JP2003203666A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システム、特
にＣＯ除去手段を用いた燃料電池システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system using CO removing means.
【０００２】[0002]
【従来の技術】改質反応により生成した改質ガスを燃料
とする改質型燃料電池システムとして、特開平８−２９
３３１２号公報に開示されたようなものが知られてい
る。ここでは、改質触媒が充填された改質器にメタノー
ルと水の混合蒸気を供給し、メタノールの水蒸気改質反
応を生じさせることにより水素リッチな改質ガスを生成
する。そして、この改質ガスを高分子膜を電解質とした
燃料電池に供給することで、空気中の酸素と水素の酸化
反応を電解質膜を介して生じさせ、それに伴う起電力を
外部に取り出している。2. Description of the Related Art As a reforming fuel cell system using a reformed gas produced by a reforming reaction as a fuel, Japanese Patent Laid-Open No. 8-29 is known.
The one disclosed in Japanese Patent No. 3312 is known. Here, a hydrogen-rich reformed gas is generated by supplying a mixed vapor of methanol and water to a reformer filled with a reforming catalyst to cause a steam reforming reaction of methanol. Then, by supplying this reformed gas to a fuel cell using a polymer membrane as an electrolyte, an oxidation reaction of oxygen and hydrogen in the air is generated through the electrolyte membrane, and the electromotive force associated therewith is taken out to the outside. .
【０００３】ここで、燃料電池の燃料極には、酸化反応
を促進させるために白金触媒が担持されている。これに
対して、メタノールの改質反応に伴って不可避的に一酸
化炭素が生じる。一酸化炭素は白金触媒の劣化の原因と
なるので、改質ガスをＣＯ変成器に供給して改質ガス中
の一酸化炭素を除去してから燃料電池に供給する。Here, a platinum catalyst is carried on the fuel electrode of the fuel cell in order to promote the oxidation reaction. On the other hand, carbon monoxide is inevitably generated along with the reforming reaction of methanol. Since carbon monoxide causes deterioration of the platinum catalyst, the reformed gas is supplied to the CO shift converter to remove the carbon monoxide in the reformed gas and then supplied to the fuel cell.
【０００４】一般的な傾向として、改質触媒による改質
反応が効率よく進行しない場合や、炭化水素の改質反応
に付随して生じる二酸化炭素の温度が高い場合に、改質
反応や二酸化炭素の可逆反応により一酸化炭素が生じや
すくなり、改質ガス中の一酸化濃度が高くなる。そこ
で、特開平８−２９３３１２号公報においては、改質器
の温度を検出し、その温度が許容範囲にない場合には燃
料電池へ改質ガスの供給を停止するようにしている。ま
たは、ＣＯセンサによって、改質ガス中のＣＯ濃度を検
出し、そのＣＯ濃度が許容値を超えている場合には、燃
料電池への改質ガスの供給を停止するようにしている。As a general tendency, when the reforming reaction by the reforming catalyst does not proceed efficiently, or when the temperature of carbon dioxide generated accompanying the hydrocarbon reforming reaction is high, the reforming reaction and the carbon dioxide are performed. The carbon monoxide is likely to be generated due to the reversible reaction of, and the concentration of monoxide in the reformed gas increases. Therefore, in JP-A-8-293312, the temperature of the reformer is detected, and if the temperature is not within the allowable range, the supply of the reformed gas to the fuel cell is stopped. Alternatively, the CO sensor detects the CO concentration in the reformed gas, and when the CO concentration exceeds an allowable value, the supply of the reformed gas to the fuel cell is stopped.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
特開平８−２９３３１２号公報においては、改質触媒の
低活性状態を改質器の温度によって検出し、改質ガス中
のＣＯ濃度を推定しているが、所定の温度範囲に応じて
燃料電池への改質ガスを供給したり停止したりしている
にすぎず、正確なＣＯ濃度を推定しているものではな
い。[Problems to be solved by the invention] However,
In JP-A-8-293312, the low activity state of the reforming catalyst is detected by the temperature of the reformer to estimate the CO concentration in the reformed gas. However, the fuel cell is determined according to a predetermined temperature range. The reformed gas is simply supplied or stopped, and the accurate CO concentration is not estimated.
【０００６】また、ＣＯの算出方法以外の方法として、
ＣＯセンサにより改質ガス中のＣＯ濃度を検出している
が、従来のＣＯセンサによる一酸化炭素濃度の検出精度
は必ずしも高くなく、そのため、一酸化炭素濃度の高い
改質ガスが燃料電池に供給される可能性が多分にあっ
た。しかも、ＣＯセンサを使用するとすれば、システム
の構成部品が多くなりコストが高くなるという不都合が
生じる。As a method other than the method of calculating CO,
Although the CO concentration in the reformed gas is detected by the CO sensor, the detection accuracy of the carbon monoxide concentration by the conventional CO sensor is not necessarily high, so that the reformed gas having a high carbon monoxide concentration is supplied to the fuel cell. There was a possibility that it would be. Moreover, if the CO sensor is used, the number of components of the system increases and the cost increases.
【０００７】そこで、本発明は正確なＣＯ濃度を推定で
きる燃料電池システムを提供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of accurately estimating the CO concentration.
【０００８】[0008]
【問題点を解決するための手段】第１の発明は、改質反
応により生成した水素リッチガス中のＣＯを除去するＣ
Ｏ除去手段と、水素リッチガスを前記ＣＯ除去手段に供
給する水素リッチガス供給手段と、流量を制御した酸素
含有ガスを前記ＣＯ除去手段に供給する酸素含有ガス供
給手段と、ＣＯを除去した水素リッチガスを燃料として
発電を行う燃料電池と、を備えた燃料電池システムにお
いて、前記ＣＯ除去手段の温度を測定する温度測定手段
と、前記温度測定手段の出力から水素リッチガスのＣＯ
濃度を推定するＣＯ濃度推定手段と、を備えた。[Means for Solving the Problems] The first invention is to remove C in hydrogen-rich gas produced by the reforming reaction.
O removing means, hydrogen rich gas supplying means for supplying hydrogen rich gas to the CO removing means, oxygen containing gas supplying means for supplying oxygen containing gas whose flow rate is controlled to the CO removing means, and hydrogen rich gas from which CO is removed In a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity as fuel, temperature measuring means for measuring the temperature of the CO removing means, and CO of hydrogen-rich gas from the output of the temperature measuring means.
CO concentration estimating means for estimating the concentration.
【０００９】第２の発明は、第１の発明において、前記
ＣＯ除去手段に供給する水素リッチガス流量を測定する
水素リッチガス流量計と、前記ＣＯ除去手段に供給する
酸素含有ガス流量を測定する酸素含有ガス流量計と、前
記ＣＯ除去器内で生じる水素リッチガス中のＣＯの酸化
反応と、水素の酸化反応により発生する熱量を、水素リ
ッチガス流量と酸素含有ガス流量から算出して、前記Ｃ
Ｏ除去手段の温度を予測する温度予測手段と、を備え、
前記ＣＯ濃度推定手段は、前記温度予測手段による予測
値と、前記温度測定手段による測定値との差から、前記
水素リッチガスのＣＯ濃度を推定する。In a second aspect based on the first aspect, a hydrogen rich gas flow meter for measuring the flow rate of hydrogen rich gas supplied to the CO removing means, and an oxygen containing gas for measuring the flow rate of oxygen containing gas supplied to the CO removing means. The gas flow meter, the CO oxidation reaction in the hydrogen-rich gas generated in the CO remover, and the heat quantity generated by the hydrogen oxidation reaction are calculated from the hydrogen-rich gas flow rate and the oxygen-containing gas flow rate to obtain the C
A temperature predicting means for predicting the temperature of the O removing means,
The CO concentration estimating means estimates the CO concentration of the hydrogen-rich gas from the difference between the predicted value of the temperature predicting means and the measured value of the temperature measuring means.
【００１０】第３の発明は、第２の発明において、前記
温度測定手段による測定値が前記温度予測手段による予
測値より高い場合には水素リッチガス中のＣＯ濃度が予
測される濃度より高いと推定し、前記測定値が前記予測
値より低い場合にはＣＯ濃度が予測される濃度より低い
と推定する。In a third aspect based on the second aspect, when the value measured by the temperature measuring means is higher than the value predicted by the temperature predicting means, it is estimated that the CO concentration in the hydrogen-rich gas is higher than the predicted concentration. However, when the measured value is lower than the predicted value, it is estimated that the CO concentration is lower than the predicted concentration.
【００１１】第４の発明は、第２または３の発明におい
て、前記ＣＯ除去手段の環境温度を測定する温度センサ
と、前記環境温度に応じて、前記ＣＯ除去手段の温度の
予測値を補正する。In a fourth aspect based on the second or third aspect, a temperature sensor for measuring the environmental temperature of the CO removing means and a predicted value of the temperature of the CO removing means are corrected according to the environmental temperature. .
【００１２】第５の発明は、改質反応により生成した水
素リッチガス中のＣＯを除去するＣＯ除去手段と、水素
リッチガスを前記ＣＯ除去手段に供給する水素リッチガ
ス供給手段と、流量を制御した酸素含有ガスを前記ＣＯ
除去手段に供給する酸素含有ガス供給手段と、ＣＯを除
去した水素リッチガスを燃料として発電を行う燃料電池
と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ除去
手段内の水素リッチガスの流れ方向についての温度分布
を測定する温度分布測定手段と、前記ＣＯ除去手段に供
給する水素リッチガス流量を測定する水素リッチガス流
量計と、前記ＣＯ除去手段の入口から前記ＣＯ除去手段
内の最高温度を示す位置までの距離を最高温度点距離と
した時に、前記水素リッチガス流量と前記最高温度点距
離に基づいて、前記ＣＯ除去手段の出口の出口ＣＯ濃度
を決定する出口ＣＯ濃度推定マップと、前記出口ＣＯ濃
度推定マップを用いて前記測定した最高温度点距離と水
素リッチガス流量とから出口ＣＯ濃度を推定するＣＯ濃
度推定手段とを備える。A fifth aspect of the invention is a CO removing means for removing CO in the hydrogen rich gas produced by the reforming reaction, a hydrogen rich gas supplying means for supplying the hydrogen rich gas to the CO removing means, and an oxygen-containing gas whose flow rate is controlled. The gas is CO
In a fuel cell system comprising: an oxygen-containing gas supply means for supplying to a removing means; and a fuel cell for generating electricity by using a hydrogen-rich gas from which CO is removed as a fuel, a temperature in a flow direction of the hydrogen-rich gas in the CO removing means. Temperature distribution measuring means for measuring the distribution, hydrogen rich gas flow meter for measuring the flow rate of hydrogen rich gas supplied to the CO removing means, and the distance from the inlet of the CO removing means to the position showing the maximum temperature in the CO removing means. Is defined as the maximum temperature point distance, the outlet CO concentration estimation map for determining the outlet CO concentration at the outlet of the CO removing means and the outlet CO concentration estimation map based on the hydrogen rich gas flow rate and the maximum temperature point distance. And a CO concentration estimating means for estimating the outlet CO concentration from the measured maximum temperature point distance and the hydrogen-rich gas flow rate. That.
【００１３】第６の発明は、第５の発明において、前記
温度分布測定手段は、前記一酸化炭素除去装置の少なく
とも入口、出口、中央付近の３箇所の温度を測定する。In a sixth aspect based on the fifth aspect, the temperature distribution measuring means measures the temperature of at least three points of the carbon monoxide removing device at the inlet, the outlet and the center.
【００１４】第７の発明は、第５または６の発明におい
て、前記推定した出口ＣＯ濃度が前記燃料電池に供給で
きるＣＯ濃度の許容範囲より大きいときに、前記ＣＯ除
去手段に供給する酸素含有ガス流量を増加する。In a seventh aspect based on the fifth or sixth aspect, when the estimated outlet CO concentration is higher than an allowable range of the CO concentration that can be supplied to the fuel cell, the oxygen-containing gas to be supplied to the CO removing means. Increase the flow rate.
【００１５】第８の発明は、第７の発明において、水素
リッチガス中のＣＯが十分に除去され、かつ、水素消費
が抑えられているときの最高温度点距離を目標最高温度
点距離とし、水素リッチガス流量毎の目標最高温度点距
離を示した最高温度点距離マップを備え、前記温度分布
測定手段により測定した最高温度点距離と、前記最高温
度点距離マップにより求めた目標最高温度点距離との差
が許容範囲外のときに前記酸素含有ガス流量を抑制す
る。In an eighth aspect of the invention, in the seventh aspect, the maximum temperature point distance when the CO in the hydrogen rich gas is sufficiently removed and the hydrogen consumption is suppressed is set as the target maximum temperature point distance. With a maximum temperature point distance map showing the target maximum temperature point distance for each rich gas flow rate, the maximum temperature point distance measured by the temperature distribution measuring means and the target maximum temperature point distance obtained by the maximum temperature point distance map The oxygen-containing gas flow rate is suppressed when the difference is outside the allowable range.
【００１６】第９の発明は、第１から８のいずれか一つ
の発明において、前記ＣＯ除去手段を、複数のＣＯの選
択酸化触媒を直列に並べることにより構成する。A ninth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to eighth aspects, wherein the CO removing means is formed by arranging a plurality of CO selective oxidation catalysts in series.
【００１７】[0017]
【作用及び効果】第１の発明によれば、ＣＯ濃度推定手
段によりＣＯ濃度と相関のあるＣＯ除去手段の温度から
水素リッチガスのＣＯ濃度を推定することで、ＣＯを用
いずに精度のよいＣＯの推定値を得ることができる。According to the first aspect of the present invention, the CO concentration of the hydrogen-rich gas is estimated from the temperature of the CO removing unit that has a correlation with the CO concentration by the CO concentration estimating unit. An estimate of can be obtained.
【００１８】第２または３の発明によれば、温度予測手
段による予測値と、温度測定手段による測定値との差を
求め、測定値が予測値より高い場合にはＣＯ濃度が高い
と推定し、測定値が予測値より低い場合にはＣＯ濃度が
低いと推定することで、ＣＯセンサを必要としないでＣ
Ｏ濃度を推定することができるので、精度の高いＣＯ濃
度推定を行うことができ、かつ、コストを低減すること
ができる。According to the second or third aspect of the invention, the difference between the predicted value by the temperature predicting means and the measured value by the temperature measuring means is obtained, and if the measured value is higher than the predicted value, it is estimated that the CO concentration is high. , If the measured value is lower than the predicted value, the CO concentration is estimated to be low, so that C
Since the O concentration can be estimated, the CO concentration can be estimated with high accuracy, and the cost can be reduced.
【００１９】第４の発明によれば、環境温度がＣＯ除去
手段の温度に与える影響に応じて、ＣＯ除去手段の温度
の予測値を補正することで、外乱的要因の温度変化に速
やかに対応したＣＯ濃度推定を行うことができる。According to the fourth aspect of the invention, the predicted value of the temperature of the CO removing means is corrected according to the influence of the ambient temperature on the temperature of the CO removing means, so that the temperature change due to the disturbance factor can be promptly dealt with. The estimated CO concentration can be performed.
【００２０】第５の発明によれば、出口ＣＯ濃度推定マ
ップを用いて最高温度点距離と水素リッチガス流量とか
ら出口ＣＯ濃度を推定することで、精度のよいＣＯ濃度
の推定を行うことができる。According to the fifth aspect of the present invention, the CO concentration can be accurately estimated by estimating the outlet CO concentration from the maximum temperature point distance and the hydrogen-rich gas flow rate using the outlet CO concentration estimation map. .
【００２１】第６の発明によれば、ＣＯ除去装置の少な
くとも入口、出口、中央付近の３箇所の温度を測定する
ことで、ＣＯ除去装置内の温度分布を測定することがで
き、最高温度点距離を測定することができる。According to the sixth aspect of the present invention, the temperature distribution in the CO removing device can be measured by measuring the temperatures of at least the inlet, the outlet, and the central portion of the CO removing device. The distance can be measured.
【００２２】第７の発明によれば、推定した出口ＣＯ濃
度が前記燃料電池に供給できるＣＯ濃度の許容範囲より
大きいときに、ＣＯ除去手段に供給する酸素含有ガス流
量を増加することで、水素リッチガス中のＣＯを十分に
除去することができる。According to the seventh aspect, when the estimated outlet CO concentration is higher than the allowable range of the CO concentration that can be supplied to the fuel cell, the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the CO removing means is increased to increase the hydrogen content. CO in the rich gas can be sufficiently removed.
【００２３】第８の発明によれば、温度分布測定手段に
より測定した最高温度点距離と、最高温度点距離マップ
により求めた目標最高温度点距離との差が許容範囲外の
ときに酸素含有ガス流量を抑制することで、過剰な水素
消費を防ぐことができる。According to the eighth invention, when the difference between the maximum temperature point distance measured by the temperature distribution measuring means and the target maximum temperature point distance determined by the maximum temperature point distance map is out of the allowable range, the oxygen-containing gas is included. By suppressing the flow rate, excessive hydrogen consumption can be prevented.
【００２４】第９の発明によれば、複数のＣＯの選択酸
化触媒を直列に並べることにより構成されたＣＯ除去手
段において、ＣＯ濃度推定をそれぞれの触媒について適
用することができる。According to the ninth aspect of the invention, CO concentration estimation can be applied to each catalyst in the CO removal means constituted by arranging a plurality of CO selective oxidation catalysts in series.
【００２５】[0025]
【発明の実施の形態】第１の実施形態における燃料電池
システムの構成を図１に示す。FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell system according to the first embodiment.
【００２６】燃料電池１の燃料極に水素リッチガスを供
給する燃料供給系１１は、次のように構成する。The fuel supply system 11 for supplying hydrogen rich gas to the fuel electrode of the fuel cell 1 is constructed as follows.
【００２７】まず、燃料タンク等から圧送ポンプ等を用
いて燃料電池１に要求される発電量に応じた流量の炭化
水素系燃料、例えばメタノールを取り出す燃料供給装置
４により、炭化水素系燃料を改質装置２に供給する。改
質装置２には、Ｃｕ−Ｚｎ触媒等の触媒層と改質反応に
適した温度（２５０℃〜３００℃）に加熱するバーナを
備え、ここでは水蒸気反応と部分酸化反応を併用する併
用改質反応を行い、一酸化炭素(以下、ＣＯ)を含む水素
リッチガスを生成する。First, the hydrocarbon fuel is modified from a fuel tank or the like by a fuel supply device 4 for taking out a hydrocarbon fuel, for example, methanol at a flow rate according to the amount of power generation required for the fuel cell 1 by using a pressure pump or the like. Supply to the quality device 2. The reforming device 2 is provided with a catalyst layer such as a Cu—Zn catalyst and a burner for heating to a temperature (250 ° C. to 300 ° C.) suitable for the reforming reaction. Quality reaction is performed to generate a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide (hereinafter, CO).
【００２８】水素リッチガス中のＣＯは燃料電池１に充
填されたＰｔ触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素除
去装置６(以下、ＣＯ除去装置６)でＣＯを除去してから
水素リッチガスを燃料電池１に供給する。ＣＯ除去装置
６には、微量のＣＯであっても、酸素の存在下でＣＯを
酸化する触媒、例えばＰｔ触媒や、Ｒｕ触媒を担持した
担体を備える。ＣＯをこのような選択酸化触媒層におい
て酸化して、ＣＯ濃度が４００ｐｐｍ程度になるまで除
去する。この酸化反応には、後述の酸素供給系１０から
分岐したＣＯ酸化酸素供給系１３を通じて供給される酸
素含有ガス、ここでは空気中の酸素を用いる。このと
き、ＣＯ除去装置６に供給される空気の流量は、ＣＯ酸
化酸素供給系１３に設置した流量調整バルブ５等により
構成される空気流量制御装置により制御される。なお、
ＣＯ除去装置６は、ＣＯ低減に適した温度（２００℃〜
３００℃）に維持する。Since CO in the hydrogen-rich gas causes deterioration of the Pt catalyst filled in the fuel cell 1, CO is removed by the carbon monoxide removing device 6 (hereinafter, CO removing device 6) before the hydrogen-rich gas is used as fuel. Supply to battery 1. The CO removal device 6 is provided with a carrier that carries a catalyst that oxidizes CO in the presence of oxygen even if it is a trace amount of CO, such as a Pt catalyst or a Ru catalyst. CO is oxidized in such a selective oxidation catalyst layer and removed until the CO concentration reaches about 400 ppm. For this oxidation reaction, an oxygen-containing gas supplied through a CO-oxidized oxygen supply system 13 branched from an oxygen supply system 10 described later, here oxygen in the air is used. At this time, the flow rate of the air supplied to the CO removing device 6 is controlled by the air flow rate control device including the flow rate adjusting valve 5 installed in the CO-oxidized oxygen supply system 13. In addition,
The CO removal device 6 has a temperature suitable for CO reduction (200 ° C to
300 ° C).
【００２９】一方、燃料電池１の酸素極には酸素供給系
１０を通じて酸素含有ガス、ここでは空気を供給する。
酸素供給系１０には上流側に、コンプレッサ等を用いて
流量を調整した空気を供給する空気供給手段３を配置す
る。空気供給手段３により供給された空気は、その下流
側で分流されて、一方は燃料電池１の酸素極に、他方は
ＣＯ酸化酸素供給系１３を通ってＣＯ除去器６に供給さ
れる。ＣＯ酸化酸素供給系１３に分流する空気流量は、
前述の流量調整バルブ５により制御する。On the other hand, an oxygen-containing gas, here air, is supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 1 through the oxygen supply system 10.
On the upstream side of the oxygen supply system 10, an air supply means 3 for supplying air whose flow rate is adjusted by using a compressor or the like is arranged. The air supplied by the air supply means 3 is branched on the downstream side, and one is supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 1 and the other is supplied to the CO remover 6 through the CO-oxidized oxygen supply system 13. The flow rate of the air branched to the CO-oxidized oxygen supply system 13 is
It is controlled by the flow rate adjusting valve 5 described above.
【００３０】燃料電池１では、供給された水素リッチガ
ス中の水素と、空気中の酸素との間で生じる電気化学反
応により発電を行い、燃料電池１から図示しない配線を
介して外部の駆動機器、例えば電気自動車におけるモー
タを駆動する。In the fuel cell 1, electric power is generated by an electrochemical reaction generated between hydrogen in the supplied hydrogen-rich gas and oxygen in the air, and the fuel cell 1 is driven by an external drive device through a wiring (not shown). For example, it drives a motor in an electric vehicle.
【００３１】このような燃料電池システムにおいて、Ｃ
Ｏ除去装置６で選択酸化反応を行う際に、ＣＯに対して
供給酸素量が少ないとＣＯを除去しきれずに燃料電池１
に供給されるという問題が生じる。反対に、供給酸素量
が過剰な場合には水素の酸化反応が生じることで燃料の
利用効率が低下するという問題が生じる。In such a fuel cell system, C
When performing a selective oxidation reaction in the O removing device 6, if the amount of oxygen supplied is small with respect to CO, CO cannot be completely removed and the fuel cell 1
The problem arises of being supplied to. On the other hand, when the amount of oxygen supplied is excessive, a hydrogen oxidation reaction occurs, which causes a problem that the fuel utilization efficiency decreases.
【００３２】ここで、ＣＯ除去装置６におけるＣＯの酸
化反応及び水素の酸化反応を次式に示す。この熱化学方
程式で明らかなように、一酸化炭素の酸化反応による発
熱量のほうが、酸素の酸化反応による発熱量よりも大き
い。Here, the oxidation reaction of CO and the oxidation reaction of hydrogen in the CO removing device 6 are shown by the following equations. As is clear from this thermochemical equation, the amount of heat generated by the oxidation reaction of carbon monoxide is larger than the amount of heat generated by the oxidation reaction of oxygen.
【００３３】[0033]
【化１】
そこで本実施形態においては、上式の発熱量の差と、発
熱反応によりＣＯ除去装置６がなると思われる温度の予
測値に対する実測値の偏差とから、水素リッチガス中の
ＣＯ濃度を推定する。[Chemical 1] Therefore, in the present embodiment, the CO concentration in the hydrogen-rich gas is estimated from the difference in the calorific value in the above equation and the deviation of the actually measured value from the predicted value of the temperature at which the CO removing device 6 is considered to be generated due to the exothermic reaction.
【００３４】そのため、ＣＯ除去装置６に供給される水
素リッチガス流量を測定する水素リッチガス流量計１４
と、ＣＯ除去装置６に供給される空気流量を測定する空
気流量計１５を設置し、また、ＣＯ除去装置６に温度測
定装置７、ＣＯ除去装置６の環境温度を測定する外温度
センサ１６を設置し、その測定結果をコントロールユニ
ット８に入力する。ここでは、水素ガス流量計１４およ
び空気流量計１５にマイクロフローセンサを用い、この
マイクロフローセンサは、シリコン基板台上にヒータ抵
抗と、このヒータ抵抗の両側に配置された周囲温度測定
用の測温エレメントを有し、ヒータ抵抗から発生する熱
の温度分布を測温エレメントによって検出することによ
りガスの流量を測定する。Therefore, the hydrogen-rich gas flow meter 14 for measuring the flow rate of the hydrogen-rich gas supplied to the CO removing device 6
And an air flow meter 15 for measuring the flow rate of air supplied to the CO removing device 6, and a temperature measuring device 7 for the CO removing device 6 and an outside temperature sensor 16 for measuring the environmental temperature of the CO removing device 6. It is installed and the measurement result is input to the control unit 8. Here, a micro flow sensor is used for the hydrogen gas flow meter 14 and the air flow meter 15, and this micro flow sensor measures the heater resistance on the silicon substrate stand and the ambient temperature measurement arranged on both sides of the heater resistance. The temperature element has a temperature element, and the temperature distribution of the heat generated from the heater resistance is detected by the temperature measuring element to measure the gas flow rate.
【００３５】このような燃料電池システムにおけるＣＯ
濃度推定の制御を図２、図３を用いて説明する。図２に
は制御のシステム図を、図３にはフローチャートを示
す。CO in such a fuel cell system
The control of density estimation will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 shows a control system diagram, and FIG. 3 shows a flow chart.
【００３６】ステップＳ１において、ＣＯ除去装置６に
供給される全水素リッチガスの流量ＶH2[Ｌ/sec]を水素
リッチガス流量計１４により測定する。ここで、水素リ
ッチガス流量を、供給する炭化水素燃料量から算出する
こともできるが、本実施形態では流量計１４を用いて測
定することでより精確な流量値を得る。ステップＳ２に
おいて、予めコントロールユニット８に記憶しておいた
改質ガスの成分割合を呼び出す。ここでは併用改質反応
なので、例えば、Ｈ2２５．１％、ＣＯ７．８％、ＣＯ
４．５％、Ｎ2６２．６％である。ステップＳ３におい
て、この各成分の割合と全水素リッチガス流量ＶH2[Ｌ/
sec]との積をとることにより、各成分の単位時間あたり
の流量Ｖ[Ｌ/sec]を求める。In step S1, the flow rate V H2 [L / sec] of the total hydrogen rich gas supplied to the CO removing device 6 is measured by the hydrogen rich gas flow meter 14. Here, the hydrogen-rich gas flow rate can be calculated from the supplied hydrocarbon fuel amount, but in the present embodiment, a more accurate flow rate value is obtained by measuring using the flow meter 14. In step S2, the reformed gas component ratio stored in advance in the control unit 8 is called. Since this is a combined reforming reaction, for example, H 2 25.1%, CO 7.8%, CO 2
It is 4.5% and N 2 62.6%. In step S3, the ratio of each component and the total hydrogen rich gas flow rate V H2 [L /
sec], the flow rate V [L / sec] of each component per unit time is obtained.
【００３７】次にステップＳ４において、求めた各成分
の流量Ｖ[Ｌ/sec]を、標準体積と状態方程式を用いて単
位時間当たりに供給される物質量Ｍ[mol/sec]に換算す
る。ここで、各成分の物質量をＭH2、ＭCO、ＭCO2、Ｍ
N2とする。Next, in step S4, the calculated flow rate V [L / sec] of each component is converted into the amount M [mol / sec] of the substance supplied per unit time using the standard volume and the state equation. Here, the amount of substance of each component is M H2 , M CO , M CO2 , M
N2 .
【００３８】ステップＳ５に進み、空気比を読み込む。
ここで、空気比は、ＣＯを除去するために計算上最低限
必要である酸素の物質量（ＣＯモル数ＭCO/２）の何倍
の空気が必要であるかを示す値とする。尚、その空気比
の値は予め定められたものである。In step S5, the air ratio is read.
Here, the air ratio is a value indicating how many times as much air as the substance amount of oxygen (CO mole number M CO / 2), which is the minimum required for calculation in order to remove CO, is required. The value of the air ratio is predetermined.
【００３９】ステップＳ６において、ＣＯ除去装置６に
供給する空気流量を算出する。ここで必要空気流量は、
最低限必要である酸素の物質量×空気比により求めるこ
とができる。ステップＳ７において、このように求めら
れた空気流量を供給するように、酸素供給系１１のコン
プレッサの回転数と流量調整バルブ５の開度を調整す
る。このように、改質ガス中に含まれたＣＯに対して適
切と思われる空気流量を供給する。In step S6, the flow rate of air supplied to the CO removing device 6 is calculated. Here, the required air flow rate is
It can be determined by the minimum required amount of oxygen substance x air ratio. In step S7, the rotational speed of the compressor of the oxygen supply system 11 and the opening of the flow rate adjusting valve 5 are adjusted so that the air flow rate thus obtained is supplied. In this way, an air flow rate that seems appropriate for the CO contained in the reformed gas is supplied.
【００４０】ステップＳ８において、ＣＯ除去装置６に
供給される空気量Ｖair[Ｌ/sec]を空気流量計１５によ
り測定する。ここで、水素リッチガス流量計１４と同様
に、コンプレッサの回転数、および流量調整バルブ５の
開度より空気量を算出することもできるが、実測するこ
とで制御の精度を向上させる。次に、ステップＳ９にお
いて、予め記憶させておいた乾燥空気の体積組成を呼び
出す。ここでは、Ｏ2２１．０％、ＣＯ2０．０３３％、
Ｎ2７８．１％、その他１．００％とする。これを用い
て、ステップＳ１０において、ＣＯ除去装置６に供給さ
れる空気の各成分の体積を算出する。これは、空気量Ｖ
airと各成分の割合との積により求めることができる。
ステップＳ１１において、各成分の体積流量を物質量に
換算する。これは、ステップＳ４と同様の方法で求める
ことができる。各成分の物質量をｍO2、ｍCO2、ｍN2と
する。In step S8, the air flow meter 15 measures the air amount Vair [L / sec] supplied to the CO removing device 6. Here, similarly to the hydrogen-rich gas flow meter 14, the air amount can be calculated from the rotational speed of the compressor and the opening degree of the flow rate adjusting valve 5, but the accuracy of control is improved by actual measurement. Next, in step S9, the volume composition of the dry air stored in advance is called. Here, O 2 21.0%, CO 2 0.033%,
N 2 78.1%, and other 1.00%. Using this, in step S10, the volume of each component of the air supplied to the CO removal device 6 is calculated. This is the air volume V
It can be calculated by the product of air and the ratio of each component.
In step S11, the volumetric flow rate of each component is converted into a substance amount. This can be obtained by the same method as in step S4. The substance amount of each component is m O2 , m CO2 , m N2 .
【００４１】次に、ステップＳ１２において、ステップ
Ｓ４で求めた水素リッチガス中のＣＯの物質量ＭCOと、
ステップＳ１１で求めた空気中の酸素の物質量ｍO2か
ら、ＣＯ除去装置６内での発熱量を算出する。ここで、
ＣＯの酸化反応による発熱量Ｑ COはＭCO×２８４[kj]、
ＣＯ除去に利用されずに残った酸素の物質量はｍO2−Ｍ
CO/２であるから、水素の酸化反応による発熱量ＱH2は
（ｍO2−ＭCO/２）×２×２４２[kj]となる。ステップ
Ｓ１３に進み、ステップＳ１２よりＣＯ除去装置６で発
生する熱量Ｑを求める。ここでは、熱量Ｑは、ＱCOとＱ
H2の和となる。Next, in step S12, step
CO substance amount M in the hydrogen-rich gas obtained in S4COWhen,
The amount of oxygen substance m in the air obtained in step S11O2Or
Then, the calorific value in the CO removing device 6 is calculated. here,
Calorific value Q due to CO oxidation reaction COIs MCO× 284 [kj],
The amount of oxygen remaining without being used for CO removal is mO2-M
CO/ 2, so the heating value Q due to the hydrogen oxidation reactionH2Is
(MO2-MCO/ 2) x 2 x 242 [kj]. Step
Proceed to S13, and emit from the CO removal device 6 from step S12
Find the amount of heat generated Q. Here, the heat quantity Q is QCOAnd Q
H2Is the sum of
【００４２】ステップＳ１４において、ω/（ｓ＋ω）
という伝達関数を加味させることにより、発熱量にダイ
ナミクスを持たせ、より精度にＣＯ除去装置６の発熱量
を予測する。ここで、ｓはラプラス演算子で、ωはカッ
トオフ周波数である。ω/（ｓ＋ω）は出力と入力の関
係が線形一次微分方程式で表される要素である。In step S14, ω / (s + ω)
By adding the transfer function, the heat generation amount has dynamics, and the heat generation amount of the CO removing device 6 is predicted more accurately. Here, s is a Laplace operator and ω is a cutoff frequency. ω / (s + ω) is an element whose relationship between output and input is represented by a linear first-order differential equation.
【００４３】このように、ステップＳ８からステップＳ
１４においては、供給された水素リッチガスおよび酸素
含有ガスによりＣＯ除去装置６内で起こると推測される
反応の発熱量を算出する。Thus, from step S8 to step S8
In 14, the calorific value of the reaction which is presumed to occur in the CO removing device 6 due to the supplied hydrogen-rich gas and oxygen-containing gas is calculated.
【００４４】次にステップＳ１５に進み、外温度センサ
１６を用いてＣＯ除去装置６の環境温度を測定する。ス
テップＳ１６において、ステップＳ１５の測定結果より
このマップに基づいて環境温度がＣＯ除去装置６に与え
る影響を補正温度として求める。ステップＳ１６中に示
すマップによると環境温度が高くなればなるほどＣＯ除
去装置６に与える影響が大きくなるので温度の補正量は
大きくなる。Next, in step S15, the ambient temperature of the CO removing device 6 is measured using the outside temperature sensor 16. In step S16, the influence of the ambient temperature on the CO removing device 6 is obtained as the correction temperature based on the map based on the measurement result of step S15. According to the map shown in step S16, the higher the environmental temperature is, the greater the influence on the CO removing device 6 is, so the temperature correction amount is increased.
【００４５】ステップＳ１７においては、ＣＯ除去装置
６に設置した温度測定装置７を用いて、ＣＯ除去装置６
の温度を実際に測定する。In step S17, the CO removing device 6 is installed by using the temperature measuring device 7 installed in the CO removing device 6.
Actually measure the temperature of.
【００４６】ステップＳ１８においては、これらの結果
よりＣＯ除去装置６の温度の予測値に対する実測値の偏
差を求める。ステップＳ８からステップＳ１４において
算出した発熱により上昇するＣＯ除去装置６の温度を求
め、ステップＳ１５、Ｓ１６においてその補正値を求め
た結果を予測値とし、ステップＳ１７において測定した
結果を実測値とすると、ここでは予測値をマイナスと
し、実測値をプラスとして加算する。In step S18, the deviation of the actually measured value from the predicted value of the temperature of the CO removing device 6 is obtained from these results. When the temperature of the CO removing device 6 that rises due to the heat generation calculated in steps S8 to S14 is obtained, and the correction value obtained in steps S15 and S16 is the predicted value, and the result measured in step S17 is the actual measurement value, Here, the predicted value is negative and the measured value is positive, which is added.
【００４７】ステップＳ１９においては、マップに従っ
てステップＳ１８において求めた偏差からＣＯ除去装置
６に供給された水素リッチガス中のＣＯ濃度を推定す
る。これは、マップに示したように、偏差がプラス方向
に大きくなるにつれて、ＣＯ濃度が高くなるようにす
る。つまり、実測値が予測値より大きくなればなるほ
ど、発熱量の多いＣＯの酸化反応が多く行われているこ
とになるので、ＣＯ除去装置６に供給される水素リッチ
ガス中のＣＯ濃度が予測値よりも高いことが分かる。反
対に、偏差がマイナス方向にいく、実測値が予測値より
小さい時には、発熱量の小さい水素の酸化反応が多く行
われていることになるので、ＣＯ除去装置６に供給され
る水素リッチガス中のＣＯ濃度が予測値低いことが分か
る。In step S19, the CO concentration in the hydrogen-rich gas supplied to the CO removing device 6 is estimated from the deviation obtained in step S18 according to the map. This causes the CO concentration to increase as the deviation increases in the positive direction, as shown in the map. That is, the greater the measured value is than the predicted value, the more the CO oxidation reaction with a large amount of heat generation is performed, so the CO concentration in the hydrogen-rich gas supplied to the CO removal device 6 is higher than the predicted value. You can see that it is also high. On the contrary, when the deviation goes in the negative direction and the measured value is smaller than the predicted value, it means that the oxidation reaction of hydrogen with a small calorific value is being carried out a lot, so that the hydrogen-rich gas in the hydrogen gas supplied to the CO removing device 6 is It can be seen that the CO concentration is lower than the predicted value.
【００４８】このように、水素の酸化反応とＣＯの酸化
反応との発熱量の差を考慮して、ＣＯ除去装置６の温度
の予測値と実測値の差より、ＣＯセンサを用いずにＣＯ
濃度を推定することができるのでコストを低減し、かつ
精度の高い推定を行うことができる。また、供給するガ
ス量に応じて予測値を算出するので、ＣＯ除去装置６の
入力負荷に応じてＣＯ濃度を高精度で推定することがで
きる。このとき、予測値の環境温度に対する補正を行う
ことで、外乱的要因の温度変化に対応した予測値を求め
ることができる。As described above, in consideration of the difference in heat generation amount between the oxidation reaction of hydrogen and the oxidation reaction of CO, the difference between the predicted value and the measured value of the temperature of the CO removing device 6 indicates that the CO sensor is not used.
Since the concentration can be estimated, cost can be reduced and highly accurate estimation can be performed. Further, since the predicted value is calculated according to the supplied gas amount, the CO concentration can be estimated with high accuracy according to the input load of the CO removal device 6. At this time, the predicted value corresponding to the temperature change due to the disturbance factor can be obtained by correcting the predicted value with respect to the environmental temperature.
【００４９】このように、求めた予測値に対して実測値
が高いほどＣＯの酸化反応が多く生じていると判断し
て、ＣＯ除去装置６に供給されるＣＯ濃度が高いと推定
し、反対に低いほど水素の酸化反応が多く生じていると
判断してＣＯ濃度が低いと推定する。これにより、ＣＯ
濃度推定をテーブルデータ化することができ、ＣＰＵの
計算速度向上とメモリ領域の節約ができる。また、推定
されたＣＯ濃度に応じて供給する空気量を調整すること
で、水素リッチガス中のＣＯ除去を適切に行うことがで
きる。In this way, it is judged that the higher the actually measured value with respect to the obtained predicted value, the more the CO oxidation reaction occurs, and it is estimated that the CO concentration supplied to the CO removing device 6 is high. The lower the value is, the more the hydrogen oxidation reaction is determined to be, and the lower the CO concentration is estimated. As a result, CO
The density estimation can be made into table data, and the calculation speed of the CPU can be improved and the memory area can be saved. Further, by adjusting the amount of air to be supplied according to the estimated CO concentration, CO in hydrogen-rich gas can be appropriately removed.
【００５０】次に、第２の実施形態について説明する。
ここでは、ＣＯ濃度の測定をＣＯ除去装置６内の温度分
布により行う。Next, a second embodiment will be described.
Here, the CO concentration is measured by the temperature distribution in the CO removing device 6.
【００５１】本実施形態に用いる燃料電池システムの構
成を、第１の実施形態に用いた構成と同様のものとす
る。但し、ここで用いる温度測定装置７は、図４に示す
ような温度分布を測定するものとする。温度測定装置７
は少なくともＣＯ除去装置６の入口、中央、出口の３箇
所を、ここではガスの流れ方向に均等に８箇所の温度を
測定可能な構成とする。このような構成にすることで、
ＣＯ除去装置６内のガスの流れ方向についての温度分布
を測定することができ、後述する最高温度点を測定する
ことができる。The structure of the fuel cell system used in this embodiment is the same as that used in the first embodiment. However, the temperature measuring device 7 used here measures the temperature distribution as shown in FIG. Temperature measuring device 7
Has a structure capable of measuring temperatures at least at three points of the inlet, center, and outlet of the CO removing device 6, and here at eight points evenly in the gas flow direction. With this configuration,
The temperature distribution in the flow direction of the gas in the CO removing device 6 can be measured, and the maximum temperature point described later can be measured.
【００５２】このような燃料電池システムにおいて、Ｃ
Ｏ濃度を推定するための制御を図６のフローチャートを
用いて説明する。In such a fuel cell system, C
The control for estimating the O concentration will be described with reference to the flowchart of FIG.
【００５３】ステップＳ２０において、温度測定装置７
を用いてＣＯ除去装置６内の温度分布を測定する。この
温度分布は、例えば、図５に示したような山型の分布と
なる。これは、ＣＯの酸化反応、または水素の酸化反応
に応じてＣＯ除去装置６内の温度が上昇し、供給した空
気中の酸素が無くなり酸化反応が終了すると温度が下が
るためである。このような測定結果から、ステップＳ２
１においては、最高温度点距離ｒを求める。ここの最高
温度点距離ｒは、入口から温度が最高点になる位置まで
の距離である。In step S20, the temperature measuring device 7
Is used to measure the temperature distribution in the CO removing device 6. This temperature distribution is, for example, a mountain-shaped distribution as shown in FIG. This is because the temperature in the CO removing device 6 rises in response to the CO oxidation reaction or the hydrogen oxidation reaction, and when the oxygen in the supplied air is exhausted and the oxidation reaction ends, the temperature decreases. From such measurement results, step S2
In 1, the maximum temperature point distance r is obtained. The maximum temperature point distance r here is the distance from the inlet to the position where the temperature becomes the maximum point.
【００５４】ステップＳ２２に進み、水素ガス流量計１
４によりＣＯ除去装置６に供給される水素リッチガス流
量を測定する。ステップＳ２３において、最高温度点距
離ｒと水素リッチガス流量からＣＯ除去装置６の出口Ｃ
Ｏ濃度を求める。In step S22, the hydrogen gas flow meter 1
The flow rate of the hydrogen rich gas supplied to the CO removing device 6 is measured by the method of 4. In step S23, the outlet C of the CO removing device 6 is determined from the maximum temperature point distance r and the hydrogen-rich gas flow rate.
Determine the O concentration.
【００５５】ここで、出口ＣＯ濃度を求めるために、予
め最高温度点距離ｒと水素リッチガス流量から出口ＣＯ
濃度を一意的に決定する図７のようなマップをコントロ
ールユニット８に記憶させておく。図７に示すように、
水素リッチガス流量が多くなるとＣＯ流量も増加するの
で、出口ＣＯ濃度は高くなる。また、最高温度点距離ｒ
が小さくなると、つまりは酸素が無くなり酸化反応が短
時間で終了してしまうということなので、出口ＣＯ濃度
が高くなる。Here, in order to obtain the outlet CO concentration, the outlet CO is previously calculated from the maximum temperature point distance r and the hydrogen rich gas flow rate.
A map as shown in FIG. 7 for uniquely determining the density is stored in the control unit 8. As shown in FIG.
Since the CO flow rate increases as the hydrogen rich gas flow rate increases, the outlet CO concentration increases. Also, the maximum temperature point distance r
Is smaller, that is, oxygen is exhausted and the oxidation reaction is completed in a short time, so the outlet CO concentration is increased.
【００５６】このようなマップ（図７）は水素リッチ流
量毎に最高温度点距離ｒと出口ＣＯ濃度を測定すること
で求めることができる。ある水素リッチガス流量におけ
る最高温度点距離ｒと出口ＣＯ濃度の関係を図８、図９
に示す。図８は、水素リッチガス流量が少ない場合を、
図９は水素リッチガス流量が多い場合を表している。こ
のような最高温度点距離ｒに対する出口ＣＯ濃度を水素
リッチガス流量毎に求めることで、前述のようなマップ
を得ることができる。図８、図９におけるＣＯ濃度はＣ
Ｏセンサ等でも求められるが、ここでは第１の実施形態
におけるＣＯ濃度の推定制御を用いて水素リッチガス中
のＣＯ濃度を推定し、これと供給する空気量から酸化さ
れるＣＯ量を求めることから出口ＣＯ濃度を推定する。
これにより、精度のよいマップを用いることができる。
また、このようなマップを用いることで、ＣＯ濃度推定
の行程を短縮することができるので計算速度の向上とメ
モリ領域の節約ができる。Such a map (FIG. 7) can be obtained by measuring the maximum temperature point distance r and the outlet CO concentration for each hydrogen rich flow rate. 8 and 9 show the relationship between the maximum temperature point distance r and the outlet CO concentration at a certain hydrogen-rich gas flow rate.
Shown in. FIG. 8 shows the case where the flow rate of the hydrogen rich gas is small,
FIG. 9 shows a case where the flow rate of hydrogen-rich gas is high. By obtaining the outlet CO concentration with respect to the maximum temperature point distance r for each hydrogen-rich gas flow rate, the map as described above can be obtained. CO concentration in FIGS. 8 and 9 is C
Although it can be obtained by an O sensor or the like, here, the CO concentration in the hydrogen-rich gas is estimated by using the CO concentration estimation control in the first embodiment, and the CO amount to be oxidized is obtained from this and the supplied air amount. Estimate the outlet CO concentration.
Thereby, an accurate map can be used.
Further, by using such a map, the process of CO concentration estimation can be shortened, so that the calculation speed can be improved and the memory area can be saved.
【００５７】次に、このような出口ＣＯ濃度推定制御を
用いた酸素含有ガス、例えば空気の供給流量の制御方法
を図１０のフローチャートを用いて説明する。Next, a method of controlling the supply flow rate of the oxygen-containing gas, for example, air using such outlet CO concentration estimation control will be described with reference to the flowchart of FIG.
【００５８】ステップＳ３０において、水素リッチガス
流量計１４により水素リッチガス流量の変化量を計測す
る。ここでは、燃料電池１に要求される出力の変化より
水素リッチガス流量の変化を算出してもよい。ステップ
Ｓ３１において、計測した変化量が過渡状態を示す所定
値Ｓ1以上であるかどうかを判断する。所定値Ｓ1以上で
あれば過渡状態と判断し、ステップＳ３９に進み、水素
リッチガス流量からＣＯ除去装置６に供給されるＣＯ流
量を推定し、ステップＳ４０において、そのＣＯ推定量
に応じて空気流量を算出する。In step S30, the hydrogen rich gas flow meter 14 measures the amount of change in the hydrogen rich gas flow rate. Here, the change in the hydrogen-rich gas flow rate may be calculated from the change in the output required for the fuel cell 1. In step S31, it is determined whether or not the measured amount of change is equal to or greater than a predetermined value S 1 indicating a transient state. If it is equal to or more than the predetermined value S 1 , it is judged to be in a transient state, the process proceeds to step S39, the CO flow rate to be supplied to the CO removing device 6 is estimated from the hydrogen rich gas flow rate, and the air flow rate is determined in accordance with the CO estimated amount in step S40. To calculate.
【００５９】一方、ステップＳ３１において、変化量が
所定値Ｓ1より小さければ定常状態と判断し、ステップ
Ｓ３２に進む。ステップＳ３２では、前述の出口ＣＯ濃
度推定制御を用いてＣＯ除去装置６の出口ＣＯ濃度を推
定する。On the other hand, if the amount of change is smaller than the predetermined value S 1 in step S31, it is determined to be a steady state, and the process proceeds to step S32. In step S32, the outlet CO concentration of the CO removal device 6 is estimated using the outlet CO concentration estimation control described above.
【００６０】ステップＳ３３において、出口ＣＯ濃度が
燃料電池１に供給するための許容範囲を示す所定値Ｓ2
以下であるかどうかを判断する。所定値Ｓ2より大きい
場合には、ＣＯが十分に除去されていないと判断して、
ステップＳ３８に進む。ステップＳ３８では、前回決定
した空気流量に所定値Ｑ1を加算したものを空気流量と
して算出する。In step S33, a predetermined value S 2 indicating the allowable range for the outlet CO concentration to be supplied to the fuel cell 1
Determine if: If it is larger than the predetermined value S 2, it is judged that CO is not sufficiently removed,
It proceeds to step S38. At step S38, the ones obtained by adding a predetermined value Q 1 to the air flow rate previously determined for calculating the air flow rate.
【００６１】一方、ステップＳ３３において、出口ＣＯ
濃度が所定値Ｓ2以下であれば、供給する水素リッチガ
ス流量から後述の目標最高温度点距離Ｒを求める。On the other hand, in step S33, the outlet CO
If the concentration is equal to or lower than the predetermined value S 2 , a target maximum temperature point distance R described later is obtained from the supplied hydrogen rich gas flow rate.
【００６２】ここで、図１１に示すように、水素リッチ
ガス流量が一定の時は、空気流量に応じて最高温度点距
離ｒが変化する。水素リッチガス流量に対して空気流量
が不足する場合（点線）には、最高温度点は入口側に、
過剰の場合（一点破線）には出口側に位置する傾向があ
る。これらに対し、空気流量の適正時(実線)ではＣＯ除
去が十分に酸化させた時点で酸素も無くなるので、消費
水素量を低減できる。Here, as shown in FIG. 11, when the hydrogen-rich gas flow rate is constant, the maximum temperature point distance r changes according to the air flow rate. When the air flow rate is insufficient for the hydrogen rich gas flow rate (dotted line), the maximum temperature point is on the inlet side,
In the case of excess (dashed line), it tends to be located on the exit side. On the other hand, when the air flow rate is appropriate (solid line), oxygen disappears when CO is sufficiently oxidized to remove hydrogen, and thus the amount of hydrogen consumed can be reduced.
【００６３】そこで、水素リッチガス流量毎に適正時の
最高温度点距離（目標最高温度点距離Ｒ）を測定し、図
１２に示すようなマップを作り予め記憶させておき、ス
テップＳ３３において水素ガス流量計１４の出力に応じ
て目標最高温度点距離Ｒを決定する。ここで、図１２に
示すように、目標温度最高点距離Ｒは水素リッチガス流
量に応じて増加するが、水素リッチガス流量が小さい領
域では増加率が大きく、流量が大きい領域では増加率が
小さくなっている。Therefore, the maximum temperature point distance at a proper time (target maximum temperature point distance R) is measured for each hydrogen rich gas flow rate, a map as shown in FIG. 12 is created and stored in advance, and the hydrogen gas flow rate is calculated in step S33. The target maximum temperature point distance R is determined according to the output of the total 14. Here, as shown in FIG. 12, the target temperature maximum point distance R increases according to the hydrogen-rich gas flow rate, but the increase rate is large in the region where the hydrogen-rich gas flow rate is small, and the increase rate is small in the region where the flow rate is large. There is.
【００６４】次に、ステップＳ３５において、出口ＣＯ
濃度推定制御（図３）におけるステップＳ２１で求めた
最高温度点距離ｒから目標最高温度点距離Ｒを引いた値
が、例えば水素消費の許容範囲を表す所定値Ｓ3以下で
あるかどうかを判断する。所定値Ｓ3以下であればステ
ップＳ３７に進み、前回の空気流量をそのまま維持す
る。所定値Ｓ3より大きければ、水素が過剰に消費され
ていると判断し、ステップＳ３６に進み、前回の空気流
量より所定値Ｑ2を減算したものを空気流量として算出
する。このようにすることで、酸化反応する水素量を低
減することができる。Next, at step S35, the outlet CO
Determine whether a value obtained by subtracting the target maximum temperature point distance R from the highest temperature point distance r calculated in Step S21 is for example less than a predetermined value S 3 represents the allowable range of hydrogen consumption in the concentration estimation control (Fig. 3) To do. If it is less than or equal to the predetermined value S 3 , the process proceeds to step S37, and the previous air flow rate is maintained as it is. If it is larger than the predetermined value S 3, it is determined that the hydrogen is excessively consumed, and the process proceeds to step S 36, and the air flow rate is calculated by subtracting the predetermined value Q 2 from the previous air flow rate. By doing so, the amount of hydrogen that undergoes the oxidation reaction can be reduced.
【００６５】このように、ステップＳ３６、Ｓ３７、Ｓ
３８またはＳ４０において空気流量を決定したら、ステ
ップＳ４１に進み、空気流量に応じてコンプレッサの回
転数、流量調整バルブ５の開度を制御し、このような制
御を所定時間毎に繰り返す。ここで、制御開始直後に
は、「前回の空気流量」は燃料電池１の負荷に応じた理
論値等で代用する。In this way, steps S36, S37, S
When the air flow rate is determined at 38 or S40, the process proceeds to step S41, the rotation speed of the compressor and the opening degree of the flow rate adjusting valve 5 are controlled according to the air flow rate, and such control is repeated every predetermined time. Immediately after the control is started, the "previous air flow rate" is replaced with a theoretical value or the like according to the load of the fuel cell 1.
【００６６】このように、ＣＯ濃度推定制御により推定
したＣＯ濃度を用いてＣＯが十分に除去されているかを
判断し、次に消費水素量が許容範囲かどうかを判断し
て、ＣＯ除去装置６への空気流量を制御することで、Ｃ
Ｏの除去効果および水素の消費抑制効果をバランスよく
両立できる。また、ＣＯ除去装置６の温度と供給される
水素リッチガス流量に応じたＣＯ濃度を予め記憶させて
おくことで、運転時には温度と流量を測定することでＣ
Ｏ濃度の推定に要する時間を短縮することができる。こ
のとき、予め記憶させておくＣＯ濃度も、ＣＯ除去装置
６の温度により推定するので精度のよい推定を行うこと
ができる。As described above, it is determined whether CO is sufficiently removed using the CO concentration estimated by the CO concentration estimation control, and then it is determined whether the consumed hydrogen amount is within the allowable range, and the CO removing device 6 C by controlling the air flow rate to
The effect of removing O and the effect of suppressing hydrogen consumption can be well balanced. Further, by pre-storing the CO concentration according to the temperature of the CO removing device 6 and the flow rate of the supplied hydrogen-rich gas, the temperature and the flow rate can be measured during operation to measure C
The time required to estimate the O concentration can be shortened. At this time, the CO concentration stored in advance is also estimated from the temperature of the CO removing device 6, so that the estimation can be performed with high accuracy.
【００６７】ここで、本実施形態では、ＣＯ除去装置６
が一段のものについて説明したが、複数段のものに対し
ても適用できる。このとき、ＣＯ除去装置６の段数分だ
けＣＯセンサを不要とすることができるのでコストを低
減することができる。このように、本発明は上記実施の
形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載
した技術思想の範囲以内で様々な変更が成されることは
言うまでもない。Here, in the present embodiment, the CO removing device 6
However, it is also applicable to a plurality of stages. At this time, the CO sensors can be eliminated for the number of stages of the CO removing device 6, so that the cost can be reduced. As described above, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are made within the scope of the technical idea described in the claims.
【図１】第１、２の実施形態に用いる燃料電池システム
の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system used in first and second embodiments.
【図２】第１の実施形態における制御のシステム図であ
る。FIG. 2 is a system diagram of control in the first embodiment.
【図３】第１の実施形態における制御のフローチャート
である。FIG. 3 is a flowchart of control in the first embodiment.
【図４】第２の実施形態に用いる温度測定装置の概略図
である。FIG. 4 is a schematic view of a temperature measuring device used in the second embodiment.
【図５】ＣＯ除去装置内の温度分布を示す特性図であ
る。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a temperature distribution in a CO removing device.
【図６】第２の実施形態におけるＣＯ濃度推定のフロー
チャートである。FIG. 6 is a flowchart of CO concentration estimation in the second embodiment.
【図７】第２の実施形態におけるＣＯ濃度の推定マップ
である。FIG. 7 is a CO concentration estimation map according to the second embodiment.
【図８】水素リッチガス流量が小さい時の最高温度点距
離と出口ＣＯ濃度の関係図である。FIG. 8 is a relationship diagram between the maximum temperature point distance and the outlet CO concentration when the hydrogen-rich gas flow rate is small.
【図９】水素リッチガス流量が大きい時の最高温度点距
離と出口ＣＯ濃度の関係図である。FIG. 9 is a relationship diagram between the maximum temperature point distance and the outlet CO concentration when the flow rate of hydrogen-rich gas is large.
【図１０】第２の実施形態における酸素含有ガス流量の
制御方法を示したフローチャートである。FIG. 10 is a flow chart showing a method for controlling the flow rate of oxygen-containing gas in the second embodiment.
【図１１】酸素含有ガス流量に対するＣＯ除去装置内の
温度分布の変化の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of changes in temperature distribution in the CO removing apparatus with respect to the oxygen-containing gas flow rate.
【図１２】水素リッチガス流量に対する目標最高温度点
距離を示す特性図である。FIG. 12 is a characteristic diagram showing a target maximum temperature point distance with respect to a hydrogen-rich gas flow rate.
１ 燃料電池 ２ 改質装置 ３ 空気供給手段 ４ 燃料供給装置 ５ 流量調整バルブ ７ 温度測定装置 ８ コントロールユニット １３ ＣＯ酸化酸素供給系（酸素含有ガス供給手段） １４ 水素リッチガス流量計 １５ 空気流量計 １６ 外温度センサ 1 fuel cell 2 reformer 3 Air supply means 4 Fuel supply device 5 Flow control valve 7 Temperature measuring device 8 control unit 13 CO oxidized oxygen supply system (oxygen-containing gas supply means) 14 Hydrogen rich gas flow meter 15 Air flow meter 16 Outside temperature sensor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 育宏 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 橋ヶ谷 浩昭 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB31 EB43 5H027 AA02 BA01 BA16 KK21 KK31 KK41 MM08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Ikuhiro Taniguchi Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan Inside the automobile corporation (72) Inventor Hiroaki Hashigaya Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan Inside the automobile corporation F term (reference) 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB31 EB43 5H027 AA02 BA01 BA16 KK21 KK31 KK41 MM08
Claims (9)
のＣＯを除去するＣＯ除去手段と、 水素リッチガスを前記ＣＯ除去手段に供給する水素リッ
チガス供給手段と、 流量を制御した酸素含有ガスを前記ＣＯ除去手段に供給
する酸素含有ガス供給手段と、 ＣＯを除去した水素リッチガスを燃料として発電を行う
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、 前記ＣＯ除去手段の温度を測定する温度測定手段と、 前記温度測定手段の出力から水素リッチガスのＣＯ濃度
を推定するＣＯ濃度推定手段と、を備えたことを特徴と
する燃料電池システム。1. A CO removing means for removing CO in hydrogen-rich gas produced by a reforming reaction, a hydrogen-rich gas supplying means for supplying hydrogen-rich gas to the CO-removing means, and an oxygen-containing gas whose flow rate is controlled by the CO-containing gas. A fuel cell system comprising: an oxygen-containing gas supply means for supplying to a removing means; and a fuel cell for generating electricity using a hydrogen-rich gas from which CO has been removed as a fuel, and temperature measuring means for measuring the temperature of the CO removing means, CO concentration estimating means for estimating the CO concentration of the hydrogen-rich gas from the output of the temperature measuring means, the fuel cell system.
ス流量を測定する水素リッチガス流量計と、 前記ＣＯ除去手段に供給する酸素含有ガス流量を測定す
る酸素含有ガス流量計と、 前記ＣＯ除去器内で生じる水素リッチガス中のＣＯの酸
化反応と、水素の酸化反応により発生する熱量を、水素
リッチガス流量と酸素含有ガス流量から算出して、前記
ＣＯ除去手段の温度を予測する温度予測手段と、を備
え、 前記ＣＯ濃度推定手段は、前記温度予測手段による予測
値と、前記温度測定手段による測定値との差から、前記
水素リッチガスのＣＯ濃度を推定する請求項１に記載の
燃料電池システム。2. A hydrogen-rich gas flow meter for measuring the flow rate of hydrogen-rich gas supplied to the CO removal means, an oxygen-containing gas flow meter for measuring the flow rate of oxygen-containing gas supplied to the CO removal means, and the inside of the CO remover. And an amount of heat generated by the oxidation reaction of hydrogen in the hydrogen-rich gas, which is calculated from the hydrogen-rich gas flow rate and the oxygen-containing gas flow rate, and a temperature predicting means for predicting the temperature of the CO removing means. The fuel cell system according to claim 1, wherein the CO concentration estimating unit estimates the CO concentration of the hydrogen-rich gas from a difference between a predicted value by the temperature predicting unit and a measured value by the temperature measuring unit.
予測手段による予測値より高い場合には水素リッチガス
中のＣＯ濃度が予測される濃度より高いと推定し、前記
測定値が前記予測値より低い場合にはＣＯ濃度が予測さ
れる濃度より低いと推定する請求項２に記載の燃料電池
システム。3. When the measured value by the temperature measuring means is higher than the predicted value by the temperature predicting means, it is estimated that the CO concentration in the hydrogen-rich gas is higher than the predicted concentration, and the measured value is higher than the predicted value. The fuel cell system according to claim 2, wherein when it is low, the CO concentration is estimated to be lower than the expected concentration.
度センサと、 前記環境温度に応じて、前記ＣＯ除去手段の温度の予測
値を補正する請求項２または３に記載の燃料電池システ
ム。4. The fuel cell system according to claim 2, wherein a temperature sensor that measures the environmental temperature of the CO removing means, and a predicted value of the temperature of the CO removing means is corrected according to the environmental temperature.
のＣＯを除去するＣＯ除去手段と、 水素リッチガスを前記ＣＯ除去手段に供給する水素リッ
チガス供給手段と、 流量を制御した酸素含有ガスを前記ＣＯ除去手段に供給
する酸素含有ガス供給手段と、 ＣＯを除去した水素リッチガスを燃料として発電を行う
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、 前記ＣＯ除去手段内の水素リッチガスの流れ方向につい
ての温度分布を測定する温度分布測定手段と、 前記ＣＯ除去手段に供給する水素リッチガス流量を測定
する水素リッチガス流量計と、 前記ＣＯ除去手段の入口から前記ＣＯ除去手段内の最高
温度を示す位置までの距離を最高温度点距離とした時
に、前記水素リッチガス流量と前記最高温度点距離に基
づいて、前記ＣＯ除去手段の出口の出口ＣＯ濃度を決定
する出口ＣＯ濃度推定マップと、 前記出口ＣＯ濃度推定マップを用いて前記測定した最高
温度点距離と水素リッチガス流量とから出口ＣＯ濃度を
推定するＣＯ濃度推定手段と、を備えることを特徴とす
る記載の燃料電池システム。5. A CO removal means for removing CO in the hydrogen-rich gas produced by the reforming reaction, a hydrogen-rich gas supply means for supplying the hydrogen-rich gas to the CO removal means, and an oxygen-containing gas whose flow rate is controlled by the CO-containing gas. A fuel cell system comprising: an oxygen-containing gas supply means for supplying to a removing means; and a fuel cell for generating electricity by using a hydrogen-rich gas from which CO has been removed as a fuel, wherein a temperature in a flow direction of the hydrogen-rich gas in the CO removing means is provided. A temperature distribution measuring means for measuring the distribution, a hydrogen rich gas flow meter for measuring the flow rate of the hydrogen rich gas supplied to the CO removing means, and a distance from the inlet of the CO removing means to a position indicating the maximum temperature in the CO removing means Is the maximum temperature point distance, the CO removal based on the hydrogen-rich gas flow rate and the maximum temperature point distance. An outlet CO concentration estimation map for determining the outlet CO concentration at the outlet of the stage, and a CO concentration estimation means for estimating the outlet CO concentration from the measured maximum temperature point distance and the hydrogen rich gas flow rate using the outlet CO concentration estimation map The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
除去装置の少なくとも入口、出口、中央付近の３箇所の
温度を測定する請求項５に記載の燃料電池システム。6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the temperature distribution measuring means measures the temperature of at least three points of the carbon monoxide removing device at an inlet, an outlet, and a central portion.
に供給できるＣＯ濃度の許容範囲より大きいときに、前
記ＣＯ除去手段に供給する酸素含有ガス流量を増加する
請求項５または６記載の燃料電池システム。7. The fuel according to claim 5, wherein the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the CO removing means is increased when the estimated outlet CO concentration is higher than the allowable range of the CO concentration that can be supplied to the fuel cell. Battery system.
れ、かつ、水素消費が抑えられているときの最高温度点
距離を目標最高温度点距離とし、水素リッチガス流量毎
の目標最高温度点距離を示した最高温度点距離マップを
備え、 前記温度分布測定手段により測定した最高温度点距離
と、前記最高温度点距離マップにより求めた目標最高温
度点距離との差が許容範囲外のときに前記酸素含有ガス
流量を抑制する請求項７に記載の燃料電池システム。8. A target maximum temperature point distance is defined as a maximum temperature point distance when CO in hydrogen-rich gas is sufficiently removed and hydrogen consumption is suppressed, and a target maximum temperature point distance is calculated for each hydrogen-rich gas flow rate. The maximum temperature point distance map shown is provided, and the oxygen when the difference between the maximum temperature point distance measured by the temperature distribution measuring means and the target maximum temperature point distance obtained by the maximum temperature point distance map is outside the allowable range. The fuel cell system according to claim 7, wherein the flow rate of the contained gas is suppressed.
化触媒を直列に並べることにより構成する請求項１から
８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。9. The fuel cell system according to claim 1, wherein the CO removing means is configured by arranging a plurality of CO selective oxidation catalysts in series.
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