JP6943285B2 - 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)。燃焼により生じた熱量は、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。本実施形態では、燃料電池スタック1自体を燃焼ガスによる直接的な加熱の対象としないが、これに限らず、燃焼器4と燃料電池スタック1とを共用の断熱ケースに収めるなどして、燃焼ガスの熱量が燃料電池スタック1に対して直接的に伝わるように構成することも可能である。
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。
S202では、燃料電池スタック1の目標発電量(以下「目標スタック発電量」という)Pstk_trgを算出する。目標スタック発電量Pstk_trgは、燃料電池スタック1がその温度に応じて出力可能な最大発電量に設定され、その算出は、例えば、図7に示す傾向のテーブルデータからの検索による。目標スタック発電量Pstk_trgは、スタック温度Tstkが高いときほど大きな値に設定される。
A=mair×{hair(Tcmb)−hair(Tstk)}+mh2c×{hh2(Tstk)−hh2o(Tstk)}−Qrec …(4.2)
B=(1/5)×hc2h5ohl(Tfuel)+(4/5)×hh2ol(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
mh2c:発電による水素消費量
Qrec:アノードガスの排熱回収量
Tstk:燃料電池スタックの出口温度
Tcmb:燃焼ガスの温度
Tfuel:原燃料の温度
hair(T):空気のエンタルピ
hc2h5ohl(T):エタノール(液体)のエンタルピ
hh2ol(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
上式(4.2)は、燃料電池スタック1の内部における物質移動分(具体的には、発電に伴う電極間での酸素移動分2mh2c×ho2(Tstk))を考慮して、次のように表すことが可能である。
Qstk:燃料電池スタック1の内部におけるアノードガスの熱量変化分
P:発電量
熱量変化分Qstkとして、燃料電池スタック1の発電によるアノードガスの受熱量および内部改質による吸熱量を例示することができる。
C=mfuel_m×{(1/5)×hc2h5ohl(Tfuel)+(4/5)×hh2ol(Tfuel)}+{2mh2c×ho2(Tstk)−Qrec−Qstk}−P …(5.2)
D=mfuel_m×{Fh2(Tstk、mh2c)×hh2(Tstk)+Fch4(Tstk、mh2c)×hch4(Tstk)+Fco(Tstk、mh2c)×hco(Tstk)+Fco2(Tstk、mh2c)×hco2(Tstk)+Fh2o(Tstk、mh2c)×hh2o(Tstk)} …(5.3)
F:エタノール1mol当たりの燃料ガスの組成
F(T、mh2c):燃料電池スタックの内部における物質移動分を考慮した燃料ガスの組成
S208では、第2燃料インジェクタ53を通じて供給される原燃料の流量(以下「サブ燃料流量」という)mfuel_sを算出する。具体的には、原燃料総流量mfuel_ttlからメイン燃料流量mfuel_mを減じることによる(mfuel_s=mfuel_ttl−mfuel_m)。
図10〜12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。
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
Claims (10)
- 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供給制御部と、
前記燃料電池の前記暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、
を備え、
前記燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、
前記発電制御部は、前記燃料電池に発電を行わせ、
前記供給制御部は、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、前記燃料電池の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、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供給制御部と、
前記燃料電池の前記暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、
を備え、
前記発電制御部は、前記燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、前記燃料電池に発電を行わせ、
前記供給制御部は、
前記燃料電池の暖機時における前記原燃料の目標流量として、前記燃料電池の温度に応じた暖機時目標流量を設定する暖機時目標流量設定部を備え、
前記燃料電池が前記発電可能温度に達した場合に、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に振り分けて供給する、
燃料電池システム。 - 前記暖機時目標流量設定部は、
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を有し、
前記暖機時目標流量と、前記燃焼ガスの熱量と、前記燃料処理部を流れるアノードガスの排熱回収量と、前記燃料電池の発電量と、の関係を示す関係式が設定され、
前記目標燃焼ガス温度に基づき、前記関係式を介して前記暖機時目標流量を設定する、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記暖機時目標流量設定部は、
前記燃焼ガスの目標温度を設定する目標燃焼ガス温度設定部と、
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部と、を有し、
前記燃焼ガスの目標温度および検出温度に基づき、前記暖機時目標流量を設定する、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記暖機時目標流量設定部は、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部をさらに有し、
前記燃料電池の温度に基づき、前記燃焼ガスの目標温度を設定する、
請求項3または4に記載の燃料電池システム。 - 前記供給制御部は、前記暖機時目標流量のうち前記燃料処理部に供給される前記原燃料の占める比率を、前記燃料電池の入出力間における温度差の拡大に対して増大させる、
請求項2〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記供給制御部は、
前記暖機時目標流量のうち前記燃料処理部に供給される前記原燃料の占める比率が相対的に高い第1供給モードと、前記燃焼器に供給される前記原燃料の占める比率が相対的に高い第2供給モードと、を切換可能に構成され、
前記燃料電池の入出力間における温度差が所定値以下の場合は、前記第2供給モードを選択し、前記温度差が前記所定値を超えている場合は、前記第1供給モードを選択する、
請求項2〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記暖機時に前記燃料処理部に供給される前記原燃料の流量は、暖機後の通常時に設定される前記原燃料の目標流量以下である、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記発電制御部は、前記燃料電池に対し、前記燃料電池の温度に応じた下限電圧で発電を行わせる、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 原燃料の処理により生じた燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行う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、
前記燃料電池が発電可能な状態にあるか否かを判定し、
前記燃料電池が発電可能な状態にある場合に、
前記原燃料を処理して前記燃料電池に発電を行わせ、発電により生じた熱量により前記燃料電池を加熱するとともに、
前記原燃料を燃焼させ、前記原燃料の燃焼により生じた燃焼ガスを熱源として前記燃料電池を加熱し、
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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