JP7110859B2 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- JP7110859B2 JP7110859B2 JP2018173980A JP2018173980A JP7110859B2 JP 7110859 B2 JP7110859 B2 JP 7110859B2 JP 2018173980 A JP2018173980 A JP 2018173980A JP 2018173980 A JP2018173980 A JP 2018173980A JP 7110859 B2 JP7110859 B2 JP 7110859B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- temperature
- fuel
- fuel cell
- combustor
- flow rate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、燃料を触媒上で燃焼させる燃焼器を備える燃料電池システムおよびその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system equipped with a combustor that burns fuel on a catalyst and a method of operating the same.
特許文献１には、燃料電池システムへの適用を明示的に想定したものではないが、燃料を触媒上で燃焼させる燃焼器について、燃焼器に供給される燃料および空気の流量を、空気過剰率が燃焼安定性を保ち得る範囲に収まるように制御することが開示されている。
Although it is not explicitly assumed to be applied to a fuel cell system in
特許文献１の技術によれば、燃焼器に供給される空気の流量に対し、燃焼の安定確保上適切な燃料の流量を設定することが可能となる。しかし、燃焼器に供給される燃料の流量を、単に空気の流量に応じて設定するだけでは、次のことが問題となる。
According to the technique disclosed in
第１に、燃焼器に供給される空気の温度が低い場合は、燃焼ガスの温度を確保するため、空気の温度が高い場合と比較して、同一の空気の流量のもとで設定される燃料の流量が増大される傾向にある。これにより、触媒上での燃焼に寄与する燃料の量が増大し、触媒の表面温度が過度に上昇して、触媒の劣化を進行させる懸念があることである。 First, when the temperature of the air supplied to the combustor is low, in order to ensure the temperature of the combustion gas, it is set under the same air flow rate as compared to when the air temperature is high. Fuel flow tends to be increased. As a result, the amount of fuel that contributes to combustion on the catalyst increases, the surface temperature of the catalyst rises excessively, and there is concern that deterioration of the catalyst will progress.
第２に、燃焼器を高い出力で運転させる場合は、燃焼器に供給される燃料と空気とがいずれも増量されることで、燃焼ガスの温度自体にさしたる違いは生じないとしても、触媒上での燃焼に寄与する燃料の量が増大することから、はやり、触媒の劣化を進行させることが懸念される。 Second, when the combustor is operated at a high output, the amount of both fuel and air supplied to the combustor is increased. Since the amount of fuel that contributes to the combustion of the fuel increases, there is concern that deterioration of the catalyst will progress.
燃料電池システムへの燃焼器の適用を想定した場合は、燃焼器に供給される空気の流量が燃料電池の運転条件に応じて大きく変動するうえ、カソードガス系の構成によっては燃焼器に供給される空気の温度も変化することから、以上の問題がより顕著となる。 When assuming the application of a combustor to a fuel cell system, the flow rate of air supplied to the combustor fluctuates greatly depending on the operating conditions of the fuel cell. The above problems become more pronounced because the temperature of the air in which the air flows is also changed.
そこで、本発明は、燃焼器に備わる触媒の劣化をより適切に抑制可能な燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a method of operating the same that can more appropriately suppress deterioration of a catalyst provided in a combustor.
本発明の一形態では、燃料電池と、燃料と酸化剤ガスとが供給され、燃料を触媒上で燃焼させる燃焼器と、を備え、燃焼器が生じさせる燃料の燃焼ガスにより燃料電池を加熱可能に構成された燃料電池システムにおいて、燃焼器における燃焼状態を制御する燃料電池システムの運転方法が提供される。本形態では、燃焼器に供給される酸化剤ガスの温度を検出し、燃焼器に備わる触媒の上限表面温度に応じた燃焼ガスの上限温度を、酸化剤ガスの温度をもとに設定し、燃焼ガスの温度を上限温度以下に制限するように、燃焼器に供給される燃料の流量を制御する。 In one aspect of the present invention, a fuel cell and a combustor supplied with a fuel and an oxidant gas are provided to burn the fuel on a catalyst, and the fuel combustion gas generated by the combustor can heat the fuel cell. A fuel cell system operating method for controlling a combustion state in a combustor is provided. In this embodiment, the temperature of the oxidant gas supplied to the combustor is detected, and the upper limit temperature of the combustion gas corresponding to the upper limit surface temperature of the catalyst provided in the combustor is set based on the temperature of the oxidant gas, The flow rate of fuel supplied to the combustor is controlled so as to limit the temperature of the combustion gas to below the upper temperature limit.
他の形態では、燃料電池システムが提供される。 In another form, a fuel cell system is provided.
本発明によれば、燃焼器に備わる触媒の上限表面温度に応じた燃焼ガスの上限温度を設定し、燃焼ガスの温度を上限温度以下に制限するように、燃焼器に供給される燃料の流量を制御することで、触媒の表面温度がその上限温度を超えて上昇するのを回避することが可能となり、触媒の劣化を抑制することができる。さらに、燃焼ガスの上限温度を、酸化剤ガスの温度をもとに設定することで、燃焼ガスの上限温度を、触媒の表面温度の過度な上昇を回避するのに適したものとし、表面温度の上昇による触媒の劣化をより適切に抑制することができる。 According to the present invention, the upper limit temperature of the combustion gas is set according to the upper limit surface temperature of the catalyst provided in the combustor, and the flow rate of the fuel supplied to the combustor so as to limit the temperature of the combustion gas to the upper limit temperature or less. By controlling , it is possible to prevent the surface temperature of the catalyst from rising beyond its upper limit temperature, thereby suppressing deterioration of the catalyst. Furthermore, by setting the upper limit temperature of the combustion gas based on the temperature of the oxidant gas, the upper limit temperature of the combustion gas is set to a value suitable for avoiding an excessive rise in the surface temperature of the catalyst. deterioration of the catalyst due to an increase in .
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の構成を概略的に示している。
(Overall configuration of fuel cell system)
FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell system S according to one embodiment of the 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２１～２３と、酸化剤ガス加熱部３と、燃焼器４と、システムコントローラ１０１と、を備える。
A fuel cell system S according to the present embodiment (hereinafter referred to as "fuel cell system", sometimes simply referred to as "system") 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、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。 A fuel cell stack (hereinafter sometimes simply referred to as "stack") 1 is configured by stacking a plurality of fuel cells or fuel cell unit cells, and each fuel cell, which is a power generation source, is made of, for example, a solid oxide type It is a fuel cell (SOFC).
燃料処理部２１～２３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に変換する。燃料処理部２１～２３は、アノードガス供給通路１１に介装され、原燃料の供給を受ける。本実施形態において、原燃料は、含酸素燃料と水との混合物であり、アノードガス供給通路１１に接続された燃料タンク７に貯蔵されている。本実施形態に適用可能な原燃料として、エタノールと水との混合物（つまり、エタノール水溶液）を例示することができ、その場合の燃料ガスは、エタノールの改質により得られる水素である。
The
酸化剤ガス加熱部３は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１への供給前に加熱する。酸化剤ガス加熱部３は、カソードガス供給通路１２に介装され、酸化剤ガスの供給を受ける。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スタック１のカソード極に供給することで、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
ここで、固体酸化物形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 reactions related to power generation at the anode and cathode of the solid oxide fuel cell can be expressed by the following equations.
Anode electrode: 2H 2 +4O 2− →2H 2 O+4e − (1.1)
Cathode: O 2 +4e − →2O 2− (1.2)
燃焼器４は、暖機後の通常システム運転時において、燃料電池スタック１から排出されるオフガス中の残燃料（つまり、残水素）を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。本実施形態において、燃焼器４は、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に接続され、これらの通路１１ｅｘｈ、１２ｅｘｈを通じてアノードオフガスおよびカソードオフガスの供給を受ける。燃焼ガスは、図中太い点線でその概略を示す燃焼ガス通路１３を介して燃料処理部２１～２３および酸化剤ガス加熱部３に供給され、燃焼ガスが有する熱量は、原燃料であるエタノール水溶液および酸化剤ガスである空気の加熱に用いられる。
During normal system operation after warming up, the
燃料電池システムＳの構成についてさらに説明すると、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供給通路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供給通路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と、を備える。
The configuration of the fuel cell system S will be further described. In the cathode system, a cathode
そして、燃料タンク７と燃料電池スタック１のアノード極とを接続するアノードガス供給通路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。さらに、蒸発器２１の上流側でアノードガス供給通路１１から分岐燃料通路１１ｓｕｂが分岐し、分岐燃料通路１１ｓｕｂは、燃焼器４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供給通路１１には、第１燃料インジェクタ５１が、分岐燃料通路１１ｓｕｂには、第２燃料インジェクタ５２が、夫々介装されている。
An anode
蒸発器２１は、燃料タンク７から原燃料である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、エタノールガスおよび水蒸気をさらに加熱する。
A
改質器２３は、改質用触媒を内蔵し、気体の状態にあるエタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。
Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋３Ｈ2Ｏ → ６Ｈ2＋２ＣＯ2 …（２）
The
C2H5OH + 3H2O-> 6H2 + 2CO2 ( 2 )
酸化剤ガス加熱部３は、空気熱交換器により構成され、燃焼ガスとの熱交換により、カソードガス供給通路１２を流れる酸化剤ガスを加熱する。本実施形態では、カソードガス供給通路１２の開放端付近にブロアないしエアコンプレッサ６が設置され、酸化剤ガスである大気中の空気が、ブロア６を介してカソードガス供給通路１２に吸入される。吸入された空気は、酸化剤ガス加熱部３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。
The oxidant
燃焼器４は、燃焼用触媒を内蔵し、燃料電池スタック１からアノードオフガスの供給を受け、アノードオフガス中の残燃料の触媒燃焼により燃焼ガスを生成する。燃焼器４は、アノードオフガスに加え、分岐燃料通路１１ｓｕｂを通じて原燃料であるエタノール水溶液の供給を受けることも可能であり、その場合は、燃焼ガスの生成に際し、残燃料に加えてエタノールをも燃焼させる。残燃料とエタノール水溶液とのうち、残燃料のみの供給を受けることも可能であることは、勿論である。
The
本実施形態では、燃焼器４に対し、その上流側に隣接させて加熱器４１が付設されている。加熱器４１は、電気ヒータを備えるとともに、燃焼器４に備わるものと同一であるか、異なる組成の燃焼用触媒を内蔵し、燃焼器４に供給される燃料、つまり、燃料電池スタック１のカソードオフガスを、基本的には、燃焼器４への流入前に、電気ヒータおよび触媒の双方により加熱する。加熱器４１による加熱は、電気ヒータのみによるものであってもよく、例えば、触媒が未活性の状態にある場合に、燃料ないしカソードオフガスを、電気ヒータにより加熱して、燃焼器４に供給することが可能である。
In this embodiment, a
システムコントローラ１０１は、燃料電池システムＳの運転中、蒸発器２１および燃焼器４に対する原燃料の供給（燃焼器４への供給は、加熱器４１を介したものとなる）を制御するとともに、酸化剤ガス加熱部３に対する酸化剤ガスの供給を制御する。システムコントローラ１０１は、電子制御ユニットとして構成することが可能であり、第１燃料インジェクタ５１、第２燃料インジェクタ５２およびブロア６は、システムコントローラ１０１からの信号に応じて作動し、蒸発器２１および燃焼器４に原燃料を供給するとともに、酸化剤ガス加熱部３に酸化剤ガスを供給する。
During the operation of the fuel cell system S, the
燃料電池スタック１の発電電力は、図示しない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可能であり、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たり、車両の目標駆動力に応じた電力をバッテリおよび燃料電池スタック１から走行用のモータジェネレータに供給したりすることができる。
The power generated by the
（制御システムの構成およびその基本的な動作）
本実施形態において、システムコントローラ１０１は、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の各種記憶ユニット、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、第１燃料インジェクタ５１、第２燃料インジェクタ５２およびブロア６等、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を制御する。
(Configuration of control system and its basic operation)
In this embodiment, the
システムコントローラ１０１は、燃料電池システムＳの制御に関わる情報として、アノード入口温度Ｔａｎｄ＿ｉｎｔを検出するアノード入口温度センサ２０１からの信号、カソード入口温度Ｔｃｔｈ＿ｉｎｔを検出するカソード入口温度センサ２０２からの信号、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔを検出するスタック出口温度センサ２０３からの信号、燃料流量Ｑｆを検出する燃料流量センサ２０４からの信号、酸化剤ガス流量Ｑａｉｒを検出する酸化剤ガス流量センサ２０５からの信号、燃料温度Ｔｆを検出する燃料温度センサ２０６からの信号、酸化剤ガス温度Ｔａｉｒを検出する酸化剤ガス温度センサ２０７からの信号、燃焼ガス温度Ｔｃｍｂを検出する燃焼ガス温度センサ２０８からの信号、スタック電圧Ｖｓｔｋを検出するスタック電圧センサ２０９からの信号、スタック電流Ｉｓｔｋを検出するスタック電流センサ２１０からの信号を入力するほか、システム起動スイッチ２１１およびアクセルセンサ２１２からの信号を入力する。
The
アノード入口温度Ｔａｎｄ＿ｉｎｔは、燃料電池スタック１のアノード極に供給されるアノードガスの温度であり、スタック入口部付近に設置されたアノード入口温度センサ２０１の出力をもってアノード入口温度Ｔａｎｄ＿ｉｎｔとする。
The anode inlet temperature Tand_int is the temperature of the anode gas supplied to the anode of the
カソード入口温度Ｔｃｔｈ＿ｉｎｔは、燃料電池スタック１のカソード極に供給されるカソードガスの温度であり、スタック入口部付近に設置されたカソード入口温度センサ２０２の出力をもってカソード入口温度Ｔｃｔｈ＿ｉｎｔとする。
The cathode inlet temperature Tcth_int is the temperature of the cathode gas supplied to the cathode of the
スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔは、燃料電池スタック１から排出されるオフガスの温度であり、燃料電池スタック１のカソード出口部付近に設定されたスタック出口温度センサ２０３の出力をもってスタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔとする。本実施形態では、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔを、燃焼器４に供給される酸化剤ガスの温度の指標とする。
The stack outlet temperature Tstk_out is the temperature of the off-gas discharged from the
燃料流量Ｑｆは、燃料電池スタック１のアノード極に供給される燃料ガスの流量であり、蒸発器２１の上流側のアノードガス供給通路１１に燃料流量センサ２０４を設置し、これにより検出された流量を燃料ガスの流量に換算し、これを燃料流量Ｑｆとする。
The fuel flow rate Qf is the flow rate of the fuel gas supplied to the anode of the
酸化剤ガス流量Ｑａｉｒは、燃料電池スタック１のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量であり、酸化剤ガス加熱部３の上流側のカソードガス供給通路１２に設置された酸化剤ガス流量センサ２０５の出力をもって酸化剤ガス流量Ｑａｉｒとする。本実施形態では、酸化剤ガス流量Ｑａｉｒを、燃焼器４に供給される酸化剤ガスの流量の指標とする。
The oxidant gas flow rate Qair is the flow rate of the oxidant gas supplied to the cathode of the
燃料温度Ｔｆは、燃料電池スタック１のアノード極に供給される燃料ガスの温度であり、改質器２３の出口部付近に設置された燃料温度センサ２０６の出力をもって燃料温度Ｔｆとする。
The fuel temperature Tf is the temperature of the fuel gas supplied to the anode of the
酸化剤ガス温度Ｔａｉｒは、燃料電池スタック１のカソード極に供給される酸化剤ガスの温度であり、酸化剤ガス加熱部３である空気熱交換器の出口部付近に設置された酸化剤ガス温度センサ２０７の出力をもって酸化剤ガス温度Ｔａｉｒとする。
The oxidant gas temperature Tair is the temperature of the oxidant gas supplied to the cathode of the
燃焼ガス温度Ｔｃｍｂは、燃焼器４により生成される燃焼ガスの温度であり、燃焼器４の出口部付近に設置された燃焼ガス温度センサ２０８の出力をもって燃焼ガス温度Ｔｃｍｂとする。
The combustion gas temperature Tcmb is the temperature of the combustion gas generated by the
スタック電圧Ｖｓｔｋは、燃料電池スタック１の発電電圧であり、燃料電池スタック１の端子間にかかる電圧を検出可能に設置されたスタック電圧センサ２０９の出力をもってスタック電圧Ｖｓｔｋとする。
The stack voltage Vstk is the voltage generated by the
スタック電流Ｉｓｔｋは、燃料電池スタック１の発電電流であり、燃料電池スタック１の端子間を流れる電流を検出可能に設置されたスタック電流センサ２１０の出力をもってスタック電流Ｉｓｔｋとする。
The stack current Istk is the current generated by the
システム起動スイッチ２１１は、運転者により操作され、運転者の操作に応じて燃料電池システムＳの起動要求を示す信号を出力する。
The
アクセルセンサ２１２は、運転者によるアクセルペダルの操作量（以下「アクセル操作量」という）を検出するものであり、アクセル操作量は、車両の走行駆動力の指標であり、本実施形態では、これをもとに燃料電池スタック１の目標出力を設定する。
The
システムコントローラ１０１は、システム起動スイッチ２１１から燃料電池システムＳの起動要求を入力すると、燃料電池スタック１の暖機を行う起動制御を実行する。燃料電池スタック１の暖機とは、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ことをいう。
When the
そして、燃料電池スタック１の温度が動作温度に達すると、システムコントローラ１０１は、起動制御を終了し、通常時の発電制御に移行する。通常時では、基本的には、燃料電池スタック１をその定格点で運転させ、定格運転に要する流量の原燃料を、第１燃料インジェクタ５１を介して蒸発器２１に供給する。ここで、燃料電池スタック１の定格運転とは、燃料電池スタック１の最大発電出力での運転をいう。
Then, when the temperature of the
（燃料電池システムの基本動作）
図２および３は、燃料電池システムＳの動作を示す。図２は、起動時における動作を、図３は、通常時における動作を、夫々示している。図中矢印付きの太い実線は、ガスまたは液体の流れのある通路を示し、矢印のない細い実線は、流れのない通路を示す。
(Basic operation of fuel cell system)
2 and 3 illustrate the operation of the fuel cell system S. FIG. FIG. 2 shows the operation at startup, and FIG. 3 shows the operation at normal time. Thick solid lines with arrows in the figure indicate passages with gas or liquid flow, and thin solid lines without arrows indicate passages without flow.
起動時（図２）では、第１燃料インジェクタ５１を停止させる一方、第２燃料インジェクタ５２を作動させ、燃料タンク７に貯蔵されている原燃料を、第２燃料インジェクタ５２を介して燃焼器４に供給する。燃焼器４への原燃料の供給は、加熱器４１を介してなされる。加熱器４１では、触媒が未活性の状態にあるか、原燃料の充分な燃焼状態が得られない場合に、電気ヒータを作動させ、電気ヒータにより原燃料を加熱する。他方で、大気中の空気をブロア６によりカソードガス供給通路１２に取り込み、酸化剤ガス加熱部３を介して燃料電池スタック１に供給する。燃料電池スタック１を通過した空気は、カソードオフガス通路１２ｅｘｈを流れ、原燃料の酸化剤として燃焼器４に供給される。燃焼により生じた燃焼ガスが燃焼ガス通路１３を介して改質器２３、燃料熱交換器２２、酸化剤ガス加熱部３である空気熱交換器および蒸発器２１に供給される。このように、起動時では、原燃料の燃焼により生じた輻射熱により燃料電池スタック１が加熱されるとともに、酸化剤ガス加熱部３で加熱された空気を熱媒体としてさらに加熱され、燃焼電池スタック１の暖機が促進される。
At start-up ( FIG. 2 ), the
これに対し、通常時（図３）では、第１燃料インジェクタ５１を作動させ、燃料タンク７に貯蔵されている原燃料を、第１燃料インジェクタ５１を介して蒸発器２１を含む燃焼処理部２１～２３に供給する。これに併せ、ブロア６を作動させ、酸化剤ガスである空気を、酸化剤ガス加熱部３を介して燃料電池スタック１に供給する。燃料電池スタック１から排出される発電反応後のオフガス（アノードオフガス、カソードオフガス）は、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を介して加熱器４１に導入され、加熱器４１を介して燃焼器４に供給される。アノードオフガス中の残燃料が加熱器４１および燃焼器４の触媒上で燃焼し、これにより生じた燃焼ガスが燃焼ガス通路１３を介して燃料処理部２１～２３および酸化剤ガス加熱部３に供給される。これにより、燃料処理部２１～２３および酸化剤ガス加熱部３が加熱され、蒸発器２１が原燃料（エタノール水溶液）を蒸発可能な温度に維持されるとともに、改質器２３が原燃料（エタノール）を改質可能な温度に維持される。
On the other hand, in the normal state (FIG. 3), the
ここで、起動時における原燃料の供給流量（つまり、第２燃料インジェクタ５２の噴射流量）は、基本的には、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔをもとに設定する。具体的には、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔに、燃料電池スタック１の入口側と出口側との間で許容される所定の温度差ΔＴｓｔｋを加算したものを、目標スタック入口温度Ｔｉｎｔ＿ｔｒｇ（＝Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ＋ΔＴｓｔｋ）として設定する。そして、酸化剤ガス、つまり、大気中から取り込んだ常温の空気を目標スタック入口温度Ｔｉｎｔ＿ｔｒｇにまで上昇させるうえで酸化剤ガス加熱部３に供給されるべき熱量に応じた原燃料の流量を算出し、これを起動時における原燃料の供給流量に設定する。
Here, the raw fuel supply flow rate (that is, the injection flow rate of the second fuel injector 52) at startup is basically set based on the stack outlet temperature Tstk_out. Specifically, the target stack inlet temperature Tint_trg (=Tstk_out+ΔTstk) is set by adding a predetermined temperature difference ΔTstk allowed between the inlet side and the outlet side of the
これに対し、通常時における原燃料の供給流量（つまり、第１燃料インジェクタ５１の噴射流量）は、燃料電池スタック１に要求される出力、換言すれば、燃料電池スタック１の負荷をもとに設定する。燃料電池スタック１の温度維持に要する熱量を燃焼器４により生じさせるのにアノードオフガス中の残燃料だけでは不足する場合は、第１燃料インジェクタ５１に加えて第２燃料インジェクタ５２をも作動させ、燃焼器４に対し、不足分に相当する流量の原燃料を、第２燃料インジェクタ５２を介して供給する（図４）。
On the other hand, the supply flow rate of the raw fuel (that is, the injection flow rate of the first fuel injector 51) in the normal state is based on the output required of the
システムコントローラ１０１は、燃料電池システムＳの運転時全体を通じ、換言すれば、燃料電池システムＳの起動時、通常時および停止時の全てに亘って燃焼器４における燃焼状態を制御する。そして、燃焼ガスの温度Ｔｃｍｂを、燃焼器４（本実施形態では、燃焼器４および加熱器４１）に備わる触媒の温度、特にその表面温度が上限温度を超えて上昇するのを回避することのできる温度に制限する。触媒の表面温度の上限は、例えば、９００℃である。
The
ここで、燃焼器４の制御に対する理解を促すため、燃焼ガスの温度Ｔｃｍｂと触媒の表面温度Ｔｃａｔとの関係について簡単に説明する。
Here, in order to facilitate understanding of the control of the
図５は、燃焼器４に備わる触媒の表面およびその近傍を拡大して示したものであり、燃焼器４に供給される酸化剤ガスと触媒の表面との間における熱の授受の関係を模式的に示している。温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔで燃焼器４に供給された酸化剤ガスＧが、原燃料の燃焼による反応熱（発熱流Ｈｃ）を触媒の表面（温度Ｔｃａｔ）から受け、温度Ｔｃｍｂの燃焼ガスとして燃焼器４から流出する様子を示している。
FIG. 5 is an enlarged view of the surface of the catalyst provided in the
触媒の表面温度Ｔｃａｔと燃焼ガスの温度Ｔｃｍｂとの関係は、触媒上での燃焼により生じる発熱流Ｈｃに対し、次のような関係にある。
Ｔｃｍｂ＝Ｔｃａｔ－Ｈｃ／（Ａ×ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）） …（１）
The relationship between the surface temperature Tcat of the catalyst and the temperature Tcmb of the combustion gas is as follows with respect to the heat flow Hc generated by combustion on the catalyst.
Tcmb=Tcat−Hc/(A×hw(Tstk_out)) (1)
式（１）中、Ａは、反応部の表面積を示し、ｈｗ（Ｔ）は、温度Ｔにおける境膜伝熱係数を示す。Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔは、スタック出口温度であるが、燃焼器４に供給される酸化剤ガスの温度、換言すれば、燃焼器４の入口温度の指標として採用する。
In formula (1), A represents the surface area of the reaction zone, and hw(T) represents the film heat transfer coefficient at temperature T. Tstk_out, which is the stack outlet temperature, is employed as an index of the temperature of the oxidant gas supplied to the
式（１）は、触媒の表面で燃焼による熱が発生し、その熱が触媒の表面から酸化剤ガスに伝達される際に形成される温度差（＝Ｔｃａｔ－Ｔｃｍｂ）の分だけ、触媒の表面温度Ｔｃａｔが燃焼ガスの温度Ｔｃｍｂよりも高いことを示している。 Equation (1) is based on the temperature difference (=Tcat−Tcmb) formed when heat is generated by combustion on the surface of the catalyst and the heat is transferred from the surface of the catalyst to the oxidant gas. It shows that the surface temperature Tcat is higher than the combustion gas temperature Tcmb.
さらに、燃焼器４に供給される酸化剤ガスの温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔと触媒の表面温度Ｔｃａｔとの関係を示すと、次のようである。
Ｈｃ＝ｃｐ×Ｑａｉｒ×（Ｔｃｍｂ－Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ） …（２）
Ｈｃ＝［ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）×Ａ×ｃｐ×Ｑａｉｒ／｛ｃｐ×Ｑａｉｒ＋ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）×Ａ｝×[Ｔｃａｔ－Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ] …（３）
Furthermore, the relationship between the temperature Tstk_out of the oxidant gas supplied to the
Hc=cp×Qair×(Tcmb−Tstk_out) (2)
Hc=[hw(Tstk_out)×A×cp×Qair/{cp×Qair+hw(Tstk_out)×A}×[Tcat−Tstk_out] (3)
式（２）および（３）中、ｃｐは、酸化剤ガスの比熱を示し、Ｑａｉｒは、燃焼器４に供給される酸化剤ガスの流量を示す。
In equations (2) and (3), cp represents the specific heat of the oxidant gas, and Qair represents the flow rate of the oxidant gas supplied to the
ここで、式（１）と式（３）とを対比すると、触媒の表面温度Ｔｃａｔがその上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔ（例えば、９００℃）で一定であるとした場合に、式（３）によれば、酸化剤ガスの温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔの上昇に対し、発熱流Ｈｃが減少する。そして、発熱流Ｈｃが減少した場合は、式（１）から、触媒の表面温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔである場合の燃焼ガスの温度、つまり、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔが上昇する。よって、燃焼器４に供給される酸化剤ガスが高温であるときほど、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを触媒の上限表面温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔにより近い温度にまで上昇させることが可能である。これに対し、酸化剤ガスの温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔが低下した場合は、発熱流Ｈｃが増大することから（式（３））、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを酸化剤ガスが高温であるときと同様に維持したとすれば、触媒の表面温度Ｔｃａｔがその上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔを超えて上昇することになる（式（１））。よって、燃焼器４に供給される酸化剤ガスが低温であるときほど、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを低下させることが必要となる。
Comparing equation (1) and equation (3), if the surface temperature Tcat of the catalyst is constant at its upper limit temperature Tcat_lmt (for example, 900° C.), according to equation (3), The heat flow Hc decreases as the temperature Tstk_out of the oxidizing gas increases. Then, when the heat flow Hc decreases, the temperature of the combustion gas when the surface temperature Tcat of the catalyst is the upper limit temperature Tcat_lmt, that is, the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas rises according to equation (1). Therefore, the higher the temperature of the oxidant gas supplied to the
図６は、燃焼器４の出力に応じた触媒表面温度Ｔｃａｔの変化を、燃焼器４内部の位置に対して示している。高出力時における触媒表面温度Ｔｃａｔ＿ｈを太い実線により、低出力時における触媒表面温度Ｔｃａｔ＿ｌを二点鎖線により、夫々示している。高出力時と低出力時とで、燃焼器４における空気過剰率λは、一定である。このように、触媒表面温度Ｔｃａｔは、空気過剰率λが一定であり、燃焼ガス自体の温度Ｔｃｍｂに変化が見られない場合であっても燃焼器４の出力に応じて変化し、出力の増大に対して上昇する傾向を有する。
FIG. 6 shows changes in the catalyst surface temperature Tcat as a function of the output of the
酸化剤ガスの温度Ｔａｉｒに対する関係についても同様であり、燃焼器４に供給される酸化剤ガスが低温である場合は、高温である場合と比較して同じ目標燃焼ガス温度を達成するのにより多くの原燃料を要するため、燃焼に寄与する原燃料の量が増大し、触媒表面温度Ｔｃａｔが上昇する。
The same is true for the relationship to the temperature Tair of the oxidant gas: when the oxidant gas supplied to the
式（１）および（３）を纏めると、次式を得る。
Ｔｃｍｂ＝｛ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）×Ａ×Ｔｃａｔ＋ｃｐ×Ｑａｉｒ×Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ｝／｛ｃｐ×Ｑａｉｒ＋ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）×Ａ｝ …（４）
Combining equations (1) and (3), we obtain the following equation.
Tcmb={hw(Tstk_out)*A*Tcat+cp*Qair*Tstk_out}/{cp*Qair+hw(Tstk_out)*A} (4)
そして、触媒の表面温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔを超えて上昇した場合は、触媒の焼結等により、触媒の劣化が進行することが懸念される。 Then, when the surface temperature Tcat of the catalyst rises above the upper limit temperature Tcat_lmt, there is concern that deterioration of the catalyst will progress due to sintering of the catalyst or the like.
（燃焼制御に係る具体的な説明）
システムコントローラ１０１のうち、燃焼器４の燃焼状態の制御に係る燃焼制御部１０１Ａの構成を、図７～１０、１２および１３を参照して説明する。
(Specific explanation of combustion control)
In the
図７は、燃焼制御部１０１Ａの全体的な構成を示している。
FIG. 7 shows the overall configuration of the
燃焼制御部１０１Ａは、大別すると、燃料流量設定部１１１、燃料上限流量設定部１１２、第１目標燃料流量設定部１１３および第２目標燃料流量設定部１１４から構成される。燃焼制御部１０１Ａが行う制御は、概して、次のようである。
101 A of combustion control parts are comprised roughly by the fuel flow
燃焼制御部１０１Ａは、燃料電池スタック１の温度維持に要する熱量の観点から第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１を設定するとともに、燃料電池スタック１に要求される出力Ｐｓｔｋの観点から第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２を設定する。他方で、燃焼制御部１０１Ａは、触媒の温度上昇を抑制する際の判定に用いる燃料流量、具体的には、触媒の表面温度Ｔｃａｔをその上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｉｍ以下に制限するための燃料上限流量Ｑｆ＿ｌｉｍを設定する。そして、燃料流量設定部１１１において、第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１、第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２および燃料上限流量Ｑｆ＿ｌｉｍに基づき、第１燃料インジェクタ５１の噴射流量Ｑｆ１および第２燃料インジェクタ５２の噴射流量Ｑｆ２を設定する。本実施形態では、基本的には、第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２を、第１燃料インジェクタ５１の噴射流量Ｑｆ１とし、第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１に対する第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２の不足分の流量ΔＱｆを、第２燃料インジェクタ５２の噴射流量Ｑｆ２とする。
The
図８は、燃料流量設定部１１１の構成を示している。
FIG. 8 shows the configuration of the fuel flow
燃料流量設定部１１１は、大まかには、３つの比較器１１１ａ～１１１ｃから構成される。
The fuel flow
第１比較器１１１ａは、第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１と燃料上限流量Ｑｆ＿ｌｉｍとを入力し、これら２つの入力値のうち、小さい方の値を第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１として出力する。第２比較器１１１ｂは、第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２と燃料上限流量Ｑｆ＿ｌｉｍとを入力し、これら２つの入力値のうち、小さい方の値を第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２として出力する。つまり、第１および第２比較器１１１ａ、１１１ｂは、その出力値である第１および第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１、Ｑｆ＿ｔｒｇ２を、燃料上限流量Ｑｆ＿ｌｉｍ以下に制限するものである。
The
そして、既に述べたように、制限後の第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２を、第１燃料インジェクタ５１の噴射流量Ｑｆ１に設定する一方、制限後の第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１と第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２との差分ΔＱｆ（＝Ｑｆ＿ｔｒｇ１－Ｑｆ＿ｔｒｇ２）を算出し、これを第２燃料インジェクタ５２の噴射流量Ｑｆ２に設定する。第３比較器１１１ｃは、差分ΔＱｆと０とを入力し、これら２つの入力値のうち、大きい方の値を第２燃料インジェクタ５２の噴射流量Ｑｆ２として出力する。
Then, as already described, while the second target fuel flow rate Qf_trg2 after restriction is set to the injection flow rate Qf1 of the
図９は、燃料上限流量設定部１１２の構成を示している。
FIG. 9 shows the configuration of the upper fuel flow
燃料上限流量設定部１１２は、大まかには、燃焼ガス上限温度演算部１１２ａと、燃料上限流量演算部１１２ｂと、から構成される。
The fuel upper flow
本実施形態において、燃焼ガス上限温度演算部１１２ａは、触媒上限表面温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔおよびスタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔを入力し、上式（１）に基づき、酸化剤ガス温度（スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）に応じた燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを算出する。
In the present embodiment, the combustion gas upper
燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔは、酸化剤ガスに関してその温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔに基づくばかりでなく、温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔおよび流量Ｑａｉｒの双方をもとに算出することも可能である。その場合の演算は、上式（４）による。ここで、上式（４）において、酸化剤ガス流量Ｑａｉｒを一定とし、例えば、ブロア６の性能上想定される最大流量とすることで、演算の簡略化を図ることが可能である。
The combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt can be calculated not only based on the temperature Tstk_out of the oxidant gas, but also based on both the temperature Tstk_out and the flow rate Qair. The calculation in that case is based on the above formula (4). Here, in the above equation (4), the calculation can be simplified by setting the oxidizing gas flow rate Qair to be constant, for example, the maximum flow rate assumed in terms of the performance of the
図１１は、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔと燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔとの関係を示している。 FIG. 11 shows the relationship between the stack outlet temperature Tstk_out and the combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt.
燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔは、上式（１）等に基づく計算によるばかりでなく、同図に示す傾向のテーブルデータをシステムコントローラ１０１に予め記憶させておき、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔに基づくこのテーブルデータからの検索により求めるようにしてもよい。燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔは、スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔの上昇に対して増加する傾向を有する。スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔに応じた燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔは、触媒の表面温度Ｔｃａｔがその上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔであるときの燃焼ガス温度か、それよりも低い温度として、実験により予め把握することが可能である。そして、燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔのテーブルデータを酸化剤ガスの流量Ｑａｉｒ毎に作成し、マップ化することができる。 The combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt is not only calculated based on the above equation (1), etc., but is also calculated from the table data of the tendency shown in FIG. may be obtained by searching for The combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt tends to increase as the stack outlet temperature Tstk_out rises. The combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt corresponding to the stack outlet temperature Tstk_out can be grasped in advance by experiments as the combustion gas temperature when the catalyst surface temperature Tcat is the upper limit temperature Tcat_lmt or a lower temperature. . Then, table data of the combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt can be created for each oxidizing gas flow rate Qair and mapped.
本実施形態では、図１１に示すテーブルデータからの検索の結果として、燃料の目標流量Ｑｆ＿ｔｒｇは、酸化剤ガスの流量Ｑａｉｒが一定である場合に、目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇを一定とした際の流量に対し、酸化剤ガスの温度（スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）が低いときほど、減少する傾向を示す。これは、酸化剤ガスの温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔが低い場合は、目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇが燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔによる実質的な制限を受けるためである。 In this embodiment, as a result of searching from the table data shown in FIG. 11, the target fuel flow rate Qf_trg is the flow rate when the target combustion gas temperature Tcmb_trg is kept constant when the flow rate Qair of the oxidant gas is constant. On the other hand, it tends to decrease as the temperature of the oxidant gas (stack outlet temperature Tstk_out) decreases. This is because the target combustion gas temperature Tcmb_trg is substantially limited by the combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt when the oxidizing gas temperature Tstk_out is low.
燃料上限流量演算部１１２ｂは、燃焼ガスの温度Ｔｃｍｂがその上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔとなる燃料流量を、燃焼器４に供給される燃料の上限流量Ｑｆ＿ｌｍｔとして算出する。燃料上限流量演算部１１２ｂは、燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔのほか、酸化剤ガス流量Ｑａｉｒ、ヒータ発熱流Ｈｅ、スタック電流Ｉｓｔｋ、燃料温度Ｔｆおよびスタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔを入力し、燃焼器４の入口側と出口側との間におけるエネルギー収支から、入力側のエネルギー量を示す燃料上限流量Ｑｆ＿ｌｍｔを算出する。ここで、スタック電流Ｉｓｔｋが考慮されるのは、燃料電池スタック１による発電に消費される分の流量を反映させるためである。
The fuel upper limit
図１０は、燃料上限流量設定部１１２の変形例に係る構成を示している。
FIG. 10 shows a configuration according to a modification of the fuel upper limit flow
変形例において、燃焼ガス上限温度演算部１１２ａは、触媒上限表面温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔおよびスタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔのほか、酸化剤ガス流量Ｑａｉｒおよびヒータ発熱流Ｈｅを入力し、次式（５）に基づき、酸化剤ガス温度（スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）に応じた燃焼ガス上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを算出する。ここで、次式（５）は、上式（４）に対し、加熱部４１の電気ヒータによる加熱の影響をヒータ発熱流Ｈｅとして考慮したものである。Ａｅは、電気ヒータの表面積であり、Ａｃａｔは、燃焼器４の触媒と加熱器４１の触媒との合計の表面積である。
In the modified example, the combustion gas upper limit
Ｔｃｍｂ＝｛ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）×Ａｃａｔ×Ｔｃａｔ＋ｃｐ×Ｑａｉｒ×Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ｝／｛ｃｐ×Ｑａｉｒ＋ｈｗ（Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）×Ａｃａｔ｝－Ｈｅ／（ｈｗ×Ａｅ） …（５） Tcmb={hw(Tstk_out)*Acat*Tcat+cp*Qair*Tstk_out}/{cp*Qair+hw(Tstk_out)*Acat}-He/(hw*Ae) (5)
燃料上限流量演算部１１２ｂの構成および動作は、図９に示す先の例におけると同様である。
The configuration and operation of the fuel upper limit
図１２は、第１目標燃料流量設定部１１３の構成を示している。
FIG. 12 shows the configuration of the first target fuel flow
第１目標燃料流量設定部１１３は、燃料電池スタック１をその動作温度に維持するための熱量を燃焼器４が生じさせるのに要する原燃料の流量を、第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１として算出する。
The first target fuel flow
具体的には、第１目標燃料流量設定部１１３は、第１目標燃焼ガス温度演算部１１３ａと、第２目標燃焼ガス温度演算部１１３ｂと、比較器１１３ｃと、第１目標燃料流量演算部１１３ｄと、を備える。
Specifically, the first target fuel flow
第１目標燃焼ガス温度演算部１１３ａは、燃料電池スタック１のアノード入口温度の目標値Ｔａｎｄ＿ｔｒｇと実際値Ｔａｎｄ＿ｉｎｔとを入力し、両者の差分（＝Ｔａｎｄ＿ｔｒｇ－Ｔａｎｄ＿ｉｎｔ）から、アノード入口温度Ｔａｎｄをその目標値Ｔａｎｄ＿ｔｒｇに近付けるのに燃焼ガスが有するべき温度を、第１目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇ１として算出する。
The first target combustion
第２目標燃焼ガス温度演算部１１３ｂは、燃料電池スタック１のカソード入口温度の目標値Ｔｃｔｈ＿ｔｒｇと実際値Ｔｃｔｈ＿ｉｎｔとを入力し、両者の差分（＝Ｔｃｔｈ＿ｔｒｇ－Ｔｃｔｈ＿ｉｎｔ）から、カソード入口温度Ｔｃｔｈをその目標値Ｔｃｔｈ＿ｔｒｇに近付けるのに燃焼ガスが有するべき温度を、第２目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇ２として算出する。
Second target combustion
比較器１１３ｃは、第１目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇ１と第２目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇ２とのうち、高い方の温度を目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇとして出力する。
The
第１目標燃料流量演算部１１３ｄは、目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇのほか、酸化剤ガス流量Ｑａｉｒ、ヒータ発熱流Ｈｅ、スタック電流Ｉｓｔｋ、燃料温度Ｔｆおよびスタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔを入力し、燃焼ガスの温度が目標燃焼ガス温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇとなる燃料流量を、燃焼器４の入口側と出口側との間におけるエネルギー収支から、第１目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１として算出する。
In addition to the target combustion gas temperature Tcmb_trg, the first target fuel flow
図１３は、第２目標燃料流量設定部１１４の構成を示している。
FIG. 13 shows the configuration of the second target fuel flow
第２目標燃料流量設定部１１４は、燃料電池スタック１に要求される出力を生じさせるのに要する原燃料の供給流量を、第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２として算出する。
The second target fuel flow
具体的には、第２目標燃料流量設定部１１４は、目標スタック電流演算部１１４ａと、第２目標燃料流量演算部１１４ｂと、を備える。
Specifically, the second target fuel flow
目標スタック電流演算部１１４ａは、燃料電池スタック１の目標出力である目標スタック出力Ｐｓｔｋ＿ｔｒｇと、スタック電流Ｉｓｔｋと、スタック電圧Ｖｓｔｋと、を入力し、燃料電池スタック１を目標スタック出力Ｐｓｔｋ＿ｔｒｇで運転させるのに必要なスタック電流を、目標スタック電流Ｉｓｔｋ＿ｔｒｇとして算出する。ここで、目標スタック出力Ｐｓｔｋ＿ｔｒｇは、燃料電池システムＳのシステム出力に応じたものであり、例えば、燃料電池システムＳが車両の駆動源を構成する場合は、運転者によるアクセルペダルの操作量に応じたものとなる。
The target stack
第２目標燃料流量演算部１１４ｂは、目標スタック電流Ｉｓｔｋ＿ｔｒｇに応じた燃料流量を、第２目標燃料流量Ｑｆ＿ｔｒｇ２として算出する。
The second target fuel
本実施形態では、燃料電池スタック１により「燃料電池」が構成され、燃焼器４により「燃焼器」が構成され、システムコントローラ１０１およびスタック出口温度センサ２０３により「コントローラ」が構成される。さらに、スタック出口温度センサ２０３により「酸化剤ガス温度検出部」が、燃焼ガス上限温度設定部１１２ａにより「燃焼ガス上限温度設定部」が、第１比較器１１１ａおよび燃料上限流量演算部１１２ｂにより「燃料流量制御部」が、夫々構成される。
In this 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。
(Description of Action and Effect)
The fuel cell system S according to this embodiment is configured as described above, and the actions and effects obtained by this embodiment will be described below.
第１に、燃焼器４に備わる触媒の上限表面温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔに応じた燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを設定し、燃焼ガスの温度Ｔｃｍｂを上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔ以下に制限するように、燃焼器４に供給される燃料の流量Ｑｆ２を制御することで、触媒の表面温度Ｔｃａｔがその上限温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔを超えて上昇するのを回避することが可能となり、触媒の劣化を抑制することができる。
First, the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas is set according to the upper limit surface temperature Tcat_lmt of the catalyst provided in the
さらに、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを、酸化剤ガスの温度Ｔａｉｒ（スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）をもとに設定することで、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを、触媒の表面温度の過度な上昇を回避するのに適したものとし、表面温度の上昇による触媒の劣化をより適切に抑制することができる。 Furthermore, by setting the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas based on the temperature Tair of the oxidant gas (stack outlet temperature Tstk_out), the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas is set to avoid an excessive rise in the surface temperature of the catalyst. , and deterioration of the catalyst due to an increase in surface temperature can be suppressed more appropriately.
第２に、酸化剤ガスの温度Ｔａｉｒ（スタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔ）と燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔとの関係を予め設定し、実際の制御に際し、この関係をもとに、酸化剤ガスの温度Ｔａｉｒから燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを設定することで、演算負荷の軽減を図り、制御の応答性を確保することができる。 Second, the relationship between the oxidizing gas temperature Tair (stack outlet temperature Tstk_out) and the combustion gas upper limit temperature Tcmb_lmt is set in advance. By setting the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas, it is possible to reduce the calculation load and ensure the responsiveness of the control.
ここで、上記関係において、酸化剤ガスが低温であるときほど燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを低い温度として設定することで、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔの適切な設定を通じて触媒の劣化をより確実に抑制することが可能となる。 Here, in the above relationship, by setting the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas to a lower temperature as the oxidant gas is at a lower temperature, deterioration of the catalyst can be suppressed more reliably through appropriate setting of the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas. It becomes possible to
第３に、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔを、酸化剤ガスの温度Ｔａｉｒばかりでなく、流量Ｑａｉｒにも応じて設定することで、燃焼器４の出力の変動に対して適切な上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔの設定を可能とし、燃料電池システムＳのより広範な運転条件に亘って触媒の劣化を抑制することができる。
Third, by setting the upper limit temperature Tcmb_lmt of the combustion gas according to not only the temperature Tair of the oxidizing gas but also the flow rate Qair, the upper limit temperature Tcmb_lmt is set appropriately for fluctuations in the output of the
第４に、燃焼器４の上流側に、電気ヒータを有する加熱器４１が備わる場合に、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔの設定に際してこの加熱器４１の発熱量の影響を考慮することで、燃焼ガスの上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔのより適切な設定が可能となり、触媒の活性前における熱量の供給と、触媒の劣化の抑制と、の両立を図ることができる。
Fourth, when a
第５に、酸化剤ガスの温度としてスタック出口温度Ｔｓｔｋ＿ｏｕｔを採用することで、燃料電池システムＳに一般的に備わる既存のセンサを活用し、部品点数および費用の削減を促進することができる。 Fifth, by adopting the stack outlet temperature Tstk_out as the temperature of the oxidizing gas, it is possible to utilize the existing sensors generally provided in the fuel cell system S, and promote the reduction of the number of parts and cost.
本実施形態では、燃焼器４に供給される燃料の流量に関し、燃料電池スタック１の運転条件に応じた目標流量Ｑｆ＿ｔｒｇ１、Ｑｆ＿ｔｒｇ２と、触媒の上限表面温度Ｔｃａｔ＿ｌｍｔに応じた上限流量Ｑｆ＿ｌｍｔと、を算出し、これらのうち小さい方の流量を最終的な目標流量に設定した（図８）。しかし、これに限らず、燃焼ガスの目標温度Ｔｃｍｂ＿ｔｒｇと上限温度Ｔｃｍｂ＿ｌｍｔとを比較し、低い方の温度を最終的な燃焼ガスの目標温度に設定するとともに、燃焼ガスの目標温度に基づき燃料の目標流量Ｑｆ＿ｔｒｇ（＝Ｑｆ＿ｔｒｇ１）を算出するようにしてもよい。
In this embodiment, regarding the flow rate of the fuel supplied to the
以上の説明では、燃焼器４を燃料電池スタック１に対してそのガス排出側に設置したが、燃焼器４は、これに限らず、燃料電池スタック１のガス供給側に設置することも可能である。この場合は、酸化剤ガスである空気をブロワ６によりカソードガス供給通路１２に取り込んだ後、燃料電池スタック１を介さずに直接、燃焼器４に供給する。
In the above description, 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 embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments merely show a part of the application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configurations of the above embodiments. not on purpose. Various changes and modifications can be made to the above embodiment within the scope of matters described in the claims.
Ｓ…燃料電池システム
１…燃料電池スタック
２１…蒸発器
２２…燃料熱交換器
２３…改質器
３…酸化剤ガス加熱部（空気熱交換器）
４…燃焼器
４１…加熱器
５１…第１燃料インジェクタ
５２…第２燃料インジェクタ
６…ブロア
７…燃料タンク
１１…アノードガス供給通路
１２…カソードガス供給通路
１１ｅｘｈ…アノードオフガス通路
１２ｅｘｈ…カソードオフガス通路
１０１…システムコントローラ
S...
REFERENCE SIGNS
Claims (11)
燃料と酸化剤ガスとが供給され、前記燃料を触媒上で燃焼させる燃焼器と、
を備え、
前記燃焼器が生じさせる前記燃料の燃焼ガスにより前記燃料電池を加熱可能に構成された燃料電池システムにおいて、前記燃焼器における燃焼状態を制御する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの温度を検出し、
前記燃焼器に備わる触媒の上限表面温度に応じた前記燃焼ガスの上限温度を、前記酸化剤ガスの温度をもとに設定し、
前記燃焼ガスの温度を前記上限温度以下に制限するように、前記燃焼器に供給される燃料の流量を制御する、
燃料電池システムの運転方法。 a fuel cell;
a combustor supplied with a fuel and an oxidant gas for burning the fuel on a catalyst;
with
In a fuel cell system configured to be able to heat the fuel cell with combustion gas of the fuel generated by the combustor, a fuel cell system operating method for controlling a combustion state in the combustor, comprising:
detecting the temperature of the oxidant gas supplied to the combustor;
setting the upper limit temperature of the combustion gas according to the upper limit surface temperature of the catalyst provided in the combustor based on the temperature of the oxidant gas;
controlling the flow rate of fuel supplied to the combustor so as to limit the temperature of the combustion gas to the upper limit temperature or less;
A method of operating a fuel cell system.
前記関係に基づき、前記燃焼ガスの上限温度を設定する、
請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。 presetting a relationship between the temperature of the oxidant gas and the upper limit temperature of the combustion gas;
setting an upper limit temperature of the combustion gas based on the relationship;
A method of operating the fuel cell system according to claim 1 .
請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。 setting the upper limit temperature of the combustion gas to a lower temperature as the temperature of the oxidizing gas is lower;
3. A method of operating the fuel cell system according to claim 2.
前記燃焼ガスの上限温度と目標温度とのうち、低い方の温度を最終的な前記燃焼ガスの目標温度に設定して、前記燃焼器に供給される燃料の流量を制御する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。 calculating a target temperature of the combustion gas according to the operating conditions of the fuel cell;
setting the lower temperature of the upper limit temperature and the target temperature of the combustion gas as the final target temperature of the combustion gas to control the flow rate of the fuel supplied to the combustor;
A method of operating the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記燃焼器に供給される燃料の流量を、前記上限流量以下に制限する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。 setting the upper limit flow rate of the fuel according to the upper limit temperature of the combustion gas;
limiting the flow rate of fuel supplied to the combustor to the upper limit flow rate or less;
A method of operating the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記燃料の上限流量と目標流量とのうち、小さい方の流量を最終的な前記燃料の目標流量に設定する、
請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。 calculating a target flow rate of the fuel according to the operating conditions of the fuel cell;
setting the smaller one of the upper limit flow rate and the target flow rate of the fuel as the final target flow rate of the fuel;
6. A method of operating the fuel cell system according to claim 5.
前記燃焼ガスの上限温度を、前記酸化剤ガスの温度および流量をもとに設定する、
請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。 detecting the flow rate of the oxidant gas supplied to the combustor;
setting the upper limit temperature of the combustion gas based on the temperature and flow rate of the oxidant gas;
A method of operating the fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
燃料と酸化剤ガスとが供給され、前記燃料を触媒上で燃焼させる燃焼器と、
を備え、
前記燃焼器が生じさせる前記燃料の燃焼ガスにより前記燃料電池を加熱可能に構成された燃料電池システムにおいて、前記燃焼器における燃焼状態を制御する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの温度を検出し、
前記燃焼器に供給される燃料の流量を、前記酸化剤ガスの温度をもとに、前記酸化剤ガスの温度が低いときほど、同一の前記酸化剤ガスの流量のもとで、前記燃焼ガスの目標温度を一定とした際の流量に対して減少させるように、制御する、
燃料電池システムの運転方法。 a fuel cell;
a combustor supplied with a fuel and an oxidant gas for burning the fuel on a catalyst;
with
In a fuel cell system configured to be able to heat the fuel cell with combustion gas of the fuel generated by the combustor, a fuel cell system operating method for controlling a combustion state in the combustor, comprising:
detecting the temperature of the oxidant gas supplied to the combustor;
The flow rate of the fuel supplied to the combustor is determined based on the temperature of the oxidizing gas, and the lower the temperature of the oxidizing gas, the lower the temperature of the oxidizing gas, the more the combustion gas Control to reduce the flow rate when the target temperature of is constant,
A method of operating a fuel cell system.
前記酸化剤ガスの温度、前記触媒の表面温度および前記燃焼ガスの温度に基づく熱収支の関係から、前記燃焼ガスの上限温度を算出し、
前記熱収支の入力として、前記加熱器の発熱量を考慮する、
請求項１～８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。 further comprising a heater arranged upstream of the combustor so as to be able to heat a catalyst of the combustor;
calculating an upper limit temperature of the combustion gas from a heat balance relationship based on the temperature of the oxidant gas, the surface temperature of the catalyst, and the temperature of the combustion gas;
Considering the calorific value of the heater as an input for the heat balance;
A method of operating the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8.
前記酸化剤ガスの温度として、前記燃料電池の出口温度を検出する、
燃料電池システムの運転方法。 The method of operating a fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein the combustor is interposed in the offgas passage of the fuel cell,
detecting the outlet temperature of the fuel cell as the temperature of the oxidant gas;
A method of operating a fuel cell system.
燃料と酸化剤ガスとが供給される燃焼器であって、前記燃料の燃焼を促進させる触媒を有し、前記燃料の燃焼により生じた燃焼ガスにより前記燃料電池を加熱可能に配設された燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼状態を制御するコントローラと、
を含んで構成され、
前記コントローラは、
前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出部と、
前記燃焼器に備わる触媒の上限表面温度に応じた前記燃焼ガスの上限温度を、前記酸化剤ガスの温度をもとに設定する燃焼ガス上限温度設定部と、
前記燃焼ガスの温度を前記上限温度以下に制限するように、前記燃焼器に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御部と、
を備える、燃料電池システム。 a fuel cell;
A combustor to which a fuel and an oxidant gas are supplied, the combustor having a catalyst for promoting combustion of the fuel, and arranged so as to be able to heat the fuel cell with the combustion gas generated by the combustion of the fuel. vessel and
a controller that controls the combustion state of the combustor;
consists of
The controller is
an oxidant gas temperature detection unit that detects the temperature of the oxidant gas supplied to the combustor;
a combustion gas upper limit temperature setting unit that sets the upper limit temperature of the combustion gas according to the upper limit surface temperature of a catalyst provided in the combustor based on the temperature of the oxidant gas;
a fuel flow control unit that controls the flow rate of fuel supplied to the combustor so as to limit the temperature of the combustion gas to the upper limit temperature or less;
a fuel cell system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018173980A JP7110859B2 (en) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018173980A JP7110859B2 (en) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020047427A JP2020047427A (en) | 2020-03-26 |
| JP7110859B2 true JP7110859B2 (en) | 2022-08-02 |
Family
ID=69899905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018173980A Active JP7110859B2 (en) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7110859B2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002198073A (en) | 2000-12-22 | 2002-07-12 | Honda Motor Co Ltd | Control method of heat treatment system |
| JP2002343402A (en) | 2001-05-15 | 2002-11-29 | Honda Motor Co Ltd | Raw fuel evaporation device, raw fuel evaporation method, fuel cell system equipped with the raw fuel evaporation device |
| JP2004179149A (en) | 2002-11-13 | 2004-06-24 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
-
2018
- 2018-09-18 JP JP2018173980A patent/JP7110859B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002198073A (en) | 2000-12-22 | 2002-07-12 | Honda Motor Co Ltd | Control method of heat treatment system |
| JP2002343402A (en) | 2001-05-15 | 2002-11-29 | Honda Motor Co Ltd | Raw fuel evaporation device, raw fuel evaporation method, fuel cell system equipped with the raw fuel evaporation device |
| JP2004179149A (en) | 2002-11-13 | 2004-06-24 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2020047427A (en) | 2020-03-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10547068B2 (en) | Solid oxide fuel cell system and method of controlling the same | |
| JP5588709B2 (en) | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system equipped with the same | |
| JP6627887B2 (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell system | |
| JP2012038689A (en) | Operation method of fuel cell | |
| JP6943285B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell system control method | |
| JP6583431B2 (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell system | |
| JP4147659B2 (en) | Control device for reformer | |
| JP6759573B2 (en) | Fuel cell system control method and fuel cell system | |
| JP2017050049A (en) | Fuel battery system | |
| JP6721363B2 (en) | Fuel cell system and operating method thereof | |
| JP6870737B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell system control method | |
| JP7110859B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM | |
| JP7176263B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM | |
| JP6500997B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| JP7087341B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell system control method | |
| WO2021059351A1 (en) | Fuel cell system and control method for fuel cell system | |
| JP7120323B2 (en) | Combustion system and method of controlling combustion system | |
| JP2014123576A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| JP2012009175A (en) | Fuel cell power generation system and operation method thereof | |
| WO2021116725A1 (en) | Method for controlling fuel cell system and fuel cell system | |
| CN116034501A (en) | Fuel cell system | |
| JP2019033023A (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| JPWO2019229877A1 (en) | Fuel cell system and how to operate it | |
| JP2016046075A (en) | Fuel cell power generation system, vehicle including fuel cell power generation system and starting method of fuel cell power generation system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210301 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220316 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220322 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220411 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220621 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220704 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7110859 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |