JP5659975B2 - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
燃料電池セルは、反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を用いて電気エネルギを得る装置である。この燃料電池セルは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that obtains electrical energy using a reaction gas (fuel gas and oxidant gas). This fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, and thus has been widely developed as a future energy supply system.
燃料電池システムを安定した状態で運転するためには、流体の流量などを計測しながらフィードバック制御することが好ましい。しかしながら、専用の流量計を設けると、コストがかかる。そこで、特許文献1では、流路内を通過する流体に所定の圧力損失を生じさせる圧損要素部よりも上流側の圧力を測定し、圧損要素部における流体の流量と圧力損失との相関関係を予め把握し、測定圧力と前記相関関係とに基づいて圧力損失を計算により求めている。または、圧損要路部下流側の圧力を測定し、この圧力と上流側測定圧力とから圧損要素部で生じる圧力損失を求め、求めた圧力損失と前記相関関係とに基づいて、流体の流量を測定する手段が設けられている。
In order to operate the fuel cell system in a stable state, it is preferable to perform feedback control while measuring the flow rate of the fluid. However, providing a dedicated flow meter is expensive. Therefore, in
しかしながら、特許文献1の技術では、圧力計測に伴う圧損相当分の原料供給アクチュエータ駆動動力が増え、熱効率が低下する。また、特許文献1の技術では、圧力計測が必要となるため、圧力検出器の初期バラツキ、経時変化、AD変換の誤差、電圧/物理値演算の誤差などの影響を受けるおそれがある。したがって、補償制御が必要となる。その結果、コストを効果的に低下させることができない。
However, in the technique of
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a fuel cell system capable of controlling the fuel flow rate with high accuracy while suppressing at least one of a decrease in thermal efficiency and an increase in cost, and a control method for the fuel cell system The purpose is to provide.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部と、を含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正する制御部と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することができる。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas, and a combustion chamber that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell and supplies combustion heat obtained by the combustion to the fuel cell. A fuel gas supply for supplying the fuel gas to the fuel cell, and a reformer that reforms the raw fuel into the fuel gas; and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer And an index value obtained by dividing a power generation voltage of the fuel cell by a raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit , and the index from a reference value of the index value acquired in advance And a control unit that corrects the raw fuel flow rate command value so as to reduce the deviation of the values . According to the fuel cell system of the present invention, the fuel flow rate can be controlled with high accuracy while suppressing at least one of a decrease in thermal efficiency and an increase in cost.
前記制御部は、前記燃料電池が発電していることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度範囲内にあることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧がしきい値を超えていることを確認した場合に、前記原燃料流量指令値を補正してもよい。 Before SL control unit, when the fuel cell was confirmed that the power generation may correct the raw fuel flow rate command value. The controller may correct the raw fuel flow rate command value when it is confirmed that the temperature of the fuel cell is within a predetermined temperature range. The control unit may correct the raw fuel flow rate command value when it is confirmed that the power generation voltage of the fuel cell exceeds a threshold value .
本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部とを含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、を含む燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することができる。 A control method for a fuel cell system according to the present invention comprises: a fuel cell that generates power using fuel gas; and a fuel off-gas discharged from the fuel cell is combusted, and combustion heat obtained by the combustion is supplied to the fuel cell. A combustion chamber, a reformer that reforms raw fuel into the fuel gas, and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer, and the fuel gas that supplies the fuel gas to the fuel cell In the fuel cell system including the supply unit, the index acquired in advance using an index value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel cell by the raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit The raw fuel flow rate command value is corrected so that a deviation of the index value from a reference value of the value is reduced . According to the control method of the fuel cell system according to the present invention, the fuel flow rate can be controlled with high accuracy while suppressing at least one of the decrease in thermal efficiency and the increase in cost.
本発明によれば、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれかを抑制しつつ高い精度で燃料流量を制御することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control method of a fuel cell system and a fuel cell system which can control a fuel flow volume with high precision can be provided, suppressing at least any one of thermal efficiency fall and cost increase.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
(実施形態)
図1は、実施形態に係る燃料電池システム100の全体構成を示すブロック図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、制御部10、原燃料供給部20、改質水供給部30、酸化剤ガス供給部40、改質器50、燃焼室60、燃料電池スタック装置70、および熱交換器90を備える。また、燃料電池システム100は、センサ部として、電圧センサ81、電流センサ82、および温度センサ83を備える。
(Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a
制御部10は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、インタフェース等から構成され、入出力ポート11、CPU12、記憶部13等を含む。入出力ポート11は、制御部10と各機器とのインタフェースである。記憶部13は、CPU12が実行するためのプログラムを記憶するROM、演算に用いる変数等を記憶するRAM等を含むメモリである。
The
原燃料供給部20は、炭化水素等の原燃料を改質器50に供給するための原燃料ポンプ20a、原燃料中の硫黄成分を除去するための脱硫器20b等を含む。原燃料として、都市ガスなどを用いることができる。改質水供給部30は、改質器50における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク31、改質水タンク31に貯蔵された改質水を改質器50に供給するための改質水ポンプ32、改質器50に供給される改質水の供給量を調整するための調量弁33等を含む。酸化剤ガス供給部40は、燃料電池スタック装置70のカソード71にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器50は、改質水を気化させるための気化部51、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部52を含む。燃料電池スタック装置70は、カソード71とアノード72とによって電解質73が挟持された複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。
The raw
図2は、燃料電池スタック装置70の燃料電池スタックを構成する燃料電池セル74の断面を含む部分斜視図である。図2に示すように、燃料電池セル74は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体21の内部に、軸方向(長手方向)に沿って貫通する複数の燃料ガス通路22が形成されている。導電性支持体21の外周面における一方の平面上に、燃料極23、固体電解質24、および酸素極25がこの順に積層されている。酸素極25に対向する他方の平面上には、接合層26を介してインターコネクタ27が設けられ、その上に接触抵抗低減用のP型半導体層28が設けられている。燃料極23が図1のアノード72として機能し、酸素極25が図1のカソード71として機能し、固体電解質24が図1の電解質73として機能する。
FIG. 2 is a partial perspective view including a cross section of the
燃料ガス通路22に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極23に水素が供給される。一方、燃料電池セル74の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極25に酸素が供給される。それにより、酸素極25及び燃料極23において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。以下、燃料ガスおよび酸化剤ガスを総称して、反応ガスとも称する。発電反応は、例えば、600℃〜1000℃で行われる。
酸素極:1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
燃料極:O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
Hydrogen is supplied to the
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
酸素極25の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質24との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質24は、酸素極25から燃料極23へ酸素イオンO2−を移動させる機能を有する。固体電解質24は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質24は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化/還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極23は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ27は、燃料電池セル74同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
The material of the
例えば、酸素極25は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質24は、イオン導電性の高いY2O3を含有するZrO2(YSZ)等によって形成される。燃料極23は、電子導電性の高いNiとY2O3を含有するZrO2(YSZ)との混合物等によって形成される。インターコネクタ27は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したLaCrO3等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
For example, the
図3は、燃料電池スタック装置70が備える燃料電池スタック75を説明するための斜視図である。燃料電池スタック75においては、複数の燃料電池セル74が互いに集電部材を介して積層されている。各燃料電池セル74は、燃料極23と酸素極25とが対向するように積層されている。なお、図3において、細線矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。
FIG. 3 is a perspective view for explaining a
図4(a)は、燃料電池スタック装置70の全体構成を示す斜視図である。図4(b)は、(a)に示す燃料電池スタック装置70の酸化剤ガス導入部材76を抜粋して示す斜視図である。図4(a)に示すように、燃料電池スタック装置70においては、マニホールド77の上に、2組の燃料電池スタック75a,75b(燃料電池セル74)が、互いの積層方向が略平行になるように並列配置されている。燃料電池スタック75a,75bは、固体酸化物形の燃料電池セル74が複数枚積層された構造を有する。
FIG. 4A is a perspective view showing the overall configuration of the fuel
図4(a)のマニホールド77には、各燃料電池セル74の燃料ガス通路22に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド77を流動する燃料ガスが燃料ガス通路22に流入する。改質器50は、燃料電池スタック75a,75bのマニホールド77と反対側に配置されている。例えば、改質器50は、一方の燃料電池スタックの積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタックの積層方向に延びる構造を有する。本実施形態においては、改質器50における改質水入口側に燃料電池スタック75aが配置され、燃料ガス出口側に燃料電池スタック75bが配置されている。
In the
また、図4(b)に示すように、燃料電池スタック75aと燃料電池スタック75bとの間には、酸化剤ガス導入部材76が配置されている。酸化剤ガス導入部材76には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材76のマニホールド77側端部には、孔78が形成されている。それにより、各燃料電池セル74の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル74の燃料ガス通路22を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル74の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル74において発電が行われる。
Further, as shown in FIG. 4B, an oxidant
燃料電池セル74において発電に供された後の燃料ガス(燃料オフガス)と発電に供された後の酸化剤ガス(酸化剤オフガス)とは、各燃料電池セル74のマニホールド77と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃成分が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室60は、燃料電池セル74(燃料電池スタック75a,75b)の上端と改質器50との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。温度センサ83は、この燃焼室60のいずれかの箇所に配置されている。燃焼室60における燃料オフガスの燃焼によって生じる熱は、改質器50と燃料電池スタック75a,75bに与えられる。
The fuel gas (fuel off gas) after being used for power generation in the
改質器50の上流側は気化部51として機能し、改質器50の下流側は改質部52として機能する。図4(c)に示すように、改質器50に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部51においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部52においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。
The upstream side of the
続いて、図1を参照しつつ、燃料電池システム100の起動時の動作の概要について説明する。まず、原燃料ポンプ20aは、制御部10から与えられる制御指令値(原燃料流量指令値)に従って、原燃料を脱硫器20b経由で改質器50に供給する。本実施例において、制御指令値とは、各機器が実現するべき目標供給量のことである。なお、原燃料ポンプ20aに与えられる制御指令値は、記憶部13に記憶される。改質水ポンプ32は、制御部10から与えられる制御指令値に従って、改質水を調量弁33に供給する。なお、改質水ポンプ32に与えられる制御指令値は、記憶部13に記憶される。調量弁33は、制御部10から与えられる制御指令値に従って、改質水を改質器50に供給する。なお、調量弁33に与えられる制御指令値は、記憶部13に記憶される。改質水は、燃焼室60における燃焼熱を利用して、気化部51において気化して水蒸気となる。改質部52においては、燃焼室60の燃焼熱を利用した水蒸気改質反応が生じる。それにより、改質部52において、水素を含む燃料ガスが生成される。改質部52において生成された燃料ガスは、アノード72に供給される。以上のことから、燃料電池システム100においては、原燃料供給部20および改質部50が、燃料ガス供給部として機能している。
Next, the outline of the operation at the start-up of the
酸化剤ガス供給部40は、制御部10から与えられる制御指令値に従って、酸化剤ガスをカソード71に供給する。酸化剤ガス供給部40に与えられる制御指令値は、記憶部13に記憶される。なお、起動時においては発電回路が遮断(開回路)されているため、燃料電池スタック装置70による発電は行われない。カソード71から排出された酸化剤オフガスおよびアノード72から排出された燃料オフガスは、燃焼室60に流入する。燃焼室60においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素を利用して燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器50および燃料電池スタック75a,75bに与えられる。このように、燃料電池システム100においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室60において燃焼させることができる。燃焼室60から燃料電池スタック75a,75bに熱が与えられることによって、燃料電池スタック75a,75bの温度が発電に適した範囲内に調整される。
The oxidant
熱交換器90は、燃焼室60から排出された排気ガスと熱交換器90内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク31に貯蔵される。温度センサ83は、燃焼室60内の温度を検出し、その検出結果を制御部10に与える。なお、図4で説明したように、燃焼室60は燃料電池スタック75a,75bと改質器50との間の空間である。したがって、燃焼室60の内の温度を検出することによって、燃料電池スタック75a,75bの温度を間接的に検出することができる。燃料電池スタック75a,75bの温度が所定値まで上昇すると、燃料電池スタック装置70の起動が完了する。
The
燃料電池スタック装置70の起動完了後、発電回路(閉回路)が構成されると、燃料電池スタック75a,75bにおける発電が開始される。制御部10は、要求発電負荷に応じて、燃料電池スタック75a,75bにおける発電量を調整する。具体的には、制御部10は、原燃料ポンプ20aに対する制御指令値、調量弁33に対する制御指令値、および酸化剤ガス供給部40に対する制御指令値を制御することによって、燃料電池スタック75a,75bにおける発電量を調整する。これらの制御指令値は、記憶部13に記憶される。
When the power generation circuit (closed circuit) is configured after the startup of the fuel
電圧センサ81は、燃料電池スタック装置70に含まれる1枚以上の燃料電池セル74の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部10に与える。なお、複数枚の燃料電池セル74の発電電圧を検出する場合、該複数枚の燃料電池セル74は、連続していてもよく連続していなくてもよい。また、電圧センサ81は、燃料電池スタック装置70に含まれる全ての燃料電池セル74の発電電圧を検出してもよい。電圧センサ81の検出結果は、記憶部13に記憶される。電流センサ82は、燃料電池スタック装置70の発電電流を検出し、その検出結果を制御部10に与える。電流センサ82の検出結果は、記憶部13に記憶される。
The
図5は、燃料電池スタック装置70の発電電力一定の条件の下での各パラメータの測定値を示す実験結果である。図5において、横軸は経過時間を示す。図5の(1)〜(3)は、原燃料利用効率Ufを一定に制御した期間である。(1)〜(3)の期間においても、原燃料流量指令値は(4)〜(6)のように、緩慢に変化する。この結果、発電効率も(7)〜(9)のように変化する。これは、燃料電池スタック75a,75bの温度変化に伴って、燃料電池スタック75a,75bの抵抗値が変化し、燃料電池スタック装置70の発電電流が変化するからである。したがって、燃料電池スタック装置70の発電電圧は、燃料電池スタック75a,75bの温度とおおむね同期した推移を辿る。
FIG. 5 is an experimental result showing measured values of each parameter under the condition that the generated power of the fuel
なお、原燃料利用効率Ufは、発電当量原料流量/供給原料流量と定義することができる。発電当量原料流量は、ファラディ定数と、原料性状に基づいて決定される値と、所望発電電流とから得ることができる。原燃料を供給する手段としてCNG(圧縮天然ガス)ボンベを用いる場合、ボンベの性状およびスタック構成などに応じて、一例として、発電当量原料流量は、発電当量原料流量=0.000162×所望発電電流(mol/s)のように表すことができる。また、発電効率は、発電電力/供給原料発熱量と定義することができる。 The raw fuel utilization efficiency Uf can be defined as power generation equivalent raw material flow rate / feed raw material flow rate. The power generation equivalent raw material flow rate can be obtained from the Faraday constant, a value determined based on the raw material properties, and a desired power generation current. When a CNG (compressed natural gas) cylinder is used as a means for supplying raw fuel, as an example, the power generation equivalent raw material flow rate is as follows: It can be expressed as (mol / s). Moreover, the power generation efficiency can be defined as generated power / supplied raw material calorific value.
以上のことから、燃料電池スタック装置70の発電電圧に基づいて原燃料流量指令値を制御することが可能のように思われる。すなわち、発電負荷に応じた制御目標となる発電電圧を基準値として設定し、この基準値に基づいて原燃料流量指令値を負帰還制御することが可能のように思われる。しかしながら、図6に示すように、原燃料流量指令値と発電電圧との間には、一様な関係(1対1の関係)が得られない。したがって、発電電圧を制御指標とする負帰還制御は困難である。これは、燃料電池スタック装置70の発電電圧に、燃料電池スタック75a,75bの温度、即ち、燃料電池スタック75a,75bの電気抵抗値の影響が交絡しているからである。したがって、燃料電池スタック装置70の発電電圧から燃料電池スタック75a,75bの温度の影響を切り離すことができれば、流量計などを用いなくても、原燃料流量指令値を高い精度で補正することができる。
From the above, it seems that the raw fuel flow rate command value can be controlled based on the power generation voltage of the fuel
ここで、燃料電池スタック75a,75bの温度は、発電の際に、燃料電池スタック75a,75bの電気抵抗が介在する発熱量(以下、発電発熱量)と、発電に寄与しなかった燃料ガスが燃焼部60で燃焼する際の燃焼熱量とに応じて変化する。したがって、発電発熱量および燃焼熱量のいずれも、原燃料流量指令値の関数となる。以上のことから、燃料電池スタック装置70の発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって、燃料電池スタック75a,75bの温度の影響を切り離すことができる。すなわち、原燃料流量指令値と燃料電池スタック装置70の発電電圧との間に、一様な関係(1対1の関係)を得ることができる。
Here, the temperature of the
図7は、原燃料流量指令値と、発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値(指標値Uf_n)との関係を示す図である。データ群αは、図5の原燃料利用効率Ufをパラメータとした実験結果を示す。データ群αは、図5において、黒丸でプロットされている。データ群βは、別途行った広範囲の発電負荷を対象とした実験結果を示す。データ群βは、図5において太実線で表されている。データ群α,βのいずれも、原燃料流量指令値と、上記指標値Uf_nとの間に、一様な関係が得られる。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the raw fuel flow rate command value and a value (index value Uf_n) obtained by dividing the generated voltage by the raw fuel flow rate command value. The data group α shows experimental results using the raw fuel utilization efficiency Uf in FIG. 5 as a parameter. The data group α is plotted with black circles in FIG. The data group β shows experimental results for a wide range of power generation loads performed separately. The data group β is represented by a thick solid line in FIG. In each of the data groups α and β, a uniform relationship is obtained between the raw fuel flow rate command value and the index value Uf_n.
以上のことから、指標値Uf_nを用いて、原燃料流量指令値を高い精度で補正することができる。それにより、燃料電池スタック装置70の発電効率と耐久性能とを両立することができる。また、流量計などを用いる必要がないため、コストを抑制することができる。また、特許文献1の技術のような圧力計測などが必要ないため、圧損相当分の原料供給アクチュエータ駆動動力が不要となり、熱効率低下が抑制される。また、特許文献1のような圧力計測などが必要ないため、圧力検出器の初期バラツキ、経時変化、AD変換の誤差、電圧/物理値演算の誤差などの影響を回避することができる。したがって、補償制御などを回避することができ、コストを抑制することができる。また、燃料電池スタック75a,75bの温度の影響を抑制できるため、燃料電池スタック装置70の放熱熱量補償などを回避することができ、コストを抑制することができる。
From the above, the raw fuel flow rate command value can be corrected with high accuracy using the index value Uf_n. Thereby, both the power generation efficiency and the durability performance of the fuel
図8は、図5の実験結果に、上記指標値Uf_nを重ねた図である。図8に示すように、原燃料流量指令値と指標値Uf_nとの間に、相関関係が得られている。この指標値Uf_nの基準値を予め取得しておくことによって、原燃料流量指令値を適切に制御することができる。指標値Uf_nの基準値は、正常状態の燃料電池スタック装置70(例えば、未使用の燃料電池スタック装置、発電累積時間が短い燃料電池スタック装置など)を用いて予め取得しておくことができる。
FIG. 8 is a diagram in which the index value Uf_n is superimposed on the experimental result of FIG. As shown in FIG. 8, a correlation is obtained between the raw fuel flow rate command value and the index value Uf_n. By acquiring the reference value of the index value Uf_n in advance, the raw fuel flow rate command value can be appropriately controlled. The reference value of the index value Uf_n can be acquired in advance using a fuel
図9は、上記指標値Uf_nを用いて原燃料流量指令値を補正制御する場合のフローチャートの一例である。図9のフローチャートは、周期的に(例えば1秒ごと)に実行される。図9に示すように、制御部10は、燃料電池スタック装置70が発電中であるか否かを判定する(ステップS1)。ステップS1においては、電流センサ82の検出電流がゼロより大きければ、燃料電池スタック装置70が発電中であると判定することができる。
FIG. 9 is an example of a flowchart in the case of correcting and controlling the raw fuel flow rate command value using the index value Uf_n. The flowchart of FIG. 9 is executed periodically (for example, every second). As shown in FIG. 9, the
ステップS1において「Yes」と判定された場合、制御部10は、燃料電池スタック75a,75bの温度が所定温度範囲内にあるか否かを判定する(ステップS2)。燃料電池スタック75a,75bの温度は、温度センサ83を用いて間接的に取得することができる。また、所定温度範囲は、燃料電池スタック装置70が正常に通常発電を行っているか否かを判断できる範囲である。本実施例においては、例えば、600℃〜800℃程度である。なお、温度範囲に下限を設定しているのは、発電負荷が高い側から低い側へと急激に移行したしばらくの間、燃料電池スタック装置70に対する燃料ガス不足を回避するための措置である。具体的には、軽負荷発電状態かつ軽負荷状態を継続した場合よりも燃料電池スタック75a,75bの温度が高い状態では、所定発電量をより少ない原燃料流量で得られることから、指標値Uf_nを用いた場合に一部の燃料電池セルで燃料ガスが欠乏するまで原燃料流量が減少するおそれがあるからである。
When it determines with "Yes" in step S1, the
ステップS2において「Yes」と判定された場合、燃料電池スタック装置70の発電電圧Vfcが下限電圧Vfc_lwr以上であるか否かを判定する(ステップS3)。下限電圧Vfc_lwrは、燃料電池スタック装置70が通常発電を行う際の許容下限電圧である。下限電圧Vfc_lwrは、例えば、各燃料電池セルの平均セル電圧に換算して0.65Vとなるように設定してもよい。
If “Yes” is determined in step S2, it is determined whether or not the power generation voltage Vfc of the fuel
ステップS3において「Yes」と判定された場合、制御部10は、燃料電池スタック装置70の電気抵抗Rfcが上限抵抗Rfc_upr未満であるか否かを判定する(ステップS4)。ここで、電気抵抗Rfcは、(OCV−発電電圧Vfc)/発電電流により得られる値である。「OCV」とは、開回路電圧であり、発電回路が開の際の燃料電池スタック装置70の電圧である。上限抵抗Rfc_uprは、例えば、図10の関係から算出することができる。ステップS4の実行によって、想定される範囲内で燃料電池スタック装置70の運転が行われているか否かを判断することができる。
When it determines with "Yes" in step S3, the
ステップS4において「Yes」と判定された場合、制御部10は、指標値Uf_nを算出する(ステップS5)。指標値Uf_nは、発電電圧V_fcを原燃料流量指令値Qf_cmdで除した値である。次に、制御部10は、原燃料流量指令値Qf_cmdから、基準値Uf_refを算出する(ステップS6)。基準値Uf_refは、図11から算出することができる。図11の実線は、図7に対応している。
When it determines with "Yes" in step S4, the
次に、制御部10は、ステップS5で算出された指標値Uf_nと基準値Uf_refとの差の絶対値が所定値errを超えているか否かを判定する(ステップS7)。所定値errは、不感帯を表す値である。ステップS7を設けることによって、原燃料流量のハンチングを抑制することができる。所定値errは、基準値Uf_refの±3%程度の値としてもよい。
Next, the
ステップS7で「Yes」と判定された場合、制御部10は、燃料電池スタック装置70が過渡発電状態にあるか否かを判定する(ステップS8)。過渡発電状態とは、発電電力制御値が変更された場合に、発電電力が変化する状態である。例えば、燃料電池スタック装置70の発電電流変化が0.2A/秒を超えているような場合に、燃料電池スタック装置70が過渡発電状態にあると判定することができる。ステップS7を設けることによって、原燃料流量の過剰なまたは誤った補正を回避することができる。
When it determines with "Yes" at step S7, the
ステップS8において「No」と判定された場合、制御部10は、原燃料流量補正値dQfを算出する(ステップS9)。原燃料流量補正値dQfは、例えば、図12から算出することができる。図12は、原燃料流量補正値dQを算出する際に用いるマップである。例えば、現在の原燃料流量指令値Qf_cmdを値Aとし、現在の指標値Uf_nを値Cとする。この場合、基準値Uf_refは、値Bであり、Uf_n−Uf_refは、値Dのマイナス値である。したがって、基準値Uf_refに対して、値Eの原燃料流量増が必要となる。
When it determines with "No" in step S8, the
そこで、原燃料流量補正値dQfを、値Eとしてもよい。ただし、dQf=値Eとすると、過補正または各種誤差因子に起因する誤補正となりかねないので、dQfを下記式(1)のように値Eよりも小さい値として求めてもよい。さらに、制御部10は、下記式(2)でIQfを算出し、学習値として記憶部13に記憶させる(ステップS10)。この学習値を、原燃料流量補償値として用いてもよい。なお、下記式(1)および(2)の「16」は特に限定されるものではなく、「1」よりも大きい値であればよい。
dQf = 値E/16 (1)
IQf = dQf/16 (2)
Therefore, the raw fuel flow rate correction value dQf may be set to the value E. However, if dQf = value E, overcorrection or erroneous correction due to various error factors may occur, so dQf may be obtained as a value smaller than value E as shown in the following equation (1). Further, the
dQf = value E / 16 (1)
IQf = dQf / 16 (2)
次に、制御部10は、下記式(3)にしたがって得た値を、新たな原燃料流量指令値Qf_cmdに設定し、原燃料ポンプ20aに求めた原燃料流量指令値Qf_cmdを入力する(ステップS11)。その後、フローチャートの実行が終了する。
Qf_cmd = Qf_cmd+dQf+IQf (3)
Next, the
Qf_cmd = Qf_cmd + dQf + IQf (3)
ステップS1またはステップS2において「No」と判定された場合、制御部10は、原燃料流量補正値dQfをゼロに設定する(ステップS12)。したがって、想定される範囲内で燃料電池スタック装置70の運転が行われていない場合には、原燃料流量指令値の補正が禁止される。その後、ステップS11が実行される。
When it is determined as “No” in step S1 or step S2, the
ステップS3、ステップS4もしくはステップS7で「No」と判定された場合、またはステップS8において「Yes」と判定された場合、制御部10は、原燃料流量補正値dQfを、前回のフローチャート実行時の原燃料流量補正値dQf[n−1]に設定する(ステップS13)。したがって、補正値dQfの変動が抑制される。その後、ステップS11が実行される。
When it is determined “No” in step S3, step S4, or step S7, or when it is determined “Yes” in step S8, the
図9の制御によれば、指標値Uf_nが基準値Uf_refに近づくように補正される。それにより、燃料電池スタック75a,75bの温度の影響などを回避しつつ、原燃料流量を高い精度で制御することができる。また、流量計などを用いずにすむため、コストを抑制することができる。
According to the control of FIG. 9, the index value Uf_n is corrected so as to approach the reference value Uf_ref. Thereby, the raw fuel flow rate can be controlled with high accuracy while avoiding the influence of the temperature of the
図13は、図9のフローチャートに従った結果として得られた原燃料流量補正値dQfを示す図である。図13において、横軸は経過時間である。図13に示すように、燃料電池スタック装置70が発電開始していない場合は、dQf=0に設定される。燃料電池スタック装置70が発電を開始すると、原燃料流量指令値が補正される。燃料電池スタック装置70の発電電圧が下限値を下回っている場合には、原燃料流量補正値dQfは、一定に制御される。燃料電池スタック装置70の発電電圧が下限値を超えた場合においても、指標値Uf_nと基準値Uf_refとの乖離が小さい場合には、原燃料流量補正値dQfは、一定に制御される。その後、指標値Uf_nと基準値Uf_refとの乖離が大きくなると、原燃料流量補正値dQfは、指標値Uf_nと基準値Uf_refとの乖離に従って変動する。
FIG. 13 is a diagram showing the raw fuel flow rate correction value dQf obtained as a result of following the flowchart of FIG. In FIG. 13, the horizontal axis represents elapsed time. As shown in FIG. 13, when the fuel
なお、図13の例は、指標値Uf_nと基準値Uf_refとから算出される原燃料流量補正値dQfを表した図であり、当該原燃料流量補正値dQfを用いて原燃料流量指令値Qf_cmdを負帰還制御を行った結果を表しているのではない。 The example of FIG. 13 is a diagram showing the raw fuel flow rate correction value dQf calculated from the index value Uf_n and the reference value Uf_ref, and the raw fuel flow rate command value Qf_cmd is calculated using the raw fuel flow rate correction value dQf. It does not represent the result of negative feedback control.
(他の例)
上記実施形態においては、指標値Uf_nとして、燃料電池スタック装置70の発電電圧を原燃料流量指令値で除することによって得た値を用いているが、それに限られない。例えば、逆に、原燃料流量指令値を燃料電池スタック装置70の発電電圧で除することによって得た値を用いてもよい。すなわち、燃料電池スタック装置70の発電電圧と原燃料流量指令値との比を、指標値として用いてもよい。
(Other examples)
In the above embodiment, the index value Uf_n is a value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel
また、上記実施形態においては、燃料ガス供給部による燃料ガス供給量の制御指標として、原燃料ポンプ20aに対する原燃料流量指令値を用いているが、それに限られない。例えば、燃料ガス供給部として水素ボンベなどを用いた場合において、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値を燃料ガス供給部の燃料ガス供給量の制御指標として用いてもよい。この場合、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値と燃料電池スタック装置70の発電電圧との比を用いて、水素ボンベの流量調整弁などの制御指令値を補正制御することによって、上記実施形態と同様に、熱効率低下およびコスト増加の少なくともいずれか一方を抑制しつつ高い精度で燃料ガス流量を制御することができる。
In the above-described embodiment, the raw fuel flow rate command value for the
なお、上記実施形態は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池セルにも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温で作動する燃料電池セルの場合、温度変動の影響が大きくなる。したがって、上記実施形態に係る燃料電池システムおよびその制御方法は、固体酸化物形の燃料電池に対して特に有効である。 The above-described embodiment can be applied to any other type of fuel cell such as a solid polymer type, a solid oxide type, and a carbonated molten salt type. However, in the case of a fuel cell that operates at a high temperature, such as a solid oxide form, the influence of temperature fluctuations becomes large. Therefore, the fuel cell system and the control method thereof according to the above embodiment are particularly effective for the solid oxide fuel cell.
10 制御部
11 入出力ポート
12 CPU
13 記憶部
20 原燃料供給部
20a 原燃料ポンプ
30 改質水供給部
33 調量弁
40 酸化剤ガス供給部
50 改質器
60 燃焼室
70 燃料電池スタック装置
71 カソード
72 アノード
74 燃料電池セル
81 電圧センサ
82 電流センサ
83 温度センサ
100 燃料電池システム
10 Control Unit 11 I /
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させ、当該燃焼によって得られる燃焼熱を前記燃料電池に供給する燃焼室と、
原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器と、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料供給部と、を含み、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
前記原燃料供給部に対する原燃料流量指令値によって前記燃料電池の発電電圧を除することによって得た指標値を用いて、予め取得しておいた前記指標値の基準値からの前記指標値の乖離が低減されるように、前記原燃料流量指令値を補正する制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using fuel gas; and
A combustion chamber for burning fuel off-gas discharged from the fuel cell and supplying combustion heat obtained by the combustion to the fuel cell;
A reformer that reforms raw fuel into the fuel gas; and a raw fuel supply unit that supplies the raw fuel to the reformer; a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas to the fuel cell; ,
Deviation of the index value from the reference value of the index value acquired in advance using the index value obtained by dividing the power generation voltage of the fuel cell by the raw fuel flow rate command value for the raw fuel supply unit A fuel cell system comprising: a control unit that corrects the raw fuel flow rate command value so as to reduce fuel consumption.
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