JP2003203664A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】システムの運転停止時に改質ガスの逆流を確実
に回避し、流量制御弁の劣化を防止する。 【解決手段】空気の供給のもとに燃料を改質して水素リ
ッチな改質ガスを生成する燃料改質手段１１と、改質ガ
スと空気とを反応させて発電する発電手段１４とを備え
る。供給空気の圧力を可変的に設定する空気圧力設定手
段４，５０と、改質手段１１に供給する空気流量を制御
する流量制御手段８と、改質手段１１の内部圧力を検出
する圧力検出手段１３と、発電手段１４の発電停止時に
改質手段１１に対する燃料の供給を断ってから、流量制
御手段８の開度を所定の小開度に設定し、かつ供給空気
圧力が前記圧力検出値よりも所定値だけ高くなるように
空気供給圧力を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料の改質ガスを
用いて発電する燃料電池システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明の課題】燃料を改質した水素リッ
チなガスを燃料電池に供給し、発電を行う燃料電池発電
システムとして、特開２０００−４８８４０号公報に開
示されているものがある。

【０００３】改質ガスは高温でしかも水素、一酸化炭
素、二酸化炭素など腐食性のあるガスを含むため、シス
テム内は耐食性を高める必要がある。

【０００４】システムを構成する改質器、燃料電池、燃
料電池からの排ガスの燃焼器などには、コンプレッサの
下流側で分岐した流路を経由してそれぞれ空気が供給さ
れ、この空気流量を運転状態に応じて制御するためにそ
れぞれ流量制御弁が設けられる。これら流量制御弁は通
常は上記した腐食性のある改質ガスと接触することは無
いため、本来ならば高い耐食性は必要としない。

【０００５】しかし、システムの運転を停止するときに
システム内に残存する改質ガスが逆流し、流量制御弁と
接触すると、その劣化が問題となることがある。

【０００６】これに対して、特開平８−１８０８９５号
公報によって、流量制御弁の下流に逆止弁を設け、改質
ガスの逆流を防止する提案がなされている。

【０００７】しかし、この場合でも逆止弁が改質ガスに
より劣化するのは避けられず、また逆止弁のために流路
抵抗が高まり、コンプレッサの圧力損失が増大する。

【０００８】また、特開平５−１３１１３１号公報のよ
うに、システムの停止時に改質器などを冷却し、残存ガ
スの温度を下げる試みもあるが、逆流そのものを阻止す
るわけではないので、これでも長期にみると、流量制御
弁の劣化の問題は同じように起きる。

【０００９】本発明はこのような問題を解決しようとす
るもので、システムの運転停止時に改質ガスの逆流を確
実に回避し、流量制御弁の劣化を防止することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、空気の供
給のもとに燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成
する燃料改質手段と、改質ガスと空気とを反応させて発
電する発電手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記供給空気の圧力を可変的に設定する空気圧力設定手
段と、前記改質手段に供給する空気流量を制御する流量
制御手段と、前記改質手段の内部圧力を検出する圧力検
出手段と、前記発電手段の発電停止時に前記改質手段に
対する燃料の供給を断ってから、前記流量制御手段の開
度を所定の小開度に設定し、かつ供給空気圧力が前記圧
力検出値よりも所定値だけ高くなるように前記空気圧力
設定手段の空気供給圧力を制御する発電停止制御手段と
を備えることを特徴とする。

【００１１】第２の発明は、第１の発明において、前記
発電停止制御手段は、前記圧力検出値が高くなるほど前
記所定値を大きくする。

【００１２】第３の発明は、第１の発明において、前記
改質手段の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記発電停止手段は前記温度検出値が高くなるほど前記
所定値を大きくする。

【００１３】第４の発明は、第１の発明において、前記
改質手段の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記発電停止手段は前記温度検出値が増加または保持さ
れる場合は前記所定値を小さくし、同じく温度検出値が
減少する場合は前記所定値を大きくする。

【００１４】第５の発明は、第１の発明において、前記
発電停止制御手段は、発電停止してからの経過時間が長
くなるのにしたがって前記所定値を小さくする。

【００１５】第６の発明は、第１の発明において、前記
流量制御手段の小開度での経時変化量を検出する経時変
化量検出手段をさらに備え、前記発電停止制御手段は、
前記経時変化により前記開度が大きくなるほど前記所定
値を小さくする。

【００１６】第７の発明は、第６の発明において、前記
発電停止制御手段は、前記経時変化により前記開度が小
さくなるほど前記所定値を大きくする。

【００１７】第８の発明は、第６の発明において、前記
流量制御手段を流れる空気量を検出する流量検出手段を
さらに備え、前記経時変化量検出手段は前記流量制御手
段の小開度での空気流量を予め記憶してある同じく小開
度での空気流量の初期値と比較して経時変化量を検出す
る。

【００１８】第９の発明は、第８の発明において、前記
流量検出手段が前記流量制御手段の上流と下流の圧力差
を検出する差圧検出手段で構成され、差圧検出値と流量
制御手段の開度に基づいて流量を検出する。

【００１９】第１０の発明は、第１から第４の発明にお
いて、前記発電停止制御手段は、発電停止制御を開始し
てから所定時間Ｔ１の経過後に空気の供給を停止させ、
前記空気圧力設定手段を通常運転時の圧力値に復帰す
る。

【００２０】第１１の発明は、第１０の発明において、
前記所定時間Ｔ１は前記圧力検出手段の圧力検出値が所
定値に低下するまでの時間とする。

【００２１】第１２の発明は、第１０の発明において、
前記所定時間Ｔ１は、前記温度検出手段の温度検出値が
所定値に低下するまでの時間とする。

【００２２】第１３の発明は、空気の供給のもとに燃料
を改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質手
段と、改質ガスと空気とを反応させて発電する発電手段
とを備えた燃料電池システムにおいて、前記供給空気の
圧力を可変的に設定する空気圧力設定手段と、前記改質
手段に供給する空気流量を制御する流量制御手段と、前
記改質手段の温度を検出する温度検出手段と、前記発電
手段の発電停止時に前記改質手段に対する燃料の供給を
断ってから、前記流量制御手段の開度を所定の小開度に
設定し、かつ供給空気圧力が前記温度検出値が高いほど
高くなるように前記空気圧力設定手段の空気供給圧力を
制御する発電停止制御手段とを備えたことを特徴とす
る。

【００２３】第１４の発明は、空気の供給のもとに燃料
を改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質手
段と、改質ガスと空気とを反応させて発電する発電手段
とを備えた燃料電池システムにおいて、前記供給空気の
圧力を可変的に設定する空気圧力設定手段と、前記改質
手段に供給する空気流量を制御する流量制御手段と、前
記発電手段の発電停止時に前記改質手段に対する燃料の
供給を断ってから、前記流量制御手段の開度を所定の小
開度に設定し、かつ供給空気圧力は発電停止制御を開始
してから所定の時間Ｔ２が経過するまでは発電停止制御
を開始する前の値を保持し、所定の時間Ｔ２の経過後は
発電停止制御開始前の圧力よりも低くなるように設定す
る発電停止制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００２４】第１５の発明は、第１４の発明において、
前記燃料改質手段の内部圧力を検出する圧力検出手段を
さらに備え、前記発電停止制御手段は、圧力検出手段の
圧力検出値が高いほど前記所定時間Ｔ２を長くする。

【００２５】第１６の発明は、第１４の発明において、
前記燃料改質手段の温度を検出する温度検出手段をさら
に備え、前記発電停止制御手段は、温度検出手段の温度
検出値が高いほど前記所定時間Ｔ２を長くする。

【００２６】第１７の発明は、第１４の発明において、
前記発電手段の発電量を検出する発電量検出手段をさら
に備え、前記発電停止制御手段は、発電停止制御を開始
する直前の定めた時間内における発電量の検出値が大き
いほど前記所定時間Ｔ２を長くする。

【００２７】第１８の発明は、第１、２、１１、１５の
発明において、前記発電手段からの排ガスを供給空気の
もとで燃焼させる燃焼手段をさらに備え、前記流量制御
手段は前記燃焼手段へ供給される空気流量も制御する手
段を含み、前記圧力検出手段は前記燃焼手段の内部圧力
も検出する手段を含み、前記圧力検出手段が検出した前
記改質手段と燃焼手段の圧力検出値のうちいずれか高い
方の検出値を基にして前記発電停止制御手段が発電停止
時の空気供給圧力を制御するようにした。

【００２８】第１９の発明は、第３、４、１２、１３、
１６の発明において、前記発電手段からの排ガスを供給
空気のもとで燃焼させる燃焼手段をさらに備え、前記流
量制御手段は前記燃焼手段へ供給される空気流量も制御
する手段を含み、前記温度検出手段は前記燃焼手段の温
度も検出する手段を含み、前記温度検出手段が検出した
前記改質手段と燃焼手段の温度検出値のうちいずれか高
い方の検出値を基にして前記発電停止制御手段が発電停
止時の空気供給圧力を制御するようにした。

【００２９】

【作用・効果】燃料電池システムの発電を停止するとき
に燃料の供給を断っても、燃料改質手段では残存する改
質ガスの反応により、しばらくは温度、圧力が高く、こ
のため改質ガスが上流側に逆流しようとする。これに対
して第１の発明では、発電停止時に、空気圧力設定手段
が、流量制御手段の下流側の圧力よりも上流側の空気供
給圧力が高くなるように制御し、確実に上流から下流側
に向けて空気を流すので、改質ガスの逆流や拡散による
改質ガスと流量制御手段との接触が起こらず、その劣化
を防止できる。なお、供給空気流量は通常運転時よりも
少なくなるので、燃料改質手段での反応は起きにくく、
速やかに停止状態へ移行でき、またこの空気供給のため
に消費されるエネルギ損失も最小限に抑制できる。

【００３０】第２の発明では、燃料改質手段の内部圧力
が高く、残存改質ガスの反応エネルギが大きいときほ
ど、上流側の空気供給圧力を高くするので、このような
ときでも、改質ガスの逆流を確実に防止して流量制御手
段と改質ガスとの接触を阻止することができる。

【００３１】また、第３の発明では、燃料改質手段の温
度が高く、残存改質ガスの反応が活発なときほど、上流
側の空気供給圧力を高くするので、上記と同じく流量制
御手段と改質ガスの接触をより確実に阻止することが可
能となる。

【００３２】第４の発明では、燃料改質手段の温度が増
加しているときには触媒反応を抑制するために供給空気
流量を減らし、速やかな温度低下を促し、また温度が減
少しているときは供給空気量を増やし、いずれも燃料改
質手段の温度を低下させる範囲内で供給空気量を大きく
とることにより、流量制御手段と改質ガスとの接触を確
実に防ぎつつ、燃料改質手段から改質ガスを速やかに排
気させ、早期に停止制御を終了させられる。

【００３３】第５の発明では、発電停止制御に移行して
からの時間経過と共に燃料改質手段での反応が減少する
ので、これに合わせて供給空気圧力を低下させることに
より、逆流阻止効果を維持しつつ、空気供給のための消
費エネルギを可及的に小さくできる。

【００３４】流量制御手段に経時変化があると、制御さ
れる空気流量が変動し、目標とする逆流阻止に過不足の
ない空気流量とならなくなるおそれがあるが、第６の発
明では、経時変化により流量が少なくなるときは、供給
圧力を高めて流量不足を補い、逆流を確実に阻止し、ま
た第７の発明では、逆に経時変化により流量が多くなる
ときは、供給圧力を下げて流量が過剰になるのを防ぎ、
不必要な空気供給による消費エネルギの損失を減らすこ
とができる。

【００３５】第８の発明では、流量制御手段の流量特性
の初期値と比較することにより、流量制御手段の経時変
化量を正確に判断することができる。

【００３６】第９の発明では、流量制御手段の上流と下
流の差圧に基づいて制御流量を正確に検出し、これに基
づいて経時変化量を正確に求めることができる。

【００３７】燃料改質手段に残存する改質ガスが無くな
ると、逆流しなくなるので、第１０の発明では、発電停
止制御に移行してから逆流のおそれが無くなる、予め定
めた所定時間Ｔ１が経過した時点で空気の供給を停止
し、これにより余分な空気の供給を回避でき、また第１
１の発明では、燃料改質手段の内部圧力が、例えば大気
圧というように、反応が完全に終了する圧力値となった
ことを検出して、また第１２の発明では、例えば燃料改
質手段での反応が起きない温度となったことを検出し
て、それぞれ空気供給を停止することにより、より一層
確実な改質ガスの接触回避をはかり、かつ消費エネルギ
の無駄を省く。

【００３８】第１３の発明では、発電を停止するとき
に、燃料改質手段の温度が高いほど、つまり残存する改
質ガスのエネルギが高く、活性化している状態では、こ
れに対応して供給空気圧力を高くすることにより、改質
ガスの逆流を確実に防止することができる。

【００３９】また、第１４の発明では、発電を停止する
ときに、停止制御に移行直後は、そのままの供給空気圧
力を維持する。これにより、燃料改質手段が残存改質ガ
スによる活発な反応が持続している、所定の時間Ｔ２の
間は、大量の空気を送り込むことで、逆流を確実に阻止
しつつ、燃料改質手段の反応を速やかに終了させ、反応
が低下して逆流のおそれがなくなってから供給圧を下げ
ることで、不必要な空気の供給によるエネルギ損失を回
避することもできる。

【００４０】第１５の発明では、上記所定の時間Ｔ２を
燃料改質手段の内部圧力が高く、反応が活発なときほど
長くすることにより、このようなときでも、改質ガスの
逆流を確実に回避でき、また、第１６の発明では、同じ
く燃料改質手段の温度が高いときにも、同じようにして
所定時間Ｔ２を長くすることにより、改質ガスの逆流の
不都合を確実に回避できる。

【００４１】第１７の発明は、発電を停止する直前の発
電量が大きいとき、つまり停止移行直後にしばらくは燃
料改質手段の反応が持続する可能性の高いときは、同じ
ようにして所定時間Ｔ２を長くすることにより、改質ガ
スの逆流を確実に防止することができる。

【００４２】第１８、第１９の発明では、発電の停止制
御時に、発電手段からの余剰の改質ガスを含む排ガスを
燃焼させる燃焼手段における、圧力あるいは温度を検出
し、これらと燃料改質手段での圧力、温度とを比較し、
いずれか高い方の圧力値あるいは温度値に応じて供給空
気の圧力を高めるようにしたので、燃料改質手段、燃焼
手段のいずれからも、改質ガスないしは、水素・一酸化
炭素・二酸化炭素を含む腐食作用のあるガスの逆流を確
実に回避し、流量制御手段の劣化を防止することができ
る。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００４４】図１は第１の実施形態のシステムの全体を
示す図であり、まず図中１はフィルタ、２は流量セン
サ、３は空気を圧送するコンプレッサ、４はコンプレッ
サ吐出側の圧力を調整する可変リリーフ弁、５，６，７
は流量センサ、８，９，１０は流量制御弁、１１は燃料
を改質する改質器、１２はその温度センサ、１３は同じ
く圧力センサ、１４は改質ガスと空気との反応により発
電する燃料電池スタック、１５は排ガスを燃焼させる燃
焼器、１６はその圧力センサ、１７は同じく温度セン
サ、１８はマフラー、１９はシステムの制御を行うコン
トロールユニット、２０は圧力レギュレータ、２１は燃
料ポンプ、２２は燃料タンク、２３は圧力レギュレー
タ、２４は水ポンプ、２５は水タンクである。

【００４５】前記コンプレッサ３はフィルタ１により不
純物を濾過した空気を吸い込み、改質器１１、燃料電池
スタック１４、燃焼器１５にそれぞれ圧縮空気を供給す
る。流量センサ２はコンプレッサ３が吸引する空気の全
流量を検出し、コントロールユニット１９に入力する。
コントロールユニット１９はこの検出流量がシステムの
要求空気量と一致するようにコンプレッサ３の回転数を
制御する。

【００４６】可変リリーフ弁４は、コンプレッサ３の吐
出する空気圧力を、コントロールユニット１９からの指
令に基づいて後述するように制御し、とくにシステム停
止時の改質ガスの逆流を阻止する。

【００４７】流量センサ５，６，７並びに流量制御弁
８，９，１０は前記コンプレッサ３の下流から３つに分
岐し、燃焼器１５、燃料電池スタック１４、改質器１１
にそれぞれ接続する流路にそれぞれ介装され、各流量セ
ンサ５〜７の出力はコントロールユニット１９に送ら
れ、かつコントロールユニット１９は各流量制御弁８〜
１０にその開度を運転状態によって変化させる指令を出
力する。

【００４８】改質器１１は内部に触媒を備え、流量制御
弁１０から供給される空気と、圧力レギュレータ２０を
介して供給される燃料と、圧力レギュレータ２３を介し
て供給される水とに基づき、触媒反応により燃料を改質
し、水素リッチな改質ガスを生成する。

【００４９】圧力レギュレータ２０は燃料ポンプ２１が
燃料タンク２２から吸い上げて高圧で吐出する燃料を一
定圧に調圧し、同じく圧力レギュレータ２３は水ポンプ
２４による水タンク２５からの吐出水を一定圧に調圧
し、改質器１１に送り込む。

【００５０】温度センサ１２と圧力センサ１３は、それ
ぞれ改質器１１の温度と圧力を検出してコントロールユ
ニット１９に入力する。

【００５１】燃料電池スタック１４は流量制御弁９から
の空気と、改質器１１で生成した改質ガスとを用いた電
気化学反応により発電を行う。

【００５２】燃焼器１５は内部に触媒を有し、流量制御
弁８からの空気により、燃料電池スタック１４が排出す
る排ガスを燃焼させる。燃焼ガスはマフラー１８を経由
して外部に排出される。燃焼器１５の圧力及び温度を温
圧力センサ１６と温度センサ１７が検出し、コントロー
ルユニット１９に入力する。

【００５３】図２は可変リリーフ弁４の詳細な構成を示
し、４１はボール、４２はボール４１を押すプランジ
ャ、４３はコントロールユニット１９からの指令により
励磁されるソレノイド、４４はプランジャ４２を付勢す
るバネ、４５はボディ、４６は前記コンプレッサ３から
の吐出圧が導かれる入口ポート、４７は大気に開放され
た出口ポート、４８はボール４１が着座するシート部で
ある。

【００５４】プランジャ４２にはボール４１をシート部
４８に押し付ける方向にバネ４４によるＦ１が働き、ま
たソレノイド４３によりバネ４４とは反対方向の電磁力
Ｆ２が作用する。ボール４１にコンプレッサ３の吐出圧
がかかり、この吐出圧による作用力が、前記Ｆ１とＦ２
の合力とバランスする間は、ボール４１がシート部４８
を閉じているが、それ以上に吐出圧が大きくなると、ボ
ール４１が押し上げられ、入口ポート４６の圧力を出口
ポート４７へと逃がし、入口ポート４６に加わる圧力の
増加を抑制する。

【００５５】いま、シート部４８の有効面積をＡ、入口
ポート４６の圧力をＰ１とすると、ボール４１に加わる
力のバランスから次式が成立する。

【００５６】Ｐ１×Ａ＝Ｆ１−Ｆ２ Ｐ１＝（Ｆ１−Ｆ２）／Ａ…（1） したがって、入口ポート４６に作用する圧力Ｐ１が、上
式（1）を満たす圧力Ｐ１以上となると、可変リリーフ
弁４が開き、入口ポート４６の圧力、すなわちリリーフ
圧をＰ１に保つ。

【００５７】ここで、バネ４４によるＦ１は一定の力で
あるが、電磁力Ｆ２はソレノイド４３に流れる電流に比
例して変化する。このため、図３にも示すように、リリ
ーフ圧はソレノイド電流に比例して変化する。コントロ
ーユニット１９によりソレノイド４３の励磁電流を変化
させることで、入口ポート４６にかかる圧力、すなわち
コンプレッサ３により供給される圧力を任意に変化させ
ることができる。

【００５８】この発明では、燃料電池システムの停止時
に、コントロールユニット１９が燃料の供給停止後に、
所定の時間は、コンプレッサ３の回転、可変リリーフ弁
４のリリーフ圧を制御して所定圧力の空気の供給を継続
することで、水素、一酸化炭素、二酸化炭素など腐食性
のあるガスを含む改質ガスが、流量制御弁８〜１０に逆
流するのを確実に防止し、これら流量制御弁８〜１０の
劣化を回避するようになっている。

【００５９】ここでコントロールユニット１９で実行さ
れる発電停止時の制御動作について図４のフローチャー
トにしたがって説明する。なお、このフローは一定の定
められた制御周期（1〜100ms）をもって繰り返し実行さ
れる。

【００６０】ステップＳ１で、改質器１１に対する燃料
の供給を遮断して燃料電池スタック１４の発電を停止す
るかどうか判定し、もし、発電を停止するときはステッ
プＳ２に進む。ステップＳ２では流量制御弁９を全閉と
し、流量制御弁８と１０の開度を所定の最小値にする。
したがって、燃料電池スタック１４に対する空気の供給
は停止され、改質器１１に対する燃料の供給停止により
改質ガスの供給も急減するため発電は停止されるが、改
質器１１と燃焼器１５に対しては最小限の空気が供給さ
れる。

【００６１】次いで、ステップＳでコンプレッサ３の回
転数を下げ、最小の空気流量を供給するように設定す
る。さらにステップＳ４では可変リリーフ弁４によりコ
ンプレッサ３の吐出圧を、必要最小限の値に設定し、こ
れにより後述するように、改質器１１に残存する改質ガ
スが、流量制御弁８、１０に向けて逆流するのを阻止す
る。

【００６２】そして、ステップＳ５では発電を停止して
から所定の時間Ｔ１が経過するまで待ち、改質器１１の
反応が確実に終了する、所定時間経過後にステップＳ６
に進んで、コンプレッサ３の作動を停止させ、流量制御
弁８と１０を全閉にし、かつ可変リリーフ弁４のリリー
フ圧を通常運転時の設定圧に復帰させ、燃料電池の停止
制御を終了する。

【００６３】ここで、ステップＳ４での逆流防止のため
の圧力設定について説明する。

【００６４】燃料電池スタック１４の発電を停止させる
ときには、改質器１１に対する燃料の供給が停止される
が、システム内に残存する改質ガスが流量制御弁側、と
くに空気と改質ガスが混在する改質器１１と燃焼器１５
の空気流路に介装した流量制御弁８と１０へと逆流や拡
散していく可能性があり、改質ガスとの接触によりこれ
ら流量制御弁８と１０が腐食、劣化する。

【００６５】そこで、燃料電池の停止時には、改質器１
１と燃焼器１５の内部圧力を検出する圧力センサ１３と
１６の検出値のうち、いずれか高い方の圧力値に所定値
αを加えた値を求め、可変リリーフ弁４のリリーフ圧を
この圧力値に設定する（図５参照）。流量制御弁８と１
０の上流側の圧力をこのように高くすると、改質器１
１、燃焼器１５からの改質ガスの逆流が完全に阻止され
る。

【００６６】前記所定値αは逆流阻止の安全率を高める
ために設定されるもので、図６に示すように、圧力セン
サ１３、１６の検出値が高くなるほど大きな値に設定さ
れ、また温度センサ１２と１７の温度が高くなるほど大
きな値に設定することもできる。

【００６７】また、図７にも示すように、所定値αは発
電停止からの経過時間に応じて設定し、時間が経過する
にしたがって値が小さくなるようにしてもよい。これは
改質器１１、燃焼器１５の圧力、温度がそれぞれ時間の
経過に伴い低下していくからである。

【００６８】図８は発電停止制御を開始してからの可変
リリーフ弁４による空気圧の変化する様子を表してい
る。発電停止制御を開始すると、改質器１１、燃焼器１
５の圧力及び温度は徐々に低下し、これに伴い所定値α
の大きさも徐々に低下するので、可変リリーフ弁４によ
るリリーフ圧も低下し、やがて一定値になる。

【００６９】腐食性のある改質ガスや燃焼ガスの逆流の
可能性は、発電停止直後の、改質器１１、燃焼器１５の
圧力、温度が共に高いときほど大きく、したがって可変
リリーフ弁４によって設定される流量制御弁８、１０の
上流側の空気圧をこのように設定することで、確実に逆
流を阻止することができるのである。

【００７０】次に、図９により、流量制御弁８、１０の
最小開度の経時変化量に対する所定値αの補正について
説明する。

【００７１】流量制御弁８、１０の最小開度が経時変化
により大きくなると、最小空気流量が大きくなり、逆に
最小開度が小さくなれば、最小空気流量は小さくなる。
したがって、最小空気流量が大きくなると逆流しにくく
なり、小さくなれば逆流しやすくなるので、これに応じ
て可変リリーフ弁４によるリリーフ圧の設定を補正し、
確実に逆流を阻止するようにする。

【００７２】図９は横軸に流量制御弁８、１０の経時変
化量を表し、（＋）方向は最小開度が増加する方向、
（−）は最小開度が減少する方向を示している。縦軸は
最小開度の経時変化量に対する補正係数βを示し、この
βは最小開度が増加するほど小さくなるような特性に設
定される。

【００７３】これら流量制御弁８、１０の最小開度の経
時変化量については、各最小開度における流量センサ５
と７の検出値を、予め測定しておいた、もしくは記憶し
ておいた流量制御弁８、１０の最小開度の初期値と比較
することにより求めることができる。なお、流量センサ
の代わりに上下流の圧力差を検出する圧力センサによ
り、最小開度の経時変化量を検出することも可能であ
る。

【００７４】そして、経時変化量に応じて求められた補
正係数βを、図６、図７で求めた所定値αに掛け合わ
せ、このようにして求めたα×βを、所定値αとして可
変リリーフ弁のリリーフ圧の設定に反映させるのであ
る。

【００７５】これにより流量制御弁８、１０の最小開度
が経時変化により増加していくときは、空気圧は相対的
に低下し、逆に最小開度が減少していくときは空気圧が
相対的に上昇し、これらにより過不足なく空気を送り込
み、改質ガスや燃焼ガスの逆流を確実に阻止することが
できる。

【００７６】また、流量制御弁８と１０のそれぞれにつ
いて補正係数βを求めることができるので、この場合に
はより大きい方の値を用いると、可変リリーフ弁４の設
定リリーフ圧が大きくなり、改質ガスや燃焼ガスの逆
流、拡散をより効果的に防止することが可能となる。

【００７７】次に前記所定値αを圧力センサ１３、１６
の検出値に代わりに温度センサ１２、１７の検出値に基
づいて設定する場合について、図１０、図１１を参照し
て説明する。

【００７８】図１０のフローチャートは、図４のフロー
チャートのステップＳ４において所定値αを求めるため
のサブルーチンとして機能し予め定められた一定の周期
（例えば1〜100ms）毎に繰り返し実行される。

【００７９】ステップＳ１１では温度センサ１２、１７
の検出値のうちより高い方の値を読み込み、ステップＳ
１２では読み込んだ温度検出値が、前回に読み込んだ検
出値に対して低下しているかどうか判断する。低下して
いる場合はステップＳ１３に、低下していない場合はス
テップＳ１４に進む。

【００８０】ステップＳ１３では温度検出値の低下量が
予め設定したしきい値以上かどうか判定し、しきい値よ
りも大きいときはステップＳ１５に進み、しきい値未満
のときはステップＳ１６に進む。

【００８１】また、ステップＳ１４ではさらに温度検出
値が前回の検出値に比較して増加しているかどうか判定
し、もし増加しているときはステップＳ１７に進み、増
加していないときはステップＳ１８に進む。

【００８２】ステップＳ１５に進んだ場合、すなわち、
温度検出値の前回値に対する低下量がしきい値以上の場
合は、所定値αがそのまま維持される。

【００８３】ステップＳ１６に進んだ場合、すなわち、
温度検出値の前回値に対する低下量がしきい値未満のと
きは、前回に設定された所定値αに増加分Δαを加えた
値を新たな所定値αとする。

【００８４】ステップＳ１７に進んだ場合、すなわち、
温度検出値が前回値よりも増加しているときは、前回に
設定された所定値αから低下分Δαを減じた値を、新た
な所定値αとして設定する。

【００８５】ステップＳ１８に進んだ場合、すなわち、
温度検出値が前回値と同じときは、前回設定された所定
値αから低下分Δα’を減じた値を、新たな所定値αと
する。ただし、Δα＞Δα’に設定する。

【００８６】ここで、図１１により発電停止時の温度の
変化と所定値αの変化する様子について説明する。

【００８７】発電停止制御に移行した直後は、改質器１
１、燃焼器１５に残存する改質ガスが触媒反応し、温度
が上昇する。（ａ）の区間ではステップＳ１７により所
定値αをΔαの割合で減少させ、すなわち反応に必要な
空気を減らしていく。

【００８８】このため、改質器１１、燃焼器１５での反
応が抑制され、また残存ガスも減っていくので、やがて
（ｂ）区間では、温度が一定値になる。この状態ではス
テップＳ１８によりΔα’の割合で所定値αがさらに減
少していく。

【００８９】（ｃ）区間は、このように燃焼が反応され
た結果、温度が次第に低下していく様子を表している。
しかし温度の低下量はそれほどでもなく、この状態では
ステップＳ１６によりΔαの割合でこんどは所定値αを
増加する。これにより空気が増加し、改質ガスや燃焼ガ
スの逆流を阻止する。

【００９０】次に（ｄ）区間では、改質器１１、燃焼器
１５での触媒反応が起きなくなり、温度は急激に低下し
ていき、その低下量は予め設定した上記しきい値を越え
るようになる。この状態ではステップＳ１５により所定
値αは前回値をそのまま維持し、これに基づいて可変リ
リーフ弁４による空気圧を設定し、上記の逆流阻止機能
を維持する。

【００９１】このようにして改質器１１、燃焼器１５に
供給される空気流量を、これらの温度を低下できる範囲
で大きくできる、最適な所定値αに設定することによ
り、流量制御弁８、１０に対しての改質ガス、燃焼ガス
との接触が防止されると共に、これら残存ガスを速やか
に排気することで、より短時間のうちにシステムの停止
状態に移行できる。

【００９２】なお、上記において、発電停止制御移行後
の経過時間に対する改質器１１、燃焼器１５の温度低下
目標値を定めておき、この目標値に基づいて求めた１実
行ステップにおける温度低下量を、予め定めたしきい値
とすることにより、温度センサ検出値の変化を、目標値
に沿ったものとすることもできる。

【００９３】また、可変リリーフ弁４によるコンプレッ
サ３が供給する空気圧の設定方法としては、上記所定値
αを用いる以外に、図１２に示すように、温度センサ１
２、１７の検出値のうち、いずれか高い方の値を求め、
温度検出値が大きいほど設定空気圧を高くするようにし
てもよい。

【００９４】次に、前記した図４のステップＳ５、Ｓ６
における発電停止から所定時間Ｔ１が経過したら全ての
作動を停止させ、可変リリーフ弁４のリリーフ圧を通常
運転制御に戻す場合の、所定時間Ｔ１の設定方法につい
て説明する。

【００９５】所定時間Ｔ１は、圧力センサ１３、１６の
検出値のうち、いずれか高い方の値を求め、この検出値
が所定圧以下、例えば大気圧以下となるまでの時間とす
ることにより、完全に逆流を阻止できる。

【００９６】あるいは、温度センサ１２、１７の検出値
のうち、より高い方の値を求め、この温度検出値が所定
値以下、例えば、改質器１１、燃焼器１５での触媒反応
が起きるための必要最低温度よりも低くなるまでの時間
としてもよい。

【００９７】以上のように構成したので、燃料電池スタ
ック１４が発電を停止させる際に、可変リリーフ弁４が
規定するコンプレッサ３の供給圧力である、流量制御弁
８、１０の上流側圧力を、改質器１１もしくは燃焼器１
５の内部に圧力に所定値αを加えた値に設定することに
より、流量制御弁８、１０の上流側圧力を下流側圧力よ
りも高い値にすることができ、発電停止時に残存する改
質ガスや燃焼ガスの逆流を確実に阻止することができ
る。

【００９８】そして、所定値αは、圧力センサ１３、１
６の検出値、温度センサ１２、１７の検出値に基づいて
設定したり、発電停止制御に移行してからの経過時間に
基づいて設定したり、流量制御弁８、１０の開度の経時
変化量に応じて設定したり、温度センサ１２、１７の検
出値の変化に基づいて設定したりすることで、改質器１
１、燃焼器１５の内部の改質ガスや燃焼ガスの状態や、
流量制御弁８、１０の経時変化に応じて適切に設定で
き、常に流量制御弁８、１０の上流から下流へと適切な
流量の空気を流し、改質ガスや燃焼ガスの逆流や拡散を
防ぎ、流量制御弁８、１０を常に良好に保護することが
可能となる。

【００９９】また、所定値αは流量制御弁８、１０の上
流側が下流側よりも若干高くなるように維持され、流量
制御弁８、１０の開度は最小開度となるように設定され
るので、逆流阻止のために供給される空気量としては必
要十分な最小量となり、かつ改質器１１、燃焼器１５で
の触媒反応を起こすことのない量とすることで、発電停
止制御において速やかに発電停止に移行できる。またこ
のような微小量の空気を供給するだけのため、余分な空
気を供給することがなく、コンプレッサ駆動のための消
費エネルギを抑制できる。

【０１００】次に図１３以下に示す第２の実施形態につ
いて説明する。

【０１０１】この実施形態は第１の実施形態に対して可
変リリーフ弁４の代わりに圧力設定手段として、切換式
リリーフ弁５０を備えたものである。

【０１０２】したがって、図１３にはこの切換式リリー
フ弁５０のみを示し、その他、図１と同一構成について
は、図示を省略するので、図１を参照されたい。

【０１０３】５１と５２は互いに設定圧の異なるリリー
フ弁、５３は電磁切換弁、５４はコンプレッサ吐出圧が
作用する入口ポートである。

【０１０４】リリーフ弁５１は発電停止制御時のリリー
フ圧を設定するもので、空気圧は必要最低限の低い値に
設定され、これに対してリリーフ弁５２は通常運転時の
リリーフ圧を設定するもので、最大運転圧に設定され
る。

【０１０５】電磁切換弁５３は通常は閉位置にあり、コ
ントロールユニット１９からの指令信号により作動して
開位置へと切り換わる。

【０１０６】図１４に示すように、電磁切換弁５３が切
り換え作動すると、コンプレッサ３の吐出圧は、それま
でのリリーフ弁５２による高いリリーフ圧から、逆流阻
止のためのリリーフ弁５１による低いリリーフ圧に切り
換えられる。

【０１０７】次に作用について説明する。

【０１０８】図１５は運転停止制御に移行するときの空
気圧の設定方法を表すものであるが、発電停止制御に移
行すると、前記した図４のステップＳ４において圧力設
定する代わりに、切換式リリーフ弁５０による圧力制御
が実行される。

【０１０９】発電停止制御の開始後、所定の時間Ｔ２が
経過するまでは、電磁切換弁５３は閉として、リリーフ
圧はリリーフ弁５２により最大運転圧に設定されるが、
所定時間Ｔ２を経過すると、電磁切換弁５３が開に切り
換えられ、リリーフ弁５１によりリリーフ圧が低圧に下
げられる。このときの設定圧は逆流や拡散による流量制
御弁８、１０との接触を防止できる程度の圧力とする。

【０１１０】図１６は、リリーフ圧を切り換えるときの
所定時間Ｔ２の設定を示すもので、圧力センサ１３、１
６のうちの高い方の値を求め、圧力検出値が大きいほど
所定時間Ｔ２が長くなるように設定する。または、温度
センサ１２、１７の検出値のうち高い方の値を求め、温
度検出値が大きいときほど設定時間Ｔ２が長くなるよう
に設定することもできる。

【０１１１】さらには発電停止前の一定時間における燃
料電池スタック１４の発電量を検出し、発電量が大きい
ほど設定時間Ｔ２が長くなるようにしてもよい。

【０１１２】このようにして、発電停止制御するにあた
り、発電停止に移行してから所定時間Ｔ２を経過するま
での間は、すなわち改質器１１や燃焼器１５の内部に残
存する改質ガス、燃焼ガスのエネルギが高く活性化した
状態にあり、流量制御弁８、１０とこれら改質ガス、燃
焼ガスとの接触が起きる可能性が高いときは、切換式リ
リーフ弁５０により、流量制御弁８、１０の上流の圧力
を、発電停止前の通常運転時の比較的高い圧力とするこ
とにより、最小開度に絞られた流量制御弁８、１０を流
れる流量を十分に維持し、改質ガスや燃焼ガスの逆流を
確実に回避することができる。

【０１１３】そして、所定時間Ｔ２の経過後、つまり改
質器１１や燃焼器１５の内部の残存ガス量が少なくな
り、流量制御弁８、１０がこれらのガスと接触する可能
性が低くなると、切換式リリーフ弁５０がリリーフ圧を
低圧側に切り換える。これにより流量制御弁８、１０の
上流から下流に流れる空気流量が減り、改質ガスや燃焼
ガスの逆流、拡散を防ぎつつ、過剰な空気を流すことに
よる消費されるエネルギを軽減できる。

【０１１４】なお、このように切換式リリーフ弁５０で
はリリーフ圧が２つの圧力値に設定されるので、構成が
簡素化されるという利点もある。

【０１１５】上記実施の形態では、改質器１１及び燃焼
器１５からの逆流を阻止するための構成としたが、燃焼
器１５が無い場合でも、同じように制御することがで
き、このときは流量制御弁１０だけが備えられ、温度セ
ンサ１２、圧力センサ１３の検出値に基づいて制御する
ことになる。

【０１１６】本発明は上記の実施の形態に限定されず
に、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がな
しうることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムの全
体を示すシステム図である。

【図２】同じく可変リリーフ弁の構造を示す構成図であ
る。

【図３】可変リリーフ弁の作動特性を示す特性図であ
る。

【図４】発電停止制御動作を示すフローチャートであ
る。

【図５】可変リリーフ弁のリリーフ圧の設定を示す説明
図である。

【図６】可変リリーフ弁の設定特性を示す説明図であ
る。

【図７】可変リリーフ弁の設定特性を示す説明図であ
る。

【図８】可変リリーフ弁の設定特性を示す説明図であ
る。

【図９】補正係数の特性を示す説明図である。

【図１０】発電停止制御動作を示すフローチャートであ
る。

【図１１】同じくそのときの制御特性を示す説明図であ
る。

【図１２】可変リリーフ弁の設定特性を示す説明図であ
る。

【図１３】第２の実施形態の要部を示す構成図である。

【図１４】切換式リリーフ弁のリリーフ圧の設定を示す
説明図である。

【図１５】切換式リリーフ弁の作動特性を示す説明図で
ある。

【図１６】切換時間の特性を示す説明図である。

【符号の説明】

２ 流量制御弁 ３ コンプレッサ ４ 可変リリーフ弁 ５，６，７ 流量センサ ８，９，１０ 流量制御弁 １１ 改質器 １２ 温度センサ １３ 圧力センサ １４ 燃料電池スタック １５ 燃焼器 １６ 圧力センサ １７ 温度センサ １９ コントロールユニット ２０，２３ 圧力レギュレータ ５０ 切換式リリーフ弁 ５１ リリーフ弁 ５２ リリーフ弁 ５３ 電磁切換弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G040 EA01 EA07 EB43 5H027 AA02 BA01 KK10 KK11 KK21 KK42 MM03 MM12 MM13

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気の供給のもとに燃料を改質して水素リ
   ッチな改質ガスを生成する燃料改質手段と、改質ガスと
   空気とを反応させて発電する発電手段とを備えた燃料電
   池システムにおいて、 前記供給空気の圧力を可変的に設定する空気圧力設定手
   段と、 前記改質手段に供給する空気流量を制御する流量制御手
   段と、 前記改質手段の内部圧力を検出する圧力検出手段と、 前記発電手段の発電停止時に前記改質手段に対する燃料
   の供給を断ってから、前記流量制御手段の開度を所定の
   小開度に設定し、かつ供給空気圧力が前記圧力検出値よ
   りも所定値だけ高くなるように前記空気圧力設定手段の
   空気供給圧力を制御する発電停止制御手段とを備えたこ
   とを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】前記発電停止制御手段は、前記圧力検出値
   が高くなるほど前記所定値を大きくする請求項１に記載
   の燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記改質手段の温度を検出する温度検出手
   段をさらに備え、 前記発電停止手段は前記温度検出値が高くなるほど前記
   所定値を大きくする請求項１に記載の燃料電池システ
   ム。
4. 【請求項４】前記改質手段の温度を検出する温度検出手
   段をさらに備え、 前記発電停止手段は前記温度検出値が増加または保持さ
   れる場合は前記所定値を小さくし、同じく温度検出値が
   減少する場合は前記所定値を大きくする請求項１に記載
   の燃料電池システム。
5. 【請求項５】前記発電停止制御手段は、発電停止してか
   らの経過時間が長くなるのにしたがって前記所定値を小
   さくする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】前記流量制御手段の小開度での経時変化量
   を検出する経時変化量検出手段をさらに備え、 前記発電停止制御手段は、前記経時変化により前記開度
   が大きくなるほど前記所定値を小さくする請求項１に記
   載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】前記発電停止制御手段は、前記経時変化に
   より前記開度が小さくなるほど前記所定値を大きくする
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】前記流量制御手段を流れる空気量を検出す
   る流量検出手段をさらに備え、 前記経時変化量検出手段は前記流量制御手段の小開度で
   の空気流量を予め記憶してある同じく小開度での空気流
   量の初期値と比較して経時変化量を検出する請求項６に
   記載の燃料電池システム。
9. 【請求項９】前記流量検出手段が前記流量制御手段の上
   流と下流の圧力差を検出する差圧検出手段で構成され、
   差圧検出値と流量制御手段の開度に基づいて流量を検出
   する請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】前記発電停止制御手段は、発電停止制御
    を開始してから所定時間Ｔ１の経過後に空気の供給を停
    止させ、前記空気圧力設定手段を通常運転時の圧力値に
    復帰する請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池
    システム。
11. 【請求項１１】前記所定時間Ｔ１は前記圧力検出手段の
    圧力検出値が所定値に低下するまでの時間とする請求項
    １０に記載の燃料電池システム。
12. 【請求項１２】前記所定時間Ｔ１は、前記温度検出手段
    の温度検出値が所定値に低下するまでの時間とする請求
    項１０に記載の燃料電池システム。
13. 【請求項１３】空気の供給のもとに燃料を改質して水素
    リッチな改質ガスを生成する燃料改質手段と、改質ガス
    と空気とを反応させて発電する発電手段とを備えた燃料
    電池システムにおいて、 前記供給空気の圧力を可変的に設定する空気圧力設定手
    段と、 前記改質手段に供給する空気流量を制御する流量制御手
    段と、 前記改質手段の温度を検出する温度検出手段と、 前記発電手段の発電停止時に前記改質手段に対する燃料
    の供給を断ってから、前記流量制御手段の開度を所定の
    小開度に設定し、かつ供給空気圧力が前記温度検出値が
    高いほど高くなるように前記空気圧力設定手段の空気供
    給圧力を制御する発電停止制御手段とを備えたことを特
    徴とする燃料電池システム。
14. 【請求項１４】空気の供給のもとに燃料を改質して水素
    リッチな改質ガスを生成する燃料改質手段と、改質ガス
    と空気とを反応させて発電する発電手段とを備えた燃料
    電池システムにおいて、 前記供給空気の圧力を可変的に設定する空気圧力設定手
    段と、 前記改質手段に供給する空気流量を制御する流量制御手
    段と、 前記発電手段の発電停止時に前記改質手段に対する燃料
    の供給を断ってから、前記流量制御手段の開度を所定の
    小開度に設定し、かつ供給空気圧力は発電停止制御を開
    始してから所定の時間Ｔ２が経過するまでは発電停止制
    御を開始する前の値を保持し、所定の時間Ｔ２の経過後
    は発電停止制御開始前の圧力よりも低くなるように設定
    する発電停止制御手段とを備えたことを特徴とする燃料
    電池システム。
15. 【請求項１５】前記燃料改質手段の内部圧力を検出する
    圧力検出手段をさらに備え、 前記発電停止制御手段は、圧力検出手段の圧力検出値が
    高いほど前記所定時間Ｔ２を長くする請求項１４に記載
    の燃料電池システム。
16. 【請求項１６】前記燃料改質手段の温度を検出する温度
    検出手段をさらに備え、 前記発電停止制御手段は、温度検出手段の温度検出値が
    高いほど前記所定時間Ｔ２を長くする請求項１４に記載
    の燃料電池システム。
17. 【請求項１７】前記発電手段の発電量を検出する発電量
    検出手段をさらに備え、 前記発電停止制御手段は、発電停止制御を開始する直前
    の定めた時間内における発電量の検出値が大きいほど前
    記所定時間Ｔ２を長くする請求項１４に記載の燃料電池
    システム。
18. 【請求項１８】前記発電手段からの排ガスを供給空気の
    もとで燃焼させる燃焼手段をさらに備え、 前記流量制御手段は前記燃焼手段へ供給される空気流量
    も制御する手段を含み、 前記圧力検出手段は前記燃焼手段の内部圧力も検出する
    手段を含み、 前記圧力検出手段が検出した前記改質手段と燃焼手段の
    圧力検出値のうちいずれか高い方の検出値を基にして前
    記発電停止制御手段が発電停止時の空気供給圧力を制御
    するようにした請求項１、２、１１、又は１５に記載の
    燃料電池システム。
19. 【請求項１９】前記発電手段からの排ガスを供給空気の
    もとで燃焼させる燃焼手段をさらに備え、 前記流量制御手段は前記燃焼手段へ供給される空気流量
    も制御する手段を含み、 前記温度検出手段は前記燃焼手段の温度も検出する手段
    を含み、 前記温度検出手段が検出した前記改質手段と燃焼手段の
    温度検出値のうちいずれか高い方の検出値を基にして前
    記発電停止制御手段が発電停止時の空気供給圧力を制御
    するようにした請求項３、４、１２、１３、又は１６に
    記載の燃料電池システム。