JP2000315516A - 燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置 - Google Patents

燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置

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JP2000315516A JP11126033A JP12603399A JP2000315516A JP 2000315516 A JP2000315516 A JP 2000315516A JP 11126033 A JP11126033 A JP 11126033A JP 12603399 A JP12603399 A JP 12603399A JP 2000315516 A JP2000315516 A JP 2000315516A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、排水素燃焼器に異常が発生した場
合にも、燃料電池車の運転制御を変更できるようにな
り、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる
燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置を提供
することにある。 【解決手段】 排水素燃焼器５の温度Ｔｃを推定する
（ステップＳ１０）。そして、ステップＳ２０では、温
度センサ８により排水素燃焼器５の排気温度Ｔｅを検出
する（ステップＳ２０）。そして、排気温度検出値Ｔｅ
と推定値Ｔｃの温度差の絶対値を取り、この値が所定値
Ｔ１内に入っていない場合には、システム異常であると
判断する（ステップＳ４０）。この温度差が所定値Ｔ１
を超えてさらに広い範囲の所定値Ｔ２内に入っている場
合には、リンプホーム制御に移行する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排水素燃焼器の燃
焼温度が所定値内に入っているかを監視し、排水素燃焼
器の温度異常を早期に検知し、適切な処置を講じること
ができる燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、燃料電池車においては、メタノー
ルと水、あるいはメタノールと水及び空気から水素を改
質器で生成し、この水素と空気から電力をスタックで発
電していた。
【０００３】このような燃料電池車では、スタックから
排出された排水素を排水素燃焼器で燃焼させ、排水素燃
焼器の排気熱を使って蒸発器に供給されるメタノールと
水を蒸発させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この排水素
燃焼器の燃焼温度は、スタックからの排水素量によって
決まるが、従来の燃料電池車では、排水素燃焼器は温度
制御がなされていなかった。このため、燃料電池システ
ムに異常が発生した場合には、排水素燃焼器の燃焼温度
の異常低下や異常上昇を招くことが考えられる。
【０００５】そこで、排水素燃焼器に燃焼温度の異常が
発生した場合に、排水素燃焼器の燃焼温度を所定温度に
制御することが望まれていた。
【０００６】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的としては、排水素燃焼器に異常が発生した場合
にも、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、
燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる燃料
電池車における排水素燃焼器の温度制御装置を提供する
ことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、メタノールと水及び空気から
水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力を燃料
電池で発生し、この燃料電池で消費されなかった排水素
を排水素燃焼器で燃焼さる燃料電池システムを搭載する
燃料電池車において、改質器に供給するメタノールと水
及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基
づいて水素発生量を演算する水素発生量演算手段と、燃
料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消
費量を演算する水素消費量演算手段と、この水素発生量
から水素消費量を引いて排水素量を演算する排水素量演
算手段と、この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃
焼推定温度を演算する燃焼推定温度演算手段と、排水素
燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算
する温度差演算手段と、この温度差が第１の所定値を超
えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると
判断する異常判断手段と、この異常判断結果に応じて、
燃料電池車の運転制御を変更する運転制御手段とを備え
たことを要旨とする。
【０００８】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記運転制御手段は、前記異常判断手段が前記
排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に
は、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行するこ
とを要旨とする。
【０００９】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記運転制御手段は、前記異常判断手段が前記
排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合
に、前記温度差が前記第１の所定値より大きい第２の所
定値を超えたときには、前記リンプホーム制御からシス
テム停止制御に移行することを要旨とする。
【００１０】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を
備え、前記水素消費量演算手段は、前記演算結果の水素
消費量を前記燃料電池の温度を用いて補正することを要
旨とする。
【００１１】
【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、改質器
に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量
と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算
し、燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した
水素消費量を演算し、この水素発生量から水素消費量を
引いて排水素量を演算し、この排水素量に基づいて排水
素燃焼器での燃焼推定温度を演算し、排水素燃焼器の温
度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する。ここ
で、この温度差が第１の所定値を超えた場合には、排水
素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断し、この異常判
断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更すること
で、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池
車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信
頼性の向上に寄与することができる。
【００１２】また、請求項２記載の本発明によれば、排
水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に
は、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行するこ
とで、予め設定した所定値までは出力を下げて運転を継
続することができる。この結果、異常検知後に直ちに車
両の運転を停止しないで済み、燃料電池車の信頼性の向
上に寄与することができる。
【００１３】また、請求項３記載の本発明によれば、排
水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、
温度差が第１の所定値より大きい第２の所定値を超えた
ときには、リンプホーム制御からシステム停止制御に移
行することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合に
も、燃料電池車の運転制御を異常程度に応じて順次変更
できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与す
ることができる。
【００１４】また、請求項４記載の本発明によれば、燃
料電池の温度を検出しておき、演算結果の水素消費量を
燃料電池の温度を用いて補正することで、精度よく燃料
電池の水素消費量を推定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【００１６】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る燃料電池車における排水素燃焼器
の温度制御装置が適応可能な燃料電池システムの構成を
示す図である。
【００１７】この燃料電池システムは、図１に示すよう
に、改質器１１、スタック１３、排水素燃焼器１５、熱
交換器１７と蒸発器１９及びコントロールユニット２１
を備えていおり、原燃料としてメタノールを使用してい
る。
【００１８】図１において、メタノール３１と水３３
は、供給装置（図示せず）から開閉弁３５，３７を介し
て蒸発器１９に供給され、蒸発状態で改質器１１に流入
する。改質器１１には、開閉弁３９を介して空気４１が
供給される場合もあり、メタノールと水、あるいはメタ
ノールと水及び空気が反応して水素４３を生成してスタ
ック１３に流入する。スタック１３には、開閉弁４５を
介して空気４７が供給され、水素と酸素が反応して発電
される。スタック１３から排出された排水素４９と排空
気５１は、排水素燃焼器１５で燃焼される。排水素燃焼
器１５から排出された排気５３は、熱交換器１７を通っ
て外気へ排出される。熱交換器１７では排気５３から得
た熱を利用して蒸発器１９の温度を上げ、蒸発器１９で
メタノール３１と水３３を蒸発させる。
【００１９】スタック１３の反応温度は、温度センサ６
１で検出される。スタック１３で発電された電力は、電
流計６３と電圧計６５でそれぞれ電流と電圧が検出さ
れ、さらに、バッテリやモータ（図示せず）に供給され
る。スタック１３の温度は、温度センサ６７で検出され
る。排水素燃焼器１５の温度は、温度センサ６９で検出
される。排水素燃焼器５の周辺での外気温度は、外気温
センサ７１で検出される。メタノール３１の流入量は、
流量計７３で計測される。水３３の流入量は、流量計７
５で計測される。空気４１の流入量は、流量計７７で計
測される。これらのセンサで計測された値は、コントロ
ールユニット２１に送られる。
【００２０】コントロールユニット２１では、運転者に
よるアクセル操作に応じて、バッテリ（図示せず）とス
タック１３との電力配分に応じた出力指令に従ってメタ
ノール３１と水３３及び空気４１，４７の供給量を制御
する。
【００２１】次に、図２を参照して、コントロールユニ
ット２１の排水素燃焼器１５に関する基本的な動作内容
を説明する。なお、図２に示す各部は、排水素燃焼器１
５の排気温を推定するためにコントロールユニット２１
が実行するソフトウエアモジュールである。
【００２２】改質器水素発生量演算部８１では、流量計
７３で計測されるメタノール量と、流量計７５で計測さ
れる水流量と、流量計７７で計測される空気量と、温度
センサ６１で検出される改質器での反応温度に基づい
て、改質器１１で発生される水素発生量を計算する。な
お、改質器１１では空気を使わない場合もある。
【００２３】また、スタック水素消費量演算部８３で
は、電流計６３と電圧計６５で計測される出力電圧Ｖと
出力電流Ｉに基づいてスタック１３での水素消費量を計
算する。このようにして求めた改質器の水素発生量から
スタック１３の水素消費量を引くことで排水素燃焼器水
素入力量を演算する。そして、排水素燃焼器温度計算部
８５では、この排水素燃焼器水素入力量に基づいて、排
水素燃焼器１５の燃焼熱を算出する。
【００２４】ここで、図３は、排水素燃焼器１５の周辺
での外気温Ｔａから燃焼部Ｔｃまでの熱等価回路であ
る。
【００２５】同図において、燃焼器の温度Ｔｃは、燃焼
部から外気までの熱抵抗θ（℃／Ｗ）と、排水素燃焼器
水素入力量から求められる燃焼熱Ｐ（Ｗ）と、排水素燃
焼器１５の周辺での外気温Ｔａに基づいて、
【数１】 Ｔｃ＝Ｐ・θ＋Ｔａ （１） となる。
【００２６】次に、図４に示すフローチャートを参照し
て、排水素燃焼器１５の動作異常を判断するための処理
について説明する。
【００２７】まず、ステップＳ１０では、上述した
（１）式の演算を行い排水素燃焼器５の温度Ｔｃを推定
する。そして、ステップＳ２０では、温度センサ８によ
り排水素燃焼器５の排気温度Ｔｅを検出する。そして、
ステップＳ３０では、排気温度検出値Ｔｅと推定値Ｔｃ
の温度差の絶対値を取り、この値が所定値Ｔ１内に入っ
ているかを判定する。
【００２８】
【数２】 ｜Ｔｃ−Ｔｅ｜＜Ｔ１ （２） 所定値Ｔ１内に入っている場合には、システムは正常運
転中であるので、ステップＳ１０に戻り、監視処理を繰
り返す。
【００２９】一方、所定値Ｔ１内に入っていない場合に
は、ステップＳ４０に進み、システム異常であると判断
する。なお、運転席前方に設けられたインストルメント
パネル内の表示器に予めシステム異常を表すＬＥＤを備
えておき、システム異常であると判断した場合にはこの
ＬＥＤを点灯してシステムが異常状態にあることを運転
者に報知するようにしてもよい。
【００３０】なお、ステップＳ３０において、排気温度
検出値Ｔｅと推定値Ｔｃの差が規定値に入っているかを
判定することで、改質器１１の水素生成、スタック１３
の電力消費、排水素燃焼器１５の燃焼、さらに、これら
に関係するセンサ及びアクチュエータが正常に動作して
いることを確認することになる。
【００３１】このように、この温度差が所定値Ｔ１を超
えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると
判断することで、排水素燃焼器に加わえて改質器、燃料
電池、温度センサのいずれかの異常をも検知することが
できるため、燃料電池車の信頼性の向上に寄与すること
ができる。
【００３２】そして、ステップＳ５０では、さらに広い
範囲の所定値Ｔ２内に入っているか判定する。この範囲
内に入っている場合には、リンプホーム制御に移行す
る。リンプホーム制御は、予め設定した所定値まで出力
を下げて運転を可能とする制御方法であり、システムに
異常を検知した後に、直ちにシステムの運転を停止せず
に低出力状態で走行を継続するので、車両の信頼性を向
上することができる。
【００３３】このように、排水素燃焼器の燃焼温度が異
常であると判断した場合には、通常の走行制御からリン
プホーム制御に移行することで、予め設定した所定値ま
では出力を下げて運転を継続することができる。この結
果、異常検知後に直ちに車両の運転を停止しないで済
み、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができ
る。
【００３４】一方、この範囲内から外れている場合に
は、システム停止制御に移行する。システム停止制御
は、今まで車両に供給していた電力を停止するので、車
両の安全を確保するために、まず、システムを停止する
ことを運転者に警告し、次に、蒸発器１９へのメタノー
ル３１と水３３の供給を停止し、さらに、改質器１１へ
の空気４１の供給を停止する。この結果、スタック１３
での発電出力が徐々に減衰していき停止する。
【００３５】このように、排水素燃焼器の燃焼温度が異
常であると判断した場合に、温度差が第１の所定値より
大きい第２の所定値を超えたときには、リンプホーム制
御からシステム停止制御に移行することで、排水素燃焼
器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を
異常程度に応じて順次変更できるようになり、排水素燃
焼器に加わえて改質器、燃料電池、温度センサのいずれ
かが破損の可能性がある場合にのみ運転を停止するの
で、リンプホーム制御時でも燃料電池車の信頼性の向上
に寄与することができる。
【００３６】なお、上述した例では、ステップＳ３０及
びＳ５０において排気温度検出値Ｔｅと推定値Ｔｃの差
の絶対値を取ったり、図５に示すように、その値が数直
線上のどの位置にあるかで排水素燃焼器１５の運転状態
を判断したが、図６に示すように、符号付きで正負の規
定値を変えて判断するようにしてもよい。
【００３７】（第２の実施の形態）第２の実施の形態
は、図１に示す第１の実施の形態に係る燃料電池システ
ムに適応可能であり、その説明を省略する。
【００３８】図７に示す各部は、排水素燃焼器１５の排
気温を推定するためにコントロールユニット２１が実行
するソフトウエアモジュールであり、図２に示すスタッ
ク水素消費量演算部８３をスタック水素消費量演算部９
３に変更したことを特徴としている。
【００３９】一般に、スタック１３から出力可能な出力
電流Ｉ及び出力電圧Ｖは、スタック温度Ｔに応じて、図
８に示すスタック水素消費マップのように変動する。
【００４０】そこで、スタック水素消費量演算部９３に
は、スタック１３の出力電流Ｉと出力電圧Ｖ及びスタッ
ク温度Ｔに対応する水素消費量を予め実験的に求めてお
き、図８に示すように、スタック水素消費マップとして
コントロールユニット２１の内部ＲＯＭに記憶してあ
る。
【００４１】ここで、コントロールユニット２１による
排水素燃焼器１５の燃焼熱の算出動作を説明する。
【００４２】スタック水素消費量演算部８３では、電流
計６３と電圧計６５で計測される出力電圧Ｖと出力電流
Ｉ及びスタック温度Ｔに基づいて、図８に示すスタック
水素消費マップを参照して、スタック１３での水素消費
量を求める。
【００４３】そして、上述したように、改質器水素発生
量演算部８１で求めた改質器の水素発生量からスタック
１３の水素消費量を引くことで排水素燃焼器水素入力量
を演算する。そして、排水素燃焼器温度計算部８５で
は、この排水素燃焼器水素入力量に基づいて、排水素燃
焼器１５の燃焼熱を算出する。
【００４４】このように、水素消費量をスタック１３の
温度Ｔを用いて補正することで、精度よく燃料電池の水
素消費量を推定することができる。この結果、システム
起動時から定常運転に移行する場合でも、排水素燃焼器
に異常が発生したことを確実に判断でき、燃料電池車の
運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性
の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池車に
おける排水素燃焼器の温度制御装置が適応可能な燃料電
池システムの構成を示す図である。
【図２】排水素燃焼器の排気温を推定するためにコント
ロールユニット２１が実行するソフトウエアモジュール
である。
【図３】排水素燃焼器の周辺の外気温Ｔａから燃焼部Ｔ
ｃまでの熱等価回路である。
【図４】排水素燃焼器の動作異常を判断するためのフロ
ーチャートである。
【図５】排水素燃焼器の運転状態を表す温度範囲の絶対
値を示す数直線である。
【図６】排水素燃焼器の運転状態を表す温度範囲を示す
数直線である。
【図７】排水素燃焼器の排気温を推定するためにコント
ロールユニット２１が実行するソフトウエアモジュール
である。
【図８】スタック水素消費マップを示す図である。
【符号の説明】
１１ 改質器 １３ スタック １５ 排水素燃焼器 １７ 熱交換器 １９ 蒸発器 ２１ コントロールユニット ３１ メタノール３１ ３３ 水 ３５，３７，４５ 開閉弁 ４１，４７ 空気 ４３ 水素 ４９ 排水素 ５１ 排空気 ５３ 素燃焼器 ６１，６７，６９ 温度センサ ６３ 電流計 ６５ 電圧計 ７１ 外気温センサ ７３，７５，７７ 流量計

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 メタノールと水及び空気から水素を改質
    器で生成し、この水素と空気から電力を燃料電池で発生
    し、この燃料電池で消費されなかった排水素を排水素燃
    焼器で燃焼さる燃料電池システムを搭載する燃料電池車
    において、 改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの
    流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演
    算する水素発生量演算手段と、 燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素
    消費量を演算する水素消費量演算手段と、 この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算
    する排水素量演算手段と、 この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度
    を演算する燃焼推定温度演算手段と、 排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差
    を演算する温度差演算手段と、 この温度差が第１の所定値を超えた場合には、排水素燃
    焼器の燃焼温度が異常であると判断する異常判断手段
    と、 この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変
    更する運転制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電
    池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
  2. 【請求項２】 前記運転制御手段は、 前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常
    であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプ
    ホーム制御に移行することを特徴とする請求項１記載の
    燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
  3. 【請求項３】 前記運転制御手段は、 前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常
    であると判断した場合に、前記温度差が前記第１の所定
    値より大きい第２の所定値を超えたときには、前記リン
    プホーム制御からシステム停止制御に移行することを特
    徴とする請求項２記載の燃料電池車における排水素燃焼
    器の温度制御装置。
  4. 【請求項４】 前記燃料電池の温度を検出する温度検出
    手段を備え、 前記水素消費量演算手段は、 前記演算結果の水素消費量を前記燃料電池の温度を用い
    て補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車
    における排水素燃焼器の温度制御装置。
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