JP7078122B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
JP2008-277280Aには、スタック下流にある燃焼室で生成される高温排ガスを空気予熱部(カソード排気側)と改質器(アノード排気側)へ並行に流し、これら空気予熱部及び改質器を通過した排ガスを外部に放出する、いわゆるパラレル排気システムを搭載した燃料電池システムが提案されている。
この燃料電池システムでは、高温排ガスの熱の有効利用のために、運転モードに寄らずアノード排気側のバルブを開放して改質器に高温排ガスを流して加熱する。また、システム起動時に選択される起動モードでは、カソード排気側に設けられたバルブを開放してカソード排気側の空気予熱部にも高温排ガスを流す。すなわち、起動モードでは、カソード排気側とアノード排気側に高温排ガスが分配される。
しかしながら、上記燃料電池システムでは、起動モードにおいて燃焼室で生成される高温排ガスの流量が定常モード時と比べて増加することに起因して、アノード排気側に分配される高温排ガスの流量も増大する。
その結果、アノード排気側に流す高温排ガスが保有する熱量が改質器における熱交換で回収可能な熱量を超え、システム外部に排出されるエネルギー(排気エネルギー)が増大するという問題がある。
本発明は、上記課題を解決し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明のある態様によれば、燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器と、燃料電池に供給される燃料を燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部と、燃料電池に供給される空気を燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部と、燃焼排ガスを燃料加熱部に分流するアノード側分流通路と、燃焼排ガスを空気加熱部に分流するカソード側分流通路と、カソード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量に対する、アノード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量の比である排気分流比を調節する排気分流比調節部と、を有する燃料電池システムが提供される。そして、排気分流比調節部は、燃料電池に供給される空気の流量としての供給空気流量の増大に応じて排気分流比を減少させるように構成される。
図1は、前提となる燃料電池システムの構成を説明する図である。 図2は、参考例による定常運転時の排気分流比と排気エネルギーの関係を説明する図である。 図3は、参考例による定常運転時の排気分流比に基づいて暖機運転を行った場合の排気エネルギーについて説明する図である。 図4は、参考例による燃焼排ガス通路における空気流量‐圧損特性を説明する図である。 図5は、各実施形態に共通する技術的思想を説明する図である。 図6は、第1実施形態による排気分流比調節構造を説明する図である。 図7は、第1実施形態の構成による燃焼排ガス通路における空気流量‐圧損特性を説明する図である。 図8は、第2実施形態による排気分流比調節構造を説明する図である。 図9は、第2実施形態にかかる排気分流比調節構造を設けた場合におけるカソード側分流通路における空気流量‐圧損特性を説明する図である。 図10は、第3実施形態にかかる燃料電池システムの構成を説明する図である。 図11は、流量制御バルブの基本的な開度調節態様を説明するグラフである。 図12は、流量制御バルブの他の開度調節態様を説明するグラフである。
以下、図面を参照して、本発明に係る第1~第3実施形態について説明する。先ず、各実施形態に共通する燃料電池システムSの前提構成について説明する。
(燃料電池システムSの前提構成)
図1は、前提となる燃料電池システムSの構成を説明する図である。燃料電池システムSは、定置型又は移動体に搭載される発電システムとして用いられる。特に、燃料電池システムSは、車両等の移動体に搭載することができる。
図示のように、燃料電池システムSは、燃料電池としての燃料電池スタック10と、燃料タンク12と、蒸発器14と、改質器16と、空気ブロア17と、空気熱交換器18と、燃焼器19と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)である。
燃料電池スタック10は、主燃料供給通路20を介して燃料(例えば水素ガス)の供給を受ける。また、空気供給通路22を介して空気の供給を受ける。
さらに、燃料電池スタック10には、発電反応後のアノード極側のオフガス及びカソード極側のオフガスをそれぞれ流すためのアノードオフガス通路24及びカソードオフガス通路26が設けられている。
燃料タンク12は、改質前の原燃料として、含酸素燃料(例えば、エタノール)と水との混合物から成る液体燃料を貯蔵する。燃料タンク12に貯蔵されている原燃料は、主燃料供給通路20及びサブ燃料供給通路27に分流され、それぞれの通路に接続された蒸発器14及び燃焼器19に分流される。
蒸発器14は、燃料タンク12から供給される原燃料を加熱して気化する。なお、原燃料を気体として貯留するシステムの場合には、蒸発器14を省略しても良い。
改質器16は、改質前燃料ガスを燃料電池スタック10に供給するために適切な状態とすべく改質する。例えば、改質器16は、図示しない改質用触媒によって上記改質前燃料ガスを水蒸気改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。
また、改質器16は、後述する燃焼器19からの燃焼排ガスと燃料との熱交換を行うための熱交換器を内部に有している。
そして、蒸発器14及び改質器16は、主燃料供給通路20に配置される。主燃料供給通路20は、燃料タンク12内から燃料電池スタック10のアノード極の入口に接続する通路であり、当該燃料タンク12から順に第1インジェクタ28、蒸発器14、及び改質器16が配置されている。
第1インジェクタ28は、蒸発器14に供給(噴射)する燃料の流量を調節するように開度調節可能に構成されている。したがって、燃料タンク12に貯蔵されている原燃料は、第1インジェクタ28により所望の流量(以下、「主供給燃料流量」とも記載する)で主燃料供給通路20の蒸発器14に噴射され、蒸発器14による気化及び改質器16による改質を介して燃料電池スタック10に供給される。
なお、第1インジェクタ28の開度(主供給燃料流量)は、燃料電池スタック10の要求発電電力、燃料電池システムSの運転状態(定常運転、暖機運転、及び停止時等における冷却運転など)、目標燃焼器温度Tc_t(燃焼排ガス通路40における燃焼器19の付近のガス温度)、及び後述する供給空気流量Qaなどに応じて適宜操作される。
一方、空気ブロア17は、外部から燃料電池システムSの内部の空気供給通路22に空気を取り込む装置である。空気ブロア17の出力を操作することで、空気供給通路22に取り込まれる空気の流量(以下、「供給空気流量Qa」とも記載する)を適宜調節することができる。
特に、空気ブロア17の出力は、燃料電池スタック10の発電電力、及び燃料電池システムSの運転状態(定常運転、暖機運転、及び停止時等における冷却運転など)などに応じて定まる供給空気流量Qaの目標値を満たすように操作される。
空気熱交換器18は、空気ブロア17により供給される空気と後述する燃焼排ガスを熱交換する装置である。空気熱交換器18は、空気ブロア17から燃料電池スタック10のカソード極の入口に接続する空気供給通路22に配置される。なお、空気と燃焼排ガスの熱交換量を調節する観点から、空気供給通路22に空気熱交換器18をバイパスさせるバイパス通路及びバイパス弁を設けても良い。
燃焼器19は、燃料タンク12からの原燃料の供給、及び燃料電池スタック10からのオフガスの供給を受け、これらを混合させた混合物を触媒燃焼させて燃焼排ガスを生成する。
燃焼器19は、燃料電池スタック10のアノード極の出口に接続されるアノードオフガス通路24及びカソード極の出口に接続されるカソードオフガス通路26に接続される。また、燃焼器19には、サブ燃料供給通路27が接続されている。すなわち、燃焼器19は、アノードオフガス通路24及びカソードオフガス通路26を介して燃料電池スタック10からのオフガスの供給を受ける。
燃焼器19には、主燃料供給通路20から分岐したサブ燃料供給通路27が接続されている。サブ燃料供給通路27には、第2インジェクタ30が設けられている。
第2インジェクタ30は、燃焼器19に供給(噴射)する燃料の流量を調節する。したがって、燃料タンク12に貯蔵されている原燃料は、第2インジェクタ30により所望の流量(以下、「サブ供給燃料流量」とも記載する)で燃焼器19に噴射される。
特に、第2インジェクタ30の開度(サブ供給燃料流量)は、供給空気流量Qa及び目標燃焼器温度Tc_tなどに応じて適宜調節される。
さらに、燃焼器19の下流には、生成した燃焼排ガスを流す燃焼排ガス通路40が接続される。そして、燃焼排ガス通路40は、燃焼排ガスの一部を改質器16に分流させるアノード側分流通路40aと、燃焼排ガスの一部を空気熱交換器18に分流させるカソード側分流通路40bと、を有している。
アノード側分流通路40aは、改質器16及び蒸発器14を経て外気に連通する。カソード側分流通路40bは、空気熱交換器18を経てアノード側分流通路40aと合流して外気に連通する。すなわち、本実施形態の燃料電池システムSには、アノード側分流通路40a及びカソード側分流通路40bからなるパラレル排気システムが構成されている。
なお、以下では、アノード側分流通路40aにおける燃焼排ガスの流量を「アノード側燃焼排ガス流量Fan」と称する。また、カソード側分流通路40bにおける燃焼排ガスの流量を「カソード側燃焼排ガス流量Fca」と称する。
次に、上述した燃料電池システムSの構成に適用される後述する各実施形態の構成に共通する技術的思想について説明する。
図2は、燃料電池システムSの定常運転時において設定される排気分流比γと排気エネルギーの関係を説明する図である。なお、図中において示した熱エネルギー又は流量を表す数字は、各実施形態に係る技術的思想の理解を容易にする観点から挙げられる具体例であり、各実施形態の構成を限定するものではない。
また、図2においては、説明の簡略化のため、図1に示した燃料電池システムSの構成の要部を模式的に示している。特に、以下では、アノード側分流通路40aにおいて燃焼排ガスの熱で燃料を加熱する要素である改質器16及び蒸発器14等を総称して「燃料加熱部Hfu」と称する。また、カソード側分流通路40bにおいて燃焼排ガスの熱で空気を加熱する要素である空気熱交換器18等を総称して「空気加熱部Hai」と称する。
ここで、燃料電池システムSの定常運転(又は定格運転)とは、燃料電池スタック10が略定常的な発電電力に基づいて最適な発電効率となる運転点(以下、単に「最適運転点」とも称する)で動作している運転状態を意味する。
すなわち、燃料電池システムSの定常運転は、燃料電池システムSの起動時又は停止時などにおける発電電力が一定以上の変化率で変化する過渡的な運転状態(非定常運転)ではない運転状態である。
そして、定常運転時には、上記最適運転点に基づいた供給空気流量Qa及び燃料流量(主供給燃料流量及びサブ供給燃料流量)を満たしつつ、熱効率を高くする(排熱を少なくする)ように熱バランスを成立させる観点から、燃焼器温度Tc、アノード側燃焼排ガス流量Fan、及びカソード側燃焼排ガス流量Fcaが設定される。すなわち、これまでの燃料電池システムSにおいては、定常運転時の好適な熱効率を想定して、アノード側燃焼排ガス流量Fanとカソード側燃焼排ガス流量Fcaが好適な配分となるように燃焼排ガス通路40などの燃料電池システムSの構成に対する設計を行っている。
特に、定常運転時の好適な熱効率を実現する観点から、カソード側燃焼排ガス流量Fcaに対するアノード側燃焼排ガス流量Fanの比として定義される排気分流比γ(≒Fan/Fca)が、所望の値となるように燃料電池システムSが構成されている。
具体的に、図2に示す例では、定常運転時に設定される排気分流比γ_rが3/7(図2において下線を付けた太字の数字を参照)となるように各構成が設計されている。これにより、定常運転においては、外部に放出される排気エネルギーを低減して高効率に燃料電池システムSを作動させることができる。
特に、図2に示す例では、アノード側分流通路40aを介して外部に放出される燃焼排ガスが保有するエネルギー(以下、「アノード側排気エネルギー」とも称する)が0.02kW、カソード側分流通路40bを介して外部に放出される燃焼排ガスが保有するエネルギー(以下、「カソード側排気エネルギー」とも称する)が1.63kW程度となっている。
一方で、本発明者らは、上述の定常運転時を想定して設計上設定された排気分流比γが、起動時の暖機運転等の非定常運転時において、必ずしも高い熱効率による燃料電池システムSの作動をもたらすものではない点に着目した。この点について詳細に説明する。
図3は、定常運転時を想定して設定された排気分流比γ_rに基づいて暖機運転を行った場合の排気エネルギーについて説明する図である。
ここで、暖機運転とは、燃料電池システムSの起動時などの低温状態において、当該燃料電池システムS内の燃料電池スタック10等の要素を所望の温度まで加熱(暖機)する運転モードである。すなわち、暖機運転時には、暖機を速やかに進行させる観点から、定常運転時と比較してより大きくの熱量が要求される。
このため、燃焼器19においてより多くの燃焼熱を生成する観点から、供給空気流量Qa及び供給燃料流量(特にサブ供給燃料流量)が増大する。したがって、燃焼器19で生成される全燃焼排ガスの流量(以下、「全燃焼排ガス流量Fto」とも称する)が増加する。
結果として、暖機運転時のアノード側燃焼排ガス流量Fan_w及びカソード側燃焼排ガス流量Fca_wは、それぞれ、上記排気分流比γ_rに応じて定常運転時のアノード側燃焼排ガス流量Fan_r及びカソード側燃焼排ガス流量Fca_rよりも増大する。この状況にかかる燃料電池システムSの燃焼排ガスの排気系の空気流量‐圧損特性を参考例としてより詳細に説明する。
(参考例)
図4は、参考例の燃料電池システムSにおける燃焼排ガス通路40における空気流量‐圧損特性について説明する図である。本参考例の燃料電池システムSでは、上記図2及び図3で示した例のように、暖機運転時においても定常運転時と同じ値の排気分流比γが設定される。
図4では、横軸を供給空気流量Qa、縦軸を燃焼排ガス通路40における圧損Pl(燃焼排ガスの流量に比例)としたグラフと示している。
なお、図4で示される空気流量‐圧損特性は、燃料電池システムSのアノード側分流通路40a、カソード側分流通路40b、燃料加熱部Hfu、並びに空気加熱部Hai等の構造により定まる。
特に、アノード側特性線G1は、アノード側分流通路40aにおける空気流量‐圧損特性を表す。また、カソード側特性線G2は、カソード側分流通路40bにおける空気流量‐圧損特性を表す。
定常運転時に設定される圧損Pl_rを破線により「定常時圧損線A1」として示している。なお、この圧損Pl_rは、定常運転時における燃焼排ガス通路40の合成圧損である。また、暖機運転時に設定される圧損Pl_wを破線により「暖機時圧損線A2」として示している。なお、この圧損Pl_wは、暖機運転時における燃焼排ガス通路40の合成圧損である。
ここで、本参考例の燃料電池システムSでは、定常運転時において、アノード側分流通路40aにおける圧損であるアノード側圧損Pl_an_rと、カソード側分流通路40bにおける圧損であるカソード側圧損Pl_ca_rと、が相互に等しく且つ供給空気流量Qaの変化に対して一定となるように構成される。すなわち、アノード側圧損Pl_an_r及びカソード側圧損Pl_ca_rは、ともに圧損Pl_rに設定される。
また、定常運転時に設定される排気分流比γ_rに基づいて、これらアノード側圧損Pl_an_r及びカソード側圧損Pl_ca_rからアノード側燃焼排ガス流量Fan_r及びカソード側燃焼排ガス流量Fca_rが定まる。ここで、定常運転時の排気分流比γ_rは、Fan_r/Fca_rとして定まる値である。
なお、対応する図4のマップにおいてアノード側分流通路40a及びカソード側分流通路40bの動作点は、それぞれ定常時圧損線A1上の点Wan_r及び点Wca_rである。
一方、暖機運転時には、増量した供給空気流量Qaに応じて、上記アノード側圧損Pl_an_w及びカソード側圧損Pl_ca_wがともに圧損Pl_rよりも大きい圧損Pl_wとなる。
なお、対応する図4のマップ上においてアノード側分流通路40a及びカソード側分流通路40bの動作点は、それぞれ暖機時圧損線A2上における点Wan_w及び点Wca_wである。
ここで、図4から明らかなように、アノード側特性線G1及びカソード側特性線G2は共に直線状に表されている。すなわち、アノード側分流通路40a及びカソード側分流通路40bにおけるそれぞれの空気流量‐圧損特性はともにほぼ一次の特性を示している。この理由は、燃料加熱部Hfuにおける改質器16内の熱交換器の流路構造、及び空気加熱部Haiにおける空気熱交換器18の流路構造は通常の配管と比較的して高い表面積が確保されていることにある。したがって、定常運転時の排気分流比γ_rであるFan_/Fca_と、暖機運転時の排気分流比γ_wであるFan_/Fca_と、は相互にほぼ等しい値となる。
したがって、本参考例による燃料電池システムSでは、運転状態が変化して供給空気流量Qaが変わっても排気分流比γが一定に維持されることとなる。その結果、上述したように、暖機運転時等の供給空気流量Qaが定常運転時よりも増大するシーンにおいて、アノード側燃焼排ガス流量Fan_及びカソード側燃焼排ガス流量Fca_wが大きくなる。
しかしながら、アノード側分流通路40aの燃料加熱部Hfuにおいて燃料が熱交換により燃焼排ガスから受け取ることのできる熱量は、カソード側分流通路40bの空気加熱部Haiにおいて空気が熱交換により燃焼排ガスから受け取ることのできる熱量に比べて小さい。このため、定常運転時よりも増大した暖機運転時のアノード側燃焼排ガス流量Fan_wが、燃料加熱部Hfuにおいて燃料と熱交換可能な熱量に相当する流量を超える。したがって、排気エネルギーが大きくなり、暖機効率が低下する。
具体的に、図3に示す例では、定常運転時と同じ排気分流比γ_r=3/7の下、アノード側排気エネルギーが4.0kW、及びカソード側排気エネルギーが3.6kWとなっている。したがって、図2に示した定常運転時と図3に示した暖機運転時の間において、カソード側排気エネルギーの増加量(1.97kW)に比べ、アノード側排気エネルギーの増加量(3.98kW)が大きくなっている。
すなわち、暖機運転のように、定常運転時と比較してより高い供給空気流量Qaが設定される非定常運転時においては、上述したアノード側排気エネルギーの増大にともない、燃料電池システムSのエネルギー効率の低下が懸念される。
特に、上記アノード側排気エネルギーの増大は、燃料電池システムSが発電所等における定置型システムとして用いられる場合に比べ、車両等の移動体に搭載される非定置型システムとして用いられる場合においてより顕在化する。その理由は、定置型システムの場合には停止・起動を含む非定常運転を実行する頻度が少なくほぼ定常運転で作動させる傾向にある一方で、車両等の移動体に搭載される非定置型のシステムの場合にはより高い頻度で停止・起動が行われるところ非定常運転を実行する頻度が高いことが想定されるからである。
そこで、本発明者は、定常運転及び非定常運転を含む運転状態に相関して定まる供給空気流量Qaの増大に応じて排気分流比γを減少させる排気分流比調節部を採用することで、非定常運転時における排気エネルギーを抑制するという技術的思想に至った。
図5は、各実施形態に共通する技術的思想を説明する図である。
図5で示す例では、暖機運転時における排気分流比γ_wが1.5/8.5に設定されている。すなわち、図5の例では、図3の例と異なり、暖機運転時における排気分流比γ_wが図2で説明した定常運転時における排気分流比γ_r=3/7と異なる値に設定されている。これにより、アノード側排気エネルギーが0.7kW、及びカソード側排気エネルギーが4.5kWとなっている。
より詳細に、図5に示す例では、図3の例に対して、カソード側排気エネルギーが0.9kW分増加しているものの、アノード側排気エネルギーが3.3kW分減少している。したがって、図5に示す例では図3の例と比べ、合計の排気エネルギーが2.4kW分削減されている。
以下では、排気分流比調節部の具体的な態様を第1~3実施形態として説明する。
(第1実施形態)
本実施形態の燃料電池システムSでは、上記排気分流比調節部として、供給空気流量Qaの増大に応じて排気分流比γを減少させる作用を実現する排気分流比調節構造が、燃焼排ガス通路40(特にアノード側分流通路40a)に設けられる例について説明する。
図6は、本実施形態における排気分流比調節構造を説明する図である。本実施形態の排気分流比調節構造は、アノード側分流通路40aに設けられる流路断面積減少部としての絞り形状部60として構成される。
絞り形状部60は、アノード側分流通路40aの基本流路径D1に対して、相対的に狭いオリフィス径D2に形成されている。特に、絞り形状部60は、図4のアノード側特性線G1で示されるアノード側分流通路40aの空気流量‐圧損特性を二次特性とするように、アノード側分流通路40a上における設置位置P1、基本流路径D1、及びオリフィス径D2が定められる。
なお、設置位置P1は、アノード側分流通路40a上における任意の流路領域、燃料加熱部Hfuに含まれる流路(改質器16内の熱交換器等)などの燃料電池システムSの仕様に応じた好適な位置に設定される。また、アノード側分流通路40a上に複数の絞り形状部60を設けても良い。
図7は、本実施形態による絞り形状部60を設けた場合のアノード側分流通路40aにおける空気流量‐圧損特性を説明する図である。特に、図7のアノード側特性線G3が、本実施形態の構成によるアノード側分流通路40aにおける特性を表す。なお、図7においては、参考のため、図4で説明したアノード側特性線G1を一点鎖線で表す。
図示のように、本実施形態では、アノード側分流通路40aに設けた絞り形状部60により、アノード側特性線G3が供給空気流量Qaの変化に対して非線形に変化する特性、特に二次的に変化する特性を示している。
したがって、本実施形態のアノード側特性線G3では、図4で説明したアノード側特性線G1と比較して、供給空気流量Qaの増加に対して圧損Plの増加率が大きくなる。特に、本実施形態では、供給空気流量Qaの増加に対してアノード側圧損Pl_anが二次的に増加する。これによって、供給空気流量Qaが増加する暖機運転時における暖機時圧損線A2(図7では一点鎖線で示す)は、燃焼排ガス通路40の全燃焼排ガス流量Ftoが維持されるように移動する(図7において「暖機時圧損線A2’」として表す)。
より具体的には、本実施形態の空気流量‐圧損特性に応じた暖機運転時におけるアノード側分流通路40aの燃焼排ガス流量を「アノード側燃焼排ガス流量Fan_w’」、及びカソード側分流通路40bの燃焼排ガス流量を「カソード側燃焼排ガス流量Fca_w’」と表す場合、これらの合計が図4の空気流量‐圧損特性に基づくアノード側燃焼排ガス流量Fan_w及びカソード側燃焼排ガス流量Fca_wの合計と等しくなるように暖機時圧損線A2’(圧損Pl_w’)が定まる。
ここで、アノード側特性線G3と暖機時圧損線A2’の交点である点Wan_w’に対応する暖機運転時のアノード側燃焼排ガス流量Fan_w’は、当該アノード側特性線G3が二次の空気流量‐圧損特性を示すため、一次の空気流量‐圧損特性に基づいた値(アノード側特性線G1と暖機時圧損線A2’の交点に基づく燃焼排ガス流量)と比較して小さくなる。言い換えれば、本実施形態の構成によれば、供給空気流量Qaの変化に対するアノード側圧損Pl_anの変化が図4に示す参考例のアノード側特性線G1よりも高感度となる。
一方、カソード側特性線G2は図4に対して変化が無いため、カソード側特性線G2と暖機時圧損線A2’の交点である点Wca_w’に対応する暖機運転時のカソード側燃焼排ガス流量Fca_w’は、圧損Pl_wから圧損Pl_w’への変化に対して一次の増加量となる。
したがって、本実施形態の構成であれば、カソード側燃焼排ガス流量Fca_w’に対するアノード側燃焼排ガス流量Fan_w’である排気分流比γは、図4の参考例における値(=Fan_w/Fca_w)よりも減少することとなる。すなわち、供給空気流量Qaの増大に応じて排気分流比γが減少する構成が実現される。
また、本実施形態のアノード側特性線G3では、定常運転時の供給空気流量Qaに基づいて定まるアノード側燃焼排ガス流量Fan_rは、アノード側特性線G1に基づくアノード側燃焼排ガス流量Fan_rと略等しくなっている(アノード側特性線G1,G3と定常時圧損線A1のそれぞれの交点を参照)。
その上で、暖機運転時の供給空気流量Qaに基づくアノード側燃焼排ガス流量Fan_w’は、図4の場合と比較して小さくなる。
これは、絞り形状部60を設けたことによって、アノード側特性線Gが、実質的に供給空気流量Qaに対する下凸で二次の増加関数となっていることに起因する。このため、定常運転時においては第1実施形態と略同じ値の好適な排気分流比γ_rを実現しつつも、供給空気流量Qaが増大する暖機運転時においては、第1実施形態の場合に比べてより小さい排気分流比γ_wを実現することができる。
以上説明した本実施形態の構成による作用効果を説明する。
本実施形態の燃料電池システムSは、燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池としての燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器19と、燃料電池スタック10に供給される燃料を燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部Hfu(改質器16等)と、燃料電池スタック10に供給される空気を燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部Hai(空気熱交換器18等)と、燃焼排ガスを燃料加熱部Hfuに分流するアノード側分流通路40aと、燃焼排ガスを空気加熱部Haiに分流するカソード側分流通路40bと、カソード側分流通路40bに流れる燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量Fcaに対する、アノード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量Fanの比である排気分流比γを調節する排気分流比調節部と、を有する。
そして、排気分流比調節部は、燃料電池スタック10に供給される空気の流量としての供給空気流量Qaの増大に応じて排気分流比γを減少させるように構成される。
これにより、燃料電池システムSの運転状態に応じて高い供給空気流量Qaが設定されることによって全燃焼排ガス流量Ftoが増大したとしても、当該増大に対するアノード側燃焼排ガス流量Fanの増加量を抑制することができる。したがって、燃料加熱部Hfuにおいて燃料の熱容量を超えた熱量に相当する流量の燃焼排ガスが供給されることを抑制して排気エネルギーを低減することができる。すなわち、運転状態の変化に起因してアノード側燃焼排ガス流量Fanの増大をもたらし得る供給空気流量Qaの変化が生じても、燃料電池システムSの作動におけるエネルギー効率を好適に維持することができる。
特に、本実施形態では、排気分流比調節部は、アノード側分流通路40a(燃料加熱部Hfu内の通路も含む)及びカソード側分流通路40b(空気加熱部Hai内の通路も含む)に設けられ構造としての排気分流比調節構造を含む。そして、この排気分流比調節構造は、供給空気流量Qaの増大に応じたアノード側分流通路40aにおける圧損としてのアノード側圧損Pl_anの増加率(アノード側特性線G1の傾き)が、供給空気流量Qaの増大に応じたカソード側分流通路40bにおける圧損としてのカソード側圧損Pl_caの増加率(カソード側特性線G2の傾き)よりも大きくなるように構成される。
これにより、電磁弁等の駆動部品を設けることなく、燃料電池システムSにおける構造上の変更により、供給空気流量Qaの増大に応じて排気分流比γを減少させる特性を実現することができる。
また、本実施形態の排気分流比調節構造は、アノード側分流通路40aに設けられてアノード側燃焼排ガス流量Fanの流量面積を減少させる流路断面積減少部としての絞り形状部60を有する。
これにより、供給空気流量Qaの増大に応じたアノード側燃焼排ガス流量Fanの増加量を抑制する効果を、アノード側分流通路40aに絞り形状部60を設けるという簡素な構成により実現することができる。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、排気分流比調節構造のより好適な例が提供する。
図8は、本実施形態における排気分流比調節構造を説明する図である。図示のように、本実施形態の排気分流比調節構造は、カソード側分流通路40bに設けられる流路表面積増大部としてのハニカム構造体62として構成される。
ハニカム構造体62は、カソード側分流通路40bにおける空気流量‐圧損特性を調節する観点から、カソード側分流通路40bの流路表面積を少なくとも部分的に増大するように、カソード側分流通路40b上の所定の設置位置P2に設けられる。
なお、設置位置P2は、カソード側分流通路40b上における任意の流路領域上、又は空気加熱部Haiに含まれる空気熱交換器18内の管路などの燃料電池システムSの仕様に応じた好適な位置に設定される。また、カソード側分流通路40b上に複数のハニカム構造体62を設けても良い。
図9は、本実施形態によるハニカム構造体62を設けた場合のカソード側分流通路40bにおける空気流量‐圧損特性を説明する図である。なお、図9においては、図面の簡略化のため、アノード側分流通路40aにおける空気流量‐圧損特性を表すグラフは省略している。
また、図9に示すカソード側特性線G5は、本実施形態の構成によるカソード側分流通路40bにおける特性を表す。さらに、参考のため、本実施形態の構成を採用しない場合におけるカソード側分流通路40bにおける特性をカソード側特性線G6として一点鎖線で表す。
図示のように、本実施形態によるカソード側特性線G5は、当該ハニカム構造体62を設けない場合のカソード側特性線G6に比べてより直線状に近づいている。すなわち、カソード側分流通路40bにハニカム構造体62を設けることで、カソード側分流通路40bに供給空気流量Qaの変化に対する好適な一次特性を与えることができる。
特に、カソード側特性線G5で表される一次特性によって、暖機運転時における運転点の付近において供給空気流量Qaが増大するカソード側圧損Pl_ca_wの増加の感度が、カソード側特性線G6に基づくカソード側圧損Pl_ca_wの増加の感度と比べて小さくなる。
すなわち、ハニカム構造体62によりもたらされるカソード側特性線G5の一次特性によって、供給空気流量Qaの増大に応じてカソード側燃焼排ガス流量Fcaをより好適に増加させる。
結果として、ハニカム構造体62により、供給空気流量Qaが増大にともないアノード側燃焼排ガス流量Fanを高感度に減少させる性質を得ることができる。
以上説明した本実施形態の構成による作用効果を説明する。
本実施形態の排気分流比調節構造は、カソード側分流通路40bに設けられてカソード側燃焼排ガス流量Fcaの流路表面積を増大させる流路表面積増大部としてのハニカム構造体62を有する。
これにより、供給空気流量Qaの増大に応じたアノード側燃焼排ガス流量Fanの増加量を抑制する効果を、カソード側分流通路40bにハニカム構造体62を設けるという簡素な構成により実現することができる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について説明する。なお、第1又は第2実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、供給空気流量Qaの増大に応じて排気分流比γを減少させる排気分流比調節部を、制御上の構成により実現する。
図10は、本実施形態にかかる燃料電池システムSの構成を説明する図である。図示のように、本実施形態では、図1で説明した燃料電池システムSの構成に対してさらに、流量調節装置としての流量調整バルブ70と、流量調整バルブ70を制御する制御装置としてのコントローラ80と、を有する。
本実施形態の流量調整バルブ70は、カソード側分流通路40bに設けられる。流量調整バルブ70は、コントローラ80からの指令に応じて、カソード側分流通路40bにおけるカソード側燃焼排ガス流量Fcaを任意に制御するように開度調整が可能な電磁弁により構成される。
ここで、アノード側分流通路40a及びカソード側分流通路40bは、燃焼器19から分流されている構造であるので、流量調整バルブ70の開度調整によってカソード側燃焼排ガス流量Fcaを制御すれば、必然的にアノード側分流通路40aにおけるアノード側燃焼排ガス流量Fanが制御されることとなる。すなわち、流量調整バルブ70の開度調整によって、実質的に排気分流比γを調節することができる。
また、コントローラ80は、空気ブロア17に設定される供給空気流量Qaに基づいて、カソード側燃焼排ガス流量Fcaを所望の値に制御するように流量調整バルブ70を操作する。
具体的に、コントローラ80は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたコンピュータ、特にマイクロコンピュータで構成される。そして、コントローラ80は、本実施形態に係る各処理を実行するために必要な処理を実行可能となるようにプログラムされている。
なお、コントローラ80は一つの装置として構成されていても良いし、複数の装置に分けられ、本実施形態の各処理を当該複数の装置で分散処理するように構成されていても良い。
そして、コントローラ80は、供給空気流量Qaに基づいて、流量調整バルブ70の開度OPを調節する。
図11は、流量調整バルブ70の基本的な開度調節態様を説明するグラフである。図示のように、コントローラ80は、供給空気流量Qaが大きくなるほど、カソード側燃焼排ガス流量Fcaが大きくなるように(排気分流比γが小さくなるように)、流量調整バルブ70の開度OPを増大させる。
また、コントローラ80は、基本的には、上記図11に示した制御態様で流量調整バルブ70を制御しつつも、アノード側燃焼排ガス流量Fanが所定の上限流量Fsup以下に制限されるように流量調整バルブ70を制御する。
より具体的には、コントローラ80は、現在の運転状態に応じて設定された供給空気流量Qaに基づいてアノード側燃焼排ガス流量Fanを推定する。
さらに、コントローラ80は、推定したアノード側燃焼排ガス流量Fanが上限流量Fsup以下となるように、流量調整バルブ70の開度OPの下限を設定する。
なお、上限流量Fsupは、現在設定されている供給空気流量Qaに基づく主供給燃料流量の最大値(第1インジェクタ28の最大燃料噴射量)、燃料の比熱、燃焼排ガス通路40内の燃焼排ガスの温度、及び燃料温度(例えば、燃料タンク12内に貯留されている原燃料の温度)に基づいて定められる。
より詳細には、上限流量Fsupは、主供給燃料流量の最大値×燃料の比熱×(燃焼排ガスの温度‐燃料温度)に適切なゲインを乗じて演算することで求めることができる。すなわち、上限流量Fsupは、現在の運転状態に基づいて想定される最大の主供給燃料流量を仮定した場合に、燃料加熱部Hfuにおける熱交換によって燃料が燃焼排ガスから受け入れることのできる熱量を換算したアノード側燃焼排ガス流量Fanの値として演算される。
なお、蒸発器14による原燃料の気化によって、燃料加熱部Hfuに供給される燃料の温度が原燃料の温度と大きく異なる場合を想定して、上記燃料タンク12内の原燃料の温度に代えて、蒸発器14を通過した後の主燃料供給通路20内の燃料の温度を用いて上限流量Fsupの演算を行うようにしても良い。
さらに、コントローラ80は、アノード側燃焼排ガス流量Fanが所定の下限流量Finf以上となるように流量調整バルブ70の開度OPの上限を設定する。
なお、下限流量Finfは、現在設定されている供給空気流量Qaに基づく主供給燃料流量、燃料の比熱、目標改質器温度(主燃料供給通路20における改質器16の下流の燃料ガスの温度の目標値)、及び上述した燃料温度に基づいて定められる。
より詳細には、下限流量Finfは、現在設定されている主供給燃料流量×燃料の比熱×(目標改質器温度‐燃料温度)に適切なゲインを乗じて演算することで求めることができる。すなわち、下限流量Finfは、現在の運転状態に基づく発電電力に応じた主供給燃料流量に対して、燃料加熱部Hfuにおける熱交換によって燃焼排ガスから燃料に与えるべき熱量の下限を換算したアノード側燃焼排ガス流量Fanの値として演算される。
以上説明した本実施形態によれば、コントローラ80は、現在の運転状態に応じて設定される供給空気流量Qaが大きくなるほど、排気分流比γが小さくなるように流量調整バルブ70の開度OPを調節しつつも、アノード側燃焼排ガス流量Fanが上限流量Fsupと下限流量Finfの間に収まるように、流量調整バルブ70の開度OPを操作する。
以上説明した本実施形態の構成による作用効果を説明する。
本実施形態の排気分流比調節部は、アノード側分流通路40a及びカソード側分流通路40bの少なくとも一方の流量を調節する流量調節装置としての流量調整バルブ70と、流量調整バルブ70を操作する制御装置としてのコントローラ80と、を有する。そして、コントローラ80は、供給空気流量Qaが大きくなるほど、カソード側燃焼排ガス流量Fcaが大きくなるように、すなわち排気分流比γが小さくなるように流量調整バルブ70を操作する。
これにより、燃料電池システムSの運転状態の変化などに起因して供給空気流量Qaが増加したとしても、当該増加に応じてカソード側燃焼排ガス流量Fcaが増大するように流量調整バルブ70の開度OPを調節される。すなわち、アノード側燃焼排ガス流量Fanが減少する側に流量調整バルブ70の開度OPが調節されることとなり、アノード側燃焼排ガス流量Fanの増大を抑制することができる。
また、本実施形態では、コントローラ80は、供給空気流量Qaに基づいてアノード側燃焼排ガス流量Fanを推定し、推定したアノード側燃焼排ガス流量Fanが燃料加熱部Hfuにおける燃料の受け入れ可能な熱量に基づいて定まる上限流量Fsup以下となるように流量調整バルブ70を操作する。
これにより、アノード側燃焼排ガス流量Fanが、燃料加熱部Hfuにおいて燃料の熱容量の上限となる上限流量Fsupを超えないように、流量調整バルブ70を操作して排気分流比γを調節することができる。したがって、燃料の熱容量を超える熱量に相当する流量の燃焼排ガスが燃料加熱部Hfuに供給されることをより確実に抑制することができる。
さらに、本実施形態では、コントローラ80は、供給空気流量Qaに基づいてアノード側燃焼排ガス流量Fanを推定し、推定したアノード側燃焼排ガス流量Fanが発電電力に応じた燃料加熱部の目標温度(目標改質器温度)に基づいて定まる下限流量Finf以上となるように流量調整バルブ70を操作する。
これにより、燃料加熱部Hfuに燃料の熱容量以上の熱量を有する燃焼排ガスを流すことを抑制する観点からアノード側燃焼排ガス流量Fanの増大を抑制することができる一方で、燃料電池スタック10の発電の観点から要求される熱量に相当する最低限のアノード側燃焼排ガス流量Fanを好適に確保することができる。
なお、本実施形態では、流量調整バルブ70をカソード側分流通路40bに設けた構成の燃料電池システムSについて説明した。しかしながら、この構成に代えて、またはこの構成とともに、アノード側分流通路40aに設けても良い。このように、アノード側分流通路40aに設けた流量調整バルブ70の開度OP´を調節することによっても、排気分流比γを調節することができる。
図12は、流量調整バルブ70をアノード側分流通路40aに設けた場合において、流量調整バルブ70の基本的な開度調節態様を説明するグラフである。この場合、図示のように、コントローラ80は、供給空気流量Qaが大きくなるほど、アノード側燃焼排ガス流量Fanが小さくなるように(排気分流比γが小さくなるように)、流量調整バルブ70の開度OP´を減少させる。
また、本例においても、コントローラ80が、アノード側燃焼排ガス流量Fanが上限流量Fsupと下限流量Finfの間に収まるように、流量調整バルブ70の開度OP´を操作する構成を採用することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。
例えば、上記各実施形態では、燃料加熱部Hfuの要素として蒸発器14及び改質器16を例示し、空気加熱部Haiの要素として空気熱交換器18を例示した。しかしながら、燃料加熱部Hfu及び空気加熱部Haiはこれらに限定されるものではない。
すなわち、燃料加熱部Hfu及び空気加熱部Haiとしては、燃料電池システムS内において、それぞれ、アノード側燃焼排ガス及びカソード側燃焼排ガスの熱により燃料及び空気を加熱する任意の装置を適用できる。
また、上記第実施形態においては、アノード側分流通路40aにおいて図7のアノード側特性線G3で表す空気流量‐圧損特性(下凸の二次特性)を得る構造を採用した。しかしながら、この構造に代えて、又はこの構造をとともに、カソード側分流通路40bに上凸の二次の空気流量‐圧損特性を与える構造を採用しても良い。これにより、暖機運転時(供給空気流量Qaが相対的に大きい運転状態)における排気分流比γを、定常運転時(供給空気流量Qaが相対的に小さい運転状態)の場合と比べてより減少させることができる。
さらに、アノード側特性線G3で表される下凸の二次特性に代えて、二次特性以外の任意の非線形特性であって下凸の特性線で表される性質を与える排気分流比調節構造を設けても良い。また、カソード側分流通路40bにおいても、二次特性以外の任意の非線形特性であって上凸の特性線で表される性質を与える排気分流比調節構造を設けても良い。
さらに、上記各実施形態は任意に組み合わせが可能である。特に、第1実施形態又は第2実施形態の構成と、第3実施形態の構成と、を組み合わせても良い。これにより、上述した供給空気流量Qaに基づいて排気分流比γを調節するための機械的構造(第1実施形態又は第2実施形態)を前提としつつも、第3実施形態における流量調整バルブ70を操作により供給空気流量のQa逐次的な変化に対応した排気分流比γの調節を行うことができる。

Claims (7)

  1. 燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃料電池に供給される燃料を前記燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部と、
    前記燃料電池に供給される空気を前記燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部と、
    前記燃焼排ガスを前記燃料加熱部に分流するアノード側分流通路と、
    前記燃焼排ガスを前記空気加熱部に分流するカソード側分流通路と、
    前記カソード側分流通路に流れる前記燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量に対する、前記アノード側分流通路に流れる前記燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量の比である排気分流比を調節する排気分流比調節部と、を有し、
    前記排気分流比調節部は、前記燃料電池に供給される空気の流量としての供給空気流量の増大に応じて前記排気分流比を減少させるように構成される、
    燃料電池システム。
  2. 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    前記排気分流比調節部は、前記アノード側分流通路及び前記カソード側分流通路に設けられた排気分流比調節構造を含み、
    前記排気分流比調節構造は、前記供給空気流量の増大に応じた前記アノード側分流通路における圧損の増加率が、前記供給空気流量の増大に応じた前記カソード側分流通路における圧損の増加率よりも大きくなるように構成された、
    燃料電池システム。
  3. 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
    前記排気分流比調節構造は、前記アノード側分流通路に設けられて前記燃焼排ガスの流路断面積を減少させる流路断面積減少部を有する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項2又は3に記載の燃料電池システムであって、
    前記排気分流比調節構造は、前記カソード側分流通路に設けられて前記燃焼排ガスの流路表面積を増大させる流路表面積増大部を有する、
    燃料電池システム。
  5. 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    前記排気分流比調節部は、前記アノード側分流通路及び前記カソード側分流通路の少なくとも一方における前記燃焼排ガスの流量を調節する流量調節装置と、前記流量調節装置を操作する制御装置と、を有し、
    前記制御装置は、前記供給空気流量が大きくなるほど、前記排気分流比が小さくなるように前記流量調節装置を操作する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項5に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、
    前記供給空気流量に基づいて前記アノード側燃焼排ガス流量を推定し、
    推定した前記アノード側燃焼排ガス流量が、前記燃料加熱部における燃料の受け入れ可能な熱量に基づいて定まる上限流量以下となるように前記流量調節装置を操作する、
    燃料電池システム。
  7. 請求項5又は6に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、
    前記供給空気流量に基づいて前記アノード側燃焼排ガス流量を推定し、
    推定した前記アノード側燃焼排ガス流量が、発電電力に応じた前記燃料加熱部の目標温度に基づいて定まる下限流量以上となるように前記流量調節装置を操作する、
    燃料電池システム。
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