JP5026009B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関し、特に1つの空気供給手段で燃料処理装置の燃焼部及び燃料電池の各々に適切な流量の空気を供給する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that supplies air at an appropriate flow rate to each of a combustion section and a fuel cell of a fuel processing apparatus with one air supply means.
燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する。一般には、燃料電池に空気を供給し、空気中の酸素が発電に用いられる。他方、燃料電池の発電に用いる水素は、原料を水素に富むガスに改質する燃料処理装置を用い、この燃料処理装置で生成された水素に富む改質ガスを燃料電池に供給することで賄うことが多い。燃料処理装置において原料を改質する際には改質熱を供給するが、改質熱は燃料処理装置の燃焼部に燃料と空気とを供給して燃料を燃焼させることにより発生させるのが一般的である。従来は、燃料電池と燃料処理装置の燃焼部とに個別に空気を供給していた(例えば、特許文献1参照。)。
燃料電池と燃料処理装置の燃焼部とに1つの空気供給手段で空気を供給することができればコストダウンを図ることができる。しかしながら、燃料電池と燃料処理装置の燃焼部とに供給する空気の比率が必ずしも一定ではないことから、1つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給することは困難であった。 If air can be supplied to the fuel cell and the combustion section of the fuel processing apparatus by a single air supply means, the cost can be reduced. However, since the ratio of the air supplied to the fuel cell and the combustion part of the fuel processing device is not necessarily constant, air of an appropriate flow rate is supplied to each of the fuel cell and the combustion part of the fuel processing device by one air supply means. It was difficult to supply.
本発明は上述の課題に鑑み、1つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給する燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that supplies air at an appropriate flow rate to each of a combustion section of a fuel cell and a fuel processing device with one air supply means.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、原料m1を導入し改質して水素に富む改質ガスgを生成する改質部25と、燃料pと燃焼用空気aとを導入し燃料pを燃焼させて改質部25における改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部23とを有する燃料処理装置20と;発電用空気tと改質ガスgとを導入し、発電用空気t中の酸素と改質ガスg中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池30と;燃焼部23に燃焼用空気aを供給し、燃料電池30に発電用空気tを供給する空気供給手段42と;燃焼部23に導入される燃焼用空気aの流量を検出する燃焼用空気流量検出手段48と;燃焼部23に導入される燃焼用空気aの流量を調節する燃焼用空気流量調節手段42、68GPと;燃焼部23に導入される燃料pの流量を把握する燃料流量把握手段41、43、46と;燃焼部23における、燃焼用空気a中の酸素の流量の、燃料p中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段42、68GPを制御する制御装置40とを備える。
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first aspect of the present invention is a modified fuel cell system in which a raw material m1 is introduced and reformed to generate a reformed gas g rich in hydrogen, as shown in FIG. A
このように構成すると、燃焼部に燃焼用空気を供給し、燃料電池に発電用空気を供給する空気供給手段を備えるので、1つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部に空気を供給することができる。また、燃焼部における、燃焼用空気中の酸素の流量の、燃料中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段を制御するので、特に燃焼部に適切な流量の燃焼用空気を供給することができ、燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができる。 With this configuration, the air supply means for supplying the combustion air to the combustion section and the power generation air to the fuel cell is provided, so that the air is supplied to the combustion section of the fuel cell and the fuel processing device by one air supply means. Can be supplied. In addition, since the combustion air flow rate adjusting means is controlled so that the ratio of the flow rate of oxygen in the combustion air to the flow rate of combustible components in the fuel in the combustion section becomes a predetermined ratio, it is particularly suitable for the combustion section. A flow rate of combustion air can be supplied, and emission of carbon monoxide accompanying incomplete combustion of fuel can be reduced.
また、請求項1に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、燃料電池30での電気化学反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスpを、燃料として燃焼部23へ導くアノードオフガス管52と;燃料電池30に導入される発電用空気tの流量を検出する発電用空気流量検出手段41、44と;燃料電池30における発電電流を検出する発電電流検出手段43とを備え;制御装置40が、燃料電池30における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるように空気供給手段42を制御するように構成されている。
In addition, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention includes, for example, as shown in FIG. 1, the
このように構成すると、燃料電池における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるように空気供給手段を制御するので、空気供給過多により低加湿運転となることを防ぎ、空気供給不足により発電電圧が不安定となることを防ぐことができ、燃料電池の耐久性を低下させないように発電用空気の供給流量を調節することが可能となる。すなわち、燃料電池に適切な流量の発電用空気を供給することができる。 With this configuration, the air supply means is controlled so that the oxygen utilization rate in the fuel cell becomes the first predetermined utilization rate. Therefore, the low humidification operation is prevented by excessive air supply, and the air supply is insufficient. It is possible to prevent the power generation voltage from becoming unstable, and it is possible to adjust the supply flow rate of power generation air so as not to reduce the durability of the fuel cell. That is, it is possible to supply power generation air at an appropriate flow rate to the fuel cell.
また、請求項1に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、空気供給手段42から吐出された燃焼用空気aを燃焼部23へと導く燃焼用空気供給ライン58と;圧力損失が異なる複数の絞り手段68A、68Bが燃焼用空気供給ライン58上にそれぞれ並列に配設されて構成された絞り手段群68GPとを備え;空気供給手段42がモータの回転により空気を吐出する機器で構成され;燃焼用空気流量調節手段が、モータの回転速度を調節する回転速度調節手段42vと絞り手段群68GPとで構成され;制御装置40が、燃焼部23における燃焼用空気aの流量の燃料pの流量に対する比が所定の空気比となるようにモータの回転速度を調節しつつ燃料電池30における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるように複数の絞り手段68A、68Bの中から燃焼用空気aを流す絞り手段68A、68Bを決定するように構成されている。
The fuel cell system according to the first aspect of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, the combustion
このように構成すると、圧力損失が異なる複数の絞り手段が燃焼用空気供給ライン上にそれぞれ並列に配設されて構成された絞り手段群を備え、燃焼部における燃焼用空気の流量の燃料の流量に対する比が所定の空気比となるようにモータの回転速度を調節しつつ燃料電池における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるように複数の絞り手段の中から燃焼用空気を流す絞り手段を決定するので、単純な構成で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給することができる。 With this configuration, a plurality of throttle means having different pressure losses are provided on the combustion air supply line, and the throttle means group is configured to be arranged in parallel, and the fuel flow rate of the combustion air flow rate in the combustion section The combustion air is allowed to flow from the plurality of throttle means so that the oxygen utilization rate in the fuel cell becomes the first predetermined utilization rate while adjusting the rotational speed of the motor so that the ratio to the air ratio becomes a predetermined air ratio. Since the throttling means is determined, air of an appropriate flow rate can be supplied to each of the combustion portions of the fuel cell and the fuel processing apparatus with a simple configuration.
また、請求項3に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム10において、空気供給手段42から吐出された発電用空気tを燃料電池30へと導く発電用空気供給ライン54と;発電用空気供給ライン54に配設され、発電用空気供給ライン54の発電用空気tの流れを遮断可能な遮断弁64とを備える。
Further, the fuel cell system according to the invention described in claim 3 is, for example, as shown in FIG. 1, for generating power discharged from the air supply means 42 in the
このように構成すると、発電用空気供給ラインの発電用空気の流れを遮断可能な遮断弁を備えるので、発電を行わないときに発電用空気の流れを遮断することが可能となり、発電を行わないときに空気を燃料電池に供給することによる燃料電池の触媒劣化や膜乾燥に伴う燃料電池の性能低下を防ぐことができる。 If comprised in this way, since the cutoff valve which can interrupt | block the flow of power generation air of a power generation air supply line is provided, it becomes possible to interrupt | block the flow of power generation air when not generating power, and does not generate power It is possible to prevent deterioration of the fuel cell performance due to the catalyst deterioration of the fuel cell and the membrane drying caused by supplying air to the fuel cell.
また、請求項4に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム10において、燃焼用空気流量検出手段48が流量計である。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the combustion air in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, for example, referring to FIG. The flow rate detection means 48 is a flow meter.
このように構成すると、燃焼用空気の流量を直接的に計測することができ、燃焼用空気流量調節手段をより高精度に調節することが可能となって、より確実に燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができる。 If comprised in this way, the flow volume of combustion air can be measured directly, it will become possible to adjust combustion air flow volume adjustment means with high precision, and incomplete combustion of fuel more reliably. The accompanying carbon monoxide emissions can be reduced.
また、請求項5に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム10において、燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力から発電用空気tの流量を求める演算部41を備え;発電用空気流量検出手段が、燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力を検出する圧力検出器44と演算部41とを含んで構成されている。
The fuel cell system according to the invention of
このように構成すると、発電用空気流量検出手段が燃料電池に導入される発電用空気の圧力を検出する圧力検出器と演算部とを含んで構成されているので、一般に流量計よりも安価な圧力検出器を用いることが可能となり、燃料電池システムのコストダウンを図ることができる。 If comprised in this way, since the power generation air flow rate detection means is comprised including the pressure detector and operation part which detect the pressure of the power generation air introduce | transduced into a fuel cell, it is generally cheaper than a flowmeter. A pressure detector can be used, and the cost of the fuel cell system can be reduced.
また、請求項6に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項5に記載の燃料電池システム10において、演算部41に、燃料電池30の発電電流と、該発電電流を発電する流量の発電用空気tを第2の所定の酸素の利用率で燃料電池30に導入した場合における燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力である定常燃料電池入口空気圧力と、の関係があらかじめ記憶されており;さらに演算部41が、燃料電池30の発電電流の変動に追随して変動する燃料電池抵抗係数と前記定常燃料電池入口空気圧力とから燃料電池30に導入される発電用空気tの目標とする圧力である目標燃料電池入口空気圧力を算出するように構成され;制御装置40が、圧力検出器44で検出される圧力が目標燃料電池入口空気圧力Ptとなるように空気供給手段42を制御するように構成されている。
Further, the fuel cell system according to the invention described in
このように構成すると、燃料電池の圧力損失が変動しても適切な流量の発電用空気を燃料電池に供給することができる。 If comprised in this way, even if the pressure loss of a fuel cell fluctuates, the air for electric power generation of an appropriate flow rate can be supplied to a fuel cell.
本発明によれば、燃焼部に燃焼用空気を供給し、燃料電池に発電用空気を供給する空気供給手段を備えるので、1つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部に空気を供給することができる。また、燃焼部における、燃焼用空気中の酸素の流量の、燃料中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段を制御するので、特に燃焼部に適切な流量の燃焼用空気を供給することができ、燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができる。 According to the present invention, the air supply means for supplying the combustion air to the combustion section and the power generation air to the fuel cell is provided, so that the air is supplied to the combustion section of the fuel cell and the fuel processing device by one air supply means. Can be supplied. In addition, since the combustion air flow rate adjusting means is controlled so that the ratio of the flow rate of oxygen in the combustion air to the flow rate of combustible components in the fuel in the combustion section becomes a predetermined ratio, it is particularly suitable for the combustion section. A flow rate of combustion air can be supplied, and emission of carbon monoxide accompanying incomplete combustion of fuel can be reduced.
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10を説明する。図1は、燃料電池システム10の模式的系統図である。燃料電池システム10は、主要な構成部材として、水素に富む改質ガスgを生成する燃料処理装置20と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池30と、燃料処理装置20及び燃料電池30に空気を供給する空気供給手段としての空気ブロワ42と、燃料電池システム10の運転を制御する制御装置40とを備えている。
First, a
燃料処理装置20は、原料m1とプロセス水sとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスgを生成する改質部25と、原料m1の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部23とを備えている。原料m1は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素(天然ガスも含む)、あるいはメタノール、石油製品(灯油、ガソリン、ナフサ、LPG等)等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部25に導入するプロセス水sは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスgとは、水素を主成分とするガスであり、水素を40体積%以上、典型的には70〜80体積%程度含んだ、燃料電池30に供給するガスである。改質ガスg中の水素濃度は80体積%以上でもよく、すなわち燃料電池30に供給したときに発電用空気t中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。
The
改質部25には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料m1が改質されて生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池30の電極触媒が被毒する。そのため、改質部25は、変成触媒が充填された変成部(不図示)、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部(不図示)を有し、燃料処理装置20から導出される改質ガスg中の一酸化炭素濃度が約10体積ppm以下、好適には1体積ppm程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。
The reforming
改質部25には、原料m1を導入するための原料管56Aと、プロセス水sを導入するためのプロセス水管59とが接続されている。プロセス水管59は、改質部25直近の原料管56Aに接続されていると、原料m1とプロセス水sとが混合された状態で改質部25に導入されて好適である。しかしながら、プロセス水管59が改質部25に直接接続されていてもよい。原料管56Aには、原料調節弁66Aが設けられている。原料調節弁66Aは、制御装置40と信号ケーブルで接続されており、制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。また、原料管56Aには改質部25に導入される原料m1の流量を検出する原料流量計46が配設されている。原料流量計46は制御装置40と信号ケーブルで接続されており、計測した原料m1の流量を信号として制御装置40に送信することができるように構成されている。また、改質部25(改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位)には改質ガスgを導出する改質ガス管51が接続されている。
A
燃焼部23は、改質部25の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、燃料処理装置20内に配設されている。燃焼部23は、炭化水素系燃料である燃焼燃料m2、並びに水素含有ガスであるアノードオフガスp及び改質ガスgを導入すると共に、空気ブロワ42で送気される空気の一部である燃焼用空気aを導入し、バーナー(不図示)でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部23は、燃料電池システム10の状態に応じて、燃焼燃料m2、アノードオフガスp、改質ガスgのいずれか1種類あるいは2種類以上を導入して燃焼させる。燃焼燃料m2は、本実施の形態では、原料m1と同じものが使用される。すなわち、原料m1及び燃焼燃料m2は、原料燃料管56を流れる原料燃料mが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。原料燃料管56には、気体の原料燃料mを送る燃料ブロワ(不図示)が配設される。なお、原料燃料mが液体の場合は燃料ブロワ(不図示)に代えて燃料ポンプ(不図示)が配設される。燃焼部23には、改質熱を発生するための装置として、バーナー(不図示)が設けられている。燃焼部23には、アノードオフガスp及び改質ガスgを導入可能なアノードオフガス管52と、燃焼燃料m2を導入する燃料管56Bとが接続されている。燃料管56Bには、燃焼用空気aを導入する燃焼用空気供給ラインとしての燃焼用空気管58が接続されている。燃焼用空気管58が接続された位置よりも上流の燃料管56Bには、燃焼調節弁66B及びチェッキ弁66Cが、上流から下流に向かってこの順に配設されている。燃焼調節弁66Bは、制御装置40と信号ケーブルで接続されており、制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。
The
燃焼用空気管58には、燃焼用空気aの流量を計測する燃焼用空気流量検出手段としての燃焼用空気流量計48が配設されている。燃焼用空気流量計48は、サーマル式流量計等の質量流量を検出するマスフローセンサが用いられ、温度や圧力の補正を要さずに標準の状態の燃焼用空気aの流量を検出することができる。燃焼用空気流量計48は制御装置40と信号ケーブルで接続されており、計測した燃焼用空気aの流量を信号として制御装置40に送信することができるように構成されている。
The
また、燃焼用空気管58は、燃焼用空気流量計48の上流側で、燃焼用空気aの流路が一部分で2つに分かれるように第1燃焼用空気管58Aと第2燃焼用空気管58Bとの2つの管が並列に配設されている。すなわち、1本の燃焼用空気管58が途中で第1燃焼用空気管58Aと第2燃焼用空気管58Bとの2本に分かれ、再び合流して1本の燃焼用空気管58となるように構成されている。第1燃焼用空気管58Aには、絞り手段としてのオリフィス68Aが配設されている。第2燃焼用空気管58Bには、絞り手段としてのオリフィス68Bが配設されている。オリフィス68Bは、オリフィス68Aと異なる圧力損失となっている。本実施の形態では、オリフィス68Bがオリフィス68Aよりも大きな圧力損失を有している。これら複数の圧力損失の異なるオリフィス68A、68Bから絞り手段群68GPが構成されている。燃焼用空気管58から第1燃焼用空気管58Aと第2燃焼用空気管58Bとに分かれる分岐部には、絞り選択三方弁68が配設されている。絞り選択三方弁68を切り替えることにより、燃焼用空気aの流路を第1燃焼用空気管58A又は第2燃焼用空気管58Bに切り替えることができる。絞り選択三方弁68は、制御装置40と信号ケーブルで接続されており、制御装置40からの信号を受信して弁の切替動作が行われるように構成されている。本実施の形態では、絞り手段としてオリフィス68A、68Bを用いることで、制御弁を用いる場合に比べてシステムのコストダウンを図っている。
Further, the
燃料電池30は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池30は、改質ガスgを導入するアノード31と、空気ブロワ42で送気される空気の一部である発電用空気tを導入するカソード32と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部(不図示)とを含んで構成されている。カソード32に導入される発電用空気tは酸化剤ガスとして機能する。燃料電池30は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード31とカソード32とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池30では、アノード31に供給された改質ガスg中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード32に移動すると共に電子がアノード31とカソード32とを結ぶ導線を通ってカソード32に移動して、カソード32に供給された発電用空気t中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応を化学式で示すと、アノード31側は以下の(1)式に示すようになり、カソード32側は以下の(2)式に示すようになる。
2H2 → 4H+ + 4e- ・・・(1)
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O ・・・(2)
この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池30には、発電した電流を検出する発電電流検出手段としての電流計43が接続されている。電流計43は、典型的には燃料電池30で発電した電流を送電するケーブル(不図示)に配設される。また、燃料電池30は、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ(不図示)と電気的に接続される。
The
2H 2 → 4H + + 4e - ··· (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
In this reaction, the direct current can be taken out by passing electrons through the conducting wire. The
燃料電池30のアノード31では、導入された改質ガスg中の水素のすべてが上述の電気化学的反応(燃料電池30における発電)に利用される訳ではなく、一部の水素が利用される。発電に利用された水素のアノード31に導入された水素に対する比の百分率を水素の利用率といい、記号Ryで表すこととする(「Ry=(発電に利用された水素/燃料電池30に導入された水素)×100(%)」)。アノード31からは、燃料電池30での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスpが排出される。アノードオフガスpの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、メタンが含まれている。
In the
燃料電池30のカソード32では、導入された発電用空気t中の酸素のすべてが上述の電気化学的反応(燃料電池30における発電)に利用される訳ではなく、一部の酸素が利用される。発電に利用された酸素のカソード32に導入された酸素に対する比の百分率を酸素の利用率といい、記号Rxで表すこととする(「Rx=(発電に利用された酸素/燃料電池30に導入された酸素)×100(%)」)。カソード32からは、燃料電池30での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスqが排出される。
In the
アノード31と改質部25とは、改質ガス管51を介して接続されている。また、アノード31と燃焼部23とは、アノードオフガス管52を介して接続され、アノードオフガスpを燃焼部23に導入することができるようになっている。アノードオフガス管52には、アノードオフガス弁62が配設されている。また、アノードオフガス弁62よりも下流のアノードオフガス管52と改質ガス管51とがバイパス管53で接続されている。改質ガス管51からバイパス管53が分岐する分岐部には、改質ガス三方弁61が設けられている。なお、改質ガス三方弁61を設ける代わりに、バイパス管53が分岐する分岐部より下流側の改質ガス管51に二方弁を設けると共にバイパス管53に二方弁を設け、各二方弁の開閉動作により改質ガスgの流路を切り替えるようにしてもよい。
The
カソード32には、発電用空気tを導入する発電用空気供給ラインとしての発電用空気管54と、カソードオフガスqを排出するカソードオフガス管55とが接続されている。発電用空気管54は、混合空気管57から分岐した管の1つであり、混合空気管57から分岐した他の1つは燃焼用空気管58である。発電用空気管54には、発電用空気遮断弁64が設けられている。発電用空気遮断弁64は、制御装置40と信号ケーブルで接続されており、制御装置40から信号を受信して弁の開閉動作が行われるように構成されている。また、発電用空気管54には圧力センサ44が配設されている。圧力センサ44は制御装置40と信号ケーブルで接続されており、検出した発電用空気管54内の圧力を信号として制御装置40に送信することができるように構成されている。また、発電用空気管54には、燃料電池30の固体高分子膜(段落0028参照)の導電率を維持するために発電用空気tを所定の加湿度まで加湿するための加湿装置(不図示)が配設される。
A power
空気ブロワ42は、混合空気管57に配設されている。空気ブロワ42は、典型的にはモータを回転させることにより、モータの軸に取り付けられた羽根車が回転して、吸い込んだ空気を吐き出すように構成されている。空気ブロワ42のモータは回転速度調節手段としてのインバータ42vを介して動力を得るように構成されており、インバータ42vによって入力する電力を調節することにより、モータの回転速度を調節することができるように構成されている。モータの回転速度を調節可能にすることで羽根車の回転速度も連動して調節可能となり、空気ブロワ42から吐出する空気の流量を調節することができる。
The
制御装置40は、改質ガス三方弁61、アノードオフガス弁62、発電用空気遮断弁64、絞り選択三方弁68に各々信号を送信し、各弁の切り替え動作あるいは開閉動作をさせることができる。また、制御装置40は、原料調節弁66A及び燃焼調節弁66Bに各々信号を送信し、各弁の開度を調節させることができる。また、制御装置40は、インバータ42vに信号を送信し、空気ブロワ42の作動及び停止並びにモータの回転速度を制御する。また、制御装置40は、電流計43、圧力センサ44、原料流量計46、燃焼用空気流量計48から各々信号を受信して、後述する演算部41で各種演算を行い、検出した各状況に基づいて燃料電池システム10の制御を行う。
The
また、制御装置40は、演算部41を備えている。演算部41には燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力と流量との関係が記憶されている。燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力と流量との関係は、抵抗系の定まった燃料電池30並びに発電用空気管54及びカソードオフガス管55に固有の関係を有しており、典型的には試運転によって求められる。
図2に、燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力と流量との関係のグラフを示す。図2のグラフは、縦軸が圧力P、横軸が流量Qであり、曲線Fが燃料電池30に導入される発電用空気tの圧力Pと流量Qとの関係を表している。曲線Fは、典型的には右上がりの2次曲線となる。なお、便宜のために図2を用いて説明したが、演算部41には曲線Fが関数として記憶されていてもよい。
In addition, the
FIG. 2 shows a graph of the relationship between the pressure and flow rate of power generation air t introduced into the
また、演算部41には、燃料電池30に導入される発電用空気tの流量と燃料電池30の出力との関係が、燃料電池30における酸素の利用率Rxごとに記憶されている。
図3に、酸素の利用率Rxをパラメータとした燃料電池30に導入される発電用空気tの流量と燃料電池30の出力との関係のグラフを示す。図3のグラフは、縦軸に燃料電池30に導入される発電用空気tの流量Qを、横軸に燃料電池30の出力Gを定格出力に対する割合で示している。本実施の形態では、グラフは右上がりの直線となっている。また、本実施の形態では、燃料電池30の最低出力が定格出力の30%となっており、最低出力未満の出力で作動しないようになっている。
Further, the
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow rate of power generation air t introduced into the
また、演算部41には、燃料電池30における発電電流Iと、定常想定スタック内水分量Wsとの関係が記憶されている。ここで、定常想定スタック内水分量Wsとは、燃料電池30で発電したある発電電流に対して理論上発生する水分の量とその電流を発電するために発電用空気tに付随して燃料電池30内に持ち込まれる水分の量とから燃料電池30内に存在すると想定される水分量であって、水分量を想定するにあたって燃料電池30の運転履歴を考慮していないときの水分量である。
図4に、燃料電池30における発電電流Iと、定常想定スタック内水分量Wsとの関係をまとめて示す。定常想定スタック内水分量Wsは、燃料電池30の発電電流Iの増減に追随して、増減している。
Further, the
FIG. 4 collectively shows the relationship between the generated current I in the
また、演算部41には、燃料電池30の発電初期に燃料電池30内に存在すると想定される水分量である発電初期想定スタック内水分量Wpが記憶されている。発電初期とは、およそ燃料電池30の温度が定常運転時の温度(約60〜80℃)に達するまでの時期であり、発電初期の想定される燃料電池30内の水分量は、燃料電池30の温度が定常運転時よりも低いため、定常運転時における発電電流Iに対する定常想定スタック内水分量Wsよりも多くなる。発電初期想定スタック内水分量Wpは燃料電池30に固有の値であり、本実施の形態では70である。
In addition, the
また、演算部41では、原料流量計46で検出された原料m1の流量と、電流計43で検出された燃料電池30の発電電流とから燃焼部23に導入されるアノードオフガスp中の可燃成分の流量を算出することができるように構成されている。アノードオフガスp中の可燃成分の流量を算出する過程を詳細に説明すれば、以下のようになる。まず、原料流量計46で、燃料処理装置20に導入される原料m1の流量を検出する。演算部41には定常運転時における導入された原料m1に対して生成される改質ガスgの流量及び単位流量あたりの改質ガスg中の水素やメタン等の可燃成分の割合が記憶されており、これに基づき改質ガスg中の可燃成分の流量を算出する。次に電流計43で検出された発電電流から、上記(1)式に基づき、燃料電池30で消費された水素の流量を算出する。燃料処理装置20で生成される改質ガスg中の可燃成分の流量と燃料電池30で消費された水素の流量との差が燃焼部23に導入されるアノードオフガスp中の可燃成分の流量となる。
Further, in the
燃料電池システム10では、原料流量計46と、電流計43と、演算部41とで燃料流量把握手段を構成している。また、圧力センサ44と演算部41とで発電用空気検出手段を構成している。また、空気ブロワ42と絞り手段群68GPと絞り選択三方弁68とで燃焼用空気流量調節手段を構成している。
In the
引き続き図1を参照して、燃料電池システム10の作用を説明する。停止している燃料電池システム10の運転を開始するには、燃焼部23に燃焼燃料m2を供給すると共に空気ブロワ42を起動して燃焼部23に燃焼用空気aを供給する。このとき、発電用空気遮断弁64は閉になっており、発電用空気tが燃料電池30に供給されないようになっている。これにより、燃料電池30の固体高分子膜の乾燥を防ぐと共に触媒の酸化を防いで、燃料電池30の性能低下を防いでいる。また、絞り選択三方弁68は、圧力損失が小さい方のオリフィス68Aが配設された第1燃焼用空気管58A側が開に、第2燃焼用空気管58B側が閉になっている。また、燃焼調節弁66Bは開、原料調節弁66A及びアノードオフガス弁62は閉となっている。また、改質ガス三方弁61は、バイパス管53側が開となっている。
With continued reference to FIG. 1, the operation of the
燃焼部23で燃焼燃料m2が燃焼して改質熱が発生し、改質部25が昇温したら、原料調節弁66Aを開にして原料m1を改質部25に導入する。改質部25の温度は温度検出器(不図示)で検出する。改質部25にはプロセス水sも導入され、燃焼部23から改質熱を得て原料m1が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスgが生成される。燃料処理装置20では、上述のように改質ガスgが生成されるが、運転開始当初は改質ガスgの組成が安定していないため、改質ガス三方弁61のバイパス管53側を開にして、組成が安定していない改質ガスgを燃料電池30に供給せずに燃焼部23に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部23に導入した組成が安定していない改質ガスgを主として燃焼させ、不足分の燃焼燃料m2を燃焼調節弁66Bの開度を調節して燃焼部23に導入する。組成が安定していない改質ガスgで足りる場合は燃焼調節弁66Bを閉とする。
When the combustion fuel m2 is combusted in the
燃料処理装置20で生成される改質ガスgの組成が安定するようになると、制御装置40がアノードオフガス弁62を開に、改質ガス三方弁61のバイパス管53側を閉にして、改質ガスgが燃料電池30に導入されるようにする。これにより、燃料電池30のアノード31に改質ガスgが導入される。他方、制御装置40は、発電用空気遮断弁64を開にし、これによって燃料電池30のカソード32に発電用空気tが導入される。このとき、制御装置40は空気ブロワ42の回転速度を上昇させ、燃料電池30に供給する分だけ増加した空気を空気ブロワ42から吐出させるようにする。燃料電池30ではアノード31に導入された改質ガスg中の水素と、カソード32に導入された発電用空気t中の酸素とによる、上述の(1)式及び(2)式に示すような電気化学的反応が行われる。この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード31側の電子が外部電気回路を通ってカソード32側に移動する際に電力を得ることができる。アノード31側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード32側に移動し、酸素と結合して水分が発生する(上記(2)式参照)。この電気化学的反応は発熱反応である。
When the composition of the reformed gas g generated in the
燃料電池30によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ(不図示)で交流電力に変換されて電力負荷(不図示)に送電される。また、燃料電池30で発生した熱は、例えば貯湯タンク(不図示)に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。燃料電池30で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム10の効率が向上することとなる。
Since the power obtained by the
燃料電池30の作動中、アノード31からはアノードオフガスpが排出される。排出されたアノードオフガスpは、アノードオフガス管52を介して燃料処理装置20の燃焼部23に導かれて燃焼される。燃焼部23におけるアノードオフガスpの燃焼により、改質部25における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部23における燃焼によって生じた排ガスは、排ガス管(不図示)を介して系外に排出される。他方、カソード32からはカソードオフガスqが排出され、カソードオフガス管55を介して系外に排出される。
During the operation of the
上記のような燃料電池システム10の運転中、燃焼部23に導入される燃焼用空気a中の酸素の量Moの、燃料p中の可燃成分の量Mpに対する比(以下「酸素可燃成分比Rm」(Rm=Mo/Mp)という。)が所定の比率となるように、制御装置40は空気ブロワ42及び絞り選択三方弁68を制御する。なお、燃焼用空気a中の酸素の割合は時間経過にかかわらずほぼ一定であるので、燃焼用空気aの流量を調節することで燃焼用空気a中の酸素の流量も調節することができる。すなわち、直接的には流量計48で燃焼用空気aの流量を調節している場合でも、実質的には燃焼用空気a中の酸素の流量を調節していることとなる。酸素可燃成分比Rmを所定の比率にすることで、燃焼用空気aの過多による失火を防ぐことができ、燃焼用空気aの過少による燃料pの不完全燃焼に伴う有害物質の排出を防ぐことができる。所定の比率は、燃焼部23における燃焼が不完全燃焼とならないような比率であり、本実施の形態では約1.15〜1.50である。
During the operation of the
また、上記のような燃料電池システム10の運転中、燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率となるように、制御装置40は空気ブロワ42を制御する。発電に利用された酸素は、電流計43で検出された発電電流と上述の(2)式とから求まる。燃料電池30に導入された酸素の流量は、圧力センサ44で検出した圧力に基づいて演算部41で算出される。酸素の利用率Rxが上限を超えると、燃料電池30を構成する各セル(段落0028参照)への酸素の分配が均等とならずに酸素が不足するセルが生じ、燃料電池30の電圧低下を招来することとなる。他方、酸素の利用率Rxが下限を下回ると、空気ブロワ42の負荷が増大して燃料電池システム10の発電効率(投入エネルギーに対する発電した電気エネルギーの割合。以下同じ。)が低下すると共に、加湿装置(段落0032参照)の能力が不足することに伴い低加湿運転となり燃料電池30の発電電圧が低下して燃料電池30の耐久性に影響を及ぼすこととなる。これらの不具合を回避するために、酸素の利用率Rxを第1の所定の利用率に維持するのである。第1の所定の利用率は、上記の不具合を招かないような値に設定され、本実施の形態では45〜59%に設定されているが、用いる燃料電池30の特性に応じて適宜最適な値を設定するとよい。このように、第1の所定の利用率は、典型的には幅を有している。
Further, during the operation of the
また、上記のような燃料電池システム10の運転中、燃料電池30における水素の利用率が第3の所定の利用率となるように、制御装置40は燃料処理装置20を制御する。発電に利用された水素は、電流計43で検出された発電電流と上述の(2)式とから求まる。燃料電池30に導入された水素の流量は、原料流量計46で検出した改質部25に導入される原料m1の種類及び流量に基づいた燃料処理装置20の固有の値として求められる。水素の利用率Ryが上限を超えると、燃料電池30を構成する各セル(段落0028参照)への水素の分配が均等とならずに水素が不足するセルが生じて燃料電池30の電圧低下を招来すると共に、セルの劣化を引き起こす可能性がある。他方、水素の利用率Ryが下限を下回ると燃料処理装置20の負荷が増大し、燃料電池システム10の発電効率が低下することとなる。これらの不具合を回避するために、水素の利用率Ryを第3の所定の利用率に維持するのである。第3の所定の利用率は、上記の不具合を招かないような値に設定され、本実施の形態では70〜80%の範囲で極力75%に近づくように設定されているが、用いる燃料電池30の特性に応じて適宜最適な値を設定するとよい。
Further, during the operation of the
燃料電池30における発電電流の大きさは、パワーコンディショナ(段落0028参照)の設定により、最低発電量(本実施の形態では定格出力の30%。段落0036参照)と定格出力との間で任意に決定することができる。この決定した電流の大きさにより、燃料電池30で発電に利用される水素の量及び酸素の量が定まる。この定まった水素の量及び酸素の量に対して改質ガスg及び発電用空気tをどの程度供給するかによって燃料電池30における水素の利用率Ry及び酸素の利用率Rxが定まる。水素の利用率Ryと酸素の利用率Rxとは独立しており、両者の間に相関関係はない。
The magnitude of the generated current in the
水素の利用率Ryを第3の所定の利用率とするためには、原料調節弁66Aにより改質部25に導入する原料m1の流量を調節する。これにより燃料処理装置20で生成される改質ガスgの流量を調節することができ、燃料電池30のアノード31に供給する改質ガスgの流量を調節することが可能となって、燃料電池30における水素の利用率Ryを第3の所定の利用率に維持することができる。
In order to set the hydrogen utilization rate Ry to the third predetermined utilization rate, the flow rate of the raw material m1 introduced into the reforming
他方、酸素の利用率Rxを第1の所定の利用率とするためには、空気ブロワ42の回転速度を調節するのであるが、燃料電池システム10では1台の空気ブロワ42で発電用空気tを燃料電池30に供給すると共に燃焼用空気aを燃焼部23に供給しているので、燃焼部23における酸素可燃成分比Rmが所定の比率となるように、かつ、燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率となるように、制御装置40は空気ブロワ42の回転速度を調節する。燃焼部23への燃焼用空気aの供給量は流量計48でモニターし、燃料電池30への発電用空気tの供給量は圧力センサ44でモニターしている。このとき、圧力センサ44で検出される圧力の値が定常燃料電池入口空気圧力Psとなるようにするとよい。ここで、定常燃料電池入口空気圧力Psとは、設定された発電電流を得るために発電用空気tを第2の所定の酸素の利用率となる流量で燃料電池30に導入したときの燃料電池入口空気圧力である。第2の所定の酸素の利用率は、第1の所定の利用率内に設定される設計上の(好ましい)酸素の利用率であり、本実施の形態では50%としている。定常燃料電池入口空気圧力Psを目標として空気ブロワ42を制御すると、燃焼部23へ供給する燃焼用空気aとのバランスで定常燃料電池入口空気圧力Psとなる流量を燃料電池30へ供給することができない場合であっても、燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率の範囲内に収まる確率が高くなる。
On the other hand, in order to set the oxygen utilization rate Rx to the first predetermined utilization rate, the rotational speed of the
燃焼部23における酸素可燃成分比Rmが所定の比率となるように空気ブロワ42の回転速度を調節すると燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率にならない場合は、制御装置40は絞り選択三方弁68に信号を送信して弁の開方向を切り替えるように作動させ、燃焼用空気aを流すべきオリフィス68Aをオリフィス68Bに切り替える。燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率よりも高い(燃料電池30に供給する発電用空気tの流量が少ない)場合は圧力損失が大きくなるオリフィス68Bに切り替えて発電用空気管54の方に流れる発電用空気tの流量を増加させる。反対に、燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率よりも低い(燃料電池30に供給する発電用空気tの流量が多い)場合は圧力損失が小さくなるオリフィス68Aに切り替えて発電用空気管54の方に流れる発電用空気tの流量を減少させる。つまり、オリフィス68Bを使用した場合、オリフィス68Aを使用した場合の順番に燃焼用空気管58を流れる燃焼用空気aの流量は多くなる。このようにオリフィス68A、68Bを切り替えることにより燃焼用空気a側の圧力損失をコントロールすることができ、酸素可燃成分比Rmが所定の比率となるように制御している場合に燃料電池30に供給される発電用空気tの流量を適正化(酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率となるように)することができる。
When the rotation rate of the
ところで、前述の(2)式から明らかなように、燃料電池30における発電に伴って燃料電池30内に水が発生する。また、燃料電池30内に発生する水は、(2)式に示す電気化学的反応に伴うもののほか、発電用空気tによってキャリーされる加湿水も含まれる。燃料電池30内に発生する水分量は燃料電池30の発電電流にほぼ比例することは前述の(2)式より理解されるが、本発明者は、燃料電池30内に存在する水分量は、発電電流の変化に追随しようとするがその変化は遅く、理論値との間で差異が生じるとの知見を得た。燃料電池30内の水分は、燃料電池30に供給される発電用空気tの圧力損失を引き起こし、燃料電池30に供給される発電用空気tの流量を変化させ、ひいては燃料電池30における酸素の利用率Rxを変化させる。つまり、発電に伴って発生する水分の存在が原因で、空気ブロワ42の回転速度を燃料電池30の発電電流に応じて変化させるだけでは燃焼部23及び燃料電池30に適切な流量の空気を供給することが困難となる。したがって、燃料電池30内の水分量に応じて空気ブロワ42の回転速度の制御目標とする定常燃料電池入口空気圧力Psを補正することが好ましい。
By the way, as is clear from the above-described equation (2), water is generated in the
本発明者は、鋭意研究の末、空気ブロワ42の回転速度の制御目標とする圧力センサ44で検出する圧力を、定常燃料電池入口空気圧力Psに燃料電池抵抗係数φを乗じて算出される目標燃料電池入口空気圧力Pt(Pt=Ps×φ)へ補正することで燃料電池30に供給する発電用空気tの流量を適正化することができるとの知見を得た。燃料電池抵抗係数φは、燃料電池30の発電電流の変動によるカソード32の圧力損失の変動の程度を示した係数であり、本実施の形態では、ある時点において燃料電池30内に存在すると想定される水分量である現在想定スタック内水分量Wtを上述の定常想定スタック内水分量Ws(段落0037参照)で除したもの(φ=Wt/Ws)としている。ここで、現在想定スタック内水分量Wtは、水分量を想定するにあたって燃料電池30の運転履歴を考慮しているものである。また、燃料電池抵抗係数φは、燃料電池30内の水分量の他に、燃料電池30の温度やその他の条件により定義される場合もあり得るが、本実施の形態に係る燃料電池システム10を制御するにあたっては、燃料電池30内に存在する水分量と相関関係を有するものととらえても、適切な流量の空気を燃料電池30及び燃料処理装置20の燃焼部23に供給することが可能となっている。なお、現在想定スタック内水分量Wtは、以下のようにして求められる。
The present inventor, after earnest research, calculates a pressure detected by the
燃料電池30内に存在する水分は、上述のように、発電電流の変化やこの変化に遅れて追随することにより、時々刻々と変化している。そこで、制御装置40は、現在想定スタック内水分量Wtを所定のタイムステップごとに求めて燃料電池抵抗係数φに反映させることとしている。現在想定スタック内水分量Wtは、定常想定スタック内水分量Wsと1タイムステップ前の現在想定スタック内水分量Wt’との差分から算出することとし、係数をf、タイムステップをdtとして、以下の(3)式で表される。
Wt=f×(Ws−Wt’)×dt+Wt’ ・・・(3)
例えば係数f=0.15、タイムステップdtを1秒とすると、現在想定スタック内水分量Wtは以下の(4)式で表される。
Wt=0.15×(Ws−Wt’)×1+Wt’ ・・・(4)
以上のように、空気ブロワ42の回転速度の制御目標とする定常燃料電池入口空気圧力Psを目標燃料電池入口空気圧力Ptへ補正することで、燃料電池システム10の運転履歴によって燃料電池30の圧力損失が変動しても、1台の空気ブロワ42で燃焼部23及び燃料電池30に最適な流量の空気(燃焼用空気a及び発電用空気t)を供給することができる。
As described above, the moisture present in the
Wt = f × (Ws−Wt ′) × dt + Wt ′ (3)
For example, assuming that the coefficient f = 0.15 and the time step dt is 1 second, the currently assumed moisture content Wt in the stack is expressed by the following equation (4).
Wt = 0.15 × (Ws−Wt ′) × 1 + Wt ′ (4)
As described above, by correcting the steady fuel cell inlet air pressure Ps, which is the control target of the rotational speed of the
図5に、燃料電池30の発電電流の変動に伴う目標燃料電池入口空気圧力Ptの変動の様子を示す。図中、曲線Iは燃料電池30における発電電流Iを、曲線Wsは定常想定スタック内水分量Wsを、曲線Wtは現在想定スタック内水分量Wtを、曲線Psは定常燃料電池入口空気圧力Psを、曲線Ptは目標燃料電池入口空気圧力Ptをそれぞれ表している。図より、現在想定スタック内水分量Wtは定常想定スタック内水分量Wsに遅れて追随しており、目標燃料電池入口空気圧力Ptは現在想定スタック内水分量Wtの変動を反映しているのが分かる。
FIG. 5 shows how the target fuel cell inlet air pressure Pt fluctuates as the power generation current of the
以上で説明したように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10によれば、1台の空気ブロワ42で燃焼部23及び燃料電池30に適切な流量の空気(燃焼用空気a及び発電用空気t)を供給することができる。燃焼部23及び燃料電池30に空気を供給する空気ブロワを1台とすることにより、燃料電池システム10のコストダウンを図っている。また、燃料電池30へ供給する発電用空気tの流量をモニターする計器を圧力計44とすることによってもコストダウンを図っている。
As described above, according to the
上記の好ましい本発明の実施の形態の説明においては、燃料電池30内に存在する水分量に応じて空気ブロワ42の回転速度を補正したが、多少の発電効率の低下を看過して(燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率を外れることを是認して)燃焼部23に供給する燃焼用空気aの流量を適切に調節することにより、制御を簡易にすることもできる。
In the above description of the preferred embodiment of the present invention, the rotational speed of the
以上の説明では、絞り手段群を構成する燃焼用空気管が2本並列に配設されているとしたが、3本以上の燃焼用空気管が並列に配設されることとしてもよい。このとき、並列に配設された各燃焼用空気管にそれぞれ圧力損失が異なる絞り手段が配設される。また、絞り手段がオリフィスであるとして説明したが、フィルターや二方弁等であってもよい。絞り手段として自動二方弁を配設した場合は、絞り選択三方弁を省略することができ、1本の燃焼用空気管の圧力損失を可変にすることができる。オリフィスを用いる場合は自動二方弁を用いる場合に比べてコストダウンを図ることができる。また、絞り手段群を通過する燃焼用空気aは、1つの燃焼用空気管を通過するだけでなく、2つ以上の燃焼用空気管を通過させることで、絞り手段群よりも下流側に供給される燃焼用空気aの流量を調節してもよい。 In the above description, two combustion air pipes constituting the throttle means group are arranged in parallel. However, three or more combustion air pipes may be arranged in parallel. At this time, throttle means having different pressure losses are arranged in the combustion air pipes arranged in parallel. Moreover, although the throttle means has been described as an orifice, it may be a filter, a two-way valve, or the like. When an automatic two-way valve is provided as the throttle means, the throttle selection three-way valve can be omitted, and the pressure loss of one combustion air pipe can be made variable. When the orifice is used, the cost can be reduced as compared with the case where the automatic two-way valve is used. Further, the combustion air a passing through the throttle means group is supplied not only through one combustion air pipe but also downstream of the throttle means group by passing through two or more combustion air pipes. The flow rate of the combustion air a may be adjusted.
以上の説明では、燃焼用空気流量計48がサーマル式流量計等の質量流量を検出するマスフローセンサであるとしたが、これ以外の差圧流量計や渦流量計等を用いてもよい。差圧流量計は構造が簡単で安価であり、渦流量計は可動部がなく構造簡単で保守が不要という利点がある。しかしながら、マスフローセンサは気体の質量流量が温度・圧力の補正無しに直接測定できるので好適である。
In the above description, the combustion
以上の説明では、制御装置40が、燃焼部23における燃焼用空気aの流量の燃料pの流量に対する比が所定の空気比となるようにしつつ燃料電池30における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるようにインバータ42v及び絞り選択三方弁68を制御することとしたが、燃料電池30へ供給する発電用空気tの流量が成り行きの流量となることが許容される場合(燃料電池30における酸素の利用率Rxが第1の所定の利用率を外れることが是認される場合)は、燃料電池30における酸素の利用率を制御の対象から除外して燃焼部23における燃焼用空気aの流量の燃料pの流量に対する比が所定の空気比となるように燃焼用空気流量調節手段42、68GPを制御することとしてもよい。このようにすると、1つの空気供給手段42で燃料電池30及び燃料処理装置20の燃焼部23に空気を供給しつつ燃焼部23における燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができ、かつ、制御を簡略化することができる。
In the above description, the
以上の説明では、燃料電池30が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。
In the above description, the
10 燃料電池システム
20 燃料処理装置
23 燃焼部
25 改質部
30 燃料電池
40 制御装置
41 演算部
42 空気ブロワ
43 電流計
44 圧力センサ
46 原料流量計
48 流量計
54 発電用空気供給ライン
58 燃焼用空気供給ライン
64 遮断弁
68A、68B オリフィス(絞り手段)
68GP 絞り手段群
a 燃焼用空気
g 改質ガス
m1 原料
p アノードオフガス
t 発電用空気
DESCRIPTION OF
68GP Throttle means group a Combustion air g Reformed gas m1 Raw material p Anode off gas t Power generation air
Claims (6)
発電用空気と前記改質ガスとを導入し、前記発電用空気中の酸素と前記改質ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と;
前記燃料電池での電気化学反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを、前記燃料として前記燃焼部へ導くアノードオフガス管と;
前記燃焼部に前記燃焼用空気を供給し、前記燃料電池に前記発電用空気を供給する空気供給手段と;
前記燃焼部に導入される燃焼用空気の流量を検出する燃焼用空気流量検出手段と;
前記燃焼部に導入される燃焼用空気の流量を調節する燃焼用空気流量調節手段と;
前記燃焼部に導入される燃料中の可燃成分の流量を把握する燃料流量把握手段と;
前記燃焼部における、前記燃焼用空気中の酸素の流量の、前記燃料中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように前記燃焼用空気流量調節手段を制御する制御装置と;
前記燃料電池に導入される発電用空気の流量を検出する発電用空気流量検出手段と;
前記燃料電池における発電電流を検出する発電電流検出手段とを備え;
前記制御装置が、前記燃料電池における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるように前記空気供給手段を制御し;
前記空気供給手段から吐出された前記燃焼用空気を前記燃焼部へと導く燃焼用空気供給ラインと;
圧力損失が異なる複数の絞り手段が前記燃焼用空気供給ライン上にそれぞれ並列に配設されて構成された絞り手段群とをさらに備え;
前記空気供給手段がモータの回転により空気を吐出する機器で構成され;
前記燃焼用空気流量調節手段が、前記モータの回転速度を調節する回転速度調節手段と前記絞り手段群とで構成され;
前記制御装置が、前記燃焼部における前記燃焼用空気の流量の前記燃料の流量に対する比が所定の空気比となるように前記モータの回転速度を調節しつつ前記燃料電池における酸素の利用率が第1の所定の利用率となるように前記複数の絞り手段の中から前記燃焼用空気を流す前記絞り手段を決定するように構成された;
燃料電池システム。 A reforming section that introduces a raw material to reform and generates a reformed gas rich in hydrogen, and a reforming heat that is used for reforming in the reforming section by introducing fuel and combustion air and burning the fuel A fuel processor having a combustion section for generating gas;
A fuel cell that introduces power generation air and the reformed gas, and generates power by an electrochemical reaction between oxygen in the power generation air and hydrogen in the reformed gas;
An anode offgas pipe for introducing an anode offgas containing hydrogen that has not been used for an electrochemical reaction in the fuel cell to the combustion section as the fuel;
Air supply means for supplying the combustion air to the combustion section and supplying the power generation air to the fuel cell;
Combustion air flow rate detection means for detecting the flow rate of combustion air introduced into the combustion section;
Combustion air flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of combustion air introduced into the combustion section;
Fuel flow rate grasping means for grasping the flow rate of combustible components in the fuel introduced into the combustion section;
A control device for controlling the combustion air flow rate adjusting means so that a ratio of a flow rate of oxygen in the combustion air to a flow rate of combustible components in the fuel becomes a predetermined ratio in the combustion section ;
Power generation air flow rate detection means for detecting the flow rate of power generation air introduced into the fuel cell;
A generated current detection means for detecting a generated current in the fuel cell;
Wherein the controller controls the air supply means so that the oxygen utilization in the fuel cell becomes the first predetermined utilization rate;
A combustion air supply line for guiding the combustion air discharged from the air supply means to the combustion section;
A plurality of throttle means having different pressure losses, further comprising a throttle means group configured in parallel with each other on the combustion air supply line;
The air supply means comprises a device for discharging air by rotation of a motor;
The combustion air flow rate adjusting means includes a rotation speed adjusting means for adjusting a rotation speed of the motor and the throttle means group;
The control device adjusts the rotation speed of the motor so that the ratio of the flow rate of the combustion air in the combustion section to the flow rate of the fuel becomes a predetermined air ratio, and the oxygen utilization rate in the fuel cell is the first. The throttling means for flowing the combustion air is determined from the plurality of throttling means so as to achieve a predetermined utilization rate of 1;
Fuel cell system.
前記原料流量計で検出された前記原料の流量と、前記発電電流検出手段で検出された前記燃料電池の発電電流とから前記燃焼部に導入される前記アノードオフガス中の可燃成分の流量を算出する演算部とを備え;
前記燃料流量把握手段が、前記原料流量計と、前記発電電流検出手段と、前記演算部とで構成された;
請求項1に記載の燃料電池システム。 A raw material flow meter for detecting the flow rate of the raw material introduced into the reforming section;
The flow rate of the combustible component in the anode off-gas introduced into the combustion part is calculated from the flow rate of the raw material detected by the raw material flow meter and the generated current of the fuel cell detected by the generated current detection means. An arithmetic unit;
The fuel flow rate grasping means comprises the raw material flow meter, the generated current detection means, and the calculation unit;
The fuel cell system according to claim 1.
前記発電用空気供給ラインに配設され、前記発電用空気供給ラインの前記発電用空気の流れを遮断可能な遮断弁とを備える;
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A power generation air supply line for guiding the power generation air discharged from the air supply means to the fuel cell;
A shutoff valve disposed in the power generation air supply line and capable of shutting off the flow of power generation air in the power generation air supply line;
The fuel cell system according to claim 1 or 2 .
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The combustion air flow rate detection means is a flow meter;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 .
前記発電用空気流量検出手段が、前記燃料電池に導入される発電用空気の圧力を検出する圧力検出器と前記演算部とを含んで構成された;
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A calculation unit for obtaining the flow rate of the power generation air from the pressure of the power generation air introduced into the fuel cell;
The power generation air flow rate detection means includes a pressure detector for detecting the pressure of the power generation air introduced into the fuel cell and the calculation unit;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
さらに前記演算部が、前記燃料電池の発電電流の変動に追随して変動する燃料電池抵抗係数と前記定常燃料電池入口空気圧力とから前記燃料電池に導入される発電用空気の目標とする圧力である目標燃料電池入口空気圧力を算出するように構成され;
前記制御装置が、前記圧力検出器で検出される圧力が前記目標燃料電池入口空気圧力となるように前記空気供給手段を制御するように構成された;
請求項5に記載の燃料電池システム。 The calculation unit is introduced into the fuel cell when the power generation current of the fuel cell and the power generation air at a flow rate for generating the power generation current are introduced into the fuel cell at a second predetermined oxygen utilization rate. The relationship with the steady fuel cell inlet air pressure, which is the pressure of the power generation air, is stored in advance;
Further, the calculation unit is configured to generate a target pressure of power generation air introduced into the fuel cell from a fuel cell resistance coefficient that fluctuates following a variation in the power generation current of the fuel cell and the steady fuel cell inlet air pressure. Configured to calculate a target fuel cell inlet air pressure;
The controller is configured to control the air supply means such that the pressure detected by the pressure detector becomes the target fuel cell inlet air pressure;
The fuel cell system according to claim 5 .
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