JP7176263B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDFInfo
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Description
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。
アノード極: 2H2+4O2- → 2H2O+4e- …(1.1)
カソード極: O2+4e- → 2O2- …(1.2)
C2H5OH+3H2O → 6H2+2CO2 …(2)
本実施形態において、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。
HF1:蒸発器21に供給される原燃料が有する熱流(燃料熱流)
HF2:蒸発器21における原燃料の蒸発に要する熱流(燃料蒸発熱流)
HF3:改質器23における改質反応(水蒸気改質)で吸収される熱流(吸収熱流)
HF4:燃焼器4で生成された燃焼ガスが有する熱流(燃焼ガス熱流)
HF5:蒸発器21の入口側で燃焼ガスが有する熱流(排気熱流)
HF6:蒸発器21における熱交換効率ηvapに応じた放出熱流
燃料蒸発熱流HF2=HF1×0.2=0.48kW
吸収熱流HF3=HF1×0.1=0.24kW
燃焼ガス熱流HF4=HF1+HF2+HF3-P-Q=0.82kW
排気熱流HF5=HF4-HF3=0.58kW
放出熱流HF6=HF5(1-ηvap)
{1.2-Q/(P×η)-1/η}×ηvap/0.2>1 …(3)
Qv=Ffuel×LHV×α
Qv=Ffuel×LHV×α×(1+β×(Tfuel0-Tfuel)/(Tfuel0-25))
Qv=Ffuel×(H_h2o(Tfuel0)-H_h2ol(Tfuel))
Qe=Fexh×Cp_e×(Texh-T0)
Qe=Fexh×(α×H_co2(Texh)+β×H_h2o(Texh)+γ×H_o2(Texh)+ζ×H_n2(Texh))
図7および8は、コントローラ101が通常時に実行する発電制御(以下「通常制御」という)の内容をフローチャートにより示している。図7は、通常制御の全体的な流れを示し、図8は、通常制御における目標燃料過剰率設定処理の具体的な内容を示している。
Ff=(P×η)/LHV …(4)
式(4)中、LHVは、原燃料の低位発熱量を示す。
Hf/(Cpf×Ff+Cpa×Fa)<(Tmax-Tout) …(5)
Tout:燃料電池スタック1の出口温度
Cpf:原燃料の比熱
Cpa:空気の比熱
Tmax:燃焼器4の上限温度
ηfuel=ηbase×HOSa×HOSb …(6)
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。
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
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…アノード供給通路
12…カソード供給通路
11exh…アノード排出通路
12exh…カソード排出通路
101…コントローラ
Claims (10)
- 燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出通路およびカソード排出通路に接続され、前記燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池の原燃料を、前記燃料電池への供給前に蒸発させる蒸発器であって、前記燃焼器に対し、前記残燃料の燃焼ガスが有する熱量により前記原燃料を加熱可能に接続された蒸発器と、
前記蒸発器に前記原燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料供給装置および前記酸化剤ガス供給装置を制御する供給制御部と、
を備え、
前記供給制御部は、前記燃料電池の要求出力に応じた前記原燃料の流量を必要流量として、前記燃料電池の負荷の低下に対し、前記原燃料の前記必要流量に対する実際の流量の比である燃料過剰率を、前記蒸発器の入口側で前記燃焼ガスが有する排気熱流をAとし、前記蒸発器における前記原燃料と前記燃焼ガスとの熱交換効率をBとし、前記蒸発器における前記原燃料の蒸発に要する燃料蒸発熱流をCとして、A×B/C>1となる燃料過剰率に制御する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
外気温および大気圧を取得する手段を有し、
前記燃料電池の要求出力、外気温および大気圧に基づき、前記燃料過剰率を算出し、
前記燃料供給装置に対し、前記燃料過剰率に応じた流量の前記原燃料を供給させる信号を出力する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
前記蒸発器の入口側における前記原燃料の流量および温度のうち少なくとも一方を含む前記原燃料の状態量を取得する手段を有し、
前記燃料過剰率の制御に、前記原燃料の状態量を反映させ、
前記燃料供給装置に対し、前記燃料過剰率に応じた流量の前記原燃料を供給させる信号を出力する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
前記蒸発器の入口側における前記燃焼ガスの流量および温度のうち少なくとも一方を含む前記燃焼ガスの状態量を取得する手段を有し、
前記燃料過剰率の制御に、前記燃焼ガスの状態量を反映させ、
前記燃料供給装置に対し、前記燃料過剰率に応じた流量の前記原燃料を供給させる信号を出力する、
燃料電池システム。 - 燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出通路およびカソード排出通路に接続され、前記燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池の原燃料を、前記燃料電池への供給前に蒸発させる蒸発器であって、前記燃焼器に対し、前記残燃料の燃焼ガスが有する熱量により前記原燃料を加熱可能に接続された蒸発器と、
前記蒸発器に前記原燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料供給装置および前記酸化剤ガス供給装置を制御する供給制御部と、
を備え、
前記供給制御部は、前記燃料電池の要求出力に応じた前記原燃料の流量を必要流量として、前記原燃料の前記必要流量に対する実際の流量の比である燃料過剰率を、前記燃料電池の負荷の低下に対して増大させる、
燃料電池システム。 - 請求項1~5のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、前記燃料電池の出口温度の上昇に対し、前記酸化剤ガスの流量を増大させる、
燃料電池システム。 - 請求項1~5のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、前記燃料電池の負荷の低下に対し、前記燃料過剰率を増大させるとともに、前記酸化剤ガスの流量の、前記原燃料の流量に対する比を増大させる、
燃料電池システム。 - 請求項1~7のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
外気温を取得する手段を有し、
前記外気温の上昇に対し、前記燃料過剰率を減少させる、
燃料電池システム。 - 請求項1~8のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記供給制御部は、
大気圧を取得する手段を有し、
前記大気圧の上昇に対し、前記燃料過剰率を増大させる、
燃料電池システム。 - 燃料電池の原燃料を、前記燃料電池への供給前に蒸発させる蒸発器を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記原燃料を前記蒸発器に供給し、
前記燃料電池のオフガス中の残燃料を燃焼させ、
前記燃焼により生じた前記残燃料の燃焼ガスを前記蒸発器に供給し、
前記蒸発器において、前記原燃料を前記燃焼ガスとの熱交換により加熱し、
前記原燃料の供給に際し、前記燃料電池の要求出力に応じた前記原燃料の流量を必要流量として、前記燃料電池の負荷の低下に対し、前記原燃料の前記必要流量に対する実際の供給流量の比である燃料過剰率を、前記蒸発器の入口側で前記燃焼ガスが有する熱流をAとし、前記蒸発器における前記原燃料と前記燃焼ガスとの熱交換効率をBとし、前記蒸発器における前記原燃料の蒸発に要する熱流をCとして、A×B/C>1となる燃料過剰率に制御する、
燃料電池システムの制御方法。
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