JP2003272680A

JP2003272680A - 燃料電池システムおよび燃料電池車

Info

Publication number: JP2003272680A
Application number: JP2002078510A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Nakaji; 義晴中路
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱と発電のバランスをとることのできる燃料
電池システムを提供する。【解決手段】改質器６で生成した水素リッチガスを燃料
とする燃料電池システムにおいて、燃料電池９に要求さ
れる発電量が所定量より小さい待機モードでは、要求さ
れる発電量と発熱量に応じて、改質装置に供給する燃
料、空気、水の各流量を制御する。要求発電量が小さ
く、発熱量が大きい時には、空気量を増大して改質器６
内で酸化反応を生じて燃料電池システム１内の発熱を促
進する。このとき、改質触媒層６ａ内の流路面積を縮小
することで、局所的に高温となるのを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システム、特
に燃料電池システムに用いる改質反応器およびその制御
手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池システムとしては、特開
２００１−２２４１０５号公報のようなものが知られて
いる。これは、燃料電池で発電した電気でモータを駆動
して走行する自動車に関するものであるが、しばらくの
間電力を要求されないと判断されたとき、燃料電池をス
タンバイモードで運転するとしている。スタンバイモー
ドとは、出力される電力を非常に小さい所定値に制御し
たモード、すなわち燃料電池用の燃料消費を抑制しつ
つ、燃料電池の温度が低下して再び暖機が必要となるの
を防止する程度の電力を出力するモードである。

【０００３】

【発明が解決しようとしている問題点】上記従来技術で
は、しばらくの間、燃料電池システムをスタンバイモー
ドで運転する場合として停車中等をあげている。しかし
ながら、停車中等における消費電力量はヘッドライトや
ブレーキランプ、エアコン、オーディオ等の電気機器、
電子機器の使用状況に応じて異なる。例えば、それらの
電子機器・電気機器を一切使用していない場合には、消
費電力は極めて小さいと考えられる。

【０００４】また、外気温度が極めて低い場合は、燃料
電池の温度低下が急速であると考えられる。そのため、
燃料電池システムを再び暖機する必要がない程度に、そ
の温度を維持するには余分な熱量を必要とする。

【０００５】このように、発熱と発電のバランスは、燃
料電池を含むシステムの使用状況や環境によって変化す
る。ところが、上記従来技術ではそのことに対する考慮
がなされていないので、そのバランスが不適当な状態で
運転され、すなわち燃料を浪費したり暖機が必要となっ
たりするおそれがある。

【０００６】そこで本発明は、発熱量と発電量のバラン
スをとることのできる燃料電池システムを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】第１の発明は、改質装
置において生成した水素リッチガスを燃料とする燃料電
池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に
要求される発電量が所定量より小さいときを待機モード
とし、前記待機モードでは、前記燃料電池システムに要
求される発電量と発熱量に応じて、前記改質装置に供給
する燃料量、酸化剤量、水量の少なくとも一つを制御す
る制御手段を備えた。

【０００８】第２の発明は、第１の発明において、前記
燃料電池システムに要求する発熱量を外気温に応じて演
算する発熱量演算手段を備えた。

【０００９】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記制御手段では、前記待機モード時に、前記燃料
電池に要求される発電量が所定量より小さく、且つ、前
記燃料電池システムに要求される発熱量が所定量より大
きい場合に、前記改質装置に供給する酸化剤量を増大す
る。

【００１０】第４の発明は、第３の発明において、前記
制御手段では、前記待機モード時に、前記燃料電池に要
求される発電量が所定量より小さく、且つ、前記燃料電
池システムに要求される発熱量が所定量より大きい場合
に、前記改質装置の流路面積を縮小する。

【００１１】第５の発明は、第１から４のいずれか一つ
の発明において、前記制御手段では、前記待機モード時
に、要求される発電量が所定量より大きい場合には低出
力運転を行い、要求される発電量が所定量以下、且つ、
要求される発熱量が所定量より大きい場合には前記改質
装置において発熱重視の運転を行い、要求される発電量
が所定量以下、且つ、要求される発熱量が所定量以下の
場合は運転を停止する。

【００１２】第６の発明は、改質装置において生成した
水素リッチガスを燃料とする燃料電池システムと、燃料
電池システム以外の第２の電力源とを備えた燃料電池車
において、前記燃料電池システムに要求される発電力を
前記燃料電池車に搭載した電子機器および電気機器の使
用状況に応じて算出する発電量算出手段と、前記燃料電
池システムに要求される発熱量を前記燃料電池車の外気
温度に応じて算出する発熱量算出手段と、前記燃料電池
車に要求される電力が所定値より小さい待機モード時
に、前記発電量算出手段と前記発熱量算出手段の出力に
応じて前記燃料電池システムの運転を変更する運転制御
手段と、を備えた。

【００１３】

【作用及び効果】第１の発明によれば、待機モードで
は、燃料電池システムに要求される発電量と発熱量に応
じて改質装置に供給する燃料量、酸化剤量、水量の少な
くとも一つを制御することにより、発電量と発熱量のバ
ランスのとれた運転を行うことができる。

【００１４】第２の発明によれば、燃料電池システムに
要求する発熱量を外気温に応じて演算する発熱量演算手
段を備えることで、外気温が低い場合に燃料電池システ
ムの温度が急速に低下するのを防ぐことができる。

【００１５】第３の発明によれば、待機モード時に、燃
料電池に要求される発電量が所定量より小さく、且つ、
燃料電池システムに要求される発熱量が所定量より大き
い場合に、改質装置に供給する酸化剤量を増大すること
で、発熱反応である改質燃料や水素の酸化反応を促進す
ることができるので、不必要な発電による燃料消費をさ
け、効率良く必要な発熱量を確保することができる。

【００１６】第４の発明によれば、待機モード時に、燃
料電池に要求される発電量が所定量より小さく、且つ、
燃料電池システムに要求される発熱量が所定量より大き
い場合に、改質装置の流路面積を小さくすることで、改
質装置を通過する流量が少なく、且つ発熱よりの反応を
行わせる場合にも、発熱を伴う反応が局所的に進行して
改質装置を劣化させることを防ぐことができる。

【００１７】第５の発明によれば、待機モード時に、要
求される発電量が所定量より大きい場合には低出力運転
を行い、要求される発電量が所定量以下、且つ、要求さ
れる発熱量が所定量より大きい場合には改質装置におい
て発熱重視の運転を行い、要求される発電量が所定量以
下、且つ、要求される発熱量が所定量以下の場合は運転
を停止することにより、発電量と発熱量のバランスのと
れた運転を行うことができる。

【００１８】第６の発明によれば、燃料電池システムに
要求される発電力を燃料電池車に搭載した電子機器およ
び電気機器の使用状況に応じて算出する発電量算出手段
と、燃料電池システムに要求される発熱量を燃料電池車
の外気温度に応じて算出する発熱量算出手段と、燃料電
池車に要求される電力が所定値より小さい待機モード時
に、燃料電池システムに要求される発電量と発熱量に応
じて燃料電池システムの運転を変更する運転制御手段
と、を備えたことで、燃料電池車の要求する電力が小さ
い場合にも、燃料電池車の使用状況や環境に応じて発電
量と発熱量のバランスをとることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】第１の燃料電システムを用いる燃
料電池車の概略構成を図１に示す。

【００２０】制御部３では、図示しないアクセル開度等
の運転に関わる信号によりモータ４の運転条件を決定す
る。決定された運転条件に応じて、燃料電池システム
１、または、燃料電池システム１以外の電力源であるバ
ッテリー２を動力源として、モータ４を稼動する。モー
タ４で発生した機械的な動力は動力伝導部５を経て車輌
の走行に利用される。

【００２１】次に、このような燃料電池車に搭載する燃
料電池システム１の概略構成を図２に示す。

【００２２】流量を調整した燃料、例えばオクタン等の
炭化水素燃料と水や空気との混合ガスを改質器６に供給
する。改質器６では部分酸化反応、または水蒸気改質反
応、または部分酸化反応と水蒸気改質反応をバランスさ
せたＡＴＲ反応により水素リッチな改質ガスを生成す
る。改質器６が水蒸気改質反応によるものである場合に
は、通常運転時には改質原料として空気を必要としない
が、後述する本発明の作用のために空気を供給可能な構
成としている。この改質ガス中には、後流に配置した燃
料電池９の性能の劣化原因となる一酸化炭素（以下、Ｃ
Ｏ）が含まれている。そこで、生成された改質ガスをＣ
Ｏ低減部７に供給して、改質ガスのＣＯ濃度を低減す
る。

【００２３】ＣＯ低減部７では、ＣＯと水を反応させる
ことにより二酸化炭素と水素を得る。ここで、ＣＯ低減
部７で十分にＣＯを低減するためには、ＣＯ低減部７の
容積を十分大きくする必要があり、その結果、システム
のサイズや重量が膨大になるという問題がある。そこ
で、ＣＯ低減部７の下流にＣＯ除去部８を配置して、Ｃ
Ｏを選択的に酸化反応させ、燃料電池９を被毒するおそ
れがない二酸化炭素に変化させる。ＣＯ濃度の低減に必
要な水および空気は、ＣＯ低減部７、ＣＯ除去部８の上
流側から、それぞれで必要とする流量だけ適宜供給す
る。生成された改質ガスを燃料電池９の燃料極に供給し
て、空気極に供給した空気中の酸素と反応することによ
り起電力を生じる。

【００２４】このような燃料電池システム１を搭載した
車輌において、走行による消費電力が小さくバッテリー
２のみで電力を補うことができる場合、例えば停車中や
消費電力が極めて小さい場合（以下、待機モード）の燃
料電池システム１の制御方法を図３のフローチャートを
用いて説明する。

【００２５】ステップＳ１において、車輌に要求される
発電量や、燃料電池システム１の温度維持に要求される
発熱量を測定または算出する。発電量は、使用中の電気
機器、電子機器等の使用状況に応じて求める。発熱量は
外気温や車速等に応じて求めることができる。ここで
は、燃料電池システムの温度と外気温により、燃料電池
システムの温度が暖機を必要とする程度まで低下しない
ように発熱量を設定する。

【００２６】このように、必要な発電量を電気機器、電
子機器に用いる電力から算出することで、燃料電池車に
おける電力の使用状況に応じて発電量を設定することが
できる。また、必要な発熱量を外気温に応じて求めるこ
とで、外気温が低い時に、燃料電池システム１の温度が
急速に低下することにより、再び暖機する必要が生じる
のを防ぐことができる。

【００２７】ステップＳ２において、要求される発熱量
および発電量と所定量との比較を行う。ステップＳ２に
おいて、発電量が所定量より大きい場合にはステップＳ
３に進み、燃料電池システム１をスタンバイモードで運
転する。ここで、スタンバイモードとは、燃料電池シス
テム１を所定の低出力状態に維持する運転モードのこと
をさす。待機モード時に要求される発電量が所定値より
大きな場合には、このスタンバイモードで運転すること
により、必要な電力、例えば電子機器や電気機器により
要求される電力を賄うことができる。また、低出力運転
を維持することにより燃料電池システム１の温度を維持
することができるので、走行に要する電力を燃料電池シ
ステム１に要求されても速やかに対応することができ
る。

【００２８】ステップＳ２において、発電量および発熱
量が共に所定量以下の場合には、ステップＳ４に進み、
バッテリー２の電源だけで消費電力をまかなう休止モー
ドで運転される。これは、例えば電子機器、電気機器に
よる消費電力が極めて小さく、また燃料電池システム１
が暖機状態であり、且つ、暖機状態が維持され易い環境
下にある場合等である。例えば、コントローラ等の必要
最低限の機器だけが運転される場合などを休止モードと
する。このときは、燃料電池システム１の出力は０であ
り、電力はバッテリー２から供給される。あるいは走行
中であっても、バッテリー２が満充電に近い状態であ
り、かつ走行に必要なエネルギーが比較的小さい場合に
は、休止モードとしてバッテリー２による走行を行って
もよい。

【００２９】ステップＳ２において、必要な発電量が所
定量以下であり必要な発熱量が所定量より大きい場合に
は、ステップＳ５に進み、燃料電池システム１を構成す
る各反応器に必要な発熱量を計算する。これは例えば、
燃料電池システム１の環境温度が低く、温度を維持する
ために暖機を必要とするような場合等である。燃料電池
システム１では反応器毎に動作温度が異なり断熱条件も
異なるため、一般に必要な発熱量も反応器毎に異なる。

【００３０】ステップＳ５において、各反応器に必要な
発熱量を計算したら、ステップＳ６に進み、燃料をどれ
だけ有効に熱に変換できるのかを考慮して燃料総量を計
算する。ここでは燃料から有効に熱を生じさせるため
に、本来の改質器６の機能である改質反応よりも、発熱
反応である燃料や改質で生成した水素の酸化反応を優先
させる。これは、改質器６に供給する酸化剤量、ここで
は空気量を増大することにより実現することができる。
このとき、それぞれの触媒の性能により上流から送られ
てきた燃料や改質ガスをどれだけ有効に熱にできるかが
異なってくるため、各反応器で燃料をどれだけ有効に熱
にするかを考慮する必要がある。

【００３１】燃料総量を計算したら、ステップＳ７に進
み、燃料量に対して各反応器で必要な空気量を計算す
る。ステップＳ８において、計算により得られた燃料量
および空気量を供給するように制御部３で制御する。

【００３２】本実施形態では、待機モード時に、要求さ
れる発電量が所定量より大きい場合には低出力運転を行
い、要求される発電量が所定量以下、且つ、要求される
発熱量が所定量より大きい場合には改質触媒層６ａにお
いて発熱重視の運転を行い、要求される発電量が所定量
以下、且つ、要求される発熱量が所定量以下の場合は運
転を停止することにより、発電量と発熱量のバランスを
とることができるので消費燃料量を低減することができ
る。

【００３３】このように、必要な発電量、発熱量に応じ
て燃料電池システム１の運転状態を切替えて、必要な電
力、熱量を補うことができる。特に、燃料電池システム
１の運転を、例えば車輌に搭載する際には使用する電気
機器、電子機器による電力の消費や、暖機が必要かどう
かを判断する環境温度に応じて制御するので、燃料電池
９を含む燃料電池システム１の発熱と発電のバランスを
とることができる。また、発電量は十分で、発熱量のみ
が不足する時には、燃料や改質により生じた水素等の酸
化反応を積極的に行うことで、効率よく熱を発生するこ
とができる。

【００３４】なお、図２の燃料電池システム１の概略構
成図では、通常運転を想定して各反応器の入口に水や空
気を導入することを記しているが、以上で説明したよう
な発電重視の運転時には、改質のための水を導入しなく
てもよい。このとき、改質器６では発熱反応である酸化
反応や部分酸化反応を生じるので、燃料電池システム１
における暖機をさらに促進することができる。

【００３５】次に、第２の実施形態における燃料電池シ
ステム１の構成を図４に示す。ここで、燃料電池システ
ム１を搭載する燃料電池車の概略構成、および、燃料電
池システム１の運転制御は、第１の実施形態と同様で、
図１および図３に示す。

【００３６】本実施形態では、改質器６に流路面積調整
部１０を設ける。この流路面積調整部１０は、図５に示
すように改質器６を構成する改質触媒層６ａの直前にバ
ルブ１１を配置することにより構成する。

【００３７】図３の制御フローチャートにおいて、ステ
ップＳ２における必要発電量・発熱量判定の際に、発熱
のみが必要であると判断されてステップＳ５に進んだ場
合には、このバルブ１１を閉じて改質触媒層６ａに供給
される燃料ガスの流路面積を小さくする。

【００３８】改質触媒層６ａにはプレートフィンが挿入
されており、燃料ガスの流れる方向は一方向に制限され
る。そこで、バルブ１１により改質触媒層６ａに燃料ガ
スが供給される面積を小さくする、つまり改質触媒層６
ａ内の流路面積を小さくすることで、燃料ガスの流速を
比較的大きくすることができる。

【００３９】ここで一般に、発熱反応を伴う反応器内で
は、反応ガス（ここでは燃料ガス）の流れ方向に関する
温度分布が図６に示した点線のようになる。つまり、反
応器（ここでは改質触媒層６ａ）の入口付近で反応の大
部分が進み温度が上昇し、出口に向かうにしたがい反応
ガスが減少するので温度が低下する。この入口付近の温
度が触媒の耐熱温度を超えないようにガスの組成や流量
を調整することが理想であるが、本実施形態にように比
較的少ないガスを主に発熱反応となるような組成で流す
場合にはこの調整が困難である。このような場合、反応
器内のガスの流れを速くすることで、入口付近の発熱反
応を抑えて出口付近での発熱反応を促進することができ
るので、温度分布を図６の実線で表したような比較的な
だらかなものに調整できる。

【００４０】そこで、前述したように改質触媒層６ａに
おいて発熱重視の運転を行う場合には、改質触媒層６ａ
の直前に配置したバルブ１１により改質触媒層６ａ内の
流路面積を小さくすることで、改質触媒層６ａ内での燃
料ガスの流速を増大することができ、燃料ガスの流れ方
向に対する温度勾配をなだらかにすることができる。そ
の結果、急峻な温度上昇を防ぐことができるので、局所
的に過熱されることにより触媒が劣化するのを防ぐこと
ができる。

【００４１】第３の実施形態における燃料電池システム
１を説明する。本燃料電池システム１を搭載する車輌の
構成、待機モード時の燃料電池システム１の制御方法
は、第１の実施形態と同様とする。また、燃料電池シス
テム１の概要は第２の実施形態と同様に、図４に示した
構成とする。

【００４２】本実施形態で用いる流路面積調整部１０の
構成を図７に示す。ここでは、流路面積調整部１０に燃
料や水の混合ガスからなる燃料ガスに空気を混入するミ
キサ機能を併せ持たせる。

【００４３】流路面積調整部１０を、燃料ガスに空気を
混入するミキサパイプ１２により構成する。ここでは、
燃料ガスの流れ方向（図７における破線）に対して垂直
に５本のミキサパイプ１２ａ〜ｅを配置する。ミキサパ
イプ１２の断面は略楕円形状で、例えば、図７において
は上側の隣り合う三つのミキサパイプ１２ａ〜ｃを連動
して回転可能とする。ここで、回転するミキサパイプを
１２ａ〜ｃとしているが、他のものでもよく、また回転
可能とした数を三本としたが、流路全体を完全に塞ぐの
を避ければ適宜回転するミキサパイプ１２を設定するこ
とができる。

【００４４】通常運転時には、すべてのミキサパイプ１
２について、その長軸が燃料ガスの流れと平行になるよ
うに配置する。ミキサパイプ１２の内部には空気が供給
され、燃料ガスの流れに対向する方向に空気の供給孔１
６が設けられている。この供給孔１６から燃料ガスの流
れと反対方向（図７における実線）に向けて、燃料ガス
中に空気を噴出してミキシングを行う。

【００４５】このように、燃料ガスの流れに逆らうよう
に空気を噴射することで、ミキシングの性能を向上する
ことができる。ここで、図８に流れに対してミキサパイ
プ１２から逆噴射した場合の混合状態を示す。ここで
は、ミキサパイプ１２の断面を円形としているが、楕円
としても同様の傾向が得られる。図８において、図の上
方から流入するガスに逆らう方向にミキサパイプ１２か
ら空気が噴出し、ガスと空気が混ざり合って下流方向
（図の下方）へ流れていく。

【００４６】このような燃料電池システム１において、
図３のステップＳ５において発熱重視の制御を行うとき
には、図９に示すようにミキサパイプ１２ａ〜ｃを回転
させて流路面積を縮小する。ここでは、例えばミキサパ
イプ１２の中心間の距離を長軸の長さと等しくし、長軸
が燃料ガスの流れに対して垂直となるように９０°回転
させて燃料ガスの流量面積を縮小する。これにより、ミ
キサパイプ１２が回転したときに、３本のミキサパイプ
１２の遮る流路面積に対しては、ほぼ完全に流れをせき
止めることができる。つまり、図９においては、流路面
積をほぼ３／５に縮小することができる。ミキサパイプ
１２の回転機構としては、通常の電動モータを用いても
よいし、油圧による駆動でもよい。

【００４７】また、流路面積を縮小して新たに流路を形
成する際には、片側、図９においては下方側に一本の流
路を形成することで、流路面積調整部１０から改質触媒
層６ａに至るまでの燃料ガスの拡散を抑制することがで
きる。ミキサパイプ１２と改質触媒層６ａとの距離が特
に大きいときは、図１０に示すように、ミキサパイプ１
２の下流側の燃料ガスが供給される部分とそれ以外の部
分との間に、燃料ガスの流れ方向に平行に仕切り板１３
を備えることで改質触媒層６ａの流路面積を確実に制限
することができる。

【００４８】このように、改質器６が本来備える機能部
品に流路面積を制限する機能を併せ持たせることで、改
質触媒層６ａが局所的に高温となるのを防ぐことができ
る。ここでは、改質触媒層６ａの上流側に配置したミキ
サパイプ１２のを、その断面を略楕円形とし、かつ、回
転可能とするだけで、改質触媒層６ａ内の燃料ガス流速
を調整して、発熱反応により生じる反応器内の温度勾配
を抑制することができる。また、流路面積調整部１０で
あるミキサパイプ１２と改質触媒層６ａとの間に流路面
積の制限を保持する仕切り板１３を設けることで、確実
に流路面積を調整することができる。

【００４９】ここで、ミキサパイプ１２の断面を楕円型
としているが、回転により流路を塞ぐ形状であればよ
い。ただし、通常運転時には燃料ガスの流れの中に配置
されるので、流れの抵抗となるのを防ぐために流線型で
あることが望ましい。

【００５０】第４の実施形態を図１１を用いて説明す
る。

【００５１】第３の実施形態のミキサパイプ１２の構成
において、ミキサパイプ１２を１つおきに回転可能とし
た。これにより、改質触媒層６ａ中での熱の伝導が十分
でない場合、つまり、燃料ガスが流れる部分と流れない
部分との間に温度差が生じて歪みが生じるような場合、
燃料ガスの通る流路を分散することにより発熱の偏りを
低減することができる。このとき、ミキサパイプ１２を
回転することにより遮られる面積を確保するために仕切
り板１３を供える。ここでは、隣り合う仕切り板１３の
距離をミキサパイプ１２の長軸長さとし、ミキサパイプ
１２が回転することによりミキサパイプ１２の下流に燃
料ガスが流れこめないように配置する。これにより、ミ
キサパイプ１２と改質触媒層６ａとの間で燃料ガスが拡
散するのを防ぐことができる。

【００５２】あるいは、ミキサパイプ１２の回転を、各
ミキサパイプ１２で独立して回転可能とすることで、供
給される燃料ガス流量に応じて流路面積を段階的に調整
することができる。

【００５３】次に、第５の実施形態における燃料電池シ
ステム１を説明する。第２の実施形態の燃料電池車およ
び燃料電池システム１の構成と、制御方法と同様とし
て、流路面積調整部１０を図１２〜１６のように構成し
た。

【００５４】図１２は、通常運転時における流路面積調
整部１０の構成を示している。燃料ガスの流れ方向（図
１２における破線矢印）に垂直に、４本のミキサパイプ
１４を備える。ここで、ミキサパイプ１４の断面を円形
状としたが、この限りではなく楕円形状としてもよい。

【００５５】ミキサパイプ１４の下流には邪魔板１５を
配置する。ここで邪魔板１５は図１３に示すような、多
数の丸い穴（以下開口部１５ｃ）が開けられた板により
構成する。また、板のサイズを、邪魔板１５を流路内に
配置したときに燃料ガスが開口部１５ｃのみを通過する
ように構成する。邪魔板１５は燃料ガスの流路断面積内
に配置し、燃料ガスを部分的に減速させることで、ガス
と空気の分散・混合を促進させる。

【００５６】一部の燃料ガスは、開口部１５ｃでないと
ころにあたってよどみ、減速する。このような邪魔板１
５を燃料ガスの流れ中に１枚設けることでも、燃料ガス
を減速させてガスと空気の混合を促進させることができ
るが、複数枚、ここでは２枚の邪魔板１５を流れに沿っ
て設けることでさらにその効果を大きくすることができ
る。

【００５７】上流側に配置した第１邪魔板１５ａの構成
を図１４に、下流側に配置した第２邪魔板１５ｂの構成
を図１３に示す。図１３、１４はそれぞれの邪魔板１５
を上流側からみたときの構成図である。

【００５８】第２邪魔板１５ｂを一枚の板から構成する
のに対して、第１邪魔板１５ａを２枚の板（以下、板部
１５ａ₁、１５ａ₂）から形成する。ここでは、第１の邪
魔板１５ａを構成する板部１５ａ₁、１５ａ₂を同形状と
し、左右に並べることにより１枚の邪魔板１５を形成す
る。このように２枚の板部１５ａ₁、１５ａ₂を同形状と
することで、製造を容易にする。

【００５９】また、第１邪魔板１５ａの開口部１５ｃの
位置と第２邪魔板１５ｂの開口部１５ｃの位置を互い違
いにする。例えば、図１４において第１邪魔板１５ａの
開口部１５ｃを実線で、第２邪魔板１５ｂの開口部１５
ｃを破線で表したとき、それぞれの開口部１５ｃが重な
らないように形成する。これにより、上流側の邪魔板１
５ｂを通過した流れが、下流側の邪魔板１５ｃにぶつか
るので、邪魔板１５を通過する全ての燃料ガスについて
速度を変化させることができ、空気と燃料ガスの混合を
促進することができる。このとき開口部１５ｃの面積を
大きくとる、つまり第１邪魔板１５ａと第２邪魔板１５
ｂを重ねた時に各開口部１５ｃが接するように開口部１
５ｃを形成することで、燃料ガスの流量が多いときにも
その流れを確保することができる。

【００６０】このような邪魔板１５を配置し、図１５に
示すように第１邪魔板１５ａの一方の板部１５ａ₁を燃
料ガスの流れに沿って、第２邪魔板１５ｂに密着する位
置まで移動可能とする。第１邪魔板１５ａの駆動は油圧
やソレイド等の電磁アクチュエータを用いる。

【００６１】図３のフローチャートのステップＳ５にお
いて発熱重視の制御を行う際には、図１５のように板部
１５ａ₁を第２邪魔板１５ｂまで移動する。移動した時
の邪魔板１５の斜視図を図１６に示す。これにより、板
部１５ａ₁が重なった部分の開口部１５ｃをふさぐこと
ができるので、流路面積を縮小することができる。ここ
では、板部１５ａ₁を第２邪魔板１５ｂの面積の半分と
したので流路面積は１／２に縮小されるが、板部１５ａ
₁の面積を変えることで縮小の程度を変えることができ
る。

【００６２】このように、混合機能を備えた邪魔板１５
を移動可能とするだけで、流路面積を縮小することがで
きるので、改質触媒層６ａ中の燃焼ガスの速度を増大
し、触媒が局所的に高温となるのを防ぐことができる。
また、図１７に示すように、邪魔板１５の下流に仕切り
板１３を配置することで、さらに確実に流路面積を制限
することができる。

【００６３】また、邪魔板１５に密着した多数の孔の形
成された板をスライドすることにより、流路面積を調整
することもできるが、このときには、邪魔板１５の他に
スライド専用の板を配置する必要がある。

【００６４】第６の実施形態の構成を図１８に示す。第
５の実施形態において、第１邪魔板１５ａをさらに細か
く分割した板部１５ａ₃〜₇により形成した。ここでは５
枚の板部１５ａ₃〜₇より形成し、板部１５ａ₂、１５ａ₄
を移動可能とした。燃料電池システム１に発熱のみが要
求されたときに、移動可能の板部１５ａ₂、１５ａ₄を第
２邪魔板１５ｂに密着させることにより流路面積を縮小
することができる。このとき、移動する板部１５ａ₂、
１５ａ₄を例えば一つおきとして、燃料ガスの通る流路
を流路断面内に分散することで、発熱の偏りを低減する
ことができる。また、板部１５ａ₂、１５ａ₄より縮小さ
れる面積を維持するために仕切り板１３を供えること
で、第２邪魔板１５ｂと改質触媒層６ａとの間で燃料ガ
スが拡散するのを防ぐことができる。

【００６５】あるいは、各板部１５ａ₃〜₇を独立して移
動可能とすることで、供給される燃料量に応じて流路面
積を段階的に調整することができるので、改質触媒層６
ａ内の燃料ガスの流速をさらに適切に制御することがで
きる。

【００６６】第２から５の実施形態においては、流路面
積調整部１０を改質器６の一部としたが、改質器６外に
配置してもよい。ただし、このときにも改質触媒６ａの
流路面積を制限できる構成とする必要がある。

【００６７】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の
範囲内で様々な変更が成されることは言うまでもない。

【００６８】例えば、上記実施形態では改質器６につい
て説明しているが、ＣＯ低減部７ならびにＣＯ除去部８
についても同様に、燃料量、酸化剤量、水量の少なくと
もひとつを制御したり、さらに流路面積を縮小してもよ
い。すなわち、発熱を伴う反応を行うことが可能な反応
器であれば、本発明の対象となる。

【００６９】また燃料電池スタックも発電に伴って発熱
するので、外気温に応じて要求する発熱量にスタックに
よる発熱量を考慮することも有効である。

【００７０】さらに、通常の燃料電池システムは、燃料
電池スタックで使い切れなかった水素を燃焼させるため
の排水素燃焼器を備えているので、排水素燃焼器で生じ
た熱を燃料電池システムの保温に利用できるような構成
とした上で、燃料電池スタックに必要発電量相当量を上
回る水素を供給して排水素燃焼器に余剰の水素が供給さ
れるようにし、排水素燃焼器の発熱でバランスをとるよ
うにしてもよい。

【００７１】あるいは、要求される発電量が極めて小さ
く、燃料電池スタックでの発電が必要不可欠でない場合
には、ＣＯ除去部８からの水素リッチなガスを燃料電池
スタックに送らずにバイパスして直接排水素燃焼器で燃
焼させるようにしてもよい。この場合には燃料電池スタ
ックがＣＯで被毒する心配がないので、ＣＯ低減部７や
ＣＯ除去部８の運転条件は、ＣＯ濃度の制約を受けず
に、発熱のバランスだけを考慮した運転条件とすること
ができる。

【００７２】なお、ＣＯ除去部８については、前述のと
おりＣＯ低減部７でのＣＯ低減性能と、システムのサイ
ズ、重量とのバランスを考慮して設けているものである
から、ＣＯ低減部７で十分にＣＯ濃度を低減できる場合
には、ＣＯ除去部８が省略された構成であっても、本発
明を適用することは可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における燃料電池システムを搭
載する車輌の概略構成図である。

【図２】第１の実施形態における燃料電池システムの概
略区政図である。

【図３】第１の実施形態における燃料電池システムの制
御を表すフローチャートである。

【図４】第２の実施形態における燃料電池システムの概
略構成図である。

【図５】第２の実施形態における流路面積調整部の構成
図である。

【図６】第２の実施形態における改質触媒内の温度分布
を示す図である。

【図７】第３の実施形態における流路面積調整部の構成
図である。

【図８】第３の実施形態におけるミキサパイプによるミ
キシングの効果を示す説明図である。

【図９】第３の実施形態で発熱のみが要求される際の流
路調整部の状態を示す図である。

【図１０】第３の実施形態で仕切り板を設けた場合の流
路調整部の構成図である。

【図１１】第４の実施形態における流路面積調整部の構
成図である。

【図１２】第５の実施形態における流路面積調整部の構
成図である。

【図１３】第５の実施形態における第２邪魔板の形状を
示す図である。

【図１４】第５の実施形態における第１邪魔板の形状を
示す図である。

【図１５】第５の実施形態で発熱のみが要求される際の
流路調整部の状態を示す図である。

【図１６】第５の実施形態で発熱のみが要求される際の
邪魔板の状態を示す図である。

【図１７】第５の実施形態で仕切り板を設けた場合の流
路面積調整部の構成図である。

【図１８】第６の辞し形態における流路面積調整部の構
成図である。

【符号の説明】

１燃料電池システム２バッテリー（燃料電池システム以外の電力源）６改質器９燃料電池１０流路面積調整部１１バルブ１２ミキサパイプ１５邪魔板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 ＧＦターム(参考） 4G140 EA03 EA06 EA07 EB32 EB43 5H027 AA02 BA01 BA16 BA17 DD00 KK41 KK52 MM12 5H115 PA12 PC06 PG04 PI18 PI29 PU01 QE12 QN04 SE06 SJ11 TO05 TO14 TU11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質装置において生成した水素リッチガス
を燃料とする燃料電池を備えた燃料電池システムにおい
て、前記燃料電池に要求される発電量が所定量より小さいと
きを待機モードとし、前記待機モードでは、前記燃料電池システムに要求され
る発電量と発熱量に応じて、前記改質装置に供給する燃
料量、酸化剤量、水量の少なくとも一つを制御する制御
手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記燃料電池システムに要求する発熱量を
外気温に応じて演算する発熱量演算手段を備えた請求項
１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記制御手段では、前記待機モード時に、
前記燃料電池に要求される発電量が所定量より小さく、
且つ、前記燃料電池システムに要求される発熱量が所定
量より大きい場合に、前記改質装置に供給する酸化剤量を増大する請求項１ま
たは２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記制御手段では、前記待機モード時に、
前記燃料電池に要求される発電量が所定量より小さく、
且つ、前記燃料電池システムに要求される発熱量が所定
量より大きい場合に、前記改質装置の流路面積を縮小する請求項３に記載の燃
料電池システム。
【請求項５】前記制御手段では、前記待機モード時に、
要求される発電量が所定量より大きい場合には低出力運
転を行い、要求される発電量が所定量以下、且つ、要求される発熱
量が所定量より大きい場合には前記改質装置において発
熱重視の運転を行い、要求される発電量が所定量以下、且つ、要求される発熱
量が所定量以下の場合は運転を停止する請求項１から４
のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】改質装置において生成した水素リッチガス
を燃料とする燃料電池システムと、燃料電池システム以
外の第２の電力源とを備えた燃料電池車において、前記燃料電池システムに要求される発電力を前記燃料電
池車に搭載した電子機器および電気機器の使用状況に応
じて算出する発電量算出手段と、前記燃料電池システムに要求される発熱量を前記燃料電
池車の外気温度に応じて算出する発熱量算出手段と、前記燃料電池車に要求される電力が所定値より小さい待
機モード時に、前記発電量算出手段と前記発熱量算出手
段の出力に応じて前記燃料電池システムの運転を変更す
る運転制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池
車。