JP6870737B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムSの構成を概念的に示している。
カソード極: O2+4e- → 2O2- …(1.2)
燃焼器4は、燃料電池の原燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。燃焼器4は、原燃料の供給を受けるとともに(矢印A2)、原燃料の酸化剤の供給を受ける(矢印C)。燃焼ガスが有する熱量は、燃料処理部2および酸化剤ガス加熱部3に供給され、原燃料および酸化剤ガスの加熱に用いられる。図1は、燃焼器4から燃料処理部2および酸化剤ガス加熱部3への熱量の移動を、太い点線により示している。
酸化剤ガス加熱部3は、空気熱交換器31により構成され、燃焼器41から燃焼ガス通路42を通じて供給される燃焼ガスとの熱交換により、カソードガス通路12を流れる酸化剤ガスを加熱する。本実施形態では、カソードガス通路12の開放端付近にエアコンプレッサ61が設置され、酸化剤ガスとして大気中の空気が、エアコンプレッサ61を通じてカソードガス通路12に吸入される。吸入された空気は、空気熱交換器31を通過する際に常温(例えば、25℃)から昇温され、燃料電池スタック1に供給される。
第1燃料インジェクタ52、第2燃料インジェクタ53およびエアコンプレッサ61、その他、燃料電池システムSの運転に要する各種装置ないし部品の動作は、コントローラ51により制御される。本実施形態において、コントローラ51は、中央演算回路、ROMおよびRAM等の各種記憶装置、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットとして構成される。
図3は、本実施形態に係る燃料電池システムSの起動制御の流れを示すフローチャートである。
S104では、燃料電池スタック1の暖機に際し、システム全体に対して供給される原燃料の流量(以下「原燃料総流量」という)mfuel_ttlを算出する。本実施形態において、原燃料総流量mfuel_ttlは、モル比換算の値であり、その算出は、次式による。次式は、燃焼器41に供給される原燃料および酸化剤ガスと、燃焼器41から排出される燃焼ガスとで、輸送熱量が均衡することを表すものである。
A=mair×{hair(Tcmb)−hair(Tstk)}−Qrec …(4.2)
B=(1/5)×hc2h5oh(Tfuel)+(4/5)×hh2o_l(Tfuel)−(2/5)×hco2(Tcmb)−(7/5)×hh2o(Tcmb)+(3/5)×ho2(Tcmb) …(4.3)
ここで、エタノール水溶液を原燃料とし、エタノール水溶液におけるエタノールと水との混合比は、モル比換算で1:4とする。さらに、原燃料の温度は、25℃とする(Tfuel=25)。
mair:空気のモル流量
Qrec:燃料電池スタックに定格流量の原燃料を供給した場合の排熱回収量
Tstk:燃料電池スタックの温度
Tcmb:燃焼器の温度
Tfuel:原燃料の温度
hair(T):空気のエンタルピ
hc2h5oh(T):エタノールのエンタルピ
hh2o_l(T):水(液体)のエンタルピ
hco2(T):二酸化炭素のエンタルピ
hh2o(T):水(気体)のエンタルピ
ho2(T):酸素のエンタルピ
ただし、任意の温度をTとする。
Qfs=mfuel_ttl …(5.2)
S108および109では、改質器23が原燃料を改質可能な状態にあるとして、改質器23に原燃料を供給する。
Qfs=mfuel_ttl−mrtd …(6.2)
S109では、第2燃料インジェクタ53を停止させ、原燃料総流量mfuel_ttlの原燃料を、第1燃料インジェクタ52を通じて蒸発器21、燃料熱交換器22および改質器23に供給する。第1および第2燃料インジェクタ52、53の原燃料噴射量Qfm、Qfsは、次のようである。
Qfs=0 …(7.2)
S110では、燃料電池スタック1の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、スタック温度Tstkが暖機完了を判定するための所定温度Twupに達したか否かを判定する。スタック温度Tstkが所定温度Twupに達した場合は、燃料電池スタック1の暖機が完了したとして、起動制御を終了し、通常時の制御に移行する。通常時では、燃料電池スタック1を定格出力で運転する。所定温度Twupに達していない場合は、S102へ戻り、エアコンプレッサ61を引き続き作動させる一方、S102〜110の処理を繰り返し実行する。
図4〜6は、燃料電池システムSの起動時における動作を示している。
本実施形態に係る燃料電池システムSは、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。
Claims (14)
- 燃料電池と、
原燃料を処理し、前記燃料電池の燃料ガスを生成する燃料処理部と、
前記燃料電池の酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス加熱部と、
前記原燃料を燃焼させ、前記燃料処理部および前記酸化剤ガス加熱部を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃料電池の暖機時に、前記燃料処理部および前記燃焼器に対する前記原燃料の供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料処理部がその動作可能温度にある場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器に対し、暖機後の定格運転における前記原燃料の供給流量よりも大きい流量の前記原燃料を振り分けて供給する、燃料電池システム。 - 燃料電池と、
前記燃料電池のアノードガス通路に設置され、原燃料を処理する燃料処理部と、
前記燃料電池のカソードガス通路に設置され、酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス加熱部と、
前記原燃料を燃焼させ、前記燃料処理部および前記酸化剤ガス加熱部を前記原燃料の燃焼ガスにより加熱可能に配設された燃焼器と、
前記燃料処理部および前記燃焼器に対する前記原燃料の供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
前記燃料電池の温度に基づき前記燃料電池の暖機時における前記原燃料の目標流量である暖機時目標流量を設定し、暖機開始後、前記燃料電池の温度の上昇に対して前記暖機時
目標流量を増大させる暖機時目標流量設定部と、
前記燃料処理部がその動作可能温度に達した後、引き続き前記暖機時目標流量を増大させ、前記暖機時目標流量の前記原燃料を、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に供給する燃料供給制御部と、
を備える、燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料供給制御部は、前記燃料処理部がその動作可能温度に達した後、前記燃焼器に供給される前記原燃料の流量を、前記燃料電池の温度の上昇に対して増大させる、
燃料電池システム。 - 請求項2または3に記載の燃料電池システムであって、
前記温度検出部は、前記燃料電池の温度として、前記燃料電池の出口温度を検出する、
燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池に対する前記酸化剤ガスの供給流量である酸化剤ガス流量を検出する酸化剤ガス流量検出部と、
前記燃料電池の出口温度に基づき前記燃焼ガスの目標温度である目標燃焼ガス温度を設定する目標燃焼ガス温度設定部と、
をさらに備え、
前記暖機時目標流量設定部は、前記目標燃焼ガス温度、前記酸化剤ガス流量および前記燃料電池の出口温度に基づき前記暖機時目標流量を設定する、
燃料電池システム。 - 請求項2〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記暖機時目標流量は、暖機後の定格運転における前記原燃料の供給流量よりも大きい、
燃料電池システム。 - 請求項6に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料供給制御部は、前記定格運転に要する供給流量の前記原燃料を前記燃料処理部に供給し、前記定格運転に要する供給流量の、前記暖機時目標流量に対する不足分の前記原燃料を前記燃焼器に供給する、
燃料電池システム。 - 請求項2〜7のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃焼器は、前記燃料電池のアノードオフガス通路およびカソードオフガス通路と接続されている、
燃料電池システム。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料処理部の温度が前記動作可能温度未満の場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器のうち、前記燃焼器のみに前記原燃料を供給する、
燃料電池システム。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料処理部は、前記原燃料を燃料ガスに改質する改質器を有し、
前記制御部は、前記改質器が前記原燃料の改質可能温度にある場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に前記原燃料を供給する、
燃料電池システム。 - 請求項10に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記改質器の温度として、前記改質器下流の前記燃料ガスの温度を検出する、
燃料電池システム。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料処理部は、液体の前記原燃料を蒸発させる蒸発器を有し、
前記制御部は、前記蒸発器が前記原燃料の蒸発可能温度にある場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に前記原燃料を供給する、
燃料電池システム。 - 請求項12に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記蒸発器の温度として、前記蒸発器下流の前記燃焼ガスの温度を検出する、
燃料電池システム。 - 原燃料の処理により生じた燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムを制御する、燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの起動時において、前記原燃料の処理が可能な状態に前記燃料電池システムがあるか否かを判定し、
前記原燃料の処理が可能な状態にある場合に、
前記原燃料の処理を行い、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給し、
前記原燃料を燃焼させ、
前記燃焼により生じた前記原燃料の燃焼ガスを熱源として、前記原燃料の処理を促すとともに、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加熱し、
前記原燃料の処理および燃焼に対し、前記燃料電池の定格運転に要する前記原燃料の供給流量よりも大きい流量の前記原燃料を振り分ける、
燃料電池システムの制御方法。
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