JP7087341B2 - Fuel cell system and fuel cell system control method - Google Patents
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Description
本発明は、水含有含酸素燃料を原燃料とする燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system using water-containing oxygen-containing fuel as a raw material and a control method thereof.
特許文献1には、排ガス燃焼器および起動用燃焼器を備え、システム起動時に、起動用燃焼器に原燃料である都市ガスと酸化剤ガスである空気とを供給し、原燃料の燃焼により生じた熱量を利用して蒸発器および改質器を加熱するとともに、熱交換器を介して燃料電池スタックを加熱するように構成された燃料電池システムが開示されている(段落0033、0055~0058)。特許文献1には、さらに、燃料電池スタック、蒸発器および改質器のいずれかの温度をもとに、起動用燃焼器に対する原燃料または酸化剤ガスの供給量を制御することが開示されている。具体的には、蒸発器または改質器の温度が所定値以上の場合に、起動用燃焼器に対する酸化剤ガスの供給量を減少させる一方、蒸発器または改質器の温度が所定値未満の場合に、起動用燃焼器に対する酸化剤ガスの供給量を増加させている(例えば、段落0078、0079および0081)。
しかし、原燃料としてエタノール水溶液に代表される水含有含酸素燃料を用いる場合は、次のことが問題となる。水含有含酸素燃料は、時間の経過とともに濃度が低下する性質を有する。濃度が低下すると、水含有含酸素燃料の燃焼における断熱火炎温度が低下し、燃焼促進用の触媒における発熱量、つまり、燃焼器の発熱量が減少する。これにより、燃焼器による加熱に不足が生じるため、燃焼器をシステム起動時の暖機に用いる場合は、起動に要する時間が長期化したり、起動を達成すること自体が困難になったりすることが懸念される。特許文献1では、原燃料として都市ガスが用いられており、水含有含酸素燃料の濃度の低下に起因するこれらの問題については何ら言及されていない。
However, when a water-containing oxygen-containing fuel typified by an aqueous ethanol solution is used as the raw material, the following problems arise. The water-containing oxygen-containing fuel has the property that its concentration decreases with the passage of time. When the concentration decreases, the adiabatic flame temperature in the combustion of the water-containing oxygen-containing fuel decreases, and the calorific value of the catalyst for promoting combustion, that is, the calorific value of the combustor decreases. This causes a shortage of heating by the combustor, so when the combustor is used for warming up at system startup, the time required for startup may be prolonged or it may be difficult to achieve startup itself. I am concerned.
本発明は、以上の問題を考慮した燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method thereof in consideration of the above problems.
本発明の一形態に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の原燃料である水含有含酸素燃料を貯蔵する燃料貯蔵器と、水含有含酸素燃料の燃焼を促進させる触媒を有する燃焼器と、燃料貯蔵器に接続され、燃焼器に水含有含酸素燃料を供給する燃料供給装置と、燃焼器に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃焼器に対する水含有含酸素燃料および酸化剤ガスの供給を制御する制御部と、を備える。本形態において、制御部は、燃料貯蔵器に貯留されている水含有含酸素燃料の濃度を検出する濃度検出部と、燃焼器における酸化剤ガスの水含有含酸素燃料に対する比率を、濃度検出部により検出された濃度に応じて調整する比率調整部と、を備える。 The fuel cell system according to one embodiment of the present invention includes a fuel cell, a fuel reservoir for storing water-containing oxygen-containing fuel which is a raw material of the fuel cell, and a catalyst for promoting combustion of the water-containing oxygen-containing fuel. A fuel supply device connected to a container and a fuel reservoir to supply water-containing oxygen-containing fuel to the combustor, an oxidant gas supply device to supply the oxidant gas to the combustor, and a water-containing oxygen-containing fuel to the combustor. And a control unit that controls the supply of the oxidant gas. In the present embodiment, the control unit determines the ratio of the oxidant gas to the water-containing oxygen-containing fuel in the combustor and the concentration detection unit that detects the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel stored in the fuel reservoir. It is provided with a ratio adjusting unit that adjusts according to the concentration detected by.
本発明は、他の形態において、燃料電池システムの制御方法を提供する。 The present invention provides, in other embodiments, a method of controlling a fuel cell system.
水含有含酸素燃料は、時間の経過とともに濃度が低下する性質を有する。本発明によれば、濃度の低下に対し、燃焼器における酸化剤ガスの水含有含酸素燃料に対する比率を調整することで、濃度の低下による断熱火炎温度の低下を抑制し、燃焼器の発熱量を確保することができる。 The water-containing oxygen-containing fuel has the property that its concentration decreases with the passage of time. According to the present invention, by adjusting the ratio of the oxidant gas to the water-containing oxygen-containing fuel in the combustor with respect to the decrease in concentration, the decrease in the adiabatic flame temperature due to the decrease in concentration is suppressed, and the calorific value of the combustor is generated. Can be secured.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(燃料電池システムの全体構成)
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。
(Overall configuration of fuel cell system)
FIG. 1 conceptually shows the configuration of a fuel cell system S according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る燃料電池システム(以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある)Sは、燃料電池スタック1と、燃料処理部2と、酸化剤ガス加熱部3と、燃焼器4と、制御部5と、を備える。
The fuel cell system (hereinafter, referred to as “fuel cell system” and may be simply referred to as “system”) S according to the present embodiment includes a
燃料電池スタック(以下、単に「スタック」という場合がある)1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、固体酸化物型燃料電池(SOFC)である。燃料電池スタック1は、アノード系において、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するためのアノードガス通路11と、アノード極から排出される発電反応後のアノードオフガスを流すためのアノードオフガス通路11exh(図1において、図示せず)と、を備える一方、カソード系において、燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給するためのカソードガス通路12と、カソード極から排出される発電反応後のカソードオフガスを流すためのカソードオフガス通路12exh(図示せず)と、を備える。
The fuel cell stack (hereinafter, may be simply referred to as “stack”) 1 is configured by stacking a plurality of fuel cells or fuel cell unit cells, and each fuel cell as a power source is, for example, a solid oxide type. It is a fuel cell (SOFC). In the anode system, the
燃料処理部2は、一次燃料である原燃料を処理し、燃料電池での発電反応に用いられる燃料ガスを生成する。燃料処理部2は、アノードガス通路11に介装され、原燃料の供給を受ける(矢印A1)。原燃料は、水含有含酸素燃料であり、本実施形態では、エタノール水溶液を採用する。燃料電池システムSは、エタノール水溶液が貯蔵された燃料タンク6を備える。燃料タンク6は、アノードガス通路11を介して燃料電池スタック1と接続されている。
The
酸化剤ガス加熱部3は、酸化剤ガスを加熱するためのものである。酸化剤ガス加熱部3は、カソードガス通路12に介装され、酸化剤ガスの供給を受ける(矢印B)。酸化剤ガスは、例えば、空気であり、大気中の空気を燃料電池のカソード極に供給することにより、発電反応に用いられる酸素をカソード極に供給することが可能である。
The oxidant
ここで、固体酸化物型燃料電池のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式により表すことができる。
アノード極: 2H2+4O2- → 2H2O+4e- …(1.1)
カソード極: O2+4e- → 2O2- …(1.2)
Here, the reaction related to power generation at the anode electrode and the cathode electrode of the solid oxide fuel cell can be expressed by the following equation.
Anode pole: 2H 2 + 4O 2- → 2H 2 O + 4e-... ( 1.1)
Cathode pole: O 2 + 4e- → 2O 2- … (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、燃料タンク6から原燃料の供給を受けるとともに(矢印A2)、酸化剤ガスの供給を受ける(矢印C)。原燃料の燃焼により生じた熱量または燃焼ガスが有する熱量は、燃料電池スタック1ばかりでなく、燃料処理部2および酸化剤ガス加熱部3に供給することも可能である。図1は、燃焼器4から燃料電池スタック1、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。
The
制御部5は、燃料処理部2および酸化剤ガス加熱部3に対する原燃料、酸化剤ガスの供給を制御するとともに、燃焼器4に対する原燃料および酸化剤ガスの供給を制御する。燃焼器4に対する原燃料の供給は、燃料供給装置7により実行され、燃料供給装置7は、燃料インジェクタにより構成することができる。他方で、燃焼器4に対する酸化剤ガスの供給は、酸化剤ガス供給装置8により実行され、酸化剤ガス供給装置8は、エアコンプレッサまたはブロアにより構成することができる。燃料供給装置7および酸化剤ガス供給装置8は、制御部5からの指令信号に応じて作動し、燃焼器4に対して原燃料である水含有含酸素燃料を供給するとともに(矢印A2)、酸化剤ガスである空気を供給する(矢印C)。
The
図2は、燃料電池システムSの具体的な構成を示している。 FIG. 2 shows a specific configuration of the fuel cell system S.
燃料電池システムSは、発電源として固体酸化物型燃料電池(SOFC)を備え、車上に搭載可能な燃料タンク61を備える。本実施形態において、一次燃料である原燃料は、含酸素燃料であるエタノールと水との混合物、例えば、45体積%のエタノールを含有するエタノール水溶液である。燃料タンク61と燃料電池スタック1とが、アノードガス通路11を介して接続され、アノードガス通路11には、流れの方向に関して上流側から順に、蒸発器21、燃料熱交換器22および改質器23が介装されている。
The fuel cell system S includes a solid oxide fuel cell (SOFC) as a power source and a
他方で、蒸発器21の上流側でアノードガス通路11から分岐燃料通路11subが分岐し、燃焼器41に接続されている。分岐燃料通路11subの分岐点と蒸発器21との間のアノードガス通路11に第1燃料インジェクタ71が介装され、分岐燃料通路11subに第2燃料インジェクタ72が介装されている。これにより、アノードガス通路11と分岐燃料通路11subとの間で原燃料の流通を切り換えることが可能である。蒸発器21、燃料熱交換器22および改質器23は、燃料電池システムSの燃料処理部2を構成するものであり、原燃料を処理し、燃料電池の燃料ガスを生成する。第2燃料インジェクタ72は、燃料供給装置7を構成する。
On the other hand, a branched fuel passage 11sub branches from the
蒸発器21は、燃料タンク61からエタノール水溶液の供給を受け、これを加熱して蒸発させ、エタノールガスおよび水蒸気を生成する。
The
燃料熱交換器22は、燃焼器41から燃焼により生じた熱量を受け、エタノールガスおよび水蒸気を加熱する。
The
改質器23は、改質用触媒を内蔵し、含酸素燃料であるエタノールから、水蒸気改質により燃料ガスである水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。水蒸気改質は、吸熱反応であり、改質に際して外部から熱量を供給する必要がある。本実施形態では、改質中も燃焼器41でアノードオフガス中の残燃料を燃焼させ、燃焼により生じた熱量を改質器23に供給する。
C2H5OH+3H2O → 6H2+2CO2 …(2)
The
C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2 … (2)
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81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81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℃)から加熱され、燃料電池スタック1に供給される。
The oxidant
燃焼器41は、Pt(白金)、Pd(パラジウム)およびRh(ロジウム)の3元素からなる燃焼用触媒を内蔵し、分岐燃料通路11subを通じてエタノール水溶液の供給を受け、エタノールの触媒燃焼により燃焼ガスを生成する。本実施形態では、燃焼器41と蒸発器21とが燃焼ガス通路42を介して接続され、燃焼ガスが有する熱量により蒸発器21を加熱する。他方で、燃料熱交換器22および改質器23が燃焼器41と共用のケースに収容され(二点鎖線Lにより示す)、燃焼ガスの熱量がこの共用のケースLの内部で燃料熱交換器22および改質器23に伝わるように構成されている。
The
本実施形態において、燃焼器41は、エアコンプレッサ81の下流側でカソードガス通路12から分岐する通路(以下「分岐空気通路」という)12subと接続され、分岐空気通路12subには、通路12subを流れる酸化剤ガス(空気)の流量を調節するための流量制御弁82が設置されている。さらに、燃焼器41は、燃料電池スタック1から延びるアノードオフガス通路11exhおよびカソードオフガス通路12exhと接続されている。これにより、燃料電池システムSの起動時に、エアコンプレッサ81を作動させ、流量制御弁82を開くことで、分岐空気通路12subを通じて燃焼器41に酸化剤ガスを供給することが可能である。本実施形態では、改質器23が改質可能温度に達した後は、流量制御弁82を閉じて、分岐空気通路12subを通じた酸化剤ガスの供給を停止し、燃焼器41に対し、カソードオフガス通路12exhを介して酸化剤ガス(アノードオフガス中の残酸素)を供給する。エアコンプレッサ81および流量制御弁82は、酸化剤ガス供給装置8を構成する。
In the present embodiment, the
ここで、燃焼器41におけるエタノールの反応は、次式により表すことができる。
C2H5OH+3/2O2 → 2CO2+3H2O …(3)
Here, the reaction of ethanol in the
C 2 H 5 OH + 3 / 2O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O… (3)
上式(3)は、発熱反応である。 The above equation (3) is an exothermic reaction.
燃料電池スタック1の発電電力は、バッテリを充電したり、電動モータまたはモータジェネレータ等の外部装置を駆動したりするのに用いることが可能である。例えば、燃料電池システムSは、車両用の駆動システムに適用することができ、燃料電池スタック1の定格運転により生じた電力をバッテリに充電し、車両の目標駆動力に応じた電力をバッテリから走行用のモータジェネレータに供給する。
The generated power of the
(制御システムの構成)
第1燃料インジェクタ71、第2燃料インジェクタ72、エアコンプレッサ81および流量制御弁82、その他、燃料電池システムSの運転に用いられ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、電子制御ユニットとして構成され、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。
(Control system configuration)
The operation of the
コントローラ51は、システム起動後の通常時において、燃料電池スタック1の定格運転、換言すれば、最大発電出力での運転に要する原燃料の供給量を設定し、通常時供給量の原燃料を、第1燃料インジェクタ71を通じて燃料電池システムSに供給する。
The
他方で、コントローラ51は、燃料電池システムSの起動時に、燃料電池システムS全体の暖機を行う起動制御を実行し、停止中に低温(例えば、常温)にあった燃料電池スタック1を、その動作温度にまで昇温させる。固体酸化物型燃料電池の動作温度は、800~1000℃程度であり、本実施形態では、燃料電池スタック1ないし燃料電池の温度を、起動制御により600~700℃にまで上昇させる。
On the other hand, the
コントローラ51は、起動制御に関わる情報として、スタック温度Tstkを検出するスタック温度センサ101からの信号、燃焼器温度Tcmbを検出する燃焼器温度センサ102からの信号、改質器温度Trefを検出する改質器温度センサ103からの信号を入力するほか、水含有含酸素燃料の濃度(以下「含酸素燃料濃度」という場合がある)Cfuelを検出する濃度センサ104からの信号を入力する。
The
スタック温度Tstkは、燃料電池スタック1または燃料電池の温度を示す指標であり、本実施形態では、燃料電池スタック1のカソードオフガス出口付近にスタック温度センサ101を設置し、スタック温度センサ101により検出された温度をもってスタック温度Tstkとする。
The stack temperature T stk is an index indicating the temperature of the
燃焼器温度Tcmbは、燃焼器41の温度である。本実施形態では、燃焼器41の下流側の燃焼ガス通路42に燃焼器温度センサ102を設置し、燃焼器温度センサ102により検出された温度、つまり、燃焼器41の出口部温度をもって燃焼器温度Tcmbとする。燃焼器温度Tcmbとして、燃焼器41の出口部温度に代えて触媒ベッド部温度を採用することも可能である。
The combustor temperature T cmb is the temperature of the
改質器温度Trefは、改質器23の温度である。本実施形態では、改質器23の下流側のアノードガス通路11に改質器温度センサ103を設置し、改質器温度センサ103により検出された温度をもって改質器温度Trefとする。
The reformer temperature T ref is the temperature of the
含酸素燃料濃度Cfuelは、燃料タンク61に貯蔵されている水含有含酸素燃料、具体的には、エタノール水溶液の濃度である。本実施形態では、燃料タンク61に直接、濃度センサ104を設置し、濃度センサ104により検出された濃度をもって含酸素燃料濃度Cfuelとする。しかし、これに限らず、濃度センサ104は、蒸発器21よりも上流側のアノードガス通路11に設置したり、第2燃料インジェクタ72よりも上流側の分岐燃料通路11subに設置したりしてもよい。
The oxygen-containing fuel concentration C fuel is the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel stored in the
(燃料電池システムの動作説明)
図3および4は、燃料電池システムSの作動状態を示しており、図3は、燃料電池システムSの起動時における作動状態を、図4は、システム起動後の通常時における作動状態を示している。アノード系およびカソード系の通路のうち、実際にガスが流通している通路を太い実線により、ガスの流通が停止している通路を細い点線により示している。
(Explanation of operation of fuel cell system)
3 and 4 show the operating state of the fuel cell system S, FIG. 3 shows the operating state at the time of starting the fuel cell system S, and FIG. 4 shows the operating state at the normal time after the system is started. There is. Of the anode system and cathode system passages, the passages through which gas actually flows are shown by thick solid lines, and the passages through which gas flow is stopped are shown by thin dotted lines.
起動時では、第1燃料インジェクタ71を通じた原燃料の供給を停止し、燃料電池スタック1の暖機に要する原燃料を、第2燃料インジェクタ72を通じて燃焼器41に供給する(図3)。他方で、エアコンプレッサ81を作動させ、流量制御弁82を開くことで、分岐空気通路12subを通じて燃焼器41に酸化剤ガス(空気)を供給する。原燃料の燃焼により生じた熱量により燃料熱交換器22および改質器23を加熱するとともに、燃焼ガスを、燃焼ガス通路42を介して空気熱交換器31および蒸発器21に供給する。これにより、蒸発器21、燃料熱交換器22、改質器23および空気熱交換器31を加熱し、燃料電池システムSの暖機を促進する。
At the time of start-up, the supply of raw fuel through the
通常時では、燃料電池スタック1の定格運転に要する通常時供給量の原燃料を、第1燃料インジェクタ71を通じて燃料電池システムSに供給し、燃料電池スタック1を定格出力で運転する(図4)。他方で、アノードオフガス中の残燃料を燃焼器41で燃焼させ、改質器23に対して改質に必要な熱量を供給するとともに、残燃料の燃焼ガスを空気熱交換器31および蒸発器21に供給し、燃料電池システムS全体を運転に必要な温度に維持する。
In the normal state, the raw fuel of the normal supply amount required for the rated operation of the
ここで、本実施形態では、原燃料にエタノール水溶液を用いることにより、次のことが問題となる。 Here, in the present embodiment, the following problems become a problem by using an aqueous ethanol solution as a raw material and fuel.
エタノール水溶液に代表される水含有含酸素燃料は、放置しておくと、濃度が低下する。濃度が低下すると、含酸素燃料(エタノール)の断熱火炎温度が低下して、燃焼器41の発熱量が減少し、燃焼ガスの輸送熱量も減少するため、燃焼器41による加熱に不足が生じ、燃料電池システムSの起動に要する時間が長期化するばかりでなく、場合によっては起動を達成すること自体が困難になったりする。
If the water-containing oxygen-containing fuel represented by the aqueous ethanol solution is left unattended, its concentration will decrease. When the concentration decreases, the adiabatic flame temperature of the oxygen-containing fuel (ethanol) decreases, the calorific value of the
そこで、本実施形態では、燃料電池システムSの起動制御の一環として、水含有含酸素燃料の濃度が低下した場合に、断熱火炎温度を上昇させる制御を実行することにより燃焼器41の発熱量を維持し、燃料電池システムSの起動性を確保する。具体的には、燃料タンク61に貯蔵されているエタノール水溶液の濃度が低下した場合に、燃焼器41における空気のエタノール水溶液に対する比率、つまり、燃焼器41における空気過剰率λを調整する。
Therefore, in the present embodiment, as a part of the start control of the fuel cell system S, when the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel decreases, the calorific value of the
図5は、空気過剰率λとエタノールの断熱火炎温度Taftとの関係を示している。同図に示すように、断熱火炎温度Taftは、空気過剰率λ=1を境にして、空気過剰率λに対する変化の傾向が異なっており、空気過剰率λが1未満の場合は、空気過剰率λの増大により上昇する傾向を有する一方、空気過剰率λが1以上の場合は、空気過剰率λの減少により上昇する傾向を有する。図5は、45体積%のエタノール水溶液を採用した場合の関係を示しているが、空気過剰率λ=1を境にした断熱火炎温度Taftの変化の傾向は、45体積%以外の濃度または他の種類の水含有含酸素燃料を採用した場合についても同様である。 FIG. 5 shows the relationship between the excess air ratio λ and the adiabatic flame temperature Taft of ethanol. As shown in the figure, the adiabatic flame temperature Taft has a different tendency of change with respect to the air excess rate λ at the boundary of the air excess rate λ = 1, and when the air excess rate λ is less than 1, air. While the excess rate λ tends to increase, when the excess air rate λ is 1 or more, the excess rate λ tends to increase due to the decrease in the excess air rate λ. FIG. 5 shows the relationship when a 45% by volume ethanol aqueous solution is used, but the tendency of the adiabatic flame temperature Taft to change with the air excess ratio λ = 1 is a concentration other than 45% by volume or The same applies when other types of water-containing oxygen-containing fuels are used.
図6は、エタノール水溶液の濃度Cfuelが低下した場合の断熱火炎温度Taftの変化を、空気過剰率λが1未満の場合(a)と空気過剰率λが1以上の場合(b)とのそれぞれについて示している。同図中、点線は、濃度Cfuelが低下する前の特性線を示し、実線は、濃度Cfuelが低下した後の特性線を示している。 FIG. 6 shows changes in the adiabatic flame temperature Taft when the concentration C fuel of the ethanol aqueous solution decreases, when the air excess rate λ is less than 1 (a) and when the air excess rate λ is 1 or more (b). It shows about each of. In the figure, the dotted line shows the characteristic line before the concentration C fuel decreases, and the solid line shows the characteristic line after the concentration C fuel decreases.
エタノール水溶液の濃度Cfuelが低下すると、断熱火炎温度Taftが低下するため、空気過剰率λ0を維持した状態では、目標とする断熱火炎温度Tafttrgを達成することができず、燃焼器41の発熱量に不足が生じる。ここで、空気過剰率λの調整により断熱火炎温度Taftを上昇させるのであるが、濃度Cfuelの低下によらず目標とする断熱火炎温度Tafttrgを達成するには、空気過剰率λが1未満の場合は、図6(a)に示すように、空気過剰率λをλ0よりも大きいλ1aにまで増大させる必要があり、空気過剰率λが1以上の場合は、図6(b)に示すように、空気過剰率λをλ0よりも小さいλ1bにまで減少させる必要がある。つまり、エタノール水溶液の濃度Cfuelの低下に対し、空気過剰率λを1に近付けるように調整すること、換言すれば、空気過剰率λが1よりも小さい場合は、空気過剰率λを1に向けて増加させ、空気過剰率λが1よりも大きい場合は、空気過剰率λを1に向けて減少させることで、断熱火炎温度Taftを上昇させ、燃焼器41の発熱量を確保することが可能となるのである。
When the concentration C fuel of the ethanol aqueous solution decreases, the adiabatic flame temperature Taft decreases, so that the target adiabatic flame temperature T afttrg can not be achieved while the excess air ratio λ0 is maintained, and the
燃料電池システムSの起動制御について、以下にフローチャートを参照して具体的に説明する。 The start control of the fuel cell system S will be specifically described below with reference to the flowchart.
(起動制御の説明)
図5は、本実施形態に係る燃料電池システムSの起動制御の基本的な流れをフローチャートにより示している。
(Explanation of start control)
FIG. 5 shows a basic flow of start control of the fuel cell system S according to the present embodiment by a flowchart.
コントローラ51は、運転者による起動スイッチ105の操作に基づき、起動スイッチ105から起動要求信号を入力すると、図7のフローチャートに示す手順に従って燃料電池システムSの起動制御を実行するようにプログラムされている。コントローラ51は、起動要求信号の入力をもって起動制御を開始し、燃料電池スタック1ないし燃料電池の暖機が完了したとの判定をもってこれを終了する。
The
S101では、起動制御に関わる各種センサ出力を読み込む。具体的には、スタック温度Tstk、燃焼器温度Tcmb、改質器温度Trefおよび含酸素燃料濃度Cfuelを読み込む。 In S101, various sensor outputs related to activation control are read. Specifically, the stack temperature T stk , the combustor temperature T cmb , the reformer temperature T ref , and the oxygen-containing fuel concentration C fuel are read.
S102では、燃料器41における空気過剰率λの基本値(以下「基本空気過剰率」という)λ0を設定する。基本空気過剰率λ0は、燃焼器41に備わる触媒の種類ないし機能に応じて異なる値をとり、例えば、触媒が燃焼用である場合は、1よりも大きな値に設定される。これに対し、例えば、触媒が改質用である場合は、1よりも小さな値に設定することが許容される。本実施形態では、燃焼用触媒を備える燃焼器41を対象とするので、基本空気過剰率λ0を1よりも大きな値に設定する。
In S102, a basic value (hereinafter referred to as “basic air excess rate”) λ0 of the air excess rate λ in the
S103では、濃度センサ104からの信号に基づき、含酸素燃料濃度Cfuelを検出する。
In S103, the oxygen-containing fuel concentration C fuel is detected based on the signal from the
S104では、含酸素燃料濃度Cfuelが所定値Cfuel1よりも低いか否かを判定する。つまり、エタノール水溶液の濃度Cfuelに、燃料電池システムSの暖機に要する時間の過度な長期化をもたらすほどの低下が生じたか否かを判定するのである。所定値Cfuel1は、含酸素燃料濃度の規定値(例えば、45体積%)よりも小さな値に設定される。含酸素燃料濃度Cfuelが所定値Cfuel1よりも低い場合は、S105へ進んで、空気過剰率λの調整を実行し、所定値Cfuel1以上である場合は、空気過剰率λの調整を行わずに基本空気過剰率λ0を維持して、S108へ進む。
In S104, it is determined whether or not the oxygen-containing fuel concentration C fuel is lower than the
S105では、基本空気過剰率λ0が1未満であるか否かを判定する。先に述べたように、空気過剰率λが1未満であるか1以上であるかで、空気過剰率λに対する断熱火炎温度Taftの変化の傾向が異なるからである。 In S105, it is determined whether or not the basic air excess rate λ0 is less than 1. This is because, as described above, the tendency of the adiabatic flame temperature Taft to change with respect to the air excess rate λ differs depending on whether the air excess rate λ is less than 1 or 1 or more.
S106では、空気過剰率λを増大させる補正を行う。具体的には、実際の含酸素燃料濃度Cfuelから断熱火炎温度の推定到達値Taftestを算出し、断熱火炎温度の目標値Tafttrgと推定到達値Taftestとの差分DEF(=Tafttrg-Taftest)に応じた補正量Δλa(=f(DEF))を、基本空気過剰率λ0に加算する(λ1a=λ0+Δλa)。断熱火炎温度の推定到達値Taftestは、エタノール水溶液の燃焼反応をモデル化した計算式により算出することができ、差分DEFと補正量Δλaとの関係式fは、実験等を通じた適合により近似的に求めることが可能である。含酸素燃料濃度Cfuelに対して補正量Δλaを割り付けたテーブルデータを作成し、予めコントローラ51に記憶させておくことで、実際の運転に際し、含酸素燃料濃度Cfuelによりこのテーブルデータを参照するようにしてもよい。空気過剰率λが1未満の場合の補正量Δλaは、濃度Cfuelの低下に対して増大する傾向を有し、補正後の空気過剰率λ1aを1に近付ける。
In S106, a correction is performed to increase the excess air ratio λ. Specifically, the estimated reached value T aftest of the adiabatic flame temperature is calculated from the actual oxygen-containing fuel concentration C fuel , and the difference DEF (= T afttrg- ) between the target value T afttrg of the adiabatic flame temperature and the estimated reached value T aftest . The correction amount Δλa (= f (DEF)) according to Taftest ) is added to the basic air excess rate λ0 (λ1a = λ0 + Δλa). The estimated reached value Taftest of the adiabatic flame temperature can be calculated by a calculation formula that models the combustion reaction of the ethanol aqueous solution, and the relational expression f between the difference DEF and the correction amount Δλa is more approximate than the adaptation through experiments and the like. It is possible to ask for. By creating table data in which the correction amount Δλa is assigned to the oxygen-containing fuel concentration C fuel and storing it in the
S107では、空気過剰率λを減少させる補正を行う。S106におけると同様に、断熱火炎温度の目標値Tafttrgと推定到達値Taftestとの差分DEFに応じた補正量Δλbを算出するが、減少補正のため、補正量Δλbを基本空気過剰率λ0から減算する(λ1b=λ0-Δλb)。含酸素燃料濃度Cfuelに対して補正量Δλbを割り付けたテーブルデータを作成し、予めコントローラローラ51に記憶させておくとよく、空気過剰率λが1以上の場合の補正量Δλb(>0)も、補正量Δλaと同様に、濃度Cfuelの低下に対して増大する傾向を有し、基本空気過剰率λ0から減じられることで、補正後の空気過剰率λ1bを1に近付ける。
In S107, a correction is performed to reduce the excess air ratio λ. Similar to in S106, the correction amount Δλb according to the difference DEF between the target value T afttrg of the adiabatic flame temperature and the estimated arrival value T aftest is calculated, but the correction amount Δλb is calculated from the basic air excess rate λ0 for the subtraction correction. Subtract (λ1b = λ0-Δλb). It is advisable to create table data in which the correction amount Δλb is assigned to the oxygen-containing fuel concentration C fuel and store it in the
S108では、補正後の空気過剰率λ1(λ1a、λ1b)に応じた原燃料の供給量(燃料供給量)Qfを算出する。 In S108, the supply amount (fuel supply amount) Qf of the raw material and fuel according to the corrected air excess rate λ1 (λ1a, λ1b) is calculated.
S109では、燃料供給量Qfに対し、補正後の空気過剰率λ1を達成可能な酸化剤ガスの供給量(空気供給量)Qaを算出する。本実施形態では、含酸素燃料濃度Cfuelの低下に対する空気過剰率λの調整を、空気供給量Qaを変化させることにより達成する。具体的には、空気過剰率λに対して増大補正を行う場合は、空気供給量Qaを増大させ、減量補正を行う場合は、減少させる。そして、空気供給量Qaを増大させるため、エアコンプレッサ81の回転速度を上昇させるかまたは流量制御弁82の開度を増大させる。しかし、これに限らず、燃料供給量Qfを変化させたり、空気供給量Qaと燃料供給量Qfとを同時に変化させたりして、空気過剰率λを調整することも可能である。
In S109, the supply amount (air supply amount) Qa of the oxidant gas capable of achieving the corrected air excess rate λ1 is calculated with respect to the fuel supply amount Qf. In the present embodiment, the adjustment of the air excess rate λ with respect to the decrease in the oxygen-containing fuel concentration C fuel is achieved by changing the air supply amount Qa. Specifically, the air supply amount Qa is increased when the increase correction is performed for the air excess rate λ, and is decreased when the decrease correction is performed. Then, in order to increase the air supply amount Qa, the rotation speed of the
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Tstkwupに達したか否かを判定し、スタック温度Tstkが所定温度Tstkwupに達した場合は、燃料電池システムSの暖機が完了したとして、起動制御を終了し、所定温度Tstkwupに達していない場合は、暖機が未だ完了していないとして、起動制御を継続し、スタック温度Tstkを引き続き監視する。起動制御を終了した場合は、図示しない別のルーチンに従って通常時の制御を実行し、燃料電池スタック1を定格出力で運転する。ここで、燃料電池システムSの暖機が完了する前に改質器23(具体的には、改質器23に備わる改質用触媒)が改質可能温度に達した場合は、第1燃料インジェクタ71を通じた原燃料の供給を開始し、燃料電池スタック1に燃料ガス(水素)および酸化剤ガスを供給することで、燃料電池スタック1に発電を開始させる。これにより、酸化剤ガスを媒体として燃料電池スタック1を加熱するとともに、発電により燃料電池システムS全体の暖機を促進する。
In S110, it is determined whether or not the warm-up of the
本実施形態では、燃料タンク61が「燃料貯蔵器」を、燃焼器41が「燃焼器」を、第2燃料インジェクタ72が「燃料供給装置」を、エアコンプレッサ81が「酸化剤ガス供給装置」を、コントローラ51が「制御部」を、夫々構成する。そして、コントローラ51が起動制御に関して行う処理のうち、図7に示すS103の処理が「濃度検出部」の機能に対応し、S104~107の処理が「比率調整部」の機能に対応する。
In the present embodiment, the
(作用効果の説明)
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。
(Explanation of action and effect)
The fuel cell system S according to the present embodiment is configured as described above, and the actions and effects obtained by the present embodiment will be described below.
第1に、本実施形態では、水含有含酸素燃料であるエタノール水溶液を燃料タンク61に貯蔵する。ここで、エタノール水溶液の濃度(含酸素燃料濃度Cfuel)は、時間の経過とともに変化する性質を有する。これに対し、含酸素燃料濃度Cfuelを検出し、含酸素燃料濃度Cfuelの低下に対して燃焼器41における酸化剤ガスの水含有含酸素燃料に対する比率、つまり、空気過剰率λを調整することで、断熱火炎温度Taftの低下を抑制し、燃焼器41の発熱量を可及的に維持することが可能となる。これにより、断熱火炎温度Tafttrgをその目標値に近付け、燃焼器41の必要な発熱量を得て、燃料電池システムSの起動性を確保することができる。
First, in the present embodiment, an aqueous ethanol solution, which is a water-containing oxygen-containing fuel, is stored in the
第2に、断熱火炎温度Taftの変化の傾向は、空気過剰率λに応じて変化し、具体的には、当量を示す1を境にして変化する。そこで、空気過剰率λの調整において、これを1に近付けるようにすることで、空気過剰率λによらず、断熱火炎温度Taftを確実に上昇させ、燃焼器41の発熱量を確保することができる。
Secondly, the tendency of the change of the adiabatic flame temperature Taft changes according to the air excess rate λ, and specifically, it changes with 1 indicating the equivalent as a boundary. Therefore, in adjusting the excess air ratio λ, by making this close to 1, the adiabatic flame temperature Taft can be surely increased regardless of the excess air ratio λ, and the calorific value of the
第3に、空気過剰率λの調整に際し、燃料供給装置(第2燃料インジェクタ72)または酸化剤ガス供給装置(エアコンプレッサ81)により、燃焼器41に対するエタノール水溶液または空気の供給量Qf、Qaを変化させることで、空気過剰率λを簡便に調整することができる。
Thirdly, when adjusting the excess air ratio λ, the fuel supply device (second fuel injector 72) or the oxidant gas supply device (air compressor 81) is used to determine the supply amounts Qf and Qa of the ethanol aqueous solution or air to the
第4に、含酸素燃料濃度Cfuelの検出のために濃度センサ104を設けたことで、含酸素燃料濃度Cfuelの正確な検出が可能となる。
Fourth, by providing the
(他の実施形態の説明)
以上の説明では、含酸素燃料濃度Cfuelの検出のために濃度センサ104を設置し、含酸素燃料濃度Cfuelを濃度センサ104により直接検出することとした。しかし、これに限らず、含酸素燃料濃度Cfuelは、水含有含酸素燃料の供給に対する燃焼器41、改質器23または燃料電池スタック1の挙動に基づき間接的に検出または推定することが可能である。
(Explanation of other embodiments)
In the above description, the
図8は、エタノール水溶液の供給を開始した後の燃焼器温度Tcmbの時間tに対する変化を示し、図9は、燃焼器温度Tcmbと含酸素燃料濃度Cfuelとの関係を示している。 FIG. 8 shows the change of the combustor temperature T cmb with respect to time t after starting the supply of the ethanol aqueous solution, and FIG. 9 shows the relationship between the combustor temperature T cmb and the oxygen-containing fuel concentration C fuel .
図8に示すように、燃焼器温度Tcmbの時間tに対する変化、具体的には、変化の勾配および平衡点到達後の温度(到達温度)は、含酸素燃料濃度Cfuelに応じた断熱火炎温度の違いから、含酸素燃料濃度Cfuelに応じて異なり、含酸素燃料濃度Cfuelが低いときほど変化の勾配が小さく、到達温度も低くなる傾向を有する。図8は、含酸素燃料濃度Cfuelが高い場合(Cfuel0)の燃焼器温度Tcmbを太い実線により、低い場合(Cfuel1)の燃焼器温度Tcmbを細い実線により、夫々示している。よって、燃焼器温度Tcmbと含酸素燃料濃度Cfuelとの関係を、実験等を通じて予め把握することで、燃焼器41に対する水含有含酸素燃料の供給を開始した時刻t0後の時刻t1における燃焼器温度Tcmb0、Tcmb1をもとに、含酸素燃料濃度Cfuelを推定することが可能である。
As shown in FIG. 8, the change of the combustor temperature T cmb with respect to time t, specifically, the gradient of the change and the temperature after reaching the equilibrium point (reached temperature) is an adiabatic flame according to the oxygen-containing fuel concentration C fuel . Due to the difference in temperature, it differs depending on the oxygen-containing fuel concentration C fuel , and the lower the oxygen-containing fuel concentration C fuel , the smaller the gradient of change and the lower the ultimate temperature. In FIG. 8, the combustor temperature T cmb when the oxygen-containing fuel concentration C fuel is high (C fuel 0) is shown by a thick solid line, and the combustor temperature T cmb when the oxygen-containing fuel concentration C fuel is low (C fuel 1) is shown by a thin solid line. .. Therefore, by grasping the relationship between the combustor temperature T cmb and the oxygen-containing fuel concentration C fuel in advance through experiments or the like, combustion at time t1 after the time t0 when the supply of the water-containing oxygen-containing fuel to the
図9に示す傾向のテーブルデータを作成し、予めコントローラ51に記憶させておくことで、実際の運転に際し、時刻t1における燃焼器温度Tcmbによりこのテーブルデータを参照し、含酸素燃料濃度Cfuelを推定する。本実施形態では、燃焼器温度Tcmbを検出するコントローラ51の処理により、「温度検出部」の機能を実現する。
By creating the table data of the tendency shown in FIG. 9 and storing it in the
本実施形態によれば、含酸素燃料濃度Cfuelを、濃度センサ等の専用の部品によらずに検出することが可能となる。 According to this embodiment, the oxygen-containing fuel concentration C fuel can be detected without using a dedicated component such as a concentration sensor.
図10は、含酸素燃料濃度Cfuelと燃料電池スタック1の出力Pstkとの関係を示している。
FIG. 10 shows the relationship between the oxygen-containing fuel concentration C fuel and the output P stk of the
改質器23では、含酸素燃料であるエタノールの水蒸気改質により燃料ガスが発生する。ここで、水蒸気改質は、エタノール水溶液の濃度が低いときほど、換言すれば、水含有含酸素燃料の水分が多いときほど優勢となり、より多くの燃料ガス(具体的には、水素)を生じさせる傾向にある。燃料ガスの量が多ければ、燃料電池スタック1の出力もその分増大することから、燃料電池スタック1の出力(以下「スタック出力」という場合がある)Pstkは、エタノール水溶液の濃度に対する相関性を有する。改質器23に対して所定量のエタノール水溶液が供給されている状態で、含酸素燃料濃度Cfuelとスタック出力Pstkとの関係を取得し、テーブルデータとして予めコントローラ51に記憶させておくことで、燃料電池スタック1の運転時におけるスタック出力Pstkをもとに、含酸素燃料濃度Cfuelを推定することが可能である。
In the
ここで、システム起動時では、起動後の通常時とは異なり改質器23の温度が低いため、水蒸気改質が良好に進まず、さらに、燃料電池スタック1自体も低温にある。このことを考慮し、スタック出力Pstkから前回のシステム停止前における含酸素燃料濃度Cfuelを検出するとともに、前回のシステム停止後の経過時間Δtに応じた濃度Cfuelの低下分ΔCによりこれを補正することで(Cfuel=Cfuel-ΔC)、今回のシステム起動時現在の含酸素燃料濃度Cfuelを検出することが可能である。本実施形態では、スタック出力Pstkを検出し、経過時間Δtを計測するコントローラ51の処理により、「出力検出部」および「時間計測部」の機能を実現する。
Here, at the time of system startup, the temperature of the
図11は、システム停止後の経過時間Δtと濃度変化量ΔCとの関係を示している。 FIG. 11 shows the relationship between the elapsed time Δt after the system is stopped and the concentration change amount ΔC.
濃度変化量ΔCは、システム停止からより長い時間が経過するほど増大する傾向を有する。 The concentration change amount ΔC tends to increase as a longer time elapses from the system shutdown.
このように、前回のシステム停止前におけるスタック出力Pstkと前回のシステム停止後の経過時間Δtとをもとに、含酸素燃料濃度Cfuelを、濃度センサ等の専用の部品によらずに検出することができる。 In this way, the oxygen-containing fuel concentration C fuel is detected without using a dedicated component such as a concentration sensor, based on the stack output P stk before the previous system shutdown and the elapsed time Δt after the previous system shutdown. can do.
図12は、含酸素燃料濃度Cfuelと改質器23の入出口温度差ΔTrefとの関係を示している。
FIG. 12 shows the relationship between the oxygen-containing fuel concentration C fuel and the inlet / outlet temperature difference ΔT ref of the
改質器23で生じるエタノールの水蒸気改質反応では、吸熱反応と発熱反応とが同時に進行する。改質器23で生じる反応は、下式(4.1)~(4.7)により表すことができる。ここで、吸熱反応と発熱反応とのいずれが優勢であるかは条件によるものの、吸熱反応が優勢である場合は、改質器23の出口部温度Trefが低下し、入出口間における温度差(以下「入出口温度差」という)ΔTrefが拡大する。他方で、発熱反応が優勢である場合は、改質器23の出口部温度Trefが上昇し、入出口温度差ΔTrefが縮小する。このように、改質器23の入出口温度差ΔTrefは、水含有含酸素燃料の濃度Cfuelとの相関性を有する。
C2H5OH+3H2O → 6H2+2CO2 …(4.1)
C2H5OH → CH3CHO+H2 …(4.2)
CH3CHO → CH4+CO …(4.3)
CH3CHO+H2O → 3H2+2CO …(4.4)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 …(4.5)
C2H5OH → C2H4+H2O …(4.6)
CH4+H2O ⇔ 3H2+CO …(4.7)
In the steam reforming reaction of ethanol generated in the
C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2 … (4.1)
C 2 H 5 OH → CH 3 CHO + H 2 … (4.2)
CH 3 CHO → CH 4 + CO… (4.3)
CH 3 CHO + H 2 O → 3H 2 + 2CO… (4.4)
CO + H 2 O ⇔ CO 2 + H 2 … (4.5)
C 2 H 5 OH → C 2 H 4 + H 2 O… (4.6)
CH 4 + H 2 O ⇔ 3H 2 + CO… (4.7)
図12は、エタノール水溶液の濃度Cfuelと改質器23の入出口温度差ΔTrefとの関係を示している。
FIG. 12 shows the relationship between the concentration C fuel of the aqueous ethanol solution and the inlet / outlet temperature difference ΔT ref of the
改質器23の入出口温度差ΔTrefは、含酸素燃料濃度Cfuelが低いときほど、水蒸気改質反応が優勢となることで出口部温度Trefが低下することから、増大する傾向にある。図12に示す傾向のテーブルデータを作成し、予めコントローラ51に記憶させておく。
The inlet / outlet temperature difference ΔT ref of the
そして、システム起動時では、改質器23の温度Trefが低く、水分量が充分にあったとしても水蒸気改質反応が良好に進行しないことから、入出口温度差ΔTrefから前回のシステム停止前における含酸素燃料濃度Cfuelを検出するとともに、前回のシステム停止後の経過時間Δtに応じた濃度Cfuelの低下分ΔCによりこれを補正することで、今回のシステム起動時現在の含酸素燃料濃度Cfuelを検出する。本実施形態では、入出口温度差ΔTrefを検出し、経過時間Δtを計測するコントローラ51の処理により、「温度差検出部」および「時間計測部」の機能を実現する。
When the system is started, the temperature T ref of the
このように、前回のシステム停止前における改質器23の入出口温度差ΔTrefと前回のシステム停止後の経過時間Δtとをもとに、含酸素燃料濃度Cfuelを、濃度センサ等の専用の部品によらずに検出することができる。
In this way, based on the inlet / outlet temperature difference ΔT ref of the
以上の説明では、燃焼器41を「燃焼器」として位置付け、原燃料の燃焼により生じた熱量または燃焼ガスが有する熱量により、燃料処理部2(蒸発器21、燃料熱交換器22、改質器23)および空気熱交換器31を加熱するとともに、燃料電池スタック1を加熱し、燃料電池システムS全体の暖機を促進させることとした。しかし、これに限らず、改質器23を「燃焼器」として位置付けることも可能である。例えば、システム起動時に、エタノール水溶液および空気を改質器23に供給し、改質用触媒上での両者の反応により発熱量を得て、改質器23ないし改質用触媒の昇温を図るのである。
In the above description, the
図13~15は、その場合の例を示している。 FIGS. 13 to 15 show an example in that case.
図13は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムS1の構成を示しており、図14は、燃料電池システムS1のシステム起動時における作動状態を、図15は、システム起動後の通常時における作動状態を示している。 13 shows the configuration of the fuel cell system S1 according to another embodiment of the present invention, FIG. 14 shows the operating state of the fuel cell system S1 at the time of system startup, and FIG. 15 shows the normal operation state after the system startup. It shows the operating state at the time.
先の実施形態に係るシステムS(図2)との相違点を中心に説明すると、図13に示すように、本実施形態では、カソードガス通路12から分岐する通路として、燃焼器41に接続する第1分岐空気通路12subaに加え、改質器32に接続する第2分岐空気通路12subbが設けられ、第2分岐空気通路12subbには、通路12subbを流れる酸化剤ガス(空気)の流量を調節するための流量制御弁(第2流量制御弁)83が設置されている。これにより、図14に示すように、燃料電池システムS1の起動時に、燃焼器41ばかりでなく、改質器32にも空気を供給して、エタノールと酸素との反応による発熱量を得て、燃焼器41から供給される燃焼ガスによる加熱と相俟って、改質器23のより迅速な昇温を図ることが可能である。ここで、先の実施形態におけると同様に、エタノール水溶液の濃度Cfuelを検出し、これが所定値Cfuel1よりも低く、起動に要する時間の長期化が予測される場合は、燃焼器41および改質器23における空気過剰率λを調整する。本実施形態では、燃焼器41について、基本空気過剰率λ0を1よりも大きな値に設定しており、濃度Cfuelの低下に対して断熱火炎温度Taftを上げるために空気過剰率λを減少させる。他方で、改質器23について、基本空気過剰率λ0を1よりも小さな値に設定しており、断熱火炎温度Taftを上げるために空気過剰率λを増大させる。そして、燃料電池システムSの暖機が完了した後は、図15に示すように、第1および第2分岐空気通路12suba、12subbを通じた燃焼器41および改質器23への空気の供給を停止し、アノードガス通路11を通じて改質後の燃料ガス(水素)を燃料電池スタック1に供給するとともに、カソードガス通路12を通じて加熱後の空気を供給する。
Explaining mainly the differences from the system S (FIG. 2) according to the previous embodiment, as shown in FIG. 13, in the present embodiment, the passage is connected to the
本実施形態では、第1燃料インジェクタ71および第2燃料インジェクタ72が「燃料供給装置」を構成し、エアコンプレッサ81、第1流量制御弁82および第2流量制御弁83が「酸化剤ガス供給装置」を構成する。
In the present embodiment, the
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および修正が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the above-described embodiment shows only a part of the application example of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above-mentioned embodiment. Not the purpose. Various changes and amendments can be made to the above embodiments within the scope of the matters described in the claims.
S…燃料電池システム
1…燃料電池スタック
2…燃料処理部
21…蒸発器
22…燃料熱交換器
23…改質器
3…酸化剤ガス加熱部
31…空気熱交換器
4、41…燃焼器
5、51…コントローラ(制御部)
6、61…燃料タンク(燃料貯蔵部)
7…燃料供給装置
71…第1燃料インジェクタ
72…第2燃料インジェクタ
8…酸化剤ガス供給装置
81…エアコンプレッサ
82…流量制御弁(第1流量制御弁)
83…第2流量制御弁
11…アノードガス通路
12…カソードガス通路
S ...
6, 61 ... Fuel tank (fuel storage)
7 ...
83 ... Second flow
Claims (12)
前記燃料電池の原燃料である水含有含酸素燃料を貯蔵する燃料貯蔵器と、
前記水含有含酸素燃料の燃焼を促進させる触媒を有する燃焼器と、
前記燃料貯蔵器に接続され、前記燃焼器に前記水含有含酸素燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃焼器に対する前記水含有含酸素燃料および酸化剤ガスの供給を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料貯蔵器に貯留されている前記水含有含酸素燃料の濃度を検出する濃度検出部と、
前記燃焼器における前記酸化剤ガスの前記水含有含酸素燃料に対する比率を前記濃度検出部により検出された濃度に応じて調整する比率調整部と、
を備える、燃料電池システム。 With a fuel cell
A fuel reservoir for storing water-containing oxygen-containing fuel, which is the raw material of the fuel cell, and
A combustor having a catalyst that promotes the combustion of the water-containing oxygen-containing fuel, and
A fuel supply device connected to the fuel reservoir and supplying the water-containing oxygen-containing fuel to the combustor.
An oxidant gas supply device that supplies oxidant gas to the combustor,
A control unit that controls the supply of the water-containing oxygen-containing fuel and the oxidant gas to the combustor,
It is a fuel cell system equipped with
The control unit
A concentration detection unit that detects the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel stored in the fuel reservoir, and
A ratio adjusting unit that adjusts the ratio of the oxidant gas to the water-containing oxygen-containing fuel in the combustor according to the concentration detected by the concentration detecting unit.
Equipped with a fuel cell system.
検出された濃度に基づいて前記水含有含酸素燃料の断熱火炎温度を推定し、
推定された前記断熱火炎温度が必要な前記燃焼器の発熱量に応じた目標値に近づくように、前記燃焼器における前記酸化剤ガスの前記水含有含酸素燃料に対する比率を調節する、請求項1に記載の燃料電池システム。 The ratio adjustment unit
The adiabatic flame temperature of the water-containing oxygen-containing fuel is estimated based on the detected concentration.
The ratio of the oxidant gas to the water-containing oxygen-containing fuel in the combustor is adjusted so that the estimated adiabatic flame temperature approaches a target value corresponding to the calorific value of the combustor required. The fuel cell system described in.
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The ratio adjusting unit increases the ratio when the ratio is smaller than 1 in terms of equivalent ratio with respect to the decrease in the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel, and when the ratio is larger than 1 in terms of equivalent ratio. Brings the ratio closer to 1 in terms of equivalent ratio by reducing the ratio.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The ratio adjusting unit controls the operation of the fuel supply device or the oxidant gas supply device to adjust the ratio.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1~4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The concentration detecting unit includes a concentration sensor arranged so as to be able to detect the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel supplied to the combustor.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
前記濃度検出部は、前記燃焼器に対する前記水含有含酸素燃料の供給を開始した後に前記温度検出部により検出された温度をもとに、前記水含有含酸素燃料の濃度を検出する、
請求項1~4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The control unit further includes a temperature detection unit that detects the temperature of the combustor.
The concentration detecting unit detects the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel based on the temperature detected by the temperature detecting unit after starting the supply of the water-containing oxygen-containing fuel to the combustor.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
前記制御部は、前記燃料電池の出力を検出する出力検出部をさらに備え、
前記濃度検出部は、前記出力検出部により検出された出力をもとに、前記水含有含酸素燃料の濃度を検出する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a reformer that produces fuel gas for the fuel cell by treating the water-containing oxygen-containing fuel.
The control unit further includes an output detection unit that detects the output of the fuel cell.
The concentration detecting unit detects the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel based on the output detected by the output detecting unit.
Fuel cell system.
前記濃度検出部は、システム起動時に、前回のシステム停止前に前記出力検出部により検出された出力と、前記時間計測部により計測された経過時間と、をもとに、前記水含有含酸素燃料の濃度を検出する、
請求項7に記載の燃料電池システム。 The control unit further includes a time measurement unit that measures the elapsed time from the previous system stop to the current startup.
The concentration detection unit is the water-containing oxygen-containing fuel based on the output detected by the output detection unit before the previous system stop at the time of system startup and the elapsed time measured by the time measurement unit. Detects the concentration of
The fuel cell system according to claim 7.
前記制御部は、前記改質器の入出口間における温度差を入出口温度差として検出する温度差検出部をさらに備え、
前記濃度検出部は、前記温度差検出部により検出された入出口温度差をもとに、前記水含有含酸素燃料の濃度を検出する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a reformer that produces fuel gas for the fuel cell by treating the water-containing oxygen-containing fuel.
The control unit further includes a temperature difference detecting unit that detects a temperature difference between the inlet and outlet of the reformer as an inlet / outlet temperature difference.
The concentration detecting unit detects the concentration of the water-containing oxygen-containing fuel based on the inlet / outlet temperature difference detected by the temperature difference detecting unit.
Fuel cell system.
前記濃度検出部は、システム起動時に、前回のシステム停止前に前記温度差検出部により検出された入出口温度差と、前記時間計測部により計測された経過時間と、をもとに、前記水含有含酸素燃料の濃度を検出する、
請求項9に記載の燃料電池システム。 The control unit further includes a time measurement unit that measures the elapsed time from the previous system stop to the current startup.
The concentration detection unit is based on the inlet / outlet temperature difference detected by the temperature difference detection unit before the previous system stop at the time of system startup and the elapsed time measured by the time measurement unit. Detect the concentration of oxygen-containing fuel contained,
The fuel cell system according to claim 9.
請求項1~10のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The water-containing oxygen-containing fuel is an aqueous ethanol solution.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10.
前記燃料電池システムの起動時において、
前記水含有含酸素燃料を触媒上で燃焼させ、
燃焼により生じた燃焼ガスを熱源として、前記燃料電池システムを暖機し、
燃料貯蔵器に貯留されている前記水含有含酸素燃料の濃度を検出し、
前記燃焼に供する酸化剤ガスの前記水含有含酸素燃料に対する比率を、検出した前記水含有含酸素燃料の濃度に応じて調整する、
燃料電池システムの制御方法。 It is a control method of a fuel cell system that controls a fuel cell system that supplies fuel gas generated by processing a water-containing oxygen-containing fuel to a fuel cell.
At the time of starting the fuel cell system,
The water-containing oxygen-containing fuel is burned on the catalyst to be burned.
Using the combustion gas generated by combustion as a heat source, the fuel cell system is warmed up.
The concentration of the water-containing oxygen-containing fuel stored in the fuel reservoir is detected, and the concentration is detected.
The ratio of the oxidant gas to be used for combustion to the water-containing oxygen-containing fuel is adjusted according to the detected concentration of the water-containing oxygen-containing fuel.
How to control the fuel cell system.
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