JP2002316801A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異常高温による燃焼触媒の劣化を抑制する燃
料電池システムの制御装置を提供する。 【解決手段】 燃料と水とを原燃料とする原燃料蒸気か
ら水素を含む改質ガスを生成する改質触媒（３）と、改
質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタック
（１）と、燃料電池スタックから排出される排ガスを燃
焼する燃焼触媒（９）とを備える燃料電池システムにお
いて、前記燃焼触媒に流入する改質ガスの流量と改質ガ
スの成分の濃度を検出し、この検出結果に基づき、燃焼
触媒の温度が許容温度となるように燃焼触媒に供給する
空気量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質触媒を備えた
燃料電池システムの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池システムにおいて、改質
ガスを生成する改質触媒の劣化を防止する技術として、
特開平８‐７８０３０号公報や特開２０００−３６３１
３号公報に記載のものがある。

【０００３】特開平８‐７８０３０号公報の技術は、燃
料電池の目標発電量と、改質器から排出された改質ガス
中の酸素濃度と改質器出口でのガス温度とに基づき、改
質器への供給空気量を制御し、改質器の温度を所定温度
以下に制御する技術である。

【０００４】特開２０００−３６３１３号公報に記載の
技術は、改質器の燃焼排ガス中の酸素濃度から原燃料ガ
ス中の総発熱量を算出し、この総発熱量から原燃料ガス
の流量を求め、制御することにより、原燃料ガス中に含
まれる炭化水素濃度が変動した場合でも、不具合を生じ
ることなく定格運転の継続を可能とするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８‐７８０３０号公報の技術では、改質器の出口ガスの
酸素濃度と温度に基づいて改質器に供給する空気量を制
御する構成であるため、改質器内の燃焼に対して制御が
常に遅れることになり、改質器に供給される燃料流量が
急激に変化する場合には、改質器内の燃焼室で急激に温
度が上昇し、燃焼触媒を劣化させる可能性があるという
問題がある。

【０００６】また特開２０００−３６３１３号公報の技
術では、通常運転時に原燃料の発熱量が多い場合には原
燃料の流量を減少させて異常な温度上昇を抑制する制御
を行うため、起動時のように所定量の熱量が必要な場合
には、熱量が不足することなり、結果として改質器の起
動時間が長くなり、システムの起動性を低下させること
になる。

【０００７】そこで本発明の目的は、異常高温による燃
焼触媒の劣化を抑制するとともに、システムの運転状態
にかかわらず、適切な空気量を燃焼触媒に供給する燃料
電池システムを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料と水
とを原燃料とする原燃料蒸気から水素を含む改質ガスを
生成する改質触媒と、改質ガスと空気とを用いて発電す
る燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出され
る排ガスを燃焼する燃焼触媒とを備える燃料電池システ
ムにおいて、前記燃焼触媒に流入する改質ガスの流量を
検出する手段と、改質ガスの成分の濃度を検出する手段
と、これら検出手段の検出結果に基づき、燃焼触媒の温
度が許容温度となるように燃焼触媒に供給する空気量を
制御する手段とを備える。

【０００９】第２の発明は、第１の発明において、改質
ガスの成分の濃度は燃焼触媒の上流で検出される。

【００１０】第３の発明は、第１または２に記載の発明
において、検出される改質ガスの成分の濃度は、水素濃
度と、炭化水素濃度と、一酸化炭素濃度のうち少なくと
も一つである。

【００１１】

【発明の効果】第１の発明では、燃料電池システムにお
いて、燃焼触媒に流入する改質ガスの流量と改質ガスの
成分の濃度を検出し、この検出結果に基づき、燃焼触媒
の温度が許容温度となるように燃焼触媒に供給する空気
量を制御することとしたので、起動時のように改質ガス
の組成が変化して燃焼触媒での燃焼温度が不安定な場合
でも空気量を制御することによって燃焼温度を制御でき
る。つまり、起動初期において燃焼触媒に流入する改質
ガスの発熱量の増加に伴う燃焼温度高温化に伴う燃焼触
媒の失活を防止できる一方、起動後期においては、改質
ガスの発熱量が減少し、燃焼触媒の燃焼温度が低くなる
場合があるが、空気量を制御することで燃焼温度を昇温
し、改質器の起動時間を短縮することができる。

【００１２】第２の発明では、改質ガスの成分の濃度は
燃焼触媒の上流で検出することとしたので、改質触媒の
活性化による改質ガスの組成の変化に伴い燃焼触媒の温
度が変化する以前に空気流量を制御して燃焼温度の異常
な高温による燃焼触媒の失活を防止できる。

【００１３】第３の発明では、検出される改質ガスの成
分の濃度は、水素濃度と、炭化水素濃度と、一酸化炭素
濃度のうち少なくとも一つであることとしたので、所望
の燃焼触媒の運転状態に応じて検出する成分を定め、シ
ステムの簡略化を図ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池システム
の構成を添付図面に基づいて説明する。

【００１５】図１は本発明の第１実施形態の構成を説明
する図である。本燃料電池システムは、カソード極１ａ
とアノード極１ｂを備えた燃料電池スタック１と、カソ
ード極１ａに酸化剤としての空気を供給するコンプレッ
サ２と、アノード極１ｂに供給される改質ガスの生成す
る改質触媒部３および改質ガスの一酸化炭素（以下、Ｃ
Ｏと示す。）を除去するＣＯ除去部４と、改質触媒部３
に気化原燃料を供給する蒸発器５と、蒸発器５に原燃料
としてのメタノールと水を供給するメタノールタンク６
と水タンク７と、原燃料を気化するための燃焼ガスを生
成して蒸発器５に導入する燃焼触媒部９と燃焼触媒部９
にアノード排ガス、カソード排ガス、あるいは改質ガス
と空気を供給する混合器８とを備える。さらに起動時に
メタノールと空気をメタノールリッチ状態で燃焼させる
起動用燃焼器１０と、この燃焼ガスを改質触媒部３での
改質反応に必要な成分に調整する予混合器１１とを備え
る。

【００１６】コンプレッサ２から供給される空気はカソ
ード極１ａに供給されるとともにその一部が混合器８、
起動用燃焼器１０および予混合器１１に供給されるよう
に構成されており、それぞれの供給経路には流量制御弁
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設置される。

【００１７】またメタノールタンク６から供給されるメ
タノールはポンプ１３によって蒸発器５に流量制御弁１
４を介して供給されるとともに、その一部は起動用燃焼
器１０に備えられた燃料用インジェクタ１５および予混
合器１１に備えられた燃料用インジェクタ１６に供給さ
れる。

【００１８】水タンク７の水はポンプ１７によって蒸発
器５に供給され、その供給経路の途中に流量制御弁１８
を備える。

【００１９】燃料電池スタック１から排出されるカソー
ド排ガスとアノード排ガスは混合器８に導入されて、燃
焼触媒部９で燃焼される。これら排ガスが混合器８に導
入される経路の途中にはそれぞれ流量制御弁１９、２０
が設置される。

【００２０】さらには起動用燃焼器１０から排出される
燃焼ガスの温度を検出する温度センサ２１、予混合器１
１から排出される気化原燃料の温度を検出する温度セン
サ２２、蒸発器５内の温度を検出する温度センサ２３お
よび蒸発器５から排出される気化原燃料の温度と圧力を
検出する温度センサ２４と圧力センサ２５が備えられ
る。さらにＣＯ除去部４から排出された改質ガスのＣＯ
濃度を検出するＣＯ濃度センサ２６が設けられて、その
下流には改質ガスの流れを制御する制御弁２７が設置さ
れて、改質ガスのガス組成（例えば、ＣＯ濃度）に基づ
き燃料電池スタック１または混合器８へ改質ガスを供給
する。

【００２１】アノード極１ｂから排出されるアノード排
ガスあるいはＣＯ除去部４から混合器８へ排出される改
質ガスは混合器８に導入される。ＣＯ除去部４からの配
管とアノード排ガスの配管の合流部下流に配置された改
質ガス流量計２９、メタノール濃度センサ３０、水素濃
度センサ３１によって改質ガス中のメタノール濃度、水
素濃度および改質ガス流量が検出される。

【００２２】なおこれら改質ガス流量計２９、メタノー
ル濃度センサ３０、水素濃度センサ３１およびＣＯ濃度
センサ２６の検出値は制御ユニット５０に出力されると
ともに、制御ユニット５０は燃焼触媒９に供給する空気
量を制御する制御弁１２ｄの開度を制御する。

【００２３】燃料電池システム起動時においては、流量
制御弁１２ｃが開き、コンプレッサ２からの空気が起動
用燃焼器１０に供給される。またメタノールタンク６か
らのメタノールがインジェクタ１５から起動用燃焼器１
０内に噴射され、コンプレッサ２からの空気と燃料リッ
チ状態で混合し、グロープラグ２８によって着火され、
燃焼ガスを生成する。

【００２４】この燃焼ガスは起動用燃焼器１０の下流に
位置する予混合器１１に導入され、コンプレッサ２から
供給された空気とメタノールタンク６から供給されたメ
タノールとが燃焼ガスと混合し、この混合によって燃焼
ガスの温度が改質触媒部３の耐熱温度以下になるように
調整され、同時に改質触媒部３での改質ガス生成に用い
られるガス組成に調整されて改質触媒部３に導入され
る。

【００２５】改質触媒部３では燃焼ガスが改質触媒によ
って部分酸化反応を生じ、改質ガスを生成する一方、こ
の反応熱によって改質触媒部３が昇温する。

【００２６】改質ガスはＣＯ除去部４に供給されて、所
定のＣＯ濃度までＣＯが除去される。しかしながら起動
時等ＣＯ濃度の低減が十分でないときには、改質ガスは
燃料電池スタック１に供給されず、混合器８に導入され
る。

【００２７】混合器８では改質ガスとコンプレッサ２か
らの空気とが混合して、この混合ガスが燃焼触媒部９に
供給されて燃焼し、この燃焼熱がメタノールタンク６と
水タンク７から供給された原燃料のメタノールと水を気
化する。なおこのメタノールと水の蒸発器５への供給は
温度センサ２３によって検出される蒸発器５の温度が所
定温度以上に達したときに開始される。

【００２８】蒸発器５で気化した原燃料、気化原燃料は
改質触媒部３に供給されて改質触媒によって改質反応を
生じて改質ガスを生成する。

【００２９】蒸発器５から改質触媒部３に供給される気
化原燃料の温度と圧力を温度センサ２４と圧力センサ２
５によって検出し、この温度あるいは圧力が所定の基準
値以上となった時点で、蒸発器５の暖機が終了したと判
断し、起動用燃焼器１０への空気とメタノールの供給を
停止するとともに、予混合器１１へのメタノールの供給
を停止し、ＣＯ除去部４から排出される改質ガスのＣＯ
濃度が所定濃度よりも低いことが確認された時点で通常
運転に移行する。

【００３０】燃料電池システムの通常運転時は、ＣＯ除
去部４から排出される改質ガスのＣＯ濃度が所定濃度よ
り低く、改質ガスは燃料電池スタック１のアノード極１
ｂに供給される。一方、流量制御弁１２ａが開きコンプ
レッサ２から空気がカソード極に供給され燃料電池スタ
ック１は発電する。

【００３１】燃料電池スタック１から排出される排ガス
（アノード排ガスとカソード排ガス）は混合器８に導入
され、燃焼器触媒部９で燃焼し、この燃焼ガスの熱によ
って蒸発器５で原燃料を気化し、気化原燃料が改質触媒
部３に供給され、改質ガスを生成し、ＣＯ除去部４がＣ
Ｏ低濃度の改質ガスに調整することで改質ガスが燃料電
池スタック１に供給されて燃料電池システムの通常運転
が行われる。

【００３２】燃料電池システムの起動時に、改質触媒部
３とＣＯ除去部４が活性温度に達していない場合には、
改質反応およびＣＯ選択酸化反応が十分に行われず、燃
触媒部９には発熱量の大きいメタノールが大量に流入す
ることになり、燃焼触媒部９での燃焼温度が高くなり、
燃焼触媒部９の失活の恐れや高温の燃焼ガスが下流の蒸
発器５に導入されて蒸発器５を劣化させる恐れがある。

【００３３】また改質触媒部３とＣＯ除去部４が活性温
度に達した後は、改質ガスの温度が上昇するが、改質触
媒部３でのメタノールの改質反応により改質ガス中のメ
タノール量が減り、発熱量がメタノールよりも小さい水
素、ＣＯが増加し、ＣＯ除去部４は適温に維持してＣＯ
選択酸化反応を行わせるために図示しない冷却手段によ
り冷却するため、改質ガスは冷却されることになり、そ
の結果、燃焼触媒部９の燃焼温度が低くなる。したがっ
て燃焼触媒部９への空気供給量を改質触媒部３とＣＯ除
去部４の活性前の状態と同じとした場合は、蒸発器５の
昇温に時間がかかり、燃焼触媒部９の空気流量を低減し
て燃焼温度を高める必要がある。

【００３４】したがって燃焼触媒部９での燃焼温度もし
くは蒸発器５に供給される燃焼ガスの温度を適正温度に
維持する必要があり、このため制御ユニット５０が行う
燃焼ガス温度の算出方法を推定し、以下のようにして燃
焼ガスの温度を適正温度に制御している。

【００３５】まず、燃焼触媒部９に供給される改質ガス
の流量と、改質ガス中のＣＯ濃度、メタノール濃度、水
素濃度を各センサ等を用いて検出する。この検出された
流量と濃度に基づいて改質ガスの発熱量Ｑ（ｋｃａｌ／
ｍｏｌ）と、燃焼触媒部９に供給される改質ガス量と空
気量から算出される燃焼触媒部９で生成される燃焼ガス
の組成とから燃焼ガス温度を算出する。

【００３６】改質ガス発熱量Ｑは、下式によって表され
る。

【００３７】

【数１】

【００３８】ここで、改質ガス中のＣＯ濃度をＤｃｏ
（％）、同じくメタノール濃度をＤｍ（％）、同じく水
素濃度をＤｈ２（％）、ＣＯの発熱量をＨｃｏ（ｋｃａ
ｌ／ｍｏｌ）、同じくメタノールの発熱量をＨｍ（ｋｃ
ａｌ／ｍｏｌ）、水素の発熱量をＨｈ２（ｋｃａｌ／ｍ
ｏｌ）、改質ガス流量計２９で測定された流量をＦｒｇ
（ｍｏｌ／ｓｅｃ）とする。

【００３９】起動用燃焼器１０および予混合器１１での
供給メタノール量をＳｍ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、起動用燃
焼器１０および予混合器１１での総供給空気流量をＳａ
ｌ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、燃焼触媒９での供給空気Ｓａ２
（ｍｏｌ／ｓｅｃ）とすると、起動用燃焼器１０及び予
混合器１１に供給されたメタノールは、最終的には下式
のようにＣＯ２とＨ２Ｏになるので、

【００４０】

【数２】

【００４１】燃焼ガス中のＣＯ２流量をＥｃｏ２（ｍｏ
ｌ／ｓｅｃ）、Ｈ２Ｏ流量をＥｈ２ｏ（ｍｏｌ／ｓｅ
ｃ）、Ｎ２流量をＥｎ２（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、Ｏ２流量
をＥｏ２（ｍｏｌ／ｓｅｃ）とすると、これら流量は、

【００４２】

【数３】

【００４３】で、表すことができる。

【００４４】燃焼ガス中のＣＯ２定圧比熱をＣｐｃｏ２
（ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋ）と、Ｈ２Ｏ定圧比熱をＣｐｈ２
ｏ（ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋ）と、Ｎ２定圧比熱をＣｐｎ２
（ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋ）と、Ｏ２定圧比熱をＣｐｏ２
（ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋ）とすると、燃焼ガスの温度上昇
量ΔＴｅｘｈ（Ｋ）は下式で表すことができる。

【００４５】

【数４】

【００４６】したがって、燃焼ガス温度Ｔ（Ｋ）はＴ＝
Ｔ０+ΔＴｅｘｈで表すことができる（Ｔ０（Ｋ）は燃
焼ガスの昇温前の温度）。

【００４７】燃焼触媒部９または蒸発器５の許容上限温
度をＴｍａｘ（Ｋ）とすると、Ｔ≦Ｔｍａｘの関係を維
持する必要があるため、燃焼触媒部９に供給される空気
量Ｓａ２は下式で表すことができる。

【００４８】

【数５】

【００４９】したがって、制御ユニット５０によって起
動時に燃焼触媒部９への供給空気量Ｓａ２を調整するこ
とにより、燃焼ガスの温度を燃焼触媒部１０および蒸発
器５の許容上限温度以下にすることができる。具体的に
は流量調整弁１２ｄの開度とコンプレッサ２の空気吐出
量の制御を行う。

【００５０】図２は、本実施形態の各種因子の起動時の
特性変動状態を説明するもので、簡単に説明すると、起
動用燃焼器１０が起動してその温度が急速に立ち上がる
と、燃焼ガスが供給される改質触媒部３とＣＯ除去部４
とが徐々に昇温を開始し、活性温度に達すると昇温状態
から一定温度状態に移行する。活性状態にある改質触媒
部３が改質反応を生じることで改質ガス中のメタノール
成分が減少し、対して水素成分は増加する。またＣＯ除
去部４が活性化することで、改質ガス中のＣＯ濃度は徐
々に低下する。また燃焼触媒部１０入口の改質ガスの温
度は改質触媒の活性が高まるとともに昇温し、一方燃焼
触媒部１０に流入する燃焼ガスの発熱量は改質反応が活
発になるとともにメタノール成分が減少することから徐
々に減少する。

【００５１】本発明では燃焼触媒部１０に供給する空気
量を、例えば起動初期には増加することによって、燃焼
触媒部１０の温度を燃焼触媒が失活しない許容上限温度
Ｔｍａｘ以下に制御することができる。

【００５２】したがって本発明では、燃焼触媒部９に供
給される改質ガスの流量と、改質ガス中のＣＯ濃度、メ
タノール濃度、水素濃度に基づいて燃焼触媒部９での燃
焼温度もしくは蒸発器５に供給される燃焼ガスの温度を
適正温度に維持する空気量を算出し、制御することによ
って、燃料電池システムの起動時の改質触媒部３とＣＯ
除去部４が活性温度に達していない場合に、燃焼触媒部
９に過大な発熱量を有する改質ガスが供給されることを
防止し、燃焼触媒部９の失活の恐れや高温の燃焼ガスが
下流の蒸発器５に導入されて蒸発器５を劣化させる恐れ
を抑制できる。また、燃焼触媒部９に供給される改質ガ
スの成分を制御することで、燃焼触媒部９の早期活性化
を図ることができる。

【００５３】改質触媒部３とＣＯ除去部４が活性温度に
達した後の起動後期には、燃焼触媒部９への空気供給量
を改質触媒部３とＣＯ除去部４の活性前の状態と同じと
した場合は、前述のように燃焼触媒部９の燃焼温度が低
くなるため、蒸発器５の昇温に時間がかかり、燃焼触媒
部９の空気流量を低減することにより燃焼温度を高める
ことができる。

【００５４】なお本実施形態ではメタノール流量と空気
流量を求めて燃焼ガス温度を算出したが、システムの起
動時にメタノール流量と空気流量を一定流量としてもよ
い場合には、これら流量を測定しなくてもよく、より簡
潔な制御とすることができる。

【００５５】図３に示す第２の実施形態の構成は第１の
実施形態に対して起動用燃焼器１０をリーン空燃比状態
で運転する場合の構成を示しており、具体的には、起動
用燃焼器１０ではＣＯはほとんど生成されず、燃焼触媒
に流入してくる改質ガスの組成としてメタノール濃度と
水素濃度を検出するのみで燃焼触媒１０への空気量を制
御することができるので、第１の実施形態の構成に対し
て、ＣＯ濃度センサ２６を省略することができる。

【００５６】なお本実施形態での燃焼触媒１０への空気
量の算出は前述した数式において、ＣＯの濃度及び発熱
量を０（零）として取り扱えば算出可能である。

【００５７】本実施形態において、通常運転への移行の
判断は図示しないＣＯ除去部４の温度が所定温度以上に
なったことから判断し、第１の実施形態のＣＯ濃度によ
る判断を行わないことでＣＯ濃度センサを廃止でき、シ
ステムを簡略化することができる。

【００５８】このような構成により、より簡潔な構成
で、燃焼触媒部１０に供給される空気量を最適に制御す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を説明する燃料電池シス
テム概要図である。

【図２】同じく燃焼ガス温度制御時の各因子の変動を説
明するタイミングチャート図である。

【図３】第２実施形態の第１実施形態を説明する燃料電
池システム概要図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ３ 改質触媒部 ４ ＣＯ除去部 ５ 蒸発器 ８ 混合器 ９ 燃焼触媒部 １０ 起動用燃焼器 １１ 予混合器 ２６ ＣＯ濃度センサ ２９ 改質ガス流量計 ３０ メタノール濃度センサ ３１ 水素濃度センサ ５０ 制御ユニット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料と水とを原燃料とする原燃料蒸気から
   水素を含む改質ガスを生成する改質触媒と、改質ガスと
   空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池
   スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒とを
   備える燃料電池システムにおいて、 前記燃焼触媒に流入する改質ガスの流量を検出する手段
   と、 改質ガスの成分の濃度を検出する手段と、 これら検出手段の検出結果に基づき、燃焼触媒の温度が
   許容温度となるように燃焼触媒に供給する空気量を制御
   する手段とを備えたことを特徴とする燃料システムの制
   御装置。
2. 【請求項２】改質ガスの成分の濃度は燃焼触媒の上流で
   検出されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池
   システムの制御装置。
3. 【請求項３】検出される改質ガスの成分の濃度は、水素
   濃度と、炭化水素濃度と、一酸化炭素濃度のうち少なく
   とも一つであることを特徴とする請求項１または２に記
   載の燃料電池システムの制御装置。