JP2003197235A - 燃料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムの効率を上げることを可能
にするとともに、負荷応答時間を短縮し、ねらいの発電
出力に戻るまでの時間を短縮すること。 【解決手段】 改質燃料を改質して水素を生成して燃料
電池７に供給する燃料改質装置２０を備えた燃料電池シ
ステムにおいて、前記燃料電池システム内における水素
の濃度に基づき前記燃料電池システムの評価項目に対応
する基準値と比較することにより、前記燃料電池システ
ムを制御するシステム制御量を制御する制御装置９が、
水素の濃度が前記燃料電池システムの効率を一定以上に
維持する水素の濃度の範囲を越えた場合は、改質燃料の
量を制御する燃料改質装置を備えた燃料電池システムの
制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質燃料を改質し
て水素を生成して燃料電池に供給する燃料改質装置を備
えた燃料電池システムにおける制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料改質装置を備えた燃料電池シ
ステムは、図８に示されるように天然ガス、ＬＰＧ、ガ
ソリン、ナフサ、灯油、軽油、メタノールなどのアルコ
ール、ジメチルエーテルなどのエーテル等の燃料と水蒸
気を反応させて、水素を取り出す燃料改質装置ＫＤ、燃
料電池スタックＦＣ、インバータ、および燃料・エア・
水を供給制御するポンプおよびバルブなどの補機を用い
る。ここで、前記燃料改質装置ＫＤは、主にバーナ燃焼
部Ｂと、改質部Ｋと、シフト部Ｓと、ＣＯ酸化部ＣＯと
から成る。

【０００３】従来の燃料電池システム（特開平１０−８
３８２４５）は、一酸化炭素やメタノールの濃度検出セ
ンサを用いて、ＦＣスタックの出力低下が検知された
時、燃料改質装置を制御し、生成Ｈ2 量をふやすなどの
操作を行っていた。

【０００４】また従来の燃料電池の発電装置（特開平８
−１３８７１０）は、一酸化炭素センサ、および、水素
利用率算出手段を用いて、ＦＣ電圧を読み込み、ＦＣ触
媒被毒などの出力低下に対応するシステム制御を行うも
のであった。

【０００５】さらに従来の燃料電池（特開２００１−２
７３９１５）は、燃料電池のアノード出口にＯ2 センサ
を設置し、アノード出口におけるＯ2 濃度を測定するこ
とにより、ネルンストの式を用いて、間接的にＨ2 濃度
を検知するものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃料電池シ
ステムは、運転する際、燃料改質装置から出る生成Ｈ2
量は、システムの安定出力を得るためには、実際に燃料
電池スタックで使用されるＨ2 量より多く供給する必要
があるが、その量は出来るだけ少なくして、燃料電池ス
タックでの使用量に近いほど、つまり、水素利用率が高
いほど、システム効率は上がる傾向がある。しかしなが
ら、従来は、燃料電池スタックＦＣへのＨ2 供給量があ
る程度変動しても、システムが安定して運転できるよう
に、ＦＣスタックでのＨ2 使用量の１．０５ないし１．
４倍程度の生成Ｈ2 量を想定して、改質燃料を投入して
いたため、水素利用率を更に上げ、システム効率を上げ
ることは困難であるという第１の問題があった。

【０００７】また負荷変動に対応して、燃料電池システ
ムの発電出力を変動させる場合（特に出力を増加させる
時）、改質原料およびＦＣ発電量を変化させる。このと
き、改質燃料を変化させてから、ねらいの値まで発電す
る場合、十分なＨ2 量発生を確認する手段をもたないた
め、燃料投入後、実際にＨ2 生成量が増加するまでの時
間に比べ、ねらいの発電量に到達するまでに時間がかか
っていた。また、ＣＯ濃度が一時的に高くなる改質燃料
増加時には、ＣＯセンサなどのＣＯ濃度を検知する手段
を持たなかったため、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ程度以下に
なるまで、ねらいの発電出力に達するまで時間を掛けて
いた。それゆえ、負荷応答するのに時間がかかるという
第２の問題があった。

【０００８】さらにシステム運転時に配管中の一部に凝
縮水がたまったり、システム内配管中のガス圧力が脈動
すること等により、一時的にガス流路が閉塞され、ＦＣ
スタックへのＨ2 供給不足になる。このとき、ＦＣ損傷
防止のため、発電出力を一時的に１０％程度下げ、徐々
にねらいの発電出力に戻していた。そのため、ねらいの
発電出力に戻るまで、時間がかかるという第３の問題が
あった。

【０００９】上記従来の燃料電池システムは、一酸化炭
素やメタノールの濃度検出センサを用いて、ＦＣスタッ
クの出力低下が検知された時、燃料改質装置を制御し、
生成Ｈ2 量をふやすなどの操作を行っているが、実際の
Ｈ2 濃度を検出するものではなく、間接的にＨ2 量の変
化を認識し、ＦＣ出力低下の前に何らかの制御をするも
のではないので、一時的な出力低下があるという問題が
あった。

【００１０】また上記従来の燃料電池の発電装置は、一
酸化炭素センサ、および、水素利用率算出手段を用い
て、ＦＣ電圧を読み込み、ＦＣ触媒被毒などの出力低下
に対応するシステム制御を行うものであるが、燃料電池
スタックの出力低下の前に、もしくは、ほぼそれと同時
に燃料電池システムを適切に制御し、未然に問題発生を
防ぐものではなかった。

【００１１】さらに上記従来の燃料電池は、燃料電池の
アノード出口にＯ2 センサを設置し、アノード出口にお
けるＯ2 濃度を測定することにより、ネルンストの式を
用いて、間接的にＨ2 濃度を検知するものであるので、
Ｏ2 センサを用いている点で、Ｈ2 センサを用いること
と異なるが、上述の第２の問題を解決する一方法となる
が、このタイプのＯ2 センサはｌｏｇ（Ｈ2 分圧）に比
例した値で出力が得られる為、実際に燃料電池システム
の定常運転時における一時的なＨ2 濃度変化はＨ2 濃度
をαとすると、０．８α〜１．２α程度で、この領域で
は、Ｈ2 濃度変化に対する感度は悪いとともに、水蒸気
分圧の変化もセンサ感度に影響を与えるという問題があ
った。

【００１２】そこで本発明者は、改質燃料を改質して水
素を生成して燃料電池に供給する燃料改質装置を備えた
燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム内に
おける水素の濃度に基づき前記燃料電池システムの評価
項目に対応する基準値と比較することにより、前記燃料
電池システムを制御するシステム制御量を制御するとい
う本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた
結果、前記燃料電池システムの効率を上げることを可能
にするとともに、負荷応答時間を短縮し、ねらいの発電
出力に戻るまでの時間を短縮するという目的を達成する
本発明に到達した。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項１に記載
の第１発明）の燃料改質装置を備えた燃料電池システム
の制御装置は、改質燃料を改質して水素を生成して燃料
電池に供給する燃料改質装置を備えた燃料電池システム
において、前記燃料電池システム内における水素の濃度
に基づき前記燃料電池システムの評価項目に対応する基
準値と比較することにより、前記燃料電池システムを制
御するシステム制御量を制御する制御装置を備えている
ものである。

【００１４】本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第１発明において、前記制御装置が、水素の濃度に基
づき前記燃料改質装置によって生成された水素の量と基
準値とを比較して改質燃料の量を制御するものである。

【００１５】本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第２発明において、前記制御装置が、水素の濃度が前
記燃料電池システムの効率を一定以上に維持する水素の
濃度の範囲を越えた場合は、改質燃料の量を制御するも
のである。

【００１６】本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第１発明において、前記制御装置が、水素の濃度が前
記燃料電池システムの負荷変動の応答性の許容範囲内に
あるかどうかによって、改質水、ＣＯ浄化エアー、およ
び改質燃料の少なくとも１つ以上を制御するものであ
る。

【００１７】本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第４発明において、前記制御装置が、ＣＯ濃度が基準
値を越えるかどうかによって前記燃料電池システムの発
電出力を制御するものである。

【００１８】本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第５発明において、前記制御装置が、発電出力値が指
示値より小さい場合は前記燃料電池システムを定常運転
するように制御されるものである。

【００１９】本発明（請求項７に記載の第７発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第１発明において、前記制御装置が、水素の濃度が前
記燃料電池システムの損傷を防止する基準値を越えるか
どうかによって、前記燃料電池システムの発電出力を制
御するものである。

【００２０】本発明（請求項８に記載の第８発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第７発明において、前記制御装置が、水素の濃度が前
記燃料電池システムの効率を一定以上に維持する水素の
濃度の基準値以上であって、発電出力値が指示値に対し
て一定範囲内の場合は、前記燃料電池システムの発電出
力を増加して、定常運転するように制御されるものであ
る。

【００２１】本発明（請求項９に記載の第９発明）の燃
料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前
記第１発明において、水素センサが、前記燃料改質装置
と燃料電池とのガスラインに配設されるとともに、前記
燃料電池のアノード出口に配設されているものである。

【００２２】本発明（請求項１０に記載の第１０発明）
の燃料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置
は、前記第９発明において、前記制御装置が、前記水素
センサによって検出された前記燃料改質装置と燃料電池
とのガスラインおよびまたは前記燃料電池のアノード出
口における水素の濃度と前記燃料電池の電流値から生成
された水素量を算出するものである。

【００２３】本発明（請求項１１に記載の第１１発明）
の燃料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置
は、前記第１０発明において、前記制御装置が、前記水
素センサによって検出された前記燃料改質装置と燃料電
池とのガスラインにおける水素の濃度と前記燃料改質装
置に投入された投入改質燃料流量から生成された水素量
を算出するものである。

【００２４】本発明（請求項１２に記載の第１２発明）
の燃料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置
は、前記第１０発明において、前記制御装置が、前記水
素センサによって検出された前記燃料改質装置と燃料電
池とのガスラインおよびまたは前記燃料電池のアノード
出口における水素の濃度と前記燃料改質装置に投入され
た投入改質燃料流量から生成された水素量を算出するも
のである。

【００２５】

【発明の作用および効果】上記構成より成る第１発明の
燃料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、
改質燃料を改質して水素を生成して燃料電池に供給する
燃料改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、前記
制御装置が、前記燃料電池システム内における水素の濃
度に基づき前記燃料電池システムの評価項目に対応する
基準値と比較することにより、前記燃料電池システムを
制御するシステム制御量を制御するものであるので、前
記燃料電池システムの最適制御を可能にするという効果
を奏する。

【００２６】上記構成より成る第２発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第１発明
において、前記制御装置が、水素の濃度に基づき前記燃
料改質装置によって生成された水素の量と基準値とを比
較して改質燃料の量を制御するので、前記燃料電池シス
テムの効率を上げることを可能にするという効果を奏す
る。

【００２７】上記構成より成る第３発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第２発明
において、前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池
システムの効率を一定以上に維持する水素の濃度の範囲
を越えた場合は、改質燃料の量を制御するので、前記燃
料電池システムの効率を一定以上に維持するという効果
を奏する。

【００２８】上記構成より成る第４発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第１発明
において、前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池
システムの負荷変動の応答性の許容範囲内にあるかどう
かによって、改質水、ＣＯ浄化エアー、および改質燃料
の少なくとも１つ以上を制御するので、負荷応答時間を
短縮するという効果を奏する。

【００２９】上記構成より成る第５発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第４発明
において、前記制御装置が、ＣＯ濃度が基準値を越える
かどうかによって前記燃料電池システムの発電出力を制
御するので、ねらいの発電出力に戻るまでの時間を短縮
するという効果を奏する。

【００３０】上記構成より成る第６発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第５発明
において、前記制御装置が、発電出力値が指示値より小
さい場合は前記燃料電池システムを定常運転するように
制御されるので、ねらいの発電出力に戻るまでの時間を
短縮するという効果を奏する。

【００３１】上記構成より成る第７発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第１発明
において、前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池
システムの損傷を防止する基準値を越えるかどうかによ
って、前記燃料電池システムの発電出力を制御するの
で、前記燃料電池システムの損傷を防止するという効果
を奏する。

【００３２】上記構成より成る第８発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第７発明
において、前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池
システムの効率を一定以上に維持する水素の濃度の基準
値以上であって、発電出力値が指示値に対して一定範囲
内の場合は、前記燃料電池システムの発電出力を増加し
て、定常運転するように制御されるので、ねらいの発電
出力に戻るまでの時間を短縮するという効果を奏する。

【００３３】上記構成より成る第９発明の燃料改質装置
を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第１発明
において、水素センサが、前記燃料改質装置と燃料電池
とのガスラインに配設されるとともに、前記燃料電池の
アノード出口に配設されているので、前記燃料改質装置
と燃料電池とのガスラインおよびまたは前記燃料電池の
アノード出口における水素の濃度に応じた制御を可能に
するという効果を奏する。

【００３４】上記構成より成る第１０発明の燃料改質装
置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第９発
明において、前記制御装置が、前記水素センサによって
検出された前記燃料改質装置と燃料電池とのガスライン
およびまたは前記燃料電池のアノード出口における水素
の濃度と前記燃料電池の電流値から生成された水素量を
算出するので、生成された水素量に応じた制御を可能に
するという効果を奏する。

【００３５】上記構成より成る第１１発明の燃料改質装
置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第１０
発明において、前記制御装置が、前記水素センサによっ
て検出された前記燃料改質装置と燃料電池とのガスライ
ンにおける水素の濃度と前記燃料改質装置に投入された
投入改質燃料流量から生成された水素量を算出するの
で、生成された水素量に応じたより精確な制御を可能に
するという効果を奏する。

【００３６】上記構成より成る第１２発明の燃料改質装
置を備えた燃料電池システムの制御装置は、前記第１０
発明において、前記制御装置が、前記水素センサによっ
て検出された前記燃料改質装置と燃料電池とのガスライ
ンおよびまたは前記燃料電池のアノード出口における水
素の濃度と前記燃料改質装置に投入された投入改質燃料
流量から生成された水素量を算出するので、生成された
水素量に応じたより一層精確な制御を可能にするという
効果を奏する。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につき、
図面を用いて説明する。

【００３８】（第１実施形態）本第１実施形態の燃料改
質装置を備えた燃料電池システムの制御装置は、図１お
よび図２に示されるように 改質燃料を改質して水素を
生成して燃料電池７に供給する燃料改質装置２０を備え
た燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム内
における水素の濃度に基づき前記燃料電池システムの評
価項目に対応する基準値と比較することにより、前記燃
料電池システムを制御するシステム制御量を制御する制
御装置９が、水素の濃度が前記燃料電池システムの効率
を一定以上に維持する水素の濃度の範囲を越えた場合
は、改質燃料の量を制御するものである。

【００３９】本第１実施形態における燃料改質装置２０
は、その概略を示す図１に示されるように天然ガスを利
用するもので、火炎が形成されるバーナ燃焼部１と、ル
テニウム系触媒より成り前記排出口より前記熱交換器３
の高温側に直接的に改質ガスを供給する断熱材によって
包囲された改質部としての改質器２と、改質原料として
の都市ガスを前記熱交換器３を介して改質器２に供給す
る昇圧ポンプ２１と、燃焼排気ガスによって水を蒸発さ
せ水蒸気を前記熱交換器３に供給する蒸発部４と、前記
改質器２からの改質ガスを原料ガスおよび水蒸気と熱交
換する前記熱交換器３と、熱交換した前記改質ガスが供
給される銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部５と、Ｃ
Ｏ浄化部６とから成る。

【００４０】本第１実施形態の燃料電池システムは、上
述の構成より成る燃料改質装置２０と、オフガスを排出
するアノード極を備えた燃料電池スタック７と、該燃料
電池スタック７のアノード極に連絡した凝縮器８とから
成る。

【００４１】本第１実施形態においては、前記燃料改質
装置２０の前記ＣＯ浄化部６と前記燃料電池スタック７
のアノード極との通路のガスラインにＨ2 センサ９１お
よびＣＯセンサ９２が設置され、前記燃料電池スタック
７のアノード出口に連絡している前記凝縮器８とバーナ
燃焼部１とのガスラインにＨ2 センサ９３が設置されて
いる。

【００４２】前記ＣＯ浄化部６と前記燃料電池スタック
７のアノード極との通路のガスラインに設置された前記
Ｈ2 センサ９１は、電解質の両面に電極が設けられ、一
方の電極上には拡散律速部が設けられた電気化学反応セ
ルを用いた構成のもので、電気化学反応セルに電流を流
し、その限界電流により水素濃度を検知するものであ
る。電解質としては高分子電解質膜が用いられ、電極に
は電解質に接する側にＰｔ等の触媒を担持した多孔質カ
ーボンが用いられている。また拡散律速部には多孔質ア
ルミナが用いられている。なお、この電気化学反応セル
を用いて水素濃度を検知する方法として、電極間に発生
する起電力を測定する方法もある。

【００４３】本第１実施形態においては、前記Ｈ2 セン
サ９１、ＣＯセンサ９２およびＨ2センサ９３からの出
力信号に基づき、昇圧ポンプ２１、空気供給ポンプ２
２、水供給ポンプ２３その他を制御する制御装置９を備
えている。

【００４４】本第１実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置９における制御動作の手順に
ついて、図２に示されるチャート図を用いて説明する。

【００４５】ステップ１０１において、システム発電指
示出力が出されると、ステップ１０２において、前記燃
料電池スタック７のアノード出口に連絡している前記凝
縮器８とバーナ燃焼部１とのガスラインに設置されたＨ
2 センサ９３によって該ガスラインにおける水素（Ｈ2
）の濃度が検知される。

【００４６】ステップ１０３において、検知された水素
の濃度が、前記燃料電池システムを安定運転させるため
のＨ2 濃度下限閾値以下かどうか判定され、Ｈ2 濃度下
限閾値以下の場合は、ステップ１０４において、改質燃
料が増加される。

【００４７】ステップ１０５において、検知された水素
の濃度が、前記燃料電池システムの効率を一定以上に維
持するＨ2 濃度上限閾値以上かどうか判定され、Ｈ2 濃
度上限閾値以上の場合は、ステップ１０６において、改
質燃料が減少される。

【００４８】本第１実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置９は、上述の手段およびステ
ップにより、図３（Ｄ）に示されるようにＨ2 濃度が設
定下限値以下の時、投入改質燃料を増加するとともに、
Ｈ2 濃度が設定上限値以上の時、投入改質燃料を減少す
るので、前記燃料電池システムが安定運転可能な範囲
で、水素利用率を高くするという効果を奏する。

【００４９】すなわち前記燃料改質装置２０に投入する
改質燃料の量および前記燃料改質装置２０によって生成
する水素量を、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示される
ように減らすことが出来る。

【００５０】また本第１実施形態の燃料改質装置を備え
た燃料電池システムの制御装置９は、前記燃料電池スタ
ック７のアノード出口に連絡している前記凝縮器８とバ
ーナ燃焼部１とのガスラインに設置されたＨ2 センサ９
３によって、Ｈ2 濃度下限値以下にしないようにするの
で、システムの安定運転を実現するとともに、Ｈ2 濃度
上限値を越えないように制御するので、図３（Ａ）に示
されるように前記燃料電池システムを高効率で運転させ
るという効果を奏する。

【００５１】（第２実施形態）本第２実施形態の燃料電
池システムにおける燃料改質装置の制御装置は、図１図
４、および図５に示されるように制御装置９が、燃料電
池スタック７に供給される水素の濃度以外にＣＯ濃度お
よび発電出力値に着目して制御する点が、前記第１実施
形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。

【００５２】本第２実施形態においては、前記燃料改質
装置２０の前記ＣＯ浄化部６と前記燃料電池スタック７
のアノード極との通路のガスラインに設置されたＨ2 セ
ンサ９１およびＣＯセンサ９２からの水素濃度およびＣ
Ｏ濃度に基づき制御が行われる。

【００５３】本第２実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置９における制御動作の手順に
ついて、図４に示されるチャート図を用いて説明する。

【００５４】ステップ２０１において、システム発電指
示出力が出されると、ステップ２０１において、システ
ム発電出力を増加する指示が出力され、ステップ２０２
において、前記燃料改質装置２０の前記ＣＯ浄化部６と
前記燃料電池スタック７のアノード極との通路のガスラ
インに設置されたＨ2 センサ９１によって該ガスライン
における水素（Ｈ2 ）の濃度が検知される。

【００５５】ステップ２０３において、検知された水素
濃度が、Ｈ2 濃度ねらい範囲内かどうか判定され、範囲
内の場合はステップ２０４において、タイマーによって
一定時間経過した後、ステップ２０５において、改質水
が所定の量だけ増加され、２０６において、タイマーに
よって一定時間経過した後、ステップ２０７において、
ＣＯ浄化用のエアが増加される。

【００５６】ステップ２０８において、タイマーによっ
て一定時間経過した後、ステップ２０９において、改質
燃料が増加され、ステップ２１０において、Ｈ2 センサ
９１によって再び前記ガスラインにおけるＨ2 濃度が検
知される。

【００５７】ステップ２１１において、検知された水素
濃度が、Ｈ2 濃度ねらい範囲内かどうか判定され、範囲
内の場合はステップ２１２において、前記燃料改質装置
２０の前記ＣＯ浄化部６と前記燃料電池スタック７のア
ノード極との通路のガスラインに設置された前記ＣＯセ
ンサ９２によって該ガスラインのＣＯ濃度が検知され
る。

【００５８】ステップ２１３において、検知されたＣＯ
濃度がＣＯ濃度下限しきい値以下かどうか判定され、Ｃ
Ｏ濃度下限しきい値以下の場合はステップ２１４におい
て、発電出力が増加され、ステップ２１５において、発
電出力値と指示値が確認される。

【００５９】ステップ２１６において、確認された発電
出力値が前記指示値より小さいかどうか判定され、前記
指示値より小さい場合はステップ２１７において、定常
運転される。

【００６０】本第２実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置においては、上述の手段およ
びステップにより、負荷変動に伴い、システム発電出力
を増加させる際、まず、改質水を図５（Ｄ）に示される
ように所定の量に増やす。その後、一定時間後に図５
（Ｆ）に示されるようにＣＯ浄化エア量を増やし、直後
に図５（Ｅ）に示されるように改質燃料を増やす。図５
（Ｃ）に示されるようにＨ2 濃度を検知し、所定の値よ
り高いことを確認後、発電出力を増加する。ただし、こ
のとき、別途設けたＣＯセンサにより、図５（Ｂ）に示
されるようにＣＯ濃度がある濃度以下であることを同時
に確認してから、発電出力を増加するものであるので、
負荷に対するＡＣ発電量の応答性を図５（Ａ）において
破線で示されるように従来に比べて速くすることが出来
るという効果を奏するものである。

【００６１】（第３実施形態）本第３実施形態の燃料電
池システムにおける燃料改質装置の制御装置は、図１、
図６、および図７に示されるように制御装置９が、燃料
電池スタック７に供給される水素の濃度以外に発電出力
値に着目して制御する点が、前記第１実施形態との相違
点であり、以下相違点を中心に説明する。

【００６２】本第３実施形態においては、前記燃料改質
装置２０の前記ＣＯ浄化部６と前記燃料電池スタック７
のアノード極との通路のガスラインに設置されたＨ2 セ
ンサ９１からの水素濃度に基づき制御が行われる。

【００６３】本第３実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置９における制御動作の手順に
ついて、図６に示されるチャート図を用いて説明する。

【００６４】ステップ３０１において、システム発電指
示出力が出されると、ステップ３０２において、前記燃
料改質装置２０の前記ＣＯ浄化部６と前記燃料電池スタ
ック７のアノード極との通路のガスラインに設置された
Ｈ2 センサ９１によって該ガスラインにおける水素（Ｈ
2 ）の濃度が検知される。

【００６５】ステップ３０３において、検知された水素
濃度が、Ｈ2 濃度下限しきい値以下かどうか判定され、
以下の場合はステップ３０４において、タイマーによっ
て一定時間経過した後、ステップ３０５において、シス
テムの発電出力が減少され、３０６において、タイマー
によって一定時間経過した後、ステップ３０７におい
て、前記Ｈ2 センサ９１によって再び前記ガスラインに
おけるＨ2 濃度が検知される。

【００６６】ステップ３０８において、検知された水素
濃度が、Ｈ2 濃度下限しきい値以上かどうか判定され、
以上の場合はステップ３０９において、発電出力値が指
示値とのねらい範囲内かどうか判定され、ねらい範囲内
の場合はステップ３１０において、燃料電池システムの
発電出力が増加され、ステップ３１１において、定常運
転される。

【００６７】本第３実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置においては、上述の手段およ
びステップにより、図７（Ｂ）に示されるように生成さ
れる水素量の変動に対応して図７（Ｃ）に示されるよう
にＨ2 濃度が設定下限値以下になった時、システム発電
出力を図７（Ａ）に示されるように一定量減少する。ま
た、Ｈ2 濃度が設定下限値以上に復帰した時、図７
（Ａ）に示されるようにシステム発電出力を元の出力に
増加する。したがって、図７（Ａ）に示されるように本
第３実施形態におけるシステム発電出力の低下を、破線
で示される従来に比べて少なくすることが出来る。

【００６８】本第３実施形態の燃料改質装置を備えた燃
料電池システムの制御装置は、Ｈ2濃度が、設定上限値
以上の時は発電出力は変化させないので、燃料電池本体
の損傷および劣化を防止するという効果を奏する。

【００６９】上述の実施形態は、説明のために例示した
もので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無
く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記
載から当業者が認識することができる本発明の技術的思
想に反しない限り、変更および付加が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態ないし第３実施形態の燃
料電池システムの制御装置を示すブロック図である。

【図２】本第１実施形態装置における燃料電池システム
の制御装置の制御手順を示すチャート図である。

【図３】本第１実施形態装置の従来システムに対する制
御効果を説明するためのシステム効率、生成水素量、投
入改質燃料、水素濃度の変化を示す線図である。

【図４】本発明の第２実施形態における燃料電池システ
ムの制御装置の制御手順を示すチャート図である。

【図５】本第２実施形態装置および従来装置における制
御効果を対比して説明するための発電出力、ＣＯ濃度、
水素濃度、改質水、改質燃料、ＣＯ浄化エアーの変化を
示す線図である。

【図６】本発明の第３実施形態における燃料電池システ
ムの制御装置の制御手順を示すチャート図である。

【図７】本第３実施形態装置および従来装置における制
御効果を対比して説明するための発電量、生成水素量お
よび水素濃度の変化を示す線図である。

【図８】従来の燃料電池システムを示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

７ 燃料電池 ９ 制御装置 ２０ 燃料改質装置

フロントページの続き (72)発明者 石川 貴史 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 長田 和浩 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 中西 修 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 橋本 友幸 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 工匠 厚至 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB03 EB31 EB32 EB43 EB47 5H027 AA02 BA01 KK31 KK52 MM01 MM26

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質燃料を改質して水素を生成して燃料
   電池に供給する燃料改質装置を備えた燃料電池システム
   において、 前記燃料電池システム内における水素の濃度に基づき前
   記燃料電池システムの評価項目に対応する基準値と比較
   することにより、前記燃料電池システムを制御するシス
   テム制御量を制御する制御装置を備えていることを特徴
   とする燃料改質装置を備えた燃料電池システムの制御装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記制御装置が、水
   素の濃度に基づき前記燃料改質装置によって生成された
   水素の量と基準値とを比較して改質燃料の量を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムにおける燃料改質装
   置の制御装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池システムの
   効率を一定以上に維持する水素の濃度の範囲を越えた場
   合は、改質燃料の量を制御することを特徴とする燃料電
   池システムにおける燃料改質装置の制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池システムの
   負荷変動の応答性の許容範囲内にあるかどうかによっ
   て、改質水、ＣＯ浄化エアー、および改質燃料の少なく
   とも１つ以上を制御することを特徴とする燃料電池シス
   テムにおける燃料改質装置の制御装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記制御装置が、ＣＯ濃度が基準値を越えるかどうかに
   よって前記燃料電池システムの発電出力を制御すること
   を特徴とする燃料電池システムにおける燃料改質装置の
   制御装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記制御装置が、発電出力値が指示値より小さい場合は
   前記燃料電池システムを定常運転するように制御される
   ことを特徴とする燃料電池システムにおける燃料改質装
   置の制御装置。
7. 【請求項７】 請求項１において、 前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池システムの
   損傷を防止する基準値を越えるかどうかによって、前記
   燃料電池システムの発電出力を制御することを特徴とす
   る燃料電池システムにおける燃料改質装置の制御装置。
8. 【請求項８】 請求項７において、 前記制御装置が、水素の濃度が前記燃料電池システムの
   効率を一定以上に維持する水素の濃度の基準値以上であ
   って、発電出力値が指示値に対して一定範囲内の場合
   は、前記燃料電池システムの発電出力を増加して、定常
   運転するように制御されることを特徴とする燃料電池シ
   ステムにおける燃料改質装置の制御装置。
9. 【請求項９】 請求項１において、 水素センサが、前記燃料改質装置と燃料電池とのガスラ
   インに配設されるとともに、前記燃料電池のアノード出
   口に配設されていることを特徴とする燃料電池システム
   における燃料改質装置の制御装置。
10. 【請求項１０】 請求項９において、 前記制御装置が、前記水素センサによって検出された前
    記燃料改質装置と燃料電池とのガスラインおよびまたは
    前記燃料電池のアノード出口における水素の濃度と前記
    燃料電池の電流値から生成された水素量を算出すること
    を特徴とする燃料電池システムにおける燃料改質装置の
    制御装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、 前記制御装置が、前記水素センサによって検出された前
    記燃料改質装置と燃料電池とのガスラインにおける水素
    の濃度と前記燃料改質装置に投入された投入改質燃料流
    量から生成された水素量を算出することを特徴とする燃
    料電池システムにおける燃料改質装置の制御装置。
12. 【請求項１２】 請求項１０において、 前記制御装置が、前記水素センサによって検出された前
    記燃料改質装置と燃料電池とのガスラインおよびまたは
    前記燃料電池のアノード出口における水素の濃度と前記
    燃料改質装置に投入された投入改質燃料流量から生成さ
    れた水素量を算出することを特徴とする燃料電池システ
    ムにおける燃料改質装置の制御装置。