JP2003272681A

JP2003272681A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003272681A
Application number: JP2002066848A
Authority: JP
Inventors: Masashi Matoba; 雅司的場
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】改質システム内に水が存在する場合に、速やか
に昇温する燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質システムにおける改質反応により生成
した水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池３を
備えた燃料電池システムにおいて、起動時に、改質シス
テムを暖機する加熱ガスを生成する起動燃焼器１５と、
改質システムを暖機するのに必要な熱量を改質システム
内に付着する水または氷に応じて推定する熱量推定手段
５１、７０と、熱量推定手段５１、７０により推定した
熱量を供給する加熱ガスを生成するように起動燃焼器１
５に供給する燃料量および酸化剤量を制御する流量制御
手段２３、２５、７０とを備える。

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
に燃料改質システムの起動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電解質膜を挟んで一対の電極
が配置され、陰極側には水素含有ガスが供給されるとと
もに陽極側には酸素含有ガスが供給されることにより、
両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る構
成の燃料電池が知られている。こうした燃料電池には、
通常酸素含有ガスとして空気が用いられ、水素含有ガス
として炭化水素（例えばメタノール）を水蒸気改質する
ことにより生成される二酸化炭素と水素との混合ガスが
用いられる。

【０００３】水蒸気改質を行う改質システムには、改質
ガスを生成する改質反応器、改質ガス中のＣＯを除去す
るＣＯ除去器、改質反応器に供給する燃料を気化するエ
ネルギを生成する燃焼器等の触媒が充填された反応器が
用いられる。これらの反応器は、充填した触媒を活性状
態にして効率のよい反応を行うために、所定の範囲内の
温度に維持される必要がある。

【０００４】また、改質反応器内で進行するメタノール
の水蒸気改質反応は、メタノールガスおよび水蒸気の供
給を受けてメタノールガスの分解反応（ＣＨ₃ＯＨ→Ｃ
Ｏ＋２Ｈ₂−９０．０kj／mol）と一酸化炭素の変成反応
（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．５kj／mol）とを同
時に進行させる。改質反応器内の全体の反応（ＣＨ₃Ｏ
Ｈ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂−４９．５kj／mol）としては
二酸化炭素と水素の混合ガスである水素含有ガスが生成
されるものであり、全体として吸熱反応である。

【０００５】このように、改質システムにおいて効率の
よい反応を行うためには、燃料電池システム起動時に
は、改質システムを可能な限り急速に昇温させる必要が
ある。例えば、特開２００１−２７４０３号公報には起
動時の燃焼器の昇温方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
改質器システムを昇温する前には改質器システム内に水
が凝縮している可能性があり、さらに、改質器システム
が氷点下環境下に置かれた場合には、この凝縮水が凍結
していることも考えられる。このとき、改質システムの
昇温を行った場合、凝縮水の解凍、気化のために熱が奪
われ、改質器システムの起動時間が長くなるという問題
があった。

【０００７】そこで、本発明は、起動時に改質システム
内に水が存在する場合に、速やかに改質システムを昇温
できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】第１の発明は、改質シ
ステムにおける改質反応により生成した水素含有ガスを
燃料として発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システ
ムにおいて、前記改質システムを暖機する加熱ガスを生
成する燃焼器と、前記改質システムを暖機するのに必要
な熱量を前記改質システム内に付着する水または氷に応
じて推定する熱量推定手段と、前記推定手段により推定
した熱量を供給する加熱ガスを生成するように前記燃焼
器に供給する燃料量および酸化剤量を制御する流量制御
手段と、を備えた。

【０００９】第２の発明は、第１の発明において、前記
改質システムの温度を測定する温度センサを備え、前記
熱量推定手段は、前記温度センサにより測定された温度
の勾配に基づいて前記改質システムを暖機するのに必要
な熱量を推定する。

【００１０】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記改質システムの温度を測定する温度センサを備
え、前記熱量推定手段は、前記温度センサにより測定さ
れた温度が水の凝固点温度を保持していると判断される
時間に基づいて前記改質システムを暖機するのに必要な
熱量を推定する。

【００１１】第４の発明は、第２または３の発明におい
て、前記温度センサは前記改質システムを構成する反応
部の入口付近に配置した。

【００１２】第５の発明は、第４の発明において、起動
開始直後には、前記燃焼器において生成した全ての加熱
ガスを、前記温度センサを備えた反応部に供給する。

【００１３】第６の発明は、第５の発明において、前記
改質システムを複数の反応部から構成し、前記燃焼器に
供給する燃料量および酸化剤量を制御した後、前記燃焼
器からの加熱ガスを、前記改質システムを構成する反応
部のうち少なくとも２つの反応部に分配する。

【００１４】第７の発明は、第４から６のいずれか一つ
の発明において、前記改質システムは、原燃料を用いて
改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒を備
え、前記温度センサを備えた反応部を前記改質触媒とし
た。

【００１５】第８の発明は、第４から６のいずれか一つ
の発明において、前記改質システムは、原燃料を用いて
改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒と、前
記改質触媒により生成した水素含有ガス中のＣＯ濃度を
低減するＣＯ除去部と、を備え、前記温度センサを備え
た反応部を前記ＣＯ除去部とした。

【００１６】第９の発明は、第４から６のいずれか一つ
の発明において、前記改質システムは、原燃料を用いて
改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒と、前
記改質触媒により生成した水素含有ガス中のＣＯ濃度を
低減するＣＯ除去部と、前記燃料電池からの排ガスを燃
焼する燃焼触媒と、を備え、前記温度センサを備えた反
応部を前記燃焼触媒とした。

【００１７】

【作用及び効果】第１の発明は、改質システムを暖機す
るのに必要な熱量を改質システム内に付着する水または
氷に応じて推定して、推定した熱量を供給する加熱ガス
を生成するように燃焼器に供給する燃料量および酸化剤
量を制御することで、改質システム内に凝縮水または氷
が存在してもシステムの昇温遅れを抑制することができ
る。

【００１８】第２の発明によれば、温度センサにより測
定された温度の勾配に基づいて改質システムを暖機する
のに必要な熱量を推定し、それに基づいて供給する燃料
量および酸化剤量を制御することにより、起動時に改質
システムの温度が０℃以下の場合でも、改質システムの
昇温遅れを抑制することができる。

【００１９】第３の発明によれば、温度センサにより測
定された温度が水の凝固点温度を保持していると判断さ
れる時間に基づいて改質システムを暖機するのに必要な
熱量を推定し、それに基づいて供給する燃料量および酸
化剤量を制御することで、起動時に改質システムの温度
が０℃、且つ、氷結水分が付着していて加熱しても氷結
水分が融解するまで改質システムが昇温しない場合で
も、付着する氷を融解するための潜熱を検知することに
より改質システムの昇温遅れを抑制することができる。

【００２０】第４の発明によれば、反応部の入口付近に
配置した温度センサにより燃焼器に供給する燃料量およ
び酸化剤量を制御することで、起動初期時に水が気化さ
れる入口付近で検出するので、速やかに制御することが
できる。

【００２１】第５の発明は、起動開始直後には、燃焼器
において生成した全ての加熱ガスを、温度センサを配置
した反応部に供給することで、反応部入口付近の水を気
化するまでの時間を短縮することができるので、速やか
に燃焼器に供給する燃料量および酸化剤量を制御するこ
とができる。

【００２２】第６の発明は、燃焼器に供給する燃料量お
よび酸化剤量を制御した後、燃焼器からの加熱ガスを少
なくとも２つの反応部に分配することから、複数の反応
部の暖機を同時に行うことができるので、改質システム
全体の暖機を短時間で行うことができる。

【００２３】第７の発明は、温度センサを配置した反応
部を改質触媒とすることで、改質触媒を短時間で活性温
度まで昇温させて改質反応による改質ガスの生成を早期
に行うことができる。

【００２４】第８の発明は、温度センサを配置した反応
部をＣＯ除去部とすることで、改質システム内に凝縮水
が付着、凍結することにより生じる燃料電池へ改質ガス
を供給するまでの遅れ時間を短縮することができる。

【００２５】第９の発明は、温度センサを配置した反応
部を燃焼触媒とすることで、改質システム内に凝縮水が
付着、凍結する場合にも燃焼触媒を短時間で活性温度に
まで昇温させることにより、改質システム起動中に生成
される未燃燃料やＣＯの排出を抑制することができる。

【００２６】

【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。

【００２７】定常運転時に蒸発器１４に水と炭化水素系
燃料、例えばメタノールを供給するため、水タンク３
５、燃料タンク３６およびポンプ３３、３４を備える。
それぞれの供給流量はインジェクタ３７、３８により調
整する。蒸発器１４において、後述する触媒燃焼器９で
生成された熱を用いて水とメタノールを気化させる。

【００２８】気化した水とメタノールの混合ガスを改質
触媒１０に供給して、水蒸気改質反応により改質ガスを
生成する。改質ガスは中間熱交換器２９において、下流
に配置されたＣＯ除去器１１の許容する温度範囲に調整
される。

【００２９】ここでは、中間熱交換器２９およびＣＯ除
去器１１のそれぞれの温度を、冷却ポンプ４０により循
環させた冷却水により制御する。中間熱交換器２９およ
びＣＯ除去器１１へ供給する冷却水流量は、冷却流量調
整弁４７ａ、４７ｂにより調整する。また、冷却水の循
環路には冷却水の温度を調整する冷却装置４５を備え、
冷却水温度が高くなりすぎた時には、切替え弁３９によ
って冷却水を冷却装置４５に供給して温度を調整する。

【００３０】ＣＯ除去器１１において燃料電池３の劣化
原因となるＣＯを低減した後、切替え弁１２を介して燃
料電池３のアノード極４へ改質ガスを供給する。ここで
切替え弁１２は、ＣＯ除去器１１から排出されたガスを
燃料電池３と後述する混合器１３のどちらに供給するか
を制御する弁である。一方、燃料電池３のカソード極５
には、コンプレッサ１から空気を供給する。

【００３１】燃料電池３では、改質ガス中の水素と空気
中の酸素を用いた電気化学反応により起電力を生じる。
それぞれの電極４、５内の圧力は、それぞれの電極４、
５の下流側に配置した圧力調整バルブ３０、３１により
調整する。

【００３２】発電後、燃料電池３の両極からの排出ガス
は、混合器１３に供給されて均一に混合される。混合さ
れた排出ガスを触媒燃焼器９に供給して生成した高温ガ
スを、前述の蒸発器１４で水とメタノールを気化する熱
源として利用してから燃料電池システム外に排出する。

【００３３】混合器１３、改質触媒１０、ＣＯ除去器１
１にはコンプレッサ１より空気が供給され、その流量を
空気流量調整バルブ２３ａ、２３ｃ、２３ｄによって調
整する。また、起動時に改質システムを暖機する加熱ガ
スを生成する起動燃焼器１５を配置する。起動燃焼器１
５には第１燃料噴射機２４および第２燃料噴射機２５を
備える。起動燃焼器１５で生成した加熱ガスは改質触媒
１０、ＣＯ除去器１１、混合器１３（触媒燃焼器９）へ
供給が可能で、それぞれへの供給は燃焼ガス分配弁５
４、５５、５６により制御する。

【００３４】また、このような燃料電池システムを制御
するために、改質触媒１０、ＣＯ除去器１１、触媒燃焼
器９の入口付近にそれぞれ温度センサ５１、５２、５３
を配置し、それぞれの下流側には排ガス温度を測定する
ための排ガス温度センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃを配置
する。また、蒸発器１４からの排ガスの温度を測定する
ために蒸発器１４の下流側に排ガス温度センサ２１ｄ
を、ＣＯ除去器１１の下流には、ＣＯ除去が適正に行わ
れているかどうかを判断するためにＣＯセンサ２２を配
置する。これらの測定結果に基づき、コントロールユニ
ット７０で運転制御を行う。

【００３５】このような燃料電池システムにおける起動
運転について説明する。

【００３６】例えば、起動前に改質システムの温度が水
の凝固点温度Ｔｉ（℃）（ここでは０℃）未満の場合に
は、改質システム内に付着した水が凍結している場合が
ある。このとき水が付着していない場合に比べると、付
着している氷を融解点Ｔｉ（℃）（前述の凝固点に等し
い）まで昇温するための熱量、氷を融解するための熱
量、０℃の水を気化するための熱量の合計が起動時に余
分に必要となる熱量となる。改質システムの起動時間を
延長しないためには、これらの熱量を考慮して起動燃焼
器１５に供給するメタノールおよび空気の流量を調整す
る必要がある。

【００３７】そこで本実施形態では、改質触媒１０の入
口付近に温度センサ５１を配置し、入口付近の触媒中の
水を除去するまでの温度変化を温度センサ５１により検
出する。この検出結果から改質システム中に水が存在す
ることにより暖機に余分に必要となる熱量を求め、起動
燃焼器１５に供給するメタノールと空気の流量を制御す
る。以下、この計算方法を説明する。

【００３８】起動開始直後の上記の熱量の計算が終了す
るまでは、起動燃焼器１５に供給するメタノール流量を
Ｑｍ₁（kg／sec）、空気流量をＱａ₁（kg／sec）とし、
グロープラグ２７により着火して高温の燃焼ガスを生成
する。ここでは、各流量Ｑｍ ₁（kg／sec）、Ｑａ₁（kg
／sec）は水が付着していないときに、所定の起動時間
で改質システムの暖機を行うことのできる量とする。こ
のとき、起動燃焼器１５へは、酸素リッチな組成の混合
気となるようにメタノールおよび空気を供給してリーン
燃焼を行う。

【００３９】ここで図２に示すように、改質触媒１０の
全長をＬ₁（ｍ）とし、入口から温度センサ５１までを
Ｌ₂（ｍ）、温度センサ５１を配置した位置より上流側
を触媒上流部１０aとする。Ｌ₂はＬ₁に比べて非常に小
さく、つまり温度センサ５１を改質触媒１０の入口付近
に配置するので、改質システム全体の解凍、昇温よりも
触媒上流部１０ａの解凍、昇温は早い時点で行われる。
これにより、改質システム昇温の初期段階でメタノール
および空気の流量を算出することができる。

【００４０】ここで、図３に温度センサ５１により測定
される起動時間に対する触媒温度の変化を示す。

【００４１】改質触媒１０に水が付着していない場合に
は、触媒温度は温度勾配ｇ_bで上昇する。一方、起動前
の改質触媒１０の温度Ｔｓ（℃）が０℃より小さい場合
には、改質触媒１０に付着した氷は温度勾配ｇ_rで凝固
点Ｔｉまで上昇する。解凍時はほぼ氷点を維持し、解凍
後には温度勾配がｇ_rからｇ_bへ変化しながら再び上昇す
る。

【００４２】起動開始時から触媒上流部１０ａの除水が
終了し、改質触媒１０の温度勾配が水が付着していない
場合の勾配ｇ_bとなるまでの温度変化を温度センサ５１
により測定する。測定された温度勾配がｇ_bとなったら
温度センサ５１の測定結果を用いて、水が付着している
ために改質触媒１０の昇温に余分に必要となる熱量を演
算する。これから改質システム全体の昇温に必要となる
熱量を求め、起動燃焼器１５に供給するメタノールおよ
び空気の流量を調整する。

【００４３】最初に、起動開始から改質触媒１０に付着
した氷が融解点まで上昇するのに必要な熱量Ｈih（kj）
を求める。図３に示すように０℃より低い範囲では、温
度勾配ｇ_rで略直線的に温度が上昇する。ここで予め、
改質触媒１０に水が付着していない場合の温度上昇率ｇ
_bを測定しておき、勾配の低下割合Ｒｇ＝ｇ_r／ｇ_bを求
める。また、水が付着していない時の改質触媒１０の熱
容量ＨＣrc（kj／K）を予め求めておき、氷が付着して
いる時の改質触媒１０の熱容量ＨＣrci（kj／K）を次式
より求める。

【００４４】

【式１】よって、改質触媒１０に付着した氷を初期温度Ｔsから
融解点Ｔｉまで昇温させるために必要な熱量Ｈih（kj）
は次式のようになる。

【００４５】

【式２】改質触媒１０全体としてみれば熱容量がｇ_b／ｇ_r倍とな
り、０℃までの昇温に必要な熱量がＨih（kj）だけ増加
したことになる。このように、温度勾配の大小により起
動時に改質システムの温度が０度以下の場合でも、付着
する触媒層の熱容量の増加分を検知することにより余分
に必要となる熱量を推定することができる。

【００４６】次に、改質触媒１０に付着した氷を解凍す
るために必要な熱量Ｈim（kj）を求める。

【００４７】メタノールの流量をＱｍ₁（kg／sec）、空
気の流量をＱａ₁（kg／sec）とした時の起動燃焼器１５
における発熱量をＨsu（kj／sec）とする。ここで発熱
量Ｈsu（kj／sec）は、予め実験や計算で求めておき、
既知の値とする。また、図３に示すように温度センサ５
１の検出結果が０℃を維持する時間、つまり触媒上流部
１０に付着した氷を解凍するまでの時間をｔr（sec）と
する。

【００４８】ここで起動初期において、起動燃焼器１５
で生成される加熱ガスと改質触媒１０との温度差が十分
に大きいので、起動燃焼器１５で発生した熱は改質触媒
１０に十分に供給される。そのため、起動初期には加熱
ガスから供給される熱は触媒上流部１０aの氷の融解に
使われると仮定できる。これにより、触媒上流部１０ａ
の氷の融解に必要な潜熱Ｈim₀（kj）は次式のように表
される。

【００４９】

【式３】ここで、改質触媒１０の長さをＬ₁、改質触媒１０の入
口から温度センサ５１までの距離をＬ₂としているの
で、改質触媒１０全体の氷を解凍するのに必要な熱量Ｈ
imは次式のようになる。

【００５０】

【式４】このように、改質触媒１０に付着した全ての氷を解凍す
るには、Ｈim（kj）の熱量を増加する必要がある。シス
テム内の水（氷）が凝固点温度を保持していると判断さ
れる時間ｔｒ（sec）を求めることにより、付着してい
る氷が融解するための潜熱を検知することができる。

【００５１】次に、解凍した後に改質触媒１０に付着し
た水を気化するのに必要な熱量Ｈwvを求める。

【００５２】氷が融解した後では、温度センサ５１で検
知される温度上昇勾配ｇ_r0は温度上昇による水の気化に
伴って徐々にｇ_bに近づく。触媒上流部１０aの水が全て
気化された時点で、温度センサ５１により測定される温
度勾配はｇ_bとなる。

【００５３】水が付着している場合の改質触媒１０の熱
容量をＨＣrcw（kj／K）、微小時間Δｔ（sec）の間に
おける温度上昇量をΔＴ（℃）、そのときの温度上昇勾
配をΔｇ_r0とする。このとき、水が付着している場合の
改質触媒１０の熱容量ＨＣrcw（kj／K）と、水が付着し
ていない場合の改質触媒１０の熱容量ＨＣrc（kj／K）
との差は次式のように表すことができる。

【００５４】

【式５】これより、Δｔ（sec）間にΔＴ（℃）だけ温度上昇さ
せるとき、水の昇温、気化に必要となる熱量増加量をΔ
Ｈwv（kj）は、次式のように表される。

【００５５】

【式６】ここで、改質触媒１０を昇温させる過程では、触媒温度
が１００℃となる以前において気化する可能性が高く、
Δｇ_r0も０にならないと考えられるため、（５）式、
（６）式は水の昇温と気化を含んだ値となる。これによ
り、水が融解してから温度勾配ｇ_bとなるまでの時間を
ｔwv（sec）とすると、（６）式を０（sec）からｔwv
（sec）まで積算することにより改質触媒１０全体に付
着する水の昇温、気化に必要な熱量Ｈwvを算出すること
ができる。

【００５６】

【式７】よって、改質触媒１０全体に付着する水（氷）により増
加する、起動のために必要な熱量Ｈtrc（kj）は式
（２）、（４）、（７）の合計となる。

【００５７】

【式８】ここで、改質触媒１０だけではなく改質システム全体に
おいても改質触媒１０と同様に水（氷）が付着している
と考えると、改質システム全体の必要増加熱量Ｈｔ（k
j）は、改質触媒１０の内容積をＶrc（ｍ³）、昇温の対
象となる部位、ここでは、改質触媒１０とＣＯ除去器１
１、触媒燃焼器９の内容積の総和Ｖｔ（ｍ³）とする
と、次式のように表される。

【００５８】

【式９】水が付着していない時にメタノール流量Ｑｍ₁（kg／se
c）、および空気流量Ｑａ₁（kg／sec）で暖機して、所
定の温度まで昇温するのに必要な時間をｔ（sec）とす
る。このとき、０℃より低温の氷が付着している状態か
ら所定時間ｔ（sec）で起動するために供給するメタノ
ール流量Ｑｍ（kg／sec）、および空気流量Ｑａ（kg／s
ec）を以下のように設定することにより、氷の付着によ
る起動遅れを抑制することができる。

【００５９】

【式１０】このように、改質触媒１０の一部分に関して、水の付着
が原因で増加する必要熱量を演算することにより、改質
システム全体で増加する必要熱量を推定することがで
き、これより起動燃焼機１５に供給する燃料量および酸
化剤量を適当に制御することができる。

【００６０】次に、起動前に温度センサ５１で検出され
る温度Ｔｓ（℃）が０℃である場合の必要増加熱量Ｈtr
c（kj）を考える。

【００６１】改質触媒１０温度が０℃であると判断され
たときは、触媒表面に氷が凍結している可能性がある。
そこで必要増加熱量Ｈtrc（kj）は、０℃の氷を解凍す
るために必要な熱量Ｈim（kj）と０℃の水を気化するの
に必要な熱量Ｈwv（kj）の合計となる。

【００６２】

【式１１】ここで、Ｈim（kj）は式（４）で表される値、Ｈwv（k
j）は式（７）で表される値となる。このＨtrc（kj）を
式（９）に代入し、さらに式（１０）、（１１）に代入
することで、メタノール流量Ｑｍ（kg／sec）、空気流
量Ｑａ（kg／sec）を求めることができる。

【００６３】次に起動前に温度センサ５１で検出される
温度Ｔｓ（℃）が０℃より高い場合の必要増加熱量Ｈtr
c（kj）を考える。

【００６４】このときは、水が付着していない場合と比
べて、水を気化する分の熱量Ｈwv（kj）が必要増加熱量
Ｈtrc（kj）となる。

【００６５】

【式１２】上記の場合と同様に、式（１３）を式（９）、（１
０）、（１１）に代入することにより、メタノール流量
Ｑｍ（kg／sec）、空気流量Ｑａ（kg／sec）を求めるこ
とができる。

【００６６】このように、水（氷）が付着している際
に、その水の解凍、気化のために必要となる熱量に応じ
て、生成する加熱ガス量を変えることで起動時間が延び
るのを避けることができる。

【００６７】次に、上記の流量演算方法を用いた燃料電
池システムのコントロールユニット７０における起動制
御方法を図４に示すフローチャートを用いて説明する。

【００６８】ステップＳ１において、切替え弁１２を制
御することにより、ＣＯ除去器１１からの排出ガスの供
給先を、燃料電池３から混合器１３に切替える。ステッ
プＳ２において、起動燃焼器１５に備えたグロープラグ
２７に所定時間通電することにより、起動燃焼器１５の
稼動を可能な状態にする。ステップＳ３において、燃焼
ガス分配弁５４を開く。このとき、ＣＯ除去器１１およ
び起動燃焼器９への供給を調整する燃焼ガス分配弁５
５、５６は閉じておく。ステップＳ４において起動燃焼
器１５へ第１燃料噴射機２４により流量をＱｍ₁（kg／s
ec）に調整したメタノールを、また空気流量調整弁２３
ｂにより流量をＱａ₁（kg／sec）に調整した空気を供給
する。これにより、起動燃焼器１５で生成された燃焼ガ
スは全て改質触媒１０に供給される。

【００６９】次に、ステップＳ５において、起動開始時
の改質触媒１０の温度Ｔｓを温度センサ５１により測定
する。ステップＳ６において温度センサ５１を用いて改
質触媒１０の時間に対する温度勾配ｇを求め、ステップ
Ｓ７で温度勾配ｇが水が付着していないときの温度勾配
ｇ_bに達したかどうかを判断する。達していなければス
テップＳ６に戻り再び温度勾配ｇを求める。ステップＳ
７において、温度センサ５１で測定される温度勾配がｇ
_bとなったら、触媒上流部１０ａに付着する水の気化が
終了したということであり、図３のような温度変化を得
ることができる。これにより、上述した流量を求める演
算で必要であった温度勾配ｇ_r、Δｇ_r0、解凍時間ｔｒ
（sec）、昇温、気化時間ｔwv（sec）、微小時間Δｔ
（sec）での上昇温度ΔＴ（℃）が得られる。

【００７０】ステップＳ８において、起動開始温度Ｔｓ
（℃）と０℃とを比較する。起動開始温度Ｔｓ（℃）が
０℃より小さければ、ステップＳ９に進み、０℃以下の
氷を解凍、気化するのに必要な熱量（Ｈih、Ｈim、Ｈwv
を用いて求めたＨｔ）を求める。起動開始温度Ｔｓ
（℃）が０℃であれば、ステップＳ１０に進み、０℃の
氷を解凍、気化するのに必要な熱量（Ｈim、Ｈwvを用い
て求めたＨｔ）を求める。起動開始温度Ｔｓ（℃）が０
℃より大きければ、ステップＳ１１に進み、水を昇温、
気化するのに必要な熱量（Ｈwvを用いて求めたＨｔ）を
求める。

【００７１】ステップＳ１２に進み、ステップＳ９また
は１０または１１で求めた必要熱量増加量Ｈｔ（kj）を
式（１０）、（１１）に代入して、起動時間ｔ（sec）
で暖機するための供給メタノール流量Ｑｍ、供給空気流
量Ｑａを算出する。

【００７２】ここで、ステップＳ４からステップＳ１２
までの供給メタノール流量および供給空気量を算出する
際の改質システム内のガスの流れを図５に示す。燃焼ガ
スは、起動燃焼器１５から改質触媒１０、中間熱交換器
２９、ＣＯ除去器１１、混合器１３、触媒燃焼器９、蒸
発器を流れシステム外部に排出される。

【００７３】ステップＳ１３に進み、燃焼ガス分配弁５
４、５５、５６を調整して改質触媒１０、ＣＯ除去部１
１、触媒燃焼器９へそれぞれ燃焼ガスを分配供給する。
これにより、改質触媒１０、ＣＯ除去部１１、触媒燃焼
器９を同時に昇温させて改質システム全体の昇温を行う
ことができるので、暖機時間を短く設定することができ
る。ここで、燃焼ガスの分配割合は、例えば各触媒の容
積に応じて設定する。

【００７４】ステップＳ１４において、第１燃料噴射機
２４および空気流量調整弁２３ｂを制御して起動燃焼器
１５に供給するメタノールおよび空気流量を調整する。
ステップＳ１５において改質触媒１０の下流に配置した
排ガス温度センサ２１ａにより改質触媒１０が活性温度
に達したかどうかを判断する。起動燃焼器１５に供給す
る各流量Ｑｍ（kg／sec）、Ｑａ（kg／sec）は改質触媒
１０を基準に設定したので、改質触媒１０が活性温度に
達するのは暖機を開始してからｔ（sec）後程度とな
る。

【００７５】ここで、ステップＳ１３からＳ１５に示し
た改質システム、特に改質触媒１０の暖機運転における
燃焼ガスの流れを図６に示す。燃焼ガスは起動燃焼器１
５から改質触媒１０、ＣＯ除去器１１、混合器１３（触
媒燃焼器９）に分配され、各装置を加熱する。このよう
に、複数の反応器に燃焼ガスを供給することで、同時に
暖機することができ、改質システム全体の暖機を短時間
で行うことができる。ここでは、特に高温雰囲気下で活
性状態となる触媒を充填した反応器に燃焼ガスを分配す
るので、暖機に時間のかかる触媒を充填した反応器の起
動時間を短縮することができる。

【００７６】改質触媒１０が活性温度に達したらステッ
プＳ１６に進み、燃焼ガス分配弁５５、５６を閉じてＣ
Ｏ除去器１１、触媒燃焼器９に燃焼ガスを供給するのを
停止する。また、燃料ガス分配弁５４を調整することに
より改質触媒１０へ燃焼ガスを供給する。ステップＳ１
７において、起動燃焼器１５へのメタノールおよび空気
供給量を増加する。ここでメタノール流量の増加は第２
燃料噴射機２５により調整し、空気流量の増加は空気流
量調整弁２３ｂにより調整する。このとき、メタノール
と空気の供給割合をメタノールリッチに調整させ、改質
触媒１０において発熱反応である部分酸化反応を生じさ
せる。またＣＯ除去器１１および触媒燃焼器９に空気を
供給する。

【００７７】ここで、改質触媒１０は部分酸化反応によ
りさらに昇温するので、ＣＯ除去器１１に供給される改
質ガスも高温となる。また、ＣＯ除去器１１では改質触
媒１０で生成される改質ガス中のＣＯの選択酸化反応に
よりさらに昇温する。よって、ステップＳ１８におい
て、ＣＯ除去器１１への冷却水の供給を開始する。冷媒
流路切替え弁３９を冷媒冷却装置４５のバイパス側へ切
替えた後で、冷却ポンプ４０を駆動してＣＯ除去器１１
および中間熱交換器２９へ所定量の冷却水を循環させる
ことにより、ＣＯ除去器１１が過冷却または過昇温とな
るのを防ぐ。このとき、ＣＯ除去器１１の入口部に設け
た温度センサ５２、ＣＯ除去器１１から排出されるガス
の温度を測定する排ガス温度センサ２１ｂによる出力が
所定上限値よりも大きくなった場合には、ＣＯ除去器１
１に充填された触媒が劣化するおそれがあるので、冷却
流路切替え弁３９を切替える。これにより冷却水が冷却
装置４５に供給されて冷却水温度が調整されるので、Ｃ
Ｏ除去器１１の温度を適温に制御することができる。

【００７８】ステップＳ１９において、蒸発器１４の暖
機状態を判断する。これは蒸発器１４の下流に配置した
排ガス温度センサ２１ｄにより蒸発器１４から排出され
る加熱ガスの温度を測定して、蒸発器１４の温度を推定
することにより判断する。または、蒸発器１４に温度セ
ンサを備えて、その出力に応じて判断してもよい。改質
触媒１０およびＣＯ除去器１１でさらに高温になった加
熱ガスにより、蒸発器１４が所定の温度より大きくなっ
たら暖機終了と判断してステップＳ２０に進む。

【００７９】ここで、ステップＳ１６からＳ１９に示し
た改質反応開始から暖機終了までの改質システム内のガ
スの流れを図７に示す。起動燃焼器１５に供給したメタ
ノールリッチな燃料ガスを改質触媒１０に供給して部分
酸化反応を生じさせることによりさらに高温の改質ガス
を生成し、下流に配置した蒸発器１４の暖機を行う。

【００８０】蒸発器１４の暖機が終了した段階で通常の
発電を開始する。ステップＳ２０では蒸発器１４にメタ
ノールと水を供給して燃料ガスを生成し、改質器１０に
供給する。さらに、ステップＳ２１において、起動燃焼
器１５へのメタノールおよび空気の供給を停止すること
で、改質触媒１０において蒸発器１４で生成した燃料ガ
スを用いた改質反応を開始する。

【００８１】ステップＳ２２において、空気流量調整弁
２３ａ、２３ｃ、２３ｄを用いて混合器１３（触媒燃焼
器９）、改質触媒１０、ＣＯ除去器１１への空気流量を
所定量に調整する。ステップＳ２３において、ＣＯ除去
器１１から排出される改質ガス中のＣＯ濃度が所定濃度
より低いかどうかを判断する。ここでは、ＣＯ除去器１
１の下流にＣＯセンサ２２を配置し、この出力により判
断する。

【００８２】ＣＯ濃度が所定濃度より低くなったらステ
ップＳ２４において、切替え弁１２を切替えることによ
り、ＣＯ除去器１１からの改質ガスを燃料電池３に供給
する。ステップＳ２５において燃料電池３への空気流量
を調整し、ステップＳ２６で原燃料、各装置へ供給する
空気量、ＣＯ除去器１１用の冷却水の循環流量を制御す
ることにより通常運転を開始して燃料電池システムの起
動を終了する。

【００８３】ここで、ステップＳ２０からステップＳ２
６までの改質システムの安定化をはかる起動運転の最終
動作時における改質ガスの流れを図８に示す。蒸発器１
４で生成した燃料ガスを用いて改質触媒１０で改質反応
を行い、改質ガス中のＣＯ濃度をＣＯ除去器１１により
低減することで、燃料電池３に低ＣＯ濃度の改質ガスを
供給する。

【００８４】このように供給熱量の推定手段に応じて起
動燃焼器１５に供給する燃料、空気流量を制御すること
で、停止時にシステム内に凝縮水または氷点下の場合に
は氷が付着していても、改質器システムの昇温遅れを抑
制することができる。ここでは、改質システム内に配置
した温度センサ５１により温度の時間変化を測定するこ
とで、改質システムに付着した水（氷）を気化するのに
必要な熱量を推定することができる。これにより、改質
触媒１０の暖機を速やかに行うことができるので、改質
ガスの生成を早期に行うことができるので、改質システ
ムの昇温の遅れを抑制することができる。

【００８５】また、温度センサ５１を改質触媒１０の入
口付近に配置することで、改質触媒１０の入口付近に付
着した水が気化するまでの時間で、起動燃焼器１５への
供給燃料量および供給空気量を演算することができる。
これにより、起動制御の早い段階で適当な流量を供給す
ることができるので、システムの昇温にかかる時間が長
時間となるのを回避することができる。

【００８６】次に第２の実施形態について説明する。燃
料電池システムは第１の実施形態の燃料電池システムと
同様のものを用いる。

【００８７】第１の実施形態では改質システムの暖機に
必要な熱量を、改質触媒１０の一部に付着した水（氷）
の気化の状態から求めたが、本実施形態においては、Ｃ
Ｏ除去器１１の一部に付着した水が気化する様子から求
める。

【００８８】そこで、ＣＯ除去器１１の入口付近に温度
センサ５２を配置し、温度センサ５２の上流部分を触媒
上流部１１ａとする。図９に示すように、起動開始直後
に改質システムの必要熱量を算出する際には、起動燃焼
器１５で生成した燃焼ガスをＣＯ除去器１１のみに直接
供給する。つまり、図１０に示したフローチャートのス
テップＳ３３においては、燃焼ガス分配弁５５のみを開
き、燃料ガス分配弁５４、５６を閉じておく。これによ
り生成された燃焼ガスは全てＣＯ除去器１１に供給され
るので、触媒上流部１１ａの水が除去されるまでの時間
を短縮することができるので、暖機に必要な熱量を速や
かに算出することができる。また、ステップＳ３５にお
いて、余分に供給する熱量の計算の基準となる温度Ｔｓ
をＣＯ除去部１１に配置した温度センサ５２により検出
する。さらに、ステップＳ４５においては、触媒を充填
した反応器の暖機の完了をＣＯ除去部１１から排出され
るガス温度により判断する。

【００８９】このように、ＣＯ除去器１１を供給熱量を
推定する際の温度測定対象とすることで、ＣＯ除去器１
１に最も多く水（氷）が付着する場合においてもシステ
ムの昇温時間が延びるのを抑制することができる。例え
ば、改質システム停止時に改質触媒１０およびＣＯ除去
器１１をパージせず、且つ、触媒燃焼器９を空気を用い
てパージしてから停止する際に、各装置での反応の違い
によりＣＯ除去器１１に停滞するガス中の水分濃度が高
い場合においても、ＣＯ除去器１１を短時間で活性温度
にまで昇温させてＣＯの選択酸化反応を開始することが
できる。これにより、燃料電池３へ改質ガスを供給する
までの時間を短縮することができる。

【００９０】次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態も第１の実施形態と同様の燃料電池システム
を用いる。起動開始直後の供給熱量を演算する際の燃焼
ガスの流れを図１１、起動運転の制御方法を図１２のフ
ローチャートに示す。

【００９１】ここでは、改質システムへの供給熱量を算
出する際に、触媒燃焼器９の上流部分である触媒上流部
９ａに付着した水を気化する際の温度の時間変化を、触
媒上流部９ａの下流端部に配置した温度センサ５３によ
り測定する。

【００９２】起動開始直後には、ステップＳ５３におい
て燃焼ガス分配弁５６のみを開き、燃焼ガス分配弁５
４、５５を閉じることで、起動燃焼器１５で生成される
すべての燃焼ガスを触媒燃焼器９に供給する。このよう
に、熱供給量を推定するための温度センサ５３を備えた
ＣＯ除去器１１のみに燃焼ガスを供給することで、ＣＯ
除去器１１の入口付近の昇温が促進され、供給熱量の演
算を迅速に終了させることができる。

【００９３】このように触媒燃焼器９に備えた温度セン
サ５３の出力により起動燃焼器１５へ供給するメタノー
ルおよび空気の流量を制御することで、触媒燃焼器９に
最も多く水（氷）が付着する場合においてもシステムの
昇温時間が延びるのを抑制することができる。例えば、
改質システム全体をパージせずに停止する際に、触媒燃
焼器９に停滞するガス中の水分濃度が高い場合において
も、触媒燃焼器９内に付着した水量に応じて起動燃焼器
１５に燃料および空気を供給することで、触媒燃焼器９
を短時間で活性温度にまで昇温させることができる。こ
れにより、燃料電池３からの排ガスを完全に燃焼するこ
とができ、燃料電池システムからの排ガスに含有される
未燃燃料やＣＯを低減することができる。

【００９４】なお、本発明は、上記の実施の形態に限定
されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思
想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもな
い。

【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の概
略構成図である。

【図２】第１の実施形態における温度センサの取り付け
位置を示す図である。

【図３】第１の実施形態における温度センサによる出力
の時間変化を示す図である。

【図４】第１の実施形態における起動制御のフローチャ
ートである。

【図５】第１の実施形態における供給熱量演算時の燃焼
ガスの流れを示す図である。

【図６】第１の実施形態における昇温時の燃焼ガスの流
れを示す図である。

【図７】第１の実施形態における改質反応開始時の改質
ガスの流れを示す図である。

【図８】第１の実施形態における起動終了時の改質ガス
の流れを示す図である。

【図９】第２の実施形態における供給熱量演算時の燃焼
ガスの流れを示す図である。

【図１０】第２の実施形態における起動制御のフローチ
ャートである。

【図１１】第３の実施形態における供給熱量演算時の燃
焼ガスの流れを示す図である。

【図１２】第３の実施形態における起動制御のフローチ
ャートである。

【符号の説明】

３燃料電池９触媒燃焼器（燃焼触媒）１０改質触媒１０ａ触媒上流部１１ＣＯ除去器（ＣＯ除去部）１５起動燃焼器（燃焼器）５１、５２、５３温度センサ５４、５５、５６燃焼ガス分配弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質システムにおける改質反応により生成
した水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を備
えた燃料電池システムにおいて、前記改質システムを暖機する加熱ガスを生成する燃焼器
と、前記改質システムを暖機するのに必要な熱量を前記改質
システム内に付着する水または氷に応じて推定する熱量
推定手段と、前記推定手段により推定した熱量を供給する加熱ガスを
生成するように前記燃焼器に供給する燃料量および酸化
剤量を制御する流量制御手段と、を備えたことを特徴と
する燃料電池システム。
【請求項２】前記改質システムの温度を測定する温度セ
ンサを備え、前記熱量推定手段は、前記温度センサにより測定された
温度の勾配に基づいて前記改質システムを暖機するのに
必要な熱量を推定する請求項１に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項３】前記改質システムの温度を測定する温度セ
ンサを備え、前記熱量推定手段は、前記温度センサにより測定された
温度が水の凝固点温度を保持していると判断される時間
に基づいて前記改質システムを暖機するのに必要な熱量
を推定する請求項１または２に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項４】前記温度センサは前記改質システムを構成
する反応部の入口付近に配置した請求項２または３に記
載の燃料電池システム。
【請求項５】起動開始直後には、前記燃焼器において生
成した全ての加熱ガスを、前記温度センサを備えた反応
部に供給する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記改質システムを複数の反応部から構成
し、前記燃焼器に供給する燃料量および酸化剤量を制御した
後、前記燃焼器からの加熱ガスを、前記改質システムを
構成する反応部のうち少なくとも２つの反応部に分配す
る請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】前記改質システムは、原燃料を用いて改質
反応により水素含有ガスを生成する改質触媒を備え、前記温度センサを備えた反応部を前記改質触媒とした請
求項４から６のいずれか一つに記載の燃料電池システ
ム。
【請求項８】前記改質システムは、原燃料を用いて改質
反応により水素含有ガスを生成する改質触媒と、前記改質触媒により生成した水素含有ガス中のＣＯ濃度
を低減するＣＯ除去部と、を備え、前記温度センサを備えた反応部を前記ＣＯ除去部とした
請求項４から６のいずれか一つに記載の燃料電池システ
ム。
【請求項９】前記改質システムは、原燃料を用いて改質
反応により水素含有ガスを生成する改質触媒と、前記改質触媒により生成した水素含有ガス中のＣＯ濃度
を低減するＣＯ除去部と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃焼触媒と、を備
え、前記温度センサを備えた反応部を前記燃焼触媒とした請
求項４から６のいずれか一つに記載の燃料電池システ
ム。