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JP5270219B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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JP5270219B2 JP2008137818A JP2008137818A JP5270219B2 JP 5270219 B2 JP5270219 B2 JP 5270219B2 JP 2008137818 A JP2008137818 A JP 2008137818A JP 2008137818 A JP2008137818 A JP 2008137818A JP 5270219 B2 JP5270219 B2 JP 5270219B2
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Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムには、改質器によって原料(アルコール、炭化水素、アルデヒド等)を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスに含まれる燃料ガス(水素)を燃料電池による発電に利用するタイプの、いわゆる改質型燃料電池システムがある。そして、このような改質型燃料電池システムでは、燃料電池によって安定した所望の発電を行うために、燃料電池への燃料ガスの流量を安定して制御する必要がある。このため、改質器への原料の流量を安定して制御する必要がある。
ところで、上述した改質型燃料電池システムでは、改質器への原料の供給には、昇圧ポンプが用いられ、また、原料の流量は、昇圧ポンプと改質器との間の配管に配設された流量調整弁を制御することによって制御される。そして、昇圧ポンプと改質器との間の配管では、昇圧ポンプの吐出圧の変動により、脈動(流量変動、圧力変動)が発生し、昇圧ポンプから改質器への原料の流量が不安定になることが知られている。そこで、従来、この脈動を抑制するために、昇圧ポンプとして、比較的脈動の少ないベローズ型ポンプやダイヤフラム型ポンプ等の容積型ポンプが用いられたり、流量調整弁として、流量調整の精度が比較的高いマスフローコントローラが用いられたりする。
特開2006−260874号公報 特開平2−309562号公報 特開2003−81603号公報 特開2004−262689号公報 特開2004−185961号公報
しかし、容積型ポンプは、その構成部品が比較的劣化しやすいため、耐久性を考慮して容積型ポンプの設計を行うと、燃料電池システムの大幅なコスト上昇を招く。また、流量調整弁として、比較的高価なマスフローコントローラを用いることも、燃料電池システムの大幅なコスト上昇を招く。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、原料を改質する改質器と、この改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、改質器に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池による発電の安定化を図ることを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムであって、前記原料を昇圧して前記改質器に供給するための昇圧ポンプと、前記改質器と前記昇圧ポンプとの間に配設され、前記改質器に供給される原料の流量を調整するための二位置弁と、前記燃料電池の発電負荷に基づいて、前記二位置弁の駆動周期に対する開弁期間の割合である開弁デューティー比を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
適用例1の燃料電池システムでは、改質器に供給される原料の流量を調整するための流量調整弁として二位置弁を用い、この二位置弁の開弁デューティー比を、制御部によって、燃料電池の発電負荷に基づいて制御する。そして、二位置弁は、自動車用の電子制御燃料噴射弁として量産化されているように、機能性能、信頼性、耐久性が許容できる程度に高く、また、マスフローコントローラと比較して安価である。さらに、流量調整弁として二位置弁を用いることにより、昇圧ポンプとして、比較的高価な容積型ポンプを用いなくても、原料の脈動を抑制できることが見出された。つまり、適用例1の燃料電池システムによれば、改質器に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池による発電の安定化を図ることができる。なお、二位置弁の開弁デューティー比を大きくすれば、原料の流量は多くなり、二位置弁の開弁デューティー比を小さくすれば、原料の流量は少なくなる。
[適用例2]適用例1記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁と前記改質器との間に、前記改質器に供給される原料の脈動を抑制するためのバッファタンクを備える、燃料電池システム。
適用例2の燃料電池システムでは、バッファタンクによって、改質器に供給される原料の脈動を抑制することができるので、適用例1の燃料電池システムよりも、改質器に供給される原料の脈動を、さらに抑制することができる。
[適用例3]適用例2記載の燃料電池システムであって、前記バッファタンクは、脱硫器である、燃料電池システム。
適用例3の燃料電池システムでは、脱硫器の内部空間を適切に確保して、バッファタンクとして用いるので、改質器に供給される原料の脈動を抑制するするとともに、原料に硫黄分および硫黄酸化物が含まれる場合に、これらを除去することができる。また、バッファタンクと脱硫器とを別個に備える必要がないので、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
[適用例4]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、さらに、前記二位置弁の駆動周波数を、前記二位置弁の駆動周波数に起因する前記原料の脈動および前記二位置弁の劣化を考慮して定められた所定範囲内で制御する、燃料電池システム。
先述したように、流量調整弁として二位置弁を用いることによって、原料の脈動を抑制することができるが、二位置弁の駆動周波数を低くするほど、改質器に供給される原料の脈動が発生しやすくなる。また、二位置弁の駆動周波数を高くするほど、二位置弁が劣化しやすくなり、その寿命が短くなる。適用例4の燃料電池システムでは、改質器に供給される原料の脈動および二位置弁の劣化を考慮して定められた所定範囲内で二位置弁の駆動周波数を制御するので、二位置弁の駆動周波数に起因する上記原料の脈動や二位置弁の劣化を抑制することができる。なお、上記所定範囲の下限値、および、上限値は、実験的、あるいは、解析的に任意に定められる。
[適用例5]適用例4記載の燃料電池であって、前記制御部は、前記燃料電池の発電負荷が小さいほど、前記二位置弁の駆動周波数を高くする、燃料電池システム。
燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電負荷が小さいほど、すなわち、改質器に供給すべき原料の流量が小さいほど、二位置弁を低周波数で駆動したときに、改質器に供給される原料の脈動が大きくなる。適用例5の燃料電池システムでは、燃料電池の発電負荷が小さいほど、二位置弁の駆動周波数を高くするので、上述した原料の脈動を抑制することができる。
[適用例6]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の実出力を検出する検出部を備え、前記制御部は、さらに、前記燃料電池の発電負荷に基づいて設定された目標出力と前記検出部によって検出された前記実出力との偏差に基づいて、該偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、燃料電池システム。
[適用例7]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁の二次側の圧力と一次側の圧力との差圧を検出する差圧センサを備え、前記制御部は、さらに、前記差圧センサによって検出された差圧に基づいて、該差圧に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、燃料電池システム。
[適用例8]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁の一次側に配設され、前記原料の温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、さらに、予め設定された基準温度と前記温度センサによって検出された温度との差に基づいて、該温度の差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、燃料電池システム。
[適用例9]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁の一次側に配設され、前記昇圧された原料の圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御部は、さらに、前記昇圧された原料についての所定の目標圧力と前記圧力センサによって検出された前記圧力との偏差に基づいて、該偏差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記昇圧ポンプの回転数を制御する、燃料電池システム。
適用例6ないし9の燃料電池システムによって、二位置弁の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の燃料ガスが燃料電池に供給されるように、改質器に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池による発電を安定させることができる。
本発明は、上述した種々の特徴の一部を、適宜、組み合わせて構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成システムの発明や、燃料ガス生成システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムや、燃料ガス生成システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやCD−ROM、DVD−ROM、光磁気ディスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システム:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。本実施例では、燃料電池100として、固体高分子型の燃料電池を用いるものとした。燃料電池100として、リン酸型や溶融炭酸塩型などの他のタイプの燃料電池を用いるようにしてもよい。
本実施例の燃料電池システム1000は、いわゆる改質型燃料電池システムであり、燃料電池100のアノードには、以下に説明するように生成された燃料ガスとしての水素が供給される。すなわち、図示しない原料タンクに貯蔵された原料は、昇圧ポンプ10によって昇圧され、配管11、二位置弁12、配管13、脱硫器14、配管15を介して改質器16に供給される。原料としては、ガソリンや、メタノール等のアルコール、エーテル、アルデヒド等の炭化水素化合物が用いられる。二位置弁12は、改質器16に供給される原料の流量を調整する流量調整弁である。脱硫器14は、原料に含まれる硫黄分および硫黄酸化物を除去する。また、脱硫器14は、昇圧ポンプ10の吐出圧の変動に起因する原料の脈動(流量変動、圧力変動)を抑制するバッファタンクとしての機能も有している。改質器16は、原料の改質反応(シフト反応を含む)により、水素を含む混合ガス(改質ガス)を生成する。改質器16によって生成された混合ガスに含まれる水素は、図示しない水素分離装置によって分離され、配管17を介して燃料電池100のアノードに供給される。そして、燃料電池100のアノードから排出されたアノードオフガスは、排出配管18を介して、燃料電池100の外部に排出される。
また、燃料電池100のカソードには、エアコンプレッサ20によって圧縮された空気が酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、燃料電池100のカソードから排出されるカソードオフガスは、排出配管22を介して、燃料電池100の外部に排出される。
燃料電池システム1000の運転は、制御ユニット30によって制御される。制御ユニット30は、内部にCPU、RAM、ROM、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
A2.運転制御:
図2は、第1実施例の燃料電池システム1000の運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニット30が実行する処理である。
この制御が開始されると、まず、制御ユニット30は、燃料電池100の発電負荷を取得し(ステップS100)、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁12の駆動周期に対する開弁期間の割合である開弁デューティー比を設定する(ステップS110)。二位置弁12の開弁デューティー比を大きくすれば、改質器16に供給される原料の流量は多くなり、二位置弁12の開弁デューティー比を小さくすれば、改質器16に供給される原料の流量は少なくなる。二位置弁12の開弁デューティー比は、例えば、燃料電池100の発電負荷と二位置弁12の開弁デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。なお、本実施例において、二位置弁12の駆動周期は、予め設定されている。
次に、制御ユニット30は、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁12を駆動させる(ステップS120)。そして、制御ユニット30は、運転が終了したか否かを判断する(ステップS130)。運転が終了していない場合には、制御ユニット30は、ステップS100に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット30は、運転制御を終了する。
以上説明した第1実施例の燃料電池システム1000では、改質器16に供給される原料の流量を調整するための流量調整弁として二位置弁12を用い、この二位置弁12の開弁デューティー比を、制御ユニット30によって、燃料電池100の発電負荷に基づいて制御する。そして、二位置弁は、自動車用の電子制御燃料噴射弁として量産化されているように、機能性能、信頼性、耐久性が許容できる程度に高く、また、マスフローコントローラと比較して安価である。さらに、流量調整弁として二位置弁12を用いることにより、昇圧ポンプ10として、比較的高価な容積型ポンプを用いなくても、原料の脈動を抑制できることが見出された。つまり、本実施例の燃料電池システム1000によれば、改質器16に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池100による発電の安定化を図ることができる。
B.第2実施例:
B1.燃料電池システム:
第2実施例の燃料電池システムの構成は、第1実施例の燃料電池システム1000の構成と同じである。ただし、第2実施例の燃料電池システムでは、制御ユニットが実行する運転制御の内容が、第1実施例における制御ユニット30が実行する運転制御の内容と異なっている。
B2.運転制御:
図3は、第2実施例の燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニットが実行する処理である。
この制御が開始されると、まず、制御ユニットは、燃料電池100の発電負荷を取得し(ステップS100)、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁12の開弁デューティー比を設定する(ステップS110)。
そして、制御ユニットは、二位置弁12の駆動周期を設定する(ステップS112)。先に説明したように、燃料電池システム1000において、改質器16に供給される原料の流量を調整するための流量調整弁として二位置弁12を用いることによって、原料の脈動を抑制することができるが、二位置弁12の駆動周波数を低くするほど、改質器16に供給される原料の脈動が発生しやすくなる。また、二位置弁12の駆動周波数を高くするほど、二位置弁12が劣化しやすくなり、その寿命が短くなる。そこで、本実施例の燃料電池システムでは、二位置弁12の駆動周波数は、改質器16に供給される原料の脈動および二位置弁12の劣化を考慮して、下限値Fmin(例えば、3(Hz))から上限値Fmax(例えば、10(Hz))の範囲内で設定される。また、燃料電池100の発電負荷が小さいほど、すなわち、改質器16に供給すべき原料の流量が小さいほど、二位置弁12を低周波数で駆動したときに、改質器16に供給される原料の脈動が大きくなるので、図中に示したように、二位置弁12の駆動周波数は、燃料電池100の発電負荷が小さいほど、小さな値が設定される。このように、二位置弁12の駆動周波数を制御することによって、二位置弁12の駆動周波数に起因する原料の脈動や二位置弁12の劣化を抑制することができる。なお、二位置弁12の駆動周波数についての下限値Fmin、および、上限値Fmaxは、実験的、あるいは、解析的に任意に定められる。また、本実施例では、燃料電池100の発電負荷と二位置弁12の駆動周波数との関係は、線形であるものとしたが、非線形としてもよい。
次に、制御ユニットは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁12を駆動させる(ステップS120)。そして、制御ユニットは、運転が終了したか否かを判断する(ステップS130)。運転が終了していない場合には、制御ユニットは、ステップS100に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニットは、運転制御を終了する。
以上説明した第2実施例の燃料電池システムによっても、第1実施例の燃料電池システム1000と同様に、改質器16に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池100による発電の安定化を図ることができる。
C.第3実施例:
C1.燃料電池システム:
図4は、本発明の第3実施例としての燃料電池システム1000Aの概略構成を示す説明図である。図示するように、第3実施例の燃料電池システム1000Aの構成は、第1実施例の燃料電池システム1000の構成とほぼ同じである。第3実施例の燃料電池システム1000Aは、燃料電池100の実出力を検出する出力センサ40を備えている。また、燃料電池システム1000Aは、第1実施例の燃料電池システム1000における制御ユニット30の代わりに、制御ユニット30Aを備えている。
C2.運転制御:
図5は、第3実施例の燃料電池システム1000Aの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニット30Aが実行する処理である。
この制御が開始されると、まず、制御ユニット30Aは、燃料電池100の発電負荷を取得し(ステップS100)、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁12の開弁デューティー比を設定する(ステップS110)。なお、本実施例において、二位置弁12の駆動周期は、予め設定されている。
次に、制御ユニット30Aは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁12を駆動させる(ステップS120)。
そして、制御ユニット30Aは、出力センサ40によって、燃料電池100の実出力Wを検出し(ステップS121)、燃料電池100の発電負荷に基づいて設定された目標出力Waと実出力Wとの差に基づいて、この差を補償するように、二位置弁12の開弁デューティー比の補正量(補正デューティー比)を設定して、開弁デューティー比を補正する(ステップS122)。本実施例では、補正デューティー比は、下限値ΔDmin1から上限値ΔDmax1の範囲内で設定され、また、図中に示したように、燃料電池100の目標出力Waと実出力Wとの差が大きいほど、大きな値が設定される。このように、二位置弁12の開弁デューティー比を補正することによって、二位置弁12の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池100に供給されるように、改質器16に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池100による発電を安定化することができる。なお、上記補正デューティー比は、例えば、燃料電池100の目標出力Waと実出力Wとの差と補正デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、燃料電池100の目標出力Waと実出力Wとの差と補正デューティー比との関係は、線形であるもとしたが、非線形としてもよい。また、制御ユニット30Aは、ステップS121,S122の制御を、燃料電池100の目標出力Waと実出力Wとの差が所定値未満になるまで繰り返し行うようにしてもよい。
そして、制御ユニット30Aは、運転が終了したか否かを判断する(ステップS130)。運転が終了していない場合には、制御ユニット30Aは、ステップS100に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット30は、運転制御を終了する。
以上説明した第3実施例の燃料電池システム1000Aによっても、第1実施例の燃料電池システム1000と同様に、改質器16に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池100による発電の安定化を図ることができる。
D.第4実施例:
D1.燃料電池システム:
図6は、本発明の第4実施例としての燃料電池システム1000Bの概略構成を示す説明図である。図示するように、第4実施例の燃料電池システム1000Bの構成は、第1実施例の燃料電池システム1000の構成とほぼ同じである。第4実施例の燃料電池システム1000Bは、二位置弁12の二次側の圧力P2と一次側の圧力P1との差圧を検出する差圧センサ50を備えている。また、燃料電池システム1000Bは、第1実施例の燃料電池システム1000における制御ユニット30の代わりに、制御ユニット30Bを備えている。
D2.運転制御:
図7は、第4実施例の燃料電池システム1000Bの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニット30Bが実行する処理である。
この制御が開始されると、まず、制御ユニット30Bは、燃料電池100の発電負荷を取得し(ステップS100)、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁12の開弁デューティー比を設定する(ステップS110)。なお、本実施例において、二位置弁12の駆動周期は、予め設定されている。
次に、制御ユニット30Bは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁12を駆動させる(ステップS120)。
そして、制御ユニット30Bは、差圧センサ50によって、二位置弁12の二次側の圧力P2と一次側の圧力P1との差圧を検出し(ステップS123)、この差圧に基づいて、この差圧に伴う原料の流量の偏差を補償するように、二位置弁12の開弁デューティー比の補正量(補正デューティー比)を設定して、開弁デューティー比を補正する(ステップS124)。本実施例では、補正デューティー比は、下限値ΔDmin2から上限値ΔDmax2の範囲内で設定され、また、図中に示したように、二位置弁12の二次側の圧力P2と一次側の圧力P1との差圧(P2−P1)が大きいほど、小さな値が設定される。このように、二位置弁12の開弁デューティー比を補正することによって、二位置弁12の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池100に供給されるように、改質器16に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池100による発電を安定化することができる。なお、上記補正デューティー比は、例えば、二位置弁12の二次側の圧力P2と一次側の圧力P1との差圧と補正デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、二位置弁12の二次側の圧力P2と一次側の圧力P1との差圧と補正デューティー比との関係は、線形であるものとしたが、非線形としてもよい。また、制御ユニット30Bは、ステップS123,S124の制御を、二位置弁12の二次側の圧力P2と一次側の圧力P1との差圧が所定値未満になるまで繰り返し行うようにしてもよい。
そして、制御ユニット30Bは、運転が終了したか否かを判断する(ステップS130)。運転が終了していない場合には、制御ユニット30Bは、ステップS100に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット30Bは、運転制御を終了する。
以上説明した第4実施例の燃料電池システム1000Bによっても、第1実施例の燃料電池システム1000と同様に、改質器16に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池100による発電の安定化を図ることができる。
E.第5実施例:
E1.燃料電池システム:
図8は、本発明の第5実施例としての燃料電池システム1000Cの概略構成を示す説明図である。図示するように、第5実施例の燃料電池システム1000Cの構成は、第1実施例の燃料電池システム1000の構成とほぼ同じである。第5実施例の燃料電池システム1000Cは、配管11、すなわち、二位置弁12の一次側に、原料の温度を検出する温度センサ60を備えている。また、燃料電池システム1000Cは、第1実施例の燃料電池システム1000における制御ユニット30の代わりに、制御ユニット30Cを備えている。
E2.運転制御:
図9は、第5実施例の燃料電池システム1000Cの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニット30Cが実行する処理である。
この制御が開始されると、まず、制御ユニット30Cは、燃料電池100の発電負荷を取得し(ステップS100)、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁12の開弁デューティー比を設定する(ステップS110)。なお、本実施例において、二位置弁12の駆動周期は、予め設定されている。
次に、制御ユニット30Cは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁12を駆動させる(ステップS120)。
そして、制御ユニット30Cは、温度センサ60によって、二位置弁12の一次側における原料の温度を検出し(ステップS125)、予め設定された基準温度(例えば、25(℃))と温度センサ60によって検出された温度との差に基づいて、この差に伴う原料の流量の偏差を補償するように、二位置弁12の開弁デューティー比の補正量(補正デューティー比)を設定して、開弁デューティー比を補正する(ステップS126)。本実施例では、補正デューティー比は、下限値ΔDmin3から上限値ΔDmax3の範囲内で設定され、また、図中に示したように、基準温度と温度センサ60によって検出された温度との差が大きいほど、すなわち、温度センサ60によって検出された温度が高いほど、大きな値が設定される。原料の温度が高いほど、原料の単位体積当たりの量が少なくなるからである。このように、二位置弁12の開弁デューティー比を補正することによって、二位置弁12の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池100に供給されるように、改質器16に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池100による発電を安定化することができる。なお、上記補正デューティー比は、例えば、二位置弁12の一次側における原料の温度と補正デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、二位置弁12の一次側における原料の温度と補正デューティー比との関係は、線形であるもとしたが、非線形としてもよい。
そして、制御ユニット30Cは、運転が終了したか否かを判断する(ステップS130)。運転が終了していない場合には、制御ユニット30Cは、ステップS100に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット30Cは、運転制御を終了する。
以上説明した第5実施例の燃料電池システム1000Cによっても、第1実施例の燃料電池システム1000と同様に、改質器16に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池100による発電の安定化を図ることができる。
F.第6実施例:
F1.燃料電池システム:
図10は、本発明の第6実施例としての燃料電池システム1000Dの概略構成を示す説明図である。図示するように、第6実施例の燃料電池システム1000Dの構成は、第1実施例の燃料電池システム1000の構成とほぼ同じである。第6実施例の燃料電池システム1000Dは、配管11、すなわち、二位置弁12の一次側に、昇圧ポンプ10によって昇圧された原料の圧力を検出する圧力センサ70を備えている。また、燃料電池システム1000Dは、第1実施例の燃料電池システム1000における制御ユニット30の代わりに、制御ユニット30Dを備えている。
F2.運転制御:
図11は、第6実施例の燃料電池システム1000Dの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池100による発電時に、制御ユニット30Cが実行する処理である。
この制御が開始されると、まず、制御ユニット30Dは、燃料電池100の発電負荷を取得し(ステップS100)、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁12の開弁デューティー比を設定する(ステップS110)。なお、本実施例において、二位置弁12の駆動周期は、予め設定されている。
次に、制御ユニット30Dは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁12を駆動させる(ステップS120)。
そして、制御ユニット30Dは、圧力センサ70によって、二位置弁12の一次側における原料の圧力を検出し(ステップS127)、二位置弁12の一次側、すなわち、昇圧ポンプ10によって昇圧された原料についての所定の目標圧力(例えば、5(kPa))と圧力センサ70によって検出された圧力との差に基づいて、この差に伴う原料の流量の偏差を補償するように、昇圧ポンプ10の回転数の補正量(補正回転数)を設定して、昇圧ポンプ10の回転数を補正する(ステップS126)。本実施例では、補正回転数は、下限値ΔRminから上限値ΔRmaxの範囲内で設定され、また、図中に示したように、目標圧力と検出圧力との差が大きいほど、すなわち、圧力センサ70によって検出された圧力が高いほど、大きな値が設定される。このように、昇圧ポンプ10の回転数を補正することによって、二位置弁12の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池100に供給されるように、改質器16に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池100による発電を安定化することができる。なお、上記補正回転数は、例えば、二位置弁12の一次側における原料の目標圧力と検出圧力との差と補正回転数との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、二位置弁12の一次側における原料の目標圧力と検出圧力との差と補正回転数との関係は、線形であるもとしたが、非線形としてもよい。
そして、制御ユニット30Dは、運転が終了したか否かを判断する(ステップS130)。運転が終了していない場合には、制御ユニット30Dは、ステップS100に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット30Dは、運転制御を終了する。
以上説明した第6実施例の燃料電池システム1000Dによっても、第1実施例の燃料電池システム1000と同様に、改質器16に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池100による発電の安定化を図ることができる。
G.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
G1.変形例1:
上記実施例では、燃料電池システム1000,1000A,1000B,1000C,1000Dは、バッファタンクとしての脱硫器14を備えるものとしたが、本発明は、これに限らず、脱硫器14を省略するようにしてもよい。また、バッファタンクと脱硫器14とを別個に備えるようにしてもよい。ただし、バッファタンクと脱硫器とを兼用することによって、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
G2.変形例2:
第1実施例ないし第6実施例の燃料電池システム1000,1000A,1000B,1000C,1000Dの構成を、適宜、組み合わせるようにしてもよい。この場合、運転制御の流れも、適宜、組み合わせるようにしてもよい。
本発明の第1実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。 第1実施例の燃料電池システム1000の運転制御の流れを示すフローチャートである。 第2実施例の燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の第3実施例としての燃料電池システム1000Aの概略構成を示す説明図である。 第3実施例の燃料電池システム1000Aの運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の第4実施例としての燃料電池システム1000Bの概略構成を示す説明図である。 第4実施例の燃料電池システム1000Bの運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の第5実施例としての燃料電池システム1000Cの概略構成を示す説明図である。 第5実施例の燃料電池システム1000Cの運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の第6実施例としての燃料電池システム1000Dの概略構成を示す説明図である。 第6実施例の燃料電池システム1000Dの運転制御の流れを示すフローチャートである。
符号の説明
1000,1000A,1000B,1000C,1000D…燃料電池システム
100…燃料電池
10…昇圧ポンプ
11…配管
12…二位置弁
13…配管
14…脱硫器
15…配管
16…改質器
17…配管
18…排出配管
20…エアコンプレッサ
22…排出配管
30,30A,30B,30C,30D…制御ユニット
40…出力センサ
50…差圧センサ
60…温度センサ
70…圧力センサ

Claims (8)

  1. 原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムであって、
    前記原料を昇圧して前記改質器に供給するための昇圧ポンプと、
    前記改質器と前記昇圧ポンプとの間に配設され、前記改質器に供給される原料の流量を調整するための二位置弁と、
    前記燃料電池の発電負荷に基づいて、前記二位置弁の駆動周期に対する開弁期間の割合である開弁デューティー比を制御する制御部と、
    を備え
    前記制御部は、前記燃料電池の発電負荷が小さいほど、前記二位置弁の駆動周波数を高くす
    燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記二位置弁と前記改質器との間に、前記改質器に供給される原料の脈動を抑制するためのバッファタンクを備える、
    燃料電池システム。
  3. 請求項2記載の燃料電池システムであって、
    前記バッファタンクは、脱硫器である、
    燃料電池システム。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池の実出力を検出する検出部を備え、
    前記制御部は、さらに、前記燃料電池の発電負荷に基づいて設定された目標出力と前記検出部によって検出された前記実出力との偏差に基づいて、該偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、
    燃料電池システム。
  5. 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記二位置弁の二次側の圧力と一次側の圧力との差圧を検出する差圧センサを備え、
    前記制御部は、さらに、前記差圧センサによって検出された差圧に基づいて、該差圧に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記二位置弁の一次側に配設され、前記原料の温度を検出する温度センサを備え、
    前記制御部は、さらに、予め設定された基準温度と前記温度センサによって検出された温度との差に基づいて、該温度の差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、
    燃料電池システム。
  7. 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記二位置弁の一次側に配設され、前記昇圧された原料の圧力を検出する圧力センサを備え、
    前記制御部は、さらに、前記昇圧された原料についての所定の目標圧力と前記圧力センサによって検出された前記圧力との偏差に基づいて、該偏差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記昇圧ポンプの回転数を制御する、
    燃料電池システム。
  8. 原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    前記原料を昇圧して前記改質器に供給するための昇圧ポンプと、
    前記改質器に供給される原料の流量を調整するための二位置弁を備えており、
    前記制御方法は、
    前記燃料電池の発電負荷を取得する工程と、
    前記取得された発電負荷に基づいて、前記二位置弁の開弁デューティー比を制御する開弁デューティー比制御工程と、
    前記燃料電池の発電負荷が小さいほど、前記二位置弁の駆動周波数を高くする工程と
    を備える制御方法。
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