JP6861577B2 - 燃料電池システムおよびその動作方法 - Google Patents
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Description
アノード再循環ループを備えた燃料電池システム
図1は、典型的な燃料電池システム100の概略ブロック図を示す。図1に示されるように、典型的な燃料電池システム100は、アノード再循環ループ11を備える。アノード再循環ループ11は、電力を発生させるための燃料電池スタック12を備える。燃料電池スタック12は、共にスタックされた複数の燃料電池を備えることができる。燃料電池スタック12は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)等などの高温燃料電池と、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)、直接メタノール燃料電池(DMFC)等などの低温燃料電池との両方に適用可能であり得る。
実施形態1
燃料電池スタックの燃料利用率推定
図2は、本開示の一実施形態による燃料電池システム200の概略ブロック図を示す。図2を参照すると、図1と比較して、本開示の実施形態による燃料電池システム200は、流量計21と、電流測定装置22と、リサイクル率(RR)測定装置23と、プロセッサ3とをさらに備えることができる。流量計21は、アノード再循環ループ11の中に供給される燃料流量ffuelを測定することができる。電流測定装置22は、燃料電池スタック12から引き出された電流Iを測定することができる。RR測定装置23は、アノード再循環ループ11におけるリサイクル率RRを測定することができる。RR測定装置23についての詳細は、米国特許出願第20160104906(A1)号を参照してもよく、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。アノード再循環ループ11におけるリサイクル率RRは、再循環された改質油S1と改質油Sの流量比として定められる。プロセッサ3は、測定された燃料流量ffuel、測定された電流I、および測定されたリサイクル率RRに基づいて、燃料電池スタック12の燃料利用率UFfc_estをリアルタイムで推定していることができる。
燃料電池スタックの推定された燃料利用率に基づく燃料欠乏防止
図2を続けて参照すると、燃料電池システム200における燃料欠乏を防止するために、燃料電池スタック12の推定された燃料利用率UFfc_estをより良く利用するように、燃料電池システム200は、コントローラ4をさらに備えることができる。コントローラ4は、燃料電池スタック12の推定された燃料利用率UFfc_estに基づいて燃料電池システム200を制御することができる。燃料電池スタック12の燃料利用率上限、および燃料電池スタック12の燃料利用率下限は、コントローラ4に予め記憶することができる。
燃料電池システムを動作する方法
図3は、本開示の一実施形態による燃料電池システム200を動作する方法の流れ図を示す。
実施形態2
燃料電池システムの燃料利用率上限予測
本開示は、別の実施形態の燃料電池システム300をさらに提供することができる。燃料電池システム300は、図2に示されるような燃料電池システム200の構造の特徴の大部分を有することができる。例えば、同様に、燃料電池システム300は、電力を発生させるための燃料電池スタック12を有するアノード再循環ループ11と、アノード再循環ループ11におけるリサイクル率RRを測定するリサイクル率(RR)測定装置23とを備えることができる。
燃料電池システムの燃料利用率下限の予測
図4を続けて参照すると、プロセッサ3は、蒸気/炭素比(SCR)モデル32をさらに備えることができる。SCRモデル32は、システム300の燃料利用率UFsysとアノード再循環ループ11における蒸気/炭素比SCRとの間のマッピング関係を定めることができる。アノード再循環ループ11における蒸気/炭素比SCRについての定義は、中国特許出願第201510962881.X号を参照することができ、その内容は、参照により本明細書中に組み込まれる。
同様に、燃料電池システム300は、アノード再循環ループ11の中に供給される燃料の燃料流量ffuelを測定する流量計21と、燃料電池スタック12から引き出された電流Iを測定する電流測定装置22と、コントローラ4とをさらに備えることができる。
システムの予測された燃料利用率上限およびシステムの予測された燃料利用率下限に基づく燃料欠乏および炭素付着防止
システム300の予測された燃料利用率上限UFsys_max、システム300の予測された燃料利用率下限UFsys_min、およびシステム300の計算された燃料利用率UFsysに基づいて、コントローラ4は、燃料欠乏および炭素付着を防ぐようにシステム300をやはり制御することができる。
燃料電池システムを動作する方法
図6は、本開示の別の実施形態による燃料電池システム300を動作する典型的な方法の流れ図を示す。
4 コントローラ
11 アノード再循環ループ
12 燃料電池スタック
13 燃料改質器
14 燃料補給装置
15 燃料送出装置
16 燃料浄化装置
17 ボトミングサイクル
18 エネルギー消費装置
21 流量計
22 電流測定装置
23 リサイクル率(RR)測定装置、RR測定装置
31 燃料利用率(UF)モデル、UFモデル
32 蒸気/炭素比(SCR)モデル、SCRモデル
33 燃料利用率(UF)制約モジュール、UF制約モジュール
41 燃料利用率(UF)コントローラ
42 電力コントローラ
43 リサイクル率(RR)コントローラ、RRコントローラ
52 パワーコンディショニング装置
53 リサイクル率(RR)調整装置、RR調整装置、リサイクル率(RR)調整装置
61 減算器
62 加算器
63 減算器
64 加算器
65 加算器/減算器
100 燃料電池システム
121 アノード
122 カソード
123 電解質
131 改質器入口
132 改質器出口
150 燃料流量調節器
200 燃料電池システム、システム
241 UFモデル
300 燃料電池システム、システム
1211 アノード入口
1212 アノード出口
Claims (12)
- 電力を発生させるための燃料電池スタック(12)を備えたアノード再循環ループ(11)であって、前記燃料電池スタックは、アノード入口およびアノード出口を有するアノードと、カソードとを備えるとともに、前記カソードに供給された酸素を用いて電力を発生させるように構成されており、前記燃料電池スタックの前記アノード出口から燃料および廃ガスを受け取るとともに、改質器内部で改質物を発生させる燃料改質器であり、前記改質器内部における前記改質物は、前記アノード入口へ戻るように再循環される再循環された改質物とスリップ改質物とに分割される、燃料改質器をさらに備えたアノード再循環ループと、
前記アノード再循環ループ(11)の外部の前記燃料改質器の入口に供給される燃料の燃料流量を測定する流量計(21)と、
電気負荷によって前記燃料電池スタック(12)から引き出された電流を測定する電流測定装置(22)と、
前記再循環された改質物と前記改質物との流量比として定められる、前記アノード再循環ループ(11)におけるリサイクル率を計算するリサイクル率計算装置(23)と、
前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記計算されたリサイクル率に基づいて、前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率を推定するプロセッサ(3)と
を備える燃料電池システム(100)。 - 前記プロセッサ(3)は、前記燃料電池スタック(12)の前記燃料利用率、前記システムの燃料利用率、および前記アノード再循環ループ(11)における前記リサイクル率の間でマッピング関係を定める燃料利用率モデル(31)を備え、前記プロセッサ(3)は、前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記燃料電池スタック(12)の燃料電池の個数に基づいて前記システムの前記燃料利用率を計算し、前記システムの前記計算された燃料利用率および前記測定されたリサイクル率に従って前記燃料利用率モデル(31)から前記燃料電池スタック(12)の前記燃料利用率を決定するように構成されている、請求項1記載の燃料電池システム(100)。
- 前記プロセッサ(3)は、前記測定されたリサイクル率および前記燃料電池スタックの所与の燃料利用率上限に従って、燃料利用率モデルから前記システムの燃料利用率上限を予測するように構成されている、請求項2記載の燃料電池システム(100)。
- 前記プロセッサ(3)は、前記システムの前記燃料利用率と前記アノード再循環ループにおける蒸気/炭素比との間のマッピング関係を定める蒸気/炭素比モデルをさらに備え、
前記プロセッサは、前記アノード再循環ループにおける所与の蒸気/炭素比下限に従って、前記蒸気/炭素比モデルから前記システムの燃料利用率下限を予測するようにさらに構成されている、請求項2記載の燃料電池システム(100)。 - 前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率に基づいて燃料欠乏を防ぐように前記システムを制御するコントローラ(4)
をさらに備える、請求項1記載の燃料電池システム(100)。 - 燃料流量調節器(150)をさらに備え、前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率上限に近いときに、前記コントローラ(4)は、前記アノード再循環ループ(11)の中に供給された前記燃料流量を増大させるように前記燃料流量調節器(150)を制御し、前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率下限に近いときに、前記コントローラ(4)は、前記アノード再循環ループ(11)の中に供給された前記燃料流量を減少させるように前記燃料流量調節器(150)を制御する、請求項5記載の燃料電池システム(100)。
- パワーコンディショニング装置(52)をさらに備え、前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率上限に近いときに、前記コントローラ(4)は、前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流を減少させるように前記パワーコンディショニング装置(52)を制御し、前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率下限に近いときに、前記コントローラ(4)は、前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流を増大させるように前記パワーコンディショニング装置(52)を制御する、請求項5記載の燃料電池システム(100)。
- リサイクル率調整装置(53)をさらに備え、前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率上限に近いときに、前記コントローラ(4)は、前記アノード再循環ループ(11)における前記リサイクル率を増大させるように前記リサイクル率調整装置(53)を制御し、前記燃料電池スタック(12)の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック(12)の燃料利用率下限に近いときに、前記コントローラ(4)は、前記アノード再循環ループ(11)における前記リサイクル率を減少させるように前記リサイクル率調整装置(53)を制御する、請求項5記載の燃料電池システム(100)。
- 電力を発生させるための、燃料改質器に接続された燃料電池スタックを有するアノード再循環ループを備えた燃料電池システムを動作する方法であって、
前記アノード再循環ループへ燃料を補給するステップと、
前記燃料電池スタックのカソードへ酸素を補給するステップと、
前記アノード再循環ループの中に供給される前記燃料の燃料流量を測定するステップと、
前記燃料電池スタックから引き出された電流を測定するステップと、
前記燃料改質器により発生した改質物の流量、再循環された改質物の流量を決定し、前記改質物の流量を前記再循環された改質物の流量と比較してリサイクル率を計算することにより、前記アノード再循環ループにおける前記リサイクル率を計算するステップと、
前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記計算されたリサイクル率に基づいて、前記燃料電池スタックの燃料利用率を推定するステップと、を含み、
前記燃料電池スタックの前記燃料利用率、前記システムの燃料利用率、および前記アノード再循環ループにおける前記リサイクル率の間でマッピング関係を定める燃料利用率モデルを予め確立するステップをさらに含み、
前記燃料電池スタックの前記燃料利用率を推定するステップは、前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記燃料電池スタックの燃料電池の個数に基づいて前記システムの燃料利用率を計算するステップと、前記システムの前記計算された燃料利用率および前記計算されたリサイクル率に従って前記燃料利用率モデルから前記燃料電池スタックの前記燃料利用率を決定するステップとを含むことを特徴とする、方法。 - 前記アノード再循環ループへの燃料流量を増加させることにより、前記燃料電池スタックの前記推定された燃料利用率に基づいて燃料欠乏を防ぐように前記システムを制御するステップをさらに含む、請求項9記載の方法。
- 前記システムを制御するステップは、前記燃料電池スタックの前記推定された燃料利用率が、前記燃料電池スタックの燃料利用率上限または下限に近いときに、警告信号を発生させるかまたは通知を送信するステップを含む、請求項10記載の方法。
- 前記システムを制御するステップは、前記燃料電池スタックの前記推定された燃料利用率が、前記燃料電池スタックの燃料利用率上限または下限に近いときに、前記アノード再循環ループの中に供給された前記燃料流量、前記燃料電池スタックから引き出された前記電流、および前記アノード再循環ループにおける前記リサイクル率のうちの1つまたは複数を調整するステップを含む、請求項10または11のいずれかに記載の方法。
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