JP6984169B2

JP6984169B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6984169B2
Application number: JP2017098763A
Authority: JP
Inventors: 元彦薮谷
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2037-05-18
Also published as: JP2018195473A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、原燃料供給路に設けられた燃料供給ポンプと、燃料供給ポンプから供給される原燃料（都市ガス）を改質して改質ガスを生成する改質器と、空気供給路に設けられた空気供給ポンプと、改質器から供給される改質ガスと空気供給ポンプから供給される空気（エア）との化学反応により発電する燃料電池とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、空気供給路に空気流量計（流量センサ）が設けられ、空気の供給流量の目標値と空気流量計により検出される空気の実際の供給流量との偏差に基づくフィードバック制御の実行により空気供給ポンプを駆動制御している。

特開２０１６−５７８３７号公報

上述した燃料電池システムでは、エアの流量制御に流量センサを必要とするため、設置スペースの確保やコストの増大を招いてしまう。

本発明の燃料電池システムは、流量センサを用いることなく、エアの流量制御を適切に行なうことを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスとエアとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に向かうエア流路と、
前記エア流路に設けられた非接触軸受け構造のエアブロワと、
前記エアブロワを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、エアの吸気温度と大気圧とを取得し、システムが要求する要求エア流量で前記エア流路内をエアが流れるよう該要求エア流量と前記取得した吸気温度と大気圧とに基づいてオープンループ制御によりデューティを設定して前記エアブロワを制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムでは、エア供給路に気体軸受け構造のエアブロワを設け、エアの吸気温度と大気圧とを取得し、システムが要求する要求エア流量でエアが供給されるよう要求エア流量と吸気温度と大気圧とに基づいてオープンループ制御によりデューティを設定してエアブロワを制御する。非接触軸受け構造のエアブロワは高速回転が可能であるから、吸気温度の変化や大気圧の変化に拘わらず、エアの実流量（体積流量）は、ブロワのデューティに対して線形関係をもつ。また、非接触軸受け構造のエアブロワは、軸で摩擦がほとんど発生しないため、ブロワの個体差が少なく、経年的な流量変化も生じにくい。したがって、要求エア流量と吸気温度と大気圧とに基づいてオープンループ制御によりデューティを設定してエアブロワを制御することで、流量センサを用いることなく、エアの流量制御を適切に行なうことができる。なお、非接触軸受けには、気体軸受けや磁気軸受けなどが含まれる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、原燃料ガスを水を用いて改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に接続された水流路と、前記水流路に設けられた電磁駆動式の定容積形の水ポンプと、前記水流路内の絶対圧を検出する圧力センサと、を備え、前記制御装置は、前記圧力センサにより検出された水流路内の圧力に基づいて大気圧を推定し、前記要求エア流量と前記取得した吸気温度と前記推定した大気圧とに基づいて前記デューティを設定してもよい。圧力センサは水流路内の絶対圧を検出するため、圧力センサの検出値から水ポンプの大気圧基準の吐出圧を減じた圧力は大気圧に相当する。水ポンプ（定容積形ポンプ）として、電磁駆動式のポンプ（例えば、電磁力とばね力とによりプランジャを往復動させるプランジャポンプ）を用いれば、吐出圧は、ポンプ内の吐出ポート面積とばね力で決定され、一定であるため、大気圧基準の吐出圧を予め求めておくことができる。これにより、専用の大気圧センサを用いることなく、大気圧を推定することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの筐体の内部温度を検出する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより検出された温度に基づいて前記吸気温度を推定し、前記要求エア流量と前記推定した吸気温度と前記取得した大気圧とに基づいて前記デューティを設定してもよい。こうすれば、吸気温度を検出するために専用の温度センサを設ける必要がない。

本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。エアブロワの軸受け構造を示す構成図である。エアブロワのＤｕｔｙと実流量との関係を示す説明図である。エアブロワ制御処理の一例を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタック３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。

発電ユニット２０は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を予熱する気化器３２と、原燃料ガスと水蒸気とから水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３３と、燃料ガスとエアとにより発電する燃料電池スタック３６とを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池スタック３６にエアを供給するエア供給装置５０と、改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。これらは、筐体２２に収容されている。

改質器３３は、セラミックなどの担体に改質触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が担持されて構成され、気化器３２から供給された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガス（改質ガス）に改質する。改質器３３の内部には、改質器３３の温度を検出するための温度センサ９１が設けられている。

気化器３２、改質器３３および燃料電池スタック３６は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３６の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３４が設けられている。燃焼部３４には燃料電池スタック３６を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３５により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。モジュールケース３１には、燃焼部３４の温度を検出するための温度センサ９２が設けられている。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３４で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置６０は、発電モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２による貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原燃料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、オリフィス４４、原燃料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原燃料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原燃料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原燃料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。脱硫器４６は、原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式などを採用することができる。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の方式を採用し得る。また、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタック３６とを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタック３６へ供給する。

エアブロワ５３は、非接触軸受け構造のエアブロワとして構成されている。図２にエアブロワの軸受け構造を示す。エアブロワ５３の軸受け構造は、図示するように、モータ軸５３ａが回転することによりモータ軸５３ａとステータ５３ｂとの間に空気流を発生させてモータ軸５３ａを非接触状態で支持する空気軸受けが採用される。エアブロワ５３のＤｕｔｙと実流量との関係を図３に示す。エアブロワ５３は、ブロワモータのモータ軸５３ａとステータ５３ｂとが非接触であり、高速回転可能であるから、エアブロワ５３の実流量（実吸気温度および実大気圧における流量）は、図示するように、エアブロワ５３のデューティ（Ｄｕｔｙ）に対して線形関係をもつ。また、非接触軸受け構造のエアブロワ５３は、高速回転することで、流量がエア供給管５１内の圧損バラツキやエアフィルタ５１の目詰まりによる影響を受けにくく、また、モータ軸５３ａに摩擦がほとんど発生しないため、個体差が少なく、経年的な流量変化も生じにくい。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。改質水ポンプ５８は、本実施形態では、電磁駆動式の定容積形ポンプ（例えば、電磁力とばね力とによりプランジャを往復動させるプランジャポンプ）として構成される。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。改質水供給管５６における改質ポンプ５８の下流側には、改質水ポンプ５８が改質水を吐出しているか否かを検知するために、改質水供給管５６内の圧力を検出する圧力センサ５９が設けられている。圧力センサ５９は、背圧が真空とされて、真空との差圧（絶対圧）を検出する絶対圧力センサとして構成されている。また、改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製するための図示しない水精製器が設けられている。

燃料電池スタック３６は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものとして構成されており、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック３６の出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むパワーコンディショナ７１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池スタック３６からの直流電力は、パワーコンディショナ７１による電圧変換および直流／交流変換を経て商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給される。パワーコンディショナ７１から分岐した電力ラインには電源基板７２が接続されている。電源基板７２は、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、圧力センサ４７，５９、流量センサ４８、温度センサ９１〜９３、可燃ガスセンサ９５などの補機類に直流電力を供給する直流電源として機能する。

筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられ、吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられ、排気口２２ｂ付近には、可燃ガスの漏れを検出するための可燃ガスセンサ９５が設けられている。筐体２２の換気経路にはパワーコンディショナ７１や補機類が配置されており、吸気口２２ａから吸入された空気は、パワーコンディショナ７１を冷却した後、補機類等を通過してから、排気口２２ｂから排出されるようになっている。補機類が配置される補機室には、筐体２２の内部温度（システム内部温度Ｔａ）を検出するための温度センサ９３が設けられている。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ４７，５９や流量センサ４８、温度センサ９１〜９３、可燃ガスセンサ９５などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７１のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

こうして構成された燃料電池システム１０では、システム要求値（要求出力）を入力し、入力したシステム要求値に応じてデューティを設定して原燃料ガス供給装置４０とエア供給装置５０と改質水供給装置５５とを制御する。具体的には、原燃料ガス供給装置４０の制御は、入力したシステム要求値に基づいて原燃料ガス供給装置４０が供給すべき要求ガス流量を設定し、設定した要求ガス流量と流量センサ４８により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティを設定し、設定したデューティに基づいて原燃料ガスポンプ４５のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給装置５０の制御は、流量センサ４８により検出される原燃料ガスの流量に対して所定の比（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき要求エア流量を設定し、設定した要求エア流量に基づいてオープンループ制御によりデューティを設定し、設定したデューティに基づいてエアブロワ５３のブロワモータを制御することにより行なわれる。改質水供給装置５５の制御は、入力したシステム要求値に基づいて改質水供給装置５５が供給すべき要求水量を設定し、設定した要求水量に基づいてデューティを設定して改質水ポンプ５８のポンプモータを制御することにより行なわれる。

次に、エアブロワ５３の制御について更に詳細に説明する。図４は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行されるエアブロワ制御処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１０の運転中に所定時間毎に繰り返し実行される。

エアブロワ制御処理が実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、要求エア流量Ｖ（Ｌ／ｍｉｎ）を設定する（Ｓ１００）。要求エア流量Ｖは、流量センサ４８からの原燃料ガスの流量に所定の比（空燃比）を乗じることにより算出することができる。この要求エア流量Ｖは、標準状態、すなわち吸気温度が標準温度（２７３Ｋ）で大気圧が標準圧力（１ａｔｍ）の状態におけるエアの流量として設定される。続いて、温度センサ９３からのシステム内部温度Ｔａや圧力センサ５９からの絶対圧検出値を入力し（Ｓ１１０）、入力した絶対圧検出値から改質水ポンプ５８の吐出圧を減じて大気圧Ｐａを推定する（Ｓ１２０）。圧力センサ５９は絶対圧センサであるから、圧力センサ５９の絶対圧検出値から改質水ポンプ５８の大気圧基準の吐出圧を減じた圧力は大気圧に相当する。また、改質水ポンプ５８は電磁駆動式の定容積形ポンプ（プランジャポンプ）であり、その吐出圧は、吐出ポート面積とばね力とで決定され、一定であるから、改質水ポンプ５８の大気圧基準の吐出圧を予め求めておくことができる。したがって、改質水供給管５６に設けられた圧力センサ５９からの絶対圧検出値を予め求めた吐出圧を減じることで、大気圧センサを設けることなく、大気圧を推定することができる。

大気圧Ｐａを推定すると、システム内部温度Ｔａ（Ｋ）と大気圧Ｐａ（ａｔｍ）とに基づいて要求エア流量Ｖを補正した要求エア流量Ｖ＊を設定する（Ｓ１３０）。式（１）中、Ｐは標準圧力（１ａｔｍ）を示し、Ｔは標準温度（２７３Ｋ）を示す。式（１）は、圧力×体積（流量）／温度＝一定の関係（ボイル−シャルルの法則）を用いて導き出すことができる。本実施形態では、補正後の要求エア流量Ｖ＊を式（１）を用いて算出するものとしたが、要求エア流量Ｖ＊と要求エア流量Ｖと吸気温度Ｔａと大気圧Ｐａとの関係を予め求めてマップとして記憶することにより、マップを用いて補正後の要求エア流量Ｖ＊を導出するものとしてもよい。

V*=Ta・P・V/（T・Pa） …（１）

そして、要求エア流量Ｖ＊に基づいてエアブロワ５３のデューティを設定し（Ｓ１４０）、設定したデューティでエアブロワ５３を駆動制御して（Ｓ１５０）、エアブロワ制御処理を終了する。

以上説明した実施形態の燃料電池システム１０では、エア供給管５１に非接触軸受け構造のエアブロワ５３を設け、システムが要求する要求エア流量Ｖでエア供給管５１内をエアが流れるよう要求エア流量Ｖと吸気温度Ｔａと大気圧Ｐａとに基づいてオープンループ制御によりデューティを設定してエアブロワ５３を制御する。これにより、流量センサを用いることなく、エアの流量制御を適切に行なうことができる。しかも、改質水供給管５６に設けられた圧力センサ５９からの絶対圧検出値から定容積形ポンプとしての改質水ポンプ５８の予め求めた吐出圧を減じた圧力により大気圧Ｐａを推定するから、専用の大気圧センサを設ける必要がない。

実施形態では、改質水供給管５６に設けられた圧力センサ５９により検出された絶対圧と予め求めた改質水ポンプ５８の吐出圧とに基づいて大気圧Ｐａを推定するものとしたが、大気圧センサを設けて大気圧を直接検出するものとしてもよい。

実施形態では、筐体２２内に設けられた温度センサ９３により検出されたシステム内部温度Ｔｓを吸気温度とみなすものとしたが、エア供給管５１の吸気口付近に温度センサを設けるものとしてもよいし、その他、吸気温度を推定できれば、如何なる位置に温度センサを設けるものとしてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、エア供給管５１がエア流路に相当し、エアブロワ５３がエアブロワに相当し、制御装置８０が制御装置に相当する。また、改質器３３が改質器に相当し、改質水供給管５６が水流路に相当し、改質水ポンプ５８が水ポンプに相当し、圧力センサ５９が圧力センサに相当する。また、温度センサ９３が温度センサに相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ガス供給源、２商用電源、３電力ライン、４負荷、１０燃料電池システム、２０発電ユニット、２２筐体、２２ａ吸気口、２２ｂ排気口、２４換気ファン、３０発電モジュール、３１モジュールケース、３２気化器、３３改質器、３４燃焼部、３５点火ヒータ、３６燃料電池スタック、３７燃焼触媒、４０原燃料ガス供給装置、４１原燃料ガス供給管、４２，４３原燃料ガス供給弁、４４オリフィス、４５原燃料ガスポンプ、４６脱硫器、４７圧力センサ、４８流量センサ、５０エア供給装置、５１エア供給管、５２フィルタ、５３エアブロワ、５５改質水供給装置、５６改質水供給管、５７改質水タンク、５８改質水ポンプ、５９圧力センサ、６０排熱回収装置、６１循環配管、６２熱交換器、６３循環ポンプ、６６凝縮水供給管、６７排気ガス排出管、７１パワーコンディショナ、７２電源基板、８０制御装置、８１ＣＰＵ、８２ＲＯＭ、８３ＲＡＭ、８４フラッシュメモリ、８５タイマ、９０表示パネル、９１〜９３温度センサ、９５可燃ガスセンサ、１００給湯ユニット、１０１貯湯タンク。

Claims

燃料ガスとエアとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
原燃料ガスを水を用いて改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に接続された水流路と、
前記水流路に設けられた電磁駆動式の定容積形の水ポンプと、
前記水流路内の絶対圧を検出する圧力センサと、
前記燃料電池に向かうエア流路と、
前記エア流路に設けられた気体軸受け構造のエアブロワと、
前記エアブロワを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、エアの吸気温度を取得すると共に前記圧力センサにより検出された水流路内の圧力に基づいて大気圧を推定し、システムが要求する要求エア流量で前記エア流路内をエアが流れるよう該要求エア流量と前記取得した吸気温度と前記推定した大気圧とに基づいてオープンループ制御によりデューティを設定して前記エアブロワを制御する、
燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの筐体の内部温度を検出する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記温度センサにより検出された温度に基づいて前記吸気温度を推定し、前記要求エア流量と前記推定した吸気温度と前記推定した大気圧とに基づいて前記デューティを設定する、
燃料電池システム。