered that the heat necessary for reforming is insufficient. For example, since the ammonia reforming reaction is an endothermic reaction, the heat necessary for the reforming reaction in the reformer 23 may be insufficient. Alternatively, it is conceivable that the heat required for vaporizing ammonia in the liquid state in the evaporator 21 is insufficient. Therefore, in the fuel cell system according to the comparative example, it is difficult to increase the power generation amount of the fuel cell 10 with high responsiveness.

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 remover 40 needs to be increased. In this case, it may be difficult to mount the fuel cell system according to the comparative example on the vehicle.

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 fuel cell 10 increases, gas supply from the buffer tanks 30a and 30b is started. In this case, the amount of gas supplied to the reformer 23 is increased by the supply of ammonia gas from the buffer tank 30a, and the heating amount of the ammonia gas in the heat exchanger 22 is increased by supplying the fuel off-gas from the buffer tank 30b. it can. As a result, the amount of fuel gas generated in the reformer 23 can be increased with good responsiveness while ensuring the heat required for reforming.

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 fuel cell 10 can be increased with high responsiveness without increasing the size of the remover 40. Thereby, the power generation amount of the fuel cell 10 can be increased with good responsiveness while ensuring the mountability of the fuel cell system 5 on the vehicle.

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 control device 90 increases the rotation speed of the liquid pump 50 when the gas supply from the buffer tanks 30a and 30b is stopped. That is, the rotation amount of the liquid pump 50 is increased in a state where the amount of fuel gas generated in the reformer 23 is increased by the gas supply from the buffer tanks 30a and 30b. Thereby, it is suppressed that the heat necessary for vaporizing ammonia in the liquid state by the evaporator 21 when the rotation amount of the liquid pump 50 is increased is insufficient.

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 control device 90 starts and stops gas supply from the buffer tanks 30a and 30b. The control device 90 repeatedly executes the flowchart of FIG. 3 at a predetermined cycle. First, the control device 90 determines whether or not the required load on the fuel cell 10 has increased (step S10). The control device 90 determines whether the required load on the fuel cell 10 has increased based on the detection result of the required power detector 80. Control device 90 repeatedly executes step S10 until it is determined that the required load has increased.

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 fuel cell 10 has increased, the control device 90 controls the open / close valve 70e to be opened so that the gas supply from the buffer tank 30a starts, and the gas from the buffer tank 30b. The on-off valve 70i is controlled to open so that the supply starts (step S20). That is, in the present embodiment, the control device 90 controls the outlets of the buffer tanks 30a and 30b to be open when the required load on the fuel cell 10 increases.

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ｔ_３）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 control device 90 determines whether or not a condition for stopping the gas supply from the buffer tanks 30a and 30b (hereinafter referred to as a gas supply stop condition) is satisfied (step S30). The specific determination criteria of step S30 are not specifically limited. In this embodiment, as an example, the control device 90 determines that the gas supply stop condition is satisfied when the increase in the required load on the fuel cell 10 is completed. More specifically, the control device 90 determines that the gas supply stop condition has been satisfied after a predetermined time has elapsed since the increase in the required load on the fuel cell 10 has ended (time t _{3 in} FIG. 2A). To do. The predetermined time is detected by, for example, a time detection unit (such as a timer) in the control device 90. The control device 90 repeatedly executes step S30 until it is determined that the gas supply stop condition is satisfied.

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 control device 90 controls the on-off valve 70e to be closed so that the gas supply from the buffer tank 30a is stopped, and the gas supply from the buffer tank 30b is stopped. The on-off valve 70i is controlled to be closed so as to stop (step S40). Next, the control device 90 ends the execution of the flowchart.

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 control device 90 starts and stops gas storage in the buffer tanks 30a and 30b. The control device 90 repeatedly executes the flowchart of FIG. 4 at a predetermined cycle. First, the control device 90 determines whether or not a condition for starting storage of gas in the buffer tanks 30a and 30b (hereinafter referred to as storage start condition) is satisfied (step S100).

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ｔ_１）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ｔ_０〜ｔ_１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 fuel cell 10 is not increased. In the present embodiment, as an example, the control device 90 indicates that the storage start condition is satisfied when the required load on the fuel cell 10 is reduced by the vehicle starting to decelerate (time t _{1 in} FIG. 2A). judge. In this case, when the control device 90 determines that the vehicle has started to decelerate based on the detection result of the speedometer and determines that the required load has decreased based on the detection result of the required power detection meter 80, the storage device It is determined that the start condition is satisfied. However, the present invention is not limited to this. For example, the control device 90 satisfies the storage start condition when there is no change in the required load on the fuel cell 10 (for example, from time t _{0 to} t _{1 in} FIG. 2A). It may be determined that it has been done. Control device 90 repeatedly executes step S100 until it is determined that the storage start condition is satisfied.

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 control device 90 controls the open / close valve 70d to be opened so that ammonia gas is stored in the buffer tank 30a, and fuel off-gas is stored in the buffer tank 30b. Thus, the on-off valve 70h is controlled to open (step S110).

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 control device 90 determines whether or not the storage stop condition is satisfied (step S120). In the present embodiment, as an example, the control device 90 determines that the storage stop condition is satisfied when the deceleration of the vehicle is completed. Control device 90 repeatedly executes step S120 until it is determined that the storage stop condition is satisfied.

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 control device 90 controls the opening / closing valve 70d to be closed to stop the storage in the buffer tank 30a, and controls the opening / closing valve 70h to be closed. Storage in the buffer tank 30b is stopped (step S130). Next, the control device 90 ends the execution of the flowchart.

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 control device 90 executes the flowchart of FIG. 3 and the flowchart of FIG. 4 independently. However, if step S10 in the flowchart of FIG. 3 is positively determined, the control device 90 ends the execution of the flowchart of FIG. 4 and preferentially performs step S20 and subsequent steps of the flowchart of FIG.

（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 fuel cell 10 is frequently increased, such as when the vehicle is frequently accelerated, the ammonia gas storage amount in the buffer tank 30a may be insufficient. In this case, it may be difficult to supply a sufficient amount of ammonia gas to the reformer 23 when the required load on the fuel cell 10 increases. Therefore, the control device 90 may cause the ammonia gas in the storage tank 20 to further flow into the reformer 23 when the increase in the required load on the fuel cell 10 is frequently repeated.

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 control device 90 converts the ammonia gas in the storage tank 20 to the reformer. 23, it is determined that the start condition for inflowing to 23 is satisfied. In this case, the control device 90 operates the gas pump 55a and opens and closes the ammonia gas pumped from the gas pump 55a so as to flow into the heat exchanger 22 through the flow paths 60b, 60l, and 60c. The valve 70b and the three-way valves 71c and 71d are controlled.

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 liquid pump 50 and passed through the evaporator 21 and the ammonia gas stored in the buffer tank 30a, the reformer 23 is pumped from the gas pump 55a. Is also supplied. Thereby, it is possible to suppress the shortage of the ammonia gas supply amount to the reformer 23 when the increase in the required load on the fuel cell 10 is frequently repeated.

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 heat exchanger 22, or may be used in both the heat exchanger 22 and the evaporator 21.

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 combustor 26, but are not limited thereto. As long as it is a gas that can be used as fuel in the combustor 26, the gas supplied to the combustor 26 may not be the fuel off-gas and the oxidant off-gas. In this case, the gas stored in the buffer tank 30b may not be the fuel off gas. However, the case where the fuel off-gas and the oxidant off-gas are reused is preferable in that the fuel efficiency of the fuel cell system 5 can be improved as compared with the case where the fuel off-gas and the oxidant off-gas are not reused.

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（Ｎ_２Ｈ_４）、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 reformer 23 has a function as reforming means that generates fuel gas by reforming the raw fuel gas and supplies the fuel gas 10 to the fuel cell 10. The mixer 25, the combustor 26, and the heat exchanger 22 have a function as heating means for heating the raw fuel gas with the combustion heat of the fuel off gas. The buffer tank 30a has a function as a first buffer tank that stores at least a part of the vaporized raw fuel gas at the front stage of the reforming means. The buffer tank 30b has a function as a second buffer tank that stores at least a part of the fuel off-gas in a stage preceding the heating unit. The control device 90 has a function as control means for controlling the outlets of the first buffer tank and the second buffer tank to open when the required load on the fuel cell 10 increases.

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 flow path 60c and the flow path 60d have a function as raw fuel gas supply means for supplying the vaporized raw fuel gas to the reformer 23. The flow path 60c also has a function as a raw fuel gas supply means for supplying the vaporized raw fuel gas to the reformer 23 when the outlet of the buffer tank 30a is not controlled to be opened. The flow path 60g and the flow path 60h have a function as fuel off gas supply means for supplying fuel off gas to the heating means. The flow path 60g also has a function as a fuel off-gas supply means for supplying the fuel off-gas to the heating means when the outlet of the buffer tank 30b is not controlled to be opened.

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
７１３方弁
７２逆止弁
８０要求電力検出計
９０制御装置 5 Fuel Cell System 10 Fuel Cell 20 Storage Tank 21 Evaporator / Heat Exchanger 22 Heat Exchanger 23 Reformer 24 Electric Heater 25 Mixer 26 Combustor 30 Buffer Tank 40 Remover 50 Liquid Pump 55 Gas Pump 60 Flow Road 70 On-off valve 71 Three-way valve 72 Check valve 80 Required power detector 90 Control device

Claims

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.