JP2016012519A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
(化1)CH4+H2O→CO+3H2
(化2)H2O+CO⇔H2+CO2
このように生成された改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。このように、改質部33は、改質用原料と改質水とから改質ガス(燃料)を生成して燃料電池34に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
(化3)
H2+O2−→H2O+2e−
(化4)
CO+O2−→CO2+2e−
(化5)
1/2O2+2e−→O2 −
すなわち、空気極で生成した酸化物イオン(O2−)が電界質を透過し、燃料極で水素と反応することによって電気エネルギーを発生させている。
以下に、燃料電池システム100の起動時において、燃焼部36に導入された混合ガスを着火させるための「第一着火処理」の概要について説明する。「第一着火処理」の説明に先立ち、燃焼部36に導入される混合ガスの酸素比λについて説明する。
酸素比λとは、下式(1)に示す値である。
λ=A/B…(1)
λ=酸素比
A=燃焼部36に実際に導入された酸素流量
B=混合ガス中の可燃成分を完全燃焼させるために必要な理想的な酸素流量
燃料電池システム100の起動が開始されると、プログラムはステップS11に進む。
ステップS11において、制御装置15は、カソードエアブロワ11c1によって空気を数秒間燃料電池34に供給させて、燃料電池34よりも下流側のガス流路に残留している可燃成分をパージする。これにより、燃料電池34よりも下流側のガス流路に残留している可燃成分が除去されて、安全に燃焼部36において着火させることができる。S11が終了すると、制御装置15は、プログラムをステップS12に進める。
Na1=Na×ΔNa×m…(式1)
Na1:変更後流量
Na:着火時初期流量
ΔNa:規定増加係数(1以上の数値)
m:カウンタ
なお、カソードエアブロワ11c1が供給しているカソードエアの流量は着火時初期流量Aaに維持される。
このステップS23が実行される度に、原料ポンプ11a5が供給している改質用原料の流量は増加し、燃焼部36に供給される混合ガスの酸素比λである着火補正酸素比λ1は低下する。ステップS23が終了すると、制御装置15は、プログラムをステップS31に進める。
(起動条件1)燃焼部温度検出センサ36bによって検出された温度T3が、起動温度以上となった場合。
(起動条件2)燃焼部温度検出センサ36bによって検出された温度T3の単位時間当たりの変化量が、起動変化量以上となった場合。
(起動条件1)又は(起動条件2)のいずれかが成立した場合には、プログラムはステップS52に進む。
Nb1=Nb×ΔNb×m…(式2)
Nb1:起動時補正原料流量
Nb:起動時正規原料流量
ΔNb:規定増加係数(1以上の数値)
m:カウンタ
なお、「起動時」とは、燃料電池34内の温度を上昇させて、燃料電池34での発電を実行させるための準備時期である。
(規定条件1)改質部温度センサ33aによって検出された改質部33の温度T1が、規定温度T1a(例えば、600℃)を越えた場合。図3に示すように、改質部33の温度T1が高くなるに従って、改質ガス中に含まれる水素の割合は高くなる。水素は、燃焼部36において、改質ガスに含まれる他の成分と比べて燃焼されやすい。このため、改質ガス中の水素の割合が増えると、燃焼部36における燃焼が安定する。この原理を用いて、制御装置15(燃焼安定判定部)は、改質部温度センサ33aによって検出された改質部33の温度T1が、規定温度T1aを越えた場合には、燃焼部36での燃焼が安定していると判定して、プログラムをステップS55に進める。
上記した説明から明らかなように、制御装置15(燃焼安定判定部)が、燃焼部36における燃焼が安定していると判定するまで、つまり、上記(規定条件1)が成立したと判断するまで(図2AのステップS54でYESと判断)、制御装置15(酸素比変更部)は、燃焼部36に導入されている混合ガスの酸素比λを、ステップS52で設定された起動補正酸素比λ2に維持する。そして、制御装置15(酸素比変更部)は、上記(規定条件1)が成立して、燃焼部36における燃焼が安定してから、燃焼部36に導入されるガスの酸素比λを、起動補正酸素比λ2から起動正規酸素比λ2−2に変更する。これにより、燃焼部36において着火した後に、燃焼部36において燃焼が安定する前に、燃焼部36に導入されているガスの酸素比λが、より高い酸素比である起動正規酸素比λ2−2に変更されることに起因する燃焼部36における燃焼の停止が防止される。
以下に、図2Bに示すフローチャートを用いて、「第一着火処理」の別例について、図2Aに示すフローチャートで説明した「第一着火処理」と異なる点について説明する。「第一着火処理」の別例では、ステップS54において、上述の(規定条件1)を満たすか否かは判断されない。ステップS54において、制御装置15は、上述の(規定条件2)を満たしたと判断した場合には(ステップS54:YES)、プログラムをS55に進める。一方で、制御装置15は、上述の(規定条件2)を満たしていないと判断した場合には(ステップS54:NO)、プログラムをS54−2に進める。
以下に、図4を用いて、「第二着火処理」の概要について説明する。燃焼部36に導入される混合ガスの酸素比λによっては、燃焼部36において着火はするが、燃焼部36における燃焼状態が不安定となってしまう場合がある。この場合には、燃焼部36において吹き消えが発生するおそれがあるとともに、燃焼部36から多量の一酸化炭素が排出されてしまうおそれがある。
燃料電池システム100の起動が開始されると、プログラムはステップS211に進む。
ステップS211において、制御装置15は、カソードエアブロワ11c1によるカソードエアの供給を開始させる。そして、制御装置15は、カソードエア流量センサ11c2によって検出されたカソードエアの流量に基づいて、カソードエアブロワ11c1によって燃焼部36に供給されるカソードエアの流量が規定流量となるようにフィードバック制御する。ステップS211が終了すると、制御装置15は、プログラムをステップS212に進める。
上記した説明から明らかなように、「第二着火処理」が実行されると、燃焼部36に導入されるガスの酸素比が低い状態から高い状態に徐々に変化されて、燃焼部36において着火するか否かが試される。このため、改質用原料の組成が変化して、燃焼部36において着火、燃焼可能な酸素比λが変化した場合であっても、燃焼部36において改質用原料を着火させることができる。
ステップS23において、制御装置15は、原料ポンプ11a5が供給している改質用原料の流量を、下式(1)に変えて下式(2)で演算される変更後流量Na1に変更する実施形態であっても差し支え無い。
Na1=Na+ΔA×m…(式2)
Na1:変更後流量
Na:着火時初期流量
ΔA:規定増加流量
m:カウンタ
Claims (8)
- 改質水と改質用原料とから燃料を生成する改質部と、
前記改質部に前記改質用原料を供給する改質用原料供給部と、
前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出される可燃成分を、酸化剤ガスで燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部に供給された前記可燃成分を着火させる着火装置と、
前記着火装置で前記可燃成分を着火させる際に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を、前記可燃成分が着火、燃焼可能な補正酸素比とする酸素比調整部と、
規定条件を満たした場合に、前記酸素比を前記補正酸素比から、正規酸素比に変更する酸素比変更部と、を有する燃料電池システム。 - 前記燃焼部において着火、燃焼しているか否かを判定する着火・燃焼判定部を有し、
前記酸素比変更部は、前記着火・燃焼判定部によって前記燃焼部において着火していない、もしくは吹き消えが発生したと判定される度に、前記補正酸素比をより低い酸素比に変更する請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記酸素比調整部は、前記燃焼部に導入されるガスを着火、燃焼させる初期状態における、前記ガスの補正酸素比を、前記燃焼部で前記ガスが着火、燃焼可能な最大値に設定する請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記酸素比調整部によって変更された前記補正酸素比が、規定酸素比以下となった場合に、前記改質用原料供給部による前記改質部への前記改質用原料の供給を停止させる運転停止部を有する請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記着火・燃焼判定部が着火していないと判定している場合に、前記酸素比調整部によって変更された前記補正酸素比が、規定酸素比以下となった場合に、異常であると判定する異常判定部を有する請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、
前記酸素比変更部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度が、規定温度以上となった場合に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規酸素比に変更する請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃焼部から排気される未燃焼の可燃成分を含む燃焼ガスが導入されて、前記燃焼ガス中に含まれる前記可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、
前記燃焼触媒の温度又は前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度を検出する燃焼触媒温度検出部と、を有し、
前記酸素比変更部は、前記燃焼触媒温度検出部によって検出された温度が、異常温度以上となった場合に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規規酸素比に変更する請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出部と、
前記燃料電池が出力している電圧を検出する電圧検出部、及び前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部の少なくとも一方と、
前記電圧検出部によって前記燃料電池が出力している電圧が発電可能電圧以上になった場合、及び前記燃料電池温度検出部によって検出された前記燃料電池の温度が発電可能温度以上となった場合の少なくとも一方の条件が成立した場合に、前記酸素比変更部は、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規規酸素比に変更する請求項2〜請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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