JP2001338665A - 燃料電池システム - Google Patents
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- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract
(57)【要約】
【課題】蒸発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供
給できる燃料電池システムを提供する。 【解決手段】燃料を貯蔵する燃料タンク１１と、燃料を
蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器１２と、燃料ガスか
ら水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器１３と、
燃料あるいは改質ガスを燃焼させ蒸発器へ熱量を供給す
る燃焼器１４と、改質反応器で生成された改質ガスに含
まれる水素を用いて発電を行う燃料電池部１５とを含む
燃料電池システムであり、蒸発器の運転圧力に基づいて
当該蒸発器における燃料の沸点温度を推定し、蒸発器に
おける燃料ガスの蒸気温度を測定し、蒸気温度から沸点
温度を減じた値が所定値以下になった場合には、燃焼器
において燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加さ
せる。
給できる燃料電池システムを提供する。 【解決手段】燃料を貯蔵する燃料タンク１１と、燃料を
蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器１２と、燃料ガスか
ら水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器１３と、
燃料あるいは改質ガスを燃焼させ蒸発器へ熱量を供給す
る燃焼器１４と、改質反応器で生成された改質ガスに含
まれる水素を用いて発電を行う燃料電池部１５とを含む
燃料電池システムであり、蒸発器の運転圧力に基づいて
当該蒸発器における燃料の沸点温度を推定し、蒸発器に
おける燃料ガスの蒸気温度を測定し、蒸気温度から沸点
温度を減じた値が所定値以下になった場合には、燃焼器
において燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加さ
せる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車その他の移
動体に用いて好ましい燃料電池システムに関し、特に蒸
発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供給できる燃
料電池システムに関する。
動体に用いて好ましい燃料電池システムに関し、特に蒸
発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供給できる燃
料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車などに搭載される移動体用燃料電
池システムは、メタノールなどの燃料を改質して水素リ
ッチガスを生成する燃料改質部と、この燃料改質部で生
成された水素リッチガスと別途空気供給装置から供給さ
れる酸素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池部と
からなり、燃料改質部は排ガスの燃焼の際に発生した熱
を用いて燃料ガスを蒸発させる蒸発器と、蒸発器で気化
した燃料ガスを、実際に水素リッチなガスに改質する改
質反応器とで構成される。
池システムは、メタノールなどの燃料を改質して水素リ
ッチガスを生成する燃料改質部と、この燃料改質部で生
成された水素リッチガスと別途空気供給装置から供給さ
れる酸素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池部と
からなり、燃料改質部は排ガスの燃焼の際に発生した熱
を用いて燃料ガスを蒸発させる蒸発器と、蒸発器で気化
した燃料ガスを、実際に水素リッチなガスに改質する改
質反応器とで構成される。
【０００３】燃料電池システムを効率よく、かつ安定し
て運転するためには、燃料改質部から燃料電池部へ安定
した燃料ガスを供給することが必要とされ、燃料改質部
においては、蒸発器から改質部へ安定した燃料ガスを供
給することが必要とされる。
て運転するためには、燃料改質部から燃料電池部へ安定
した燃料ガスを供給することが必要とされ、燃料改質部
においては、蒸発器から改質部へ安定した燃料ガスを供
給することが必要とされる。
【０００４】ところで、燃料電池の負荷変化により燃焼
器に供給される排ガス流量が変化するとき、燃料電池部
の燃料極からの排ガスの量を変化させ、燃焼器の温度を
制御することにより、蒸発器の温度を一定に保ち、燃料
電池部へ供給される燃料ガスの量を維持していた。この
ように、燃焼器の温度により燃料ガスの供給量を制御す
る方法として、たとえば特開平１０‐１０６６０７号公
報に開示されたものが知られている。この従来技術で
は、燃料電池部から排ガスを燃焼室に導くガスラインを
分岐して燃料極の排ガスをバイパスするパスラインを設
け、その分岐点より下流側の排ガスラインにそれぞれ流
量制御弁を設け、燃焼器への排ガスの流入量を調節す
る。
器に供給される排ガス流量が変化するとき、燃料電池部
の燃料極からの排ガスの量を変化させ、燃焼器の温度を
制御することにより、蒸発器の温度を一定に保ち、燃料
電池部へ供給される燃料ガスの量を維持していた。この
ように、燃焼器の温度により燃料ガスの供給量を制御す
る方法として、たとえば特開平１０‐１０６６０７号公
報に開示されたものが知られている。この従来技術で
は、燃料電池部から排ガスを燃焼室に導くガスラインを
分岐して燃料極の排ガスをバイパスするパスラインを設
け、その分岐点より下流側の排ガスラインにそれぞれ流
量制御弁を設け、燃焼器への排ガスの流入量を調節す
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の移動
体用燃料電池システムにおいては、蒸発器および燃焼器
の運転圧力による沸点温度の変化を考慮しないで、それ
ぞれある一定の燃焼器の温度を目標値にして制御する構
成になっていた。
体用燃料電池システムにおいては、蒸発器および燃焼器
の運転圧力による沸点温度の変化を考慮しないで、それ
ぞれある一定の燃焼器の温度を目標値にして制御する構
成になっていた。
【０００６】そのため、燃焼器の温度が目標管理温度を
超えた場合でも、蒸発器の温度が目標温度に達しておら
ず、燃料電池部の要求ガス量に十分な量の燃料ガスを改
質反応器に供給できない場合が生じる。
超えた場合でも、蒸発器の温度が目標温度に達しておら
ず、燃料電池部の要求ガス量に十分な量の燃料ガスを改
質反応器に供給できない場合が生じる。
【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、蒸発器から改質反応器へ安
定した燃料ガスを供給できる燃料電池システムを提供す
ることを目的とする。
鑑みてなされたものであり、蒸発器から改質反応器へ安
定した燃料ガスを供給できる燃料電池システムを提供す
ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明によれば、燃料を貯蔵する燃料タンク
と、前記燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器と、
前記燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質
反応器と、前記燃料あるいは改質ガスを燃焼させ前記蒸
発器へ熱量を供給する燃焼器と、該改質反応器で生成さ
れた前記改質ガスに含まれる前記水素を用いて発電を行
う燃料電池部とを含む燃料電池システムにおいて、前記
蒸発器の運転圧力に基づいて当該蒸発器における前記燃
料の沸点温度を推定する沸点温度推定手段と、前記蒸発
器における燃料ガスの蒸気温度を測定する蒸気温度測定
手段とを有し、前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた
値が所定値以下になった場合には、前記燃焼器において
燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加させること
を特徴とする燃料電池システムが提供される（請求項１
参照）。
るために、本発明によれば、燃料を貯蔵する燃料タンク
と、前記燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器と、
前記燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質
反応器と、前記燃料あるいは改質ガスを燃焼させ前記蒸
発器へ熱量を供給する燃焼器と、該改質反応器で生成さ
れた前記改質ガスに含まれる前記水素を用いて発電を行
う燃料電池部とを含む燃料電池システムにおいて、前記
蒸発器の運転圧力に基づいて当該蒸発器における前記燃
料の沸点温度を推定する沸点温度推定手段と、前記蒸発
器における燃料ガスの蒸気温度を測定する蒸気温度測定
手段とを有し、前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた
値が所定値以下になった場合には、前記燃焼器において
燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加させること
を特徴とする燃料電池システムが提供される（請求項１
参照）。
【０００９】この燃料電池システムにおいては、燃料電
池部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力か
ら燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による
燃料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
池部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力か
ら燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による
燃料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
【００１０】また、沸点温度と蒸気温度との差により制
御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効
果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸
発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の
燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効
果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸
発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の
燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
【００１１】（２）上記発明においては特に限定されな
いが、前記燃料電池部で余剰となった改質ガスを前記燃
焼器に供給して燃焼させる系を有し、前記蒸気温度から
前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場合に
は、前記燃料電池部から取り出す電力を抑制して前記燃
焼器において発生する熱量を増加させることがより好ま
しい（請求項２参照）。
いが、前記燃料電池部で余剰となった改質ガスを前記燃
焼器に供給して燃焼させる系を有し、前記蒸気温度から
前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場合に
は、前記燃料電池部から取り出す電力を抑制して前記燃
焼器において発生する熱量を増加させることがより好ま
しい（請求項２参照）。
【００１２】この燃料電池システムによれば、燃料電池
システムから取り出す電力を制御するので、電力の取り
出しを減少させた場合、燃料電池部から流出する排出改
質ガスが増加する。このとき、排出された改質ガスを利
用するため、燃料タンクから液体として燃料を供給する
場合に比べ、効率の良い反応が進行するとともに、発熱
量も増加し、多くの熱を蒸発器へ供給することができ
る。
システムから取り出す電力を制御するので、電力の取り
出しを減少させた場合、燃料電池部から流出する排出改
質ガスが増加する。このとき、排出された改質ガスを利
用するため、燃料タンクから液体として燃料を供給する
場合に比べ、効率の良い反応が進行するとともに、発熱
量も増加し、多くの熱を蒸発器へ供給することができ
る。
【００１３】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、燃料電池
部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力から
燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による燃
料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力から
燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による燃
料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
【００１４】また、沸点温度と蒸気温度との差により制
御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効
果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸
発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の
燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効
果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸
発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の
燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
【００１５】これに加えて、請求項２記載の発明によれ
ば、排出された改質ガスを利用するため、燃料タンクか
ら液体として燃料を供給する場合に比べ、効率の良い反
応が進行するとともに、発熱量も増加し、多くの熱を蒸
発器へ供給することができる。
ば、排出された改質ガスを利用するため、燃料タンクか
ら液体として燃料を供給する場合に比べ、効率の良い反
応が進行するとともに、発熱量も増加し、多くの熱を蒸
発器へ供給することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
基づいて説明する。
【００１７】図１は本発明の燃料電池システムの実施形
態を示すブロック図、図２は同実施形態の制御内容を説
明するためのグラフ、図３は同じく制御手順を示すフロ
ーチャートである。
態を示すブロック図、図２は同実施形態の制御内容を説
明するためのグラフ、図３は同じく制御手順を示すフロ
ーチャートである。
【００１８】本実施形態の燃料電池システム１は、燃料
を貯蔵する燃料タンク１１と、この燃料を蒸発させ燃料
ガスを生成する蒸発器１２と、燃料ガスから水素を含む
改質ガスの生成を行う改質反応器１３と、燃料あるいは
改質ガスを燃焼させ蒸発器１２へ熱量を供給する燃焼器
１４と、改質反応器１３で生成された改質ガスに含まれ
る水素を用いて発電を行う燃料電池部１５とを有する。
また、改質反応器１３にて生成された改質ガス中の一酸
化炭素を除去するための一酸化炭素除去器１６と、改質
反応器１３、燃料電池部１５および一酸化炭素除去器１
６のそれぞれに酸化剤である空気を供給するための圧縮
器１７とを有する。
を貯蔵する燃料タンク１１と、この燃料を蒸発させ燃料
ガスを生成する蒸発器１２と、燃料ガスから水素を含む
改質ガスの生成を行う改質反応器１３と、燃料あるいは
改質ガスを燃焼させ蒸発器１２へ熱量を供給する燃焼器
１４と、改質反応器１３で生成された改質ガスに含まれ
る水素を用いて発電を行う燃料電池部１５とを有する。
また、改質反応器１３にて生成された改質ガス中の一酸
化炭素を除去するための一酸化炭素除去器１６と、改質
反応器１３、燃料電池部１５および一酸化炭素除去器１
６のそれぞれに酸化剤である空気を供給するための圧縮
器１７とを有する。
【００１９】燃料電池自動車で代表される移動体用燃料
電池システム１において、燃料タンク１１内のメタノー
ルあるいは水とメタノールとの混合液は、ポンプ１８に
より蒸発器１２に送られ、ここで加熱蒸発されて蒸気と
なり、この燃料ガスがオートサーマル改質反応器１３に
送られる。
電池システム１において、燃料タンク１１内のメタノー
ルあるいは水とメタノールとの混合液は、ポンプ１８に
より蒸発器１２に送られ、ここで加熱蒸発されて蒸気と
なり、この燃料ガスがオートサーマル改質反応器１３に
送られる。
【００２０】この改質反応器１３には蒸発器１２からの
燃料ガスと圧縮器１７からの空気とが送られる。改質反
応器１３では、メタノール、水ならびに空気内の酸素
の、下記の触媒反応により燃料改質され、水素リッチな
改質ガスが生成される。
燃料ガスと圧縮器１７からの空気とが送られる。改質反
応器１３では、メタノール、水ならびに空気内の酸素
の、下記の触媒反応により燃料改質され、水素リッチな
改質ガスが生成される。
【００２１】
【化１】 ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２ ＋３Ｈ２ …（１） ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２ ⇔ＣＯ２＋２Ｈ２ …（２） ここで式（１）はメタノールの水蒸気改質反応（吸熱反
応）であり、式（２）はメタノールの部分酸化反応(発
熱反応)である。式（１）の水蒸気改質反応は、主とし
て下記に示されるように段階的に進行する。
応）であり、式（２）はメタノールの部分酸化反応(発
熱反応)である。式（１）の水蒸気改質反応は、主とし
て下記に示されるように段階的に進行する。
【００２２】
【化２】ＣＨ３ＯＨ⇔ＣＯ＋２Ｈ２ …（３） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２ ＋Ｈ２ …（４） ここで式（３）はメタノールの分解反応（吸熱反応）で
あり、式（４）は一酸化炭素のシフト反応(発熱反応)で
ある。本例の改質反応器１３は、これらの反応式の、発
熱ならびに吸熱がバランスするオートサーマル条件で運
転される断熱型反応器である。また、触媒の温度が低い
起動時では、さらに下記の副反応が併発する。
あり、式（４）は一酸化炭素のシフト反応(発熱反応)で
ある。本例の改質反応器１３は、これらの反応式の、発
熱ならびに吸熱がバランスするオートサーマル条件で運
転される断熱型反応器である。また、触媒の温度が低い
起動時では、さらに下記の副反応が併発する。
【００２３】
【化３】ＣＨ３ＯＨ⇔ＨＣＨＯ＋Ｈ２ …（５） ＨＣＨＯ⇔ＣＯ＋Ｈ２ …（６） 改質反応器１３の運転温度は３００〜６００℃であり、
熱力学的化学平衡により数％オーダーの一酸化炭素を含
む改質ガスが得られるが、一酸化炭素は固体高分子型燃
料電池１５の白金等からなる燃料極電極触媒を被毒し、
その活性を著しく低下させてしまう。このため、改質反
応器１３と燃料電池１５との間に一酸化炭素除去器１６
が設けられ、数十〜１００ｐｐｍにまで一酸化炭素を低
減した上で燃料電池１５に供給する。
熱力学的化学平衡により数％オーダーの一酸化炭素を含
む改質ガスが得られるが、一酸化炭素は固体高分子型燃
料電池１５の白金等からなる燃料極電極触媒を被毒し、
その活性を著しく低下させてしまう。このため、改質反
応器１３と燃料電池１５との間に一酸化炭素除去器１６
が設けられ、数十〜１００ｐｐｍにまで一酸化炭素を低
減した上で燃料電池１５に供給する。
【００２４】本例では数％オーダーの一酸化炭素を含む
改質ガスは、一酸化炭素除去器１６に送られ、式（４）
に示すシフト反応を促進する触媒により、一酸化炭素が
低減される。このときの一酸化炭素除去器１６の運転温
度は２００〜３００℃であり、熱力学的化学平衡により
０．数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスとなる。
改質ガスは、一酸化炭素除去器１６に送られ、式（４）
に示すシフト反応を促進する触媒により、一酸化炭素が
低減される。このときの一酸化炭素除去器１６の運転温
度は２００〜３００℃であり、熱力学的化学平衡により
０．数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスとなる。
【００２５】シフト反応により一酸化炭素が低減された
改質ガスは、下記の触媒酸化反応(発熱反応)により、さ
らに一酸化炭素が数十〜高々１００ｐｐｍにまで低減さ
れる。必要な酸素は圧縮器１７から空気として供給され
る。
改質ガスは、下記の触媒酸化反応(発熱反応)により、さ
らに一酸化炭素が数十〜高々１００ｐｐｍにまで低減さ
れる。必要な酸素は圧縮器１７から空気として供給され
る。
【００２６】
【化４】 ＣＯ＋１／２Ｏ２ ⇔ＣＯ２ …（７） ここで式（７）の反応は、水素雰囲気下で進行するた
め、下記の水素の燃焼反応（発熱反応）も併発する。こ
れにより、式（８）に対する式（７）の選択性が改質シ
ステムの効率に大きな影響を与える。
め、下記の水素の燃焼反応（発熱反応）も併発する。こ
れにより、式（８）に対する式（７）の選択性が改質シ
ステムの効率に大きな影響を与える。
【００２７】
【化５】 Ｈ２ ＋１／２Ｏ２ ⇔Ｈ２Ｏ …（８） 式（７）ならびに式（８）による発熱を除去し、運転温
度１００数十℃に維持するために、一酸化炭素除去器１
６の式（７）ならびに式（８）の反応部は、空気あるい
はＬＬＣまたはオイル等により冷却される（ただし図示
は省略する）。
度１００数十℃に維持するために、一酸化炭素除去器１
６の式（７）ならびに式（８）の反応部は、空気あるい
はＬＬＣまたはオイル等により冷却される（ただし図示
は省略する）。
【００２８】このようにして極めて低レベルな濃度にま
で一酸化炭素が低減された改質ガスと圧縮器１７からの
空気とが燃料電池１５の燃料極と空気極に送られ、発電
が行われる。
で一酸化炭素が低減された改質ガスと圧縮器１７からの
空気とが燃料電池１５の燃料極と空気極に送られ、発電
が行われる。
【００２９】なお、図１において「１９」は蒸発器１２
を通過した燃料ガスの温度を測定するための温度センサ
であり、その出力は後述する制御手段３０に送出され
る。また「２０，２１」は圧縮器１７から改質反応器１
３、一酸化炭素除去器１６および燃料電池１５に送られ
る空気の流量を調節するための流量調節弁であり、それ
ぞれの供給系に設けられた流量センサ２２，２３の測定
値に基づいてフィードバック制御等がなされる。
を通過した燃料ガスの温度を測定するための温度センサ
であり、その出力は後述する制御手段３０に送出され
る。また「２０，２１」は圧縮器１７から改質反応器１
３、一酸化炭素除去器１６および燃料電池１５に送られ
る空気の流量を調節するための流量調節弁であり、それ
ぞれの供給系に設けられた流量センサ２２，２３の測定
値に基づいてフィードバック制御等がなされる。
【００３０】燃料電池１５においては、改質ガス中の水
素を全て利用することは不可能であり、したがって一部
の水素が残留した発電に使用済みの改質ガスと、一部の
酸素が残留した発電に使用済みの空気とを、燃焼器１４
に送って燃焼させる。この燃焼器１４にて得られた高温
の排気ガスは、蒸発器１２に送られ、メタノールと水の
蒸発のエネルギーとして再利用される。
素を全て利用することは不可能であり、したがって一部
の水素が残留した発電に使用済みの改質ガスと、一部の
酸素が残留した発電に使用済みの空気とを、燃焼器１４
に送って燃焼させる。この燃焼器１４にて得られた高温
の排気ガスは、蒸発器１２に送られ、メタノールと水の
蒸発のエネルギーとして再利用される。
【００３１】図１において「２４，２５」は燃料電池１
５の空気極および燃料極のそれぞれの排ガス系の圧力を
測定する圧力センサ、「２６，２７」は空気極および燃
料極のそれぞれの排ガス系の流量を調節する流量調節弁
である。
５の空気極および燃料極のそれぞれの排ガス系の圧力を
測定する圧力センサ、「２６，２７」は空気極および燃
料極のそれぞれの排ガス系の流量を調節する流量調節弁
である。
【００３２】移動体用燃料電池システムの効率の関係か
ら、固体高分子型燃料電池１５の電力要求量に応じて、
運転圧力は変化すると同時に、改質反応器１３に供給さ
れるガス流量も負荷変動する。これにより、燃料タンク
１１から、蒸発器１２及び燃焼器１４に供給される燃料
の供給量も変動し、蒸発器１２及び改質反応器１３の運
転圧力が変化する。
ら、固体高分子型燃料電池１５の電力要求量に応じて、
運転圧力は変化すると同時に、改質反応器１３に供給さ
れるガス流量も負荷変動する。これにより、燃料タンク
１１から、蒸発器１２及び燃焼器１４に供給される燃料
の供給量も変動し、蒸発器１２及び改質反応器１３の運
転圧力が変化する。
【００３３】しかしながら、沸点温度と運転圧力の間に
は図２のマップＢに示されるような関係が存在する。そ
して、蒸発器１２の運転圧力は、蒸発器１２から固体高
分子型燃料電池１５までの圧損と固体高分子型燃料電池
１５の運転圧力より求めることができる。このため、圧
力センサ２５から蒸発器１２の運転圧力を求めることに
より、燃料タンク１１より供給される燃料の沸点温度
（Ｔbp）を推算することができる。図１に示す沸点温度
推定手段２９は、圧力センサ２５からの出力値と図２に
示すマップＢとを用いて、この燃料の沸点温度（Ｔbp）
を推算する。
は図２のマップＢに示されるような関係が存在する。そ
して、蒸発器１２の運転圧力は、蒸発器１２から固体高
分子型燃料電池１５までの圧損と固体高分子型燃料電池
１５の運転圧力より求めることができる。このため、圧
力センサ２５から蒸発器１２の運転圧力を求めることに
より、燃料タンク１１より供給される燃料の沸点温度
（Ｔbp）を推算することができる。図１に示す沸点温度
推定手段２９は、圧力センサ２５からの出力値と図２に
示すマップＢとを用いて、この燃料の沸点温度（Ｔbp）
を推算する。
【００３４】ところで、蒸気温度（Ｔvap）は沸点温度
（Ｔbp）より低くなることはない。すなわち、Ｔvap＜
Ｔbpのときは、蒸気は発生しないし、Ｔvap＝Ｔbpでは
液相と気相の２相共存となる。また、蒸気温度（Ｔva
p）と沸点温度（Ｔbp）との差が大きい場合は、固体高
分子型燃料電池１５の発電に十分な量の燃料ガスを得る
ために十分な熱量が、蒸発器１２に供給されているとみ
なすことができる。しかし、上記の温度差が小さくなる
につれ、蒸発器１２の持つ熱量が減少しているとみなす
ことができる。
（Ｔbp）より低くなることはない。すなわち、Ｔvap＜
Ｔbpのときは、蒸気は発生しないし、Ｔvap＝Ｔbpでは
液相と気相の２相共存となる。また、蒸気温度（Ｔva
p）と沸点温度（Ｔbp）との差が大きい場合は、固体高
分子型燃料電池１５の発電に十分な量の燃料ガスを得る
ために十分な熱量が、蒸発器１２に供給されているとみ
なすことができる。しかし、上記の温度差が小さくなる
につれ、蒸発器１２の持つ熱量が減少しているとみなす
ことができる。
【００３５】このことから、図２のマップＡに示すよう
に、所定の温度差Ｔcrtを予め設定しておき、蒸気温度
（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、この所
定の温度差Ｔcrtを上回っている場合には熱量は十分で
あり、追加燃料は供給しないこととする。一方、蒸気温
度（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、所定
の温度差Ｔcrtを下回った場合、蒸発器１２の熱量が不
足していると判断し、蒸発器１２に供給する熱量を増加
させ、蒸気温度を上昇させる。図１に示す制御手段３０
は、上述した沸点温度推定手段２９により推算された沸
点温度（Ｔbp）と、温度センサ１９により測定される蒸
気温度（Ｔvap）とを用いてこの演算および判断を行
い、判断結果を、燃料タンク１１から燃焼器１４に燃料
を供給するためのポンプ２８へ出力する。
に、所定の温度差Ｔcrtを予め設定しておき、蒸気温度
（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、この所
定の温度差Ｔcrtを上回っている場合には熱量は十分で
あり、追加燃料は供給しないこととする。一方、蒸気温
度（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、所定
の温度差Ｔcrtを下回った場合、蒸発器１２の熱量が不
足していると判断し、蒸発器１２に供給する熱量を増加
させ、蒸気温度を上昇させる。図１に示す制御手段３０
は、上述した沸点温度推定手段２９により推算された沸
点温度（Ｔbp）と、温度センサ１９により測定される蒸
気温度（Ｔvap）とを用いてこの演算および判断を行
い、判断結果を、燃料タンク１１から燃焼器１４に燃料
を供給するためのポンプ２８へ出力する。
【００３６】なお、所定の温度差Ｔcrtを設定するとき
に、固体高分子型燃料電池１５の十分な発電に要求され
る燃料ガスを得るために供給される蒸発器１２の熱量
と、燃焼器１４から蒸発器１２に供給する熱量と間にマ
ージンを持たせて温度差Ｔcrtを設定することにより、
蒸発器１２の熱量が不足し、燃料ガスの供給量が減少し
て、固体高分子型燃料電池１５が鎮火することを回避す
ることができると同時に、常に固体高分子型燃料電池１
５に安定した燃料ガスを供給し、発電を行うことができ
る。
に、固体高分子型燃料電池１５の十分な発電に要求され
る燃料ガスを得るために供給される蒸発器１２の熱量
と、燃焼器１４から蒸発器１２に供給する熱量と間にマ
ージンを持たせて温度差Ｔcrtを設定することにより、
蒸発器１２の熱量が不足し、燃料ガスの供給量が減少し
て、固体高分子型燃料電池１５が鎮火することを回避す
ることができると同時に、常に固体高分子型燃料電池１
５に安定した燃料ガスを供給し、発電を行うことができ
る。
【００３７】ここで、本実施形態の動作シーケンスを図
３にしたがって説明する。
３にしたがって説明する。
【００３８】まず、ステップ１にて圧力センサ２５から
燃料電池１５の運転圧力を読み込み、この圧力と既知の
値である蒸発器１２から固体高分子型燃料電池１５まで
の圧損とに基づいて蒸発器１２の運転圧力を求める。
燃料電池１５の運転圧力を読み込み、この圧力と既知の
値である蒸発器１２から固体高分子型燃料電池１５まで
の圧損とに基づいて蒸発器１２の運転圧力を求める。
【００３９】ステップ２では、ステップ１で求められた
蒸発器１２の運転圧力と、図２のマップＢとから、燃料
の沸点温度（Ｔbp）を推算する。ここまでの演算処理は
図１に示す沸点温度推定手段２９にて実行される。
蒸発器１２の運転圧力と、図２のマップＢとから、燃料
の沸点温度（Ｔbp）を推算する。ここまでの演算処理は
図１に示す沸点温度推定手段２９にて実行される。
【００４０】ステップ３では、温度センサ１９によって
計測された実際の蒸気温度（Ｔvap）を読み込み、次の
ステップ４にて、ステップ２で求められた沸点温度（Ｔ
bp）との差（Ｔvap−Ｔbp）を所定の温度差Ｔcrtと比較
する。そして、Ｔvap−Ｔbp＞Ｔcrtならば、蒸発器１２
に供給される熱量は十分であるとみなし、ステップ１へ
戻る。一方、Ｔvap−Ｔbp＜Ｔcrtならば、蒸発器１２に
供給される熱量が不足していると判断し、ステップ５へ
進み、図２のマップＡを用いて追加燃料流量を算出す
る。そして、ステップ６にてポンプ２８を用いて燃焼器
１４への燃料供給量を増加させる。この動作は制御手段
３０で実行される。
計測された実際の蒸気温度（Ｔvap）を読み込み、次の
ステップ４にて、ステップ２で求められた沸点温度（Ｔ
bp）との差（Ｔvap−Ｔbp）を所定の温度差Ｔcrtと比較
する。そして、Ｔvap−Ｔbp＞Ｔcrtならば、蒸発器１２
に供給される熱量は十分であるとみなし、ステップ１へ
戻る。一方、Ｔvap−Ｔbp＜Ｔcrtならば、蒸発器１２に
供給される熱量が不足していると判断し、ステップ５へ
進み、図２のマップＡを用いて追加燃料流量を算出す
る。そして、ステップ６にてポンプ２８を用いて燃焼器
１４への燃料供給量を増加させる。この動作は制御手段
３０で実行される。
【００４１】これにより、燃焼器１４に供給される燃料
が増加し、発生した多量の熱が蒸発器１２に伝達される
ため、蒸気温度（Ｔvap）が上昇し、気化する燃料流量
が増加し、燃料電池部１５において安定した電力を供給
できるようにガスを改質反応器１３に供給することがで
きる。
が増加し、発生した多量の熱が蒸発器１２に伝達される
ため、蒸気温度（Ｔvap）が上昇し、気化する燃料流量
が増加し、燃料電池部１５において安定した電力を供給
できるようにガスを改質反応器１３に供給することがで
きる。
【００４２】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
【００４３】上記実施形態においては、燃料電池部１５
における改質反応器１３の改質ガスを一酸化炭素除去器
１６を通過させ、一酸化炭素濃度を低減させた後に燃料
電池部１５へ供給する構成の移動体用燃料電池システム
１を用いて説明したが、本発明の燃料電池システムでは
一酸化炭素除去器１６の構造は特に限定されず、改質反
応器１３の下流に水素分離膜を取り付け、分離された純
水素を燃料電池部１５で利用し、水素が分離されたガス
を燃焼器１４に送る構成の燃料電池システムに適用して
も良い。
における改質反応器１３の改質ガスを一酸化炭素除去器
１６を通過させ、一酸化炭素濃度を低減させた後に燃料
電池部１５へ供給する構成の移動体用燃料電池システム
１を用いて説明したが、本発明の燃料電池システムでは
一酸化炭素除去器１６の構造は特に限定されず、改質反
応器１３の下流に水素分離膜を取り付け、分離された純
水素を燃料電池部１５で利用し、水素が分離されたガス
を燃焼器１４に送る構成の燃料電池システムに適用して
も良い。
【００４４】また、蒸発器１２と改質反応器１３との間
に圧力センサを取り付け、直接、蒸発器１２の運転圧力
の信号を制御手段３０に伝達する構成としてもよいし、
改質反応器１３において、直接温度センサおよび圧力セ
ンサを取り付け、これらの信号を制御手段３０に伝達
し、ポンプ２８により燃焼器１４への燃料流量を制御し
てもよい。また、図１に示すように他の制御手段３１お
よびポンプ１８を設置することにより、蒸発器１２に流
入する燃料流量を制御し、改質反応器１３へ安定した燃
料供給を行う構成としてもよい。
に圧力センサを取り付け、直接、蒸発器１２の運転圧力
の信号を制御手段３０に伝達する構成としてもよいし、
改質反応器１３において、直接温度センサおよび圧力セ
ンサを取り付け、これらの信号を制御手段３０に伝達
し、ポンプ２８により燃焼器１４への燃料流量を制御し
てもよい。また、図１に示すように他の制御手段３１お
よびポンプ１８を設置することにより、蒸発器１２に流
入する燃料流量を制御し、改質反応器１３へ安定した燃
料供給を行う構成としてもよい。
【００４５】さらに、蒸発器１２から改質反応器１３へ
の燃料ガス流量を測定し、蒸気温度と沸点温度の差と、
上述した燃料ガス流量とから、蒸発器１２における余剰
熱量を求める。そして、その余剰熱量に基づいて、燃焼
器１４への燃料供給量を制御し、燃焼器１４から供給さ
れる熱量を調節する構成としてもよい。
の燃料ガス流量を測定し、蒸気温度と沸点温度の差と、
上述した燃料ガス流量とから、蒸発器１２における余剰
熱量を求める。そして、その余剰熱量に基づいて、燃焼
器１４への燃料供給量を制御し、燃焼器１４から供給さ
れる熱量を調節する構成としてもよい。
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブ
ロック図である。
ロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの制御内容を説明す
るためのグラフである。
るためのグラフである。
【図３】本発明の燃料電池システムの制御手順を示すフ
ローチャートである。
ローチャートである。
１…燃料電池システム １１…燃料タンク １２…蒸発器 １３…改質反応器 １４…燃焼器 １５…燃料電池部 １６…一酸化炭素除去器 １７…圧縮器 １８，２８…ポンプ １９…温度センサ（蒸気温度測定手段） ２０，２３，２６，２７…流量調節弁 ２２，２３…流量センサ ２４，２５…圧力センサ ２９…沸点温度推定手段 ３０，３１…制御手段
Claims (2)
- 【請求項１】燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料を
蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスか
ら水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器と、前記
燃料あるいは改質ガスを燃焼させ前記蒸発器へ熱量を供
給する燃焼器と、該改質反応器で生成された前記改質ガ
スに含まれる前記水素を用いて発電を行う燃料電池部と
を含む燃料電池システムにおいて、 前記蒸発器の運転圧力に基づいて当該蒸発器における前
記燃料の沸点温度を推定する沸点温度推定手段と、 前記蒸発器における燃料ガスの蒸気温度を測定する蒸気
温度測定手段とを有し、 前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値が所定値以下
になった場合には、前記燃焼器において燃焼させる燃料
あるいは改質ガス流量を増加させることを特徴とする燃
料電池システム。 - 【請求項２】前記燃料電池部で余剰となった改質ガスを
前記燃焼器に供給して燃焼させる系を有し、前記蒸気温
度から前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場
合には、前記燃料電池部から取り出す電力を抑制して前
記燃焼器において発生する熱量を増加させることを特徴
とする請求項１記載の燃料電池システム。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP2000159593A JP3702751B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池システム |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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| JP2007273281A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Osaka Gas Co Ltd | 燃料電池発電装置 |
| WO2009096577A1 (en) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell unit and fuel cell stack |
| US8142942B2 (en) | 2007-06-08 | 2012-03-27 | Casio Computer Co., Ltd. | Vaporizer and power generation apparatus and electronic equipment in which vaporizer is provided |
| JP2012134170A (ja) * | 2012-03-02 | 2012-07-12 | Osaka Gas Co Ltd | 燃料電池発電装置 |
| WO2019215931A1 (ja) * | 2018-05-11 | 2019-11-14 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
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| JP3480452B2 (ja) | 2001-05-25 | 2003-12-22 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システムおよびエネルギ供給システム |
| JP3452051B2 (ja) * | 2001-05-25 | 2003-09-29 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP3820992B2 (ja) * | 2002-01-08 | 2006-09-13 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP3911467B2 (ja) * | 2002-09-25 | 2007-05-09 | 出光興産株式会社 | エネルギ供給システム |
| CA2503356A1 (en) * | 2002-10-30 | 2004-05-21 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Method and system for controlling fluid flow in a fuel processing system |
| US7807302B2 (en) * | 2004-01-27 | 2010-10-05 | Utc Power Corporation | Preventing fuel starvation of a fuel cell stack |
| JP5151035B2 (ja) * | 2006-02-03 | 2013-02-27 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4478707B2 (ja) * | 2007-09-06 | 2010-06-09 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池車両 |
| CA2754153C (en) * | 2009-03-18 | 2017-01-03 | Crown Equipment Corporation | Fuel level meter for industrial vehicles |
| WO2015053156A1 (ja) * | 2013-10-08 | 2015-04-16 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09315801A (ja) * | 1996-03-26 | 1997-12-09 | Toyota Motor Corp | 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム |
| JPH10106607A (ja) | 1996-10-02 | 1998-04-24 | Shipbuild Res Assoc Japan | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
| DE19755813C2 (de) * | 1997-12-16 | 2000-09-14 | Dbb Fuel Cell Engines Gmbh | Verfahren zum Betrieb einer Wasserdampfreformierungsanlage, damit betreibbare Reformierungsanlage und Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahren |
| US6630109B2 (en) * | 1998-07-16 | 2003-10-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control apparatus for reformer and method of controlling reformer using control apparatus |
| JP2000119001A (ja) * | 1998-10-13 | 2000-04-25 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置 |
| JP4147659B2 (ja) * | 1998-12-24 | 2008-09-10 | トヨタ自動車株式会社 | 改質器の制御装置 |
| JP4100533B2 (ja) * | 1999-05-06 | 2008-06-11 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置 |
| JP4253920B2 (ja) * | 1999-05-06 | 2009-04-15 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池自動車の電力配分制御装置 |
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2000
- 2000-05-30 JP JP2000159593A patent/JP3702751B2/ja not_active Expired - Fee Related
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2001
- 2001-05-23 US US09/862,344 patent/US6635371B2/en not_active Expired - Fee Related
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