JP2003288921A - 燃料電池の制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料中に含有する有害成分による燃料電池内の
被毒を未然に防ぐ。 【解決手段】制御システム１は、燃料電池２と改質器３
および加熱器４とを有する。改質器３で生成された燃料
は、燃料供給流路９を通して燃料電池２内に供給され、
燃料電池２による電力の発電が行われる。燃料供給流路
９には、バイパス流路９Ａ，９Ｂが分岐させて設けられ
ているとともに、その分岐部には、切替制御弁１２が設
けられている。切替制御弁１２は、燃料中に含有する有
害成分の設定濃度に基づいて、燃料電池２への燃料供給
流路９とバイパス流路９Ａ，９Ｂとに開閉自在に切替制
御し、燃料の供給制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、電気自動
車の動力源、可搬電源、家庭用電源あるいはビル用電源
などに利用される燃料電池の制御システムに係り、特
に、燃料中に含有する有害成分の設定濃度に基づく燃料
の供給制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子型の燃料電池におい
ては、メタノールやガソリン、あるいは、天然ガスなど
の炭化水素系有機物からなる原料と、水と、空気とが供
給される改質器を有する。この改質器内では、原料を高
温の触媒上で改質反応させることにより、燃料（水素ガ
ス）が生成される。この場合、改質器の運転は、原料や
空気供給量、あるいは、触媒温度などの諸条件を設定す
ることにより制御されている。

【０００３】例えば、原料としてメタノールを用いた場
合には、水によるメタノールの水蒸気改質（吸熱反応）
と、空気によるメタノールの部分酸化改質（発熱反応）
との改質反応が発生し、水素ガスを含んだ改質ガスの生
成が行われる。この改質反応により生成された改質ガス
は、空気と共に燃料電池に供給され、改質ガス中の水素
と空気中の酸素とを化学反応させることにより、電力の
発電が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た燃料電池においては、改質器の始動時に生成される改
質ガス中の水素ガス濃度が低いため、始動時における発
電効率が悪い。しかも、始動初期に生成された改質ガス
中には、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）といっ
た有害成分が多く含まれている。このような始動初期時
の改質ガスを燃料電池内に供給すると、改質ガス中に含
まれた有害成分により、燃料電池の電極等が被毒され、
耐久性の低下を招く恐れがある。

【０００５】また、負荷応答型の改質器を備えたもので
は、アクセル開度や二次電池の蓄電容量、あるいは、必
要電力量の負荷変動に対して燃料の生成量を応答させる
と、メタノールの改質処理量が変動する。このため、改
質器から排出される一酸化炭素（ＣＯ）等の有害物が増
大する恐れがあり、環境破壊に繋がる。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、燃料中に含まれている有害成分
による燃料電池内の被毒を未然に防ぐ新規な燃料電池の
制御システムを提供することである。

【０００７】また、本発明の別の目的は、燃料中に含ま
れている有害成分の排出量を低減することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、本発明は、燃料電池の制御システムを提供す
る。この制御システムは、原料の改質反応により燃料を
生成する改質器と、改質器から供給される燃料によって
電力を発電する燃料電池と、改質器と燃料電池との間を
連通する燃料供給流路と、燃料供給流路から分岐させた
バイパス流路と、バイパス流路と燃料供給流路との分岐
部に設けられた切替制御弁と、燃料供給流路に設けられ
ているとともに、燃料中に含有する有害成分の濃度を検
出する濃度センサと、濃度センサによる検出濃度が所定
の設定濃度以上の場合、切替制御弁を制御して、改質器
からの燃料を燃料電池に供給することなく、バイパス流
路に排出する制御部とを有する。

【０００９】ここで、本発明において、上記バイパス流
路は、改質器に供給される原料を加熱昇温する加熱部に
接続されている第１のバイパス流路を含んでいてもよ
く、外部排出経路に接続されている第２のバイパス流路
を含んでいてもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本実施形態に係る電気自
動車の制御システムのブロック構成図である。この制御
システム１は、電力源としての固体高分子型の燃料電池
２と、この燃料電池２に燃料（水素ガス）を供給する改
質器３とを有する。改質器３の上流側には、加熱器４が
接続されているとともに、この加熱器４は、熱交換室４
Ａと酸化反応槽４Ｂとで構成されている。加熱器４に
は、例えば、原料となるメタノールが収容された原料タ
ンク５が接続され、この原料タンク５内に収容されたメ
タノール（原料）が熱交換室４Ａ内に供給される。熱交
換室４Ａ内では、酸化反応槽４Ｂによる酸化反応によっ
て発生する熱により、原料を加熱昇温している。改質器
３には、水が収容された水タンク６と、空気を送気する
コンプレッサ（空気圧縮機）７とが接続されている。こ
れにより、改質器３内には、加熱器４によって加熱され
た原料タンク５からのメタノールと、水タンク６からの
水と、コンプレッサ７からの空気とが供給される。

【００１１】すなわち、改質器３内では、水とメタノー
ルによる水蒸気改質（吸熱反応）と、空気とメタノール
の部分酸化改質（発熱反応）との改質反応が発生する。
このとき、空気とメタノールの部分酸化による発熱反応
で発生する熱により、改質器３内における改質反応温度
（触媒反応）が所定の設定温度まで加熱昇温されるとと
もに、燃料としての水素ガスを含んだ改質ガスが生成さ
れる。つまり、改質器３は、原料タンク５から加熱器４
を経て供給されるメタノールを改質反応させる改質処理
を行い、メタノールの改質処理量に応じた燃料流量の改
質ガス（燃料）を生成する。酸化反応後における加熱器
４の酸化反応槽４Ｂ内の排気ガスは、外部排出経路８を
通じて車外に排出される。

【００１２】一方、改質反応後の高温の改質ガスは、燃
料電池２と改質器３との間を連通する燃料供給流路９を
経て、燃料電池２内に、コンプレッサ７からの空気と共
に送気される。燃料電池２内には、冷却水Ｗが循環供給
されているとともに、この冷却水Ｗは、燃料電池２内に
送気された高温の改質ガスを所定の設定温度まで冷却す
る。この改質ガスは、燃料電池２内の図示しないアノー
ド電極およびカソード電極に供給される。これにより、
燃料電池２は、改質器３によって始動制御されて、改質
ガス中の水素と空気中の酸素との化学反応により、電力
の発電を行う。つまり、燃料電池２は、改質器３から供
給される燃料流量に応じて必要な電力を発電する。反応
後における燃料電池２内の排気ガスは、外部排出経路８
に接続される排気流路１０を通じて車外に排出される。

【００１３】改質器３から燃料電池２に至る燃料供給流
路９の途上には、濃度センサ１１と、切替制御弁として
の三方流量制御弁１２とが設けられている。本実施形態
において、濃度センサ１１は、改質ガス中の有害成分で
ある一酸化炭素（ＣＯ値）の濃度を検出する。三方流量
制御弁１２は、燃料供給流路９から分岐させた第１のバ
イパス流路９Ａと第２のバイパス流路９Ｂとの分岐部に
設けられている。また、三方流量制御弁１２は、図２に
示すように、燃料電池２側に至る燃料供給流路９側、第
１のバイパス流路９Ａ側、および第２のバイパス流路９
Ｂ側にそれぞれ設けられた第１のバルブ１２Ａ，第２の
バルブ１２Ｂ，第３のバルブ１２Ｃを有する。

【００１４】三方流量制御弁１２を構成するバルブ１２
Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、後述するように、濃度センサ１
１によって検出される改質ガス中の有害成分濃度（ＣＯ
値）に基づいて、開閉自在に切替制御される。すなわ
ち、第１のバルブ１２Ａの開弁により、燃料電池２側に
至る燃料供給流路９が連通し、改質器３からの改質ガス
が燃料電池２内に流量制御されて供給される。第２のバ
ルブ１２Ｂの開弁により、第１のバイパス流路９Ａが連
通し、改質器３からの改質ガスは、燃焼器４内に供給さ
れて燃焼に供される。第３のバルブ１２Ｃの開弁によ
り、第２のバイパス流路９Ｂが連通し、改質器３からの
改質ガスは、加熱器４の外部排出経路８に接続される排
気流路１０を通じて車外に排出される。

【００１５】燃料電池２内に送気された改質ガス中の水
素と空気中の酸素との一部は、燃料流路１３、第１のバ
イパス流路９Ａを通じて、加熱器４の酸化反応槽４Ｂ内
に、コンプレッサ７から送気される空気と共に供給され
る。この酸化反応槽４Ｂ内での酸化反応により発生する
熱は、改質器３内に供給されるメタノールや水を気化し
て、水蒸気改質の吸熱反応による改質ガスの生成を促進
させるために再利用される。それとともに、酸化反応後
の酸化反応槽４Ｂ内の排気ガスは、外部排出経路８を通
じて車外に排出される。

【００１６】一方、燃料電池２で発電された電力は、例
えば、補助電源としての二次電池であるバッテリ２０が
接続された電力調整器２１を介して、駆動モータ２２に
給電される。この駆動モータ２２は、電力調整器２１に
接続された制御装置２３の指示に基づいて、車体の駆動
輪２４を回転駆動させる。制御装置２３には、アクセル
ペダル等の運転操作部材で構成された駆動操作装置２５
およびイグニッションスイッチ２６等が接続されてい
る。また、濃度センサ１１からのセンサ信号と、改質器
３内に設けられた温度センサからのセンサ信号とが制御
装置２３に入力される。この温度センサは、改質反応温
度を検出するためのセンサである。駆動操作装置２５
は、運転時における増減速に伴うアクセルペダルの踏込
み量（アクセル開度）等を制御装置２３に対して出力す
る。電力調整器２１は、制御装置２３からの指示に基づ
いて電力配分を調整し、増速時および減速時に必要な電
力を駆動モータ２２に配分するとともに、改質器３、加
熱器４、コンプレッサ７といった補機への電力配分を行
う。イグニッションスイッチ２６は、制御システム１の
オン・オフを制御装置２３に指示し、制御システム１の
オンと共に改質器３の電源スイッチ２７をオンにする。
なお、バッテリ２０は、駆動モータ２２で消費される走
行電力や、改質器３、燃焼器４あるいはコンプレッサ７
などで消費される補機電力を賄うのに十分な電力が燃料
電池２により得られなかった場合に、放電して不足電力
を補う。

【００１７】図３は、燃料生成制御の概略的な流れを示
すフローチャートである。まず、必要な電力、すなわ
ち、運転中において駆動モータ２２の回転制御に必要な
電力が決定され（ステップ１）、この必要電力の発電に
要する燃料流量が設定される（ステップ２）。次いで、
この燃料流量を生成するために必要なメタノール処理量
が設定される（ステップ３）。このメタノール処理量に
基づいて、原料タンク５からのメタノールの供給制御が
行われるとともに（ステップ４）、改質器３の運転によ
り燃料（改質ガス）が生成される（ステップ５）。生成
された燃料は、燃料電池２に供給され（ステップ６）、
発電が開始される（ステップ７）。そして、燃料電池２
への燃料流量が所定の設定流量に達したか否かが判定さ
れる（ステップ８）。このステップ８において、燃料流
量が所定の設定流量に達していないと判定された場合に
は、ステップ４に戻り、改質器３に原料が供給されて燃
料の生成が行われるとともに、燃料電池２への燃料の供
給による電力の発電が続けられる（ステップ４〜７）。
一方、ステップ８において、燃料流量が所定の設定流量
に達したと判定された場合、つまり、必要な電力を発電
するための燃料流量が燃料電池２に供給された場合に
は、改質器３の運転が停止され、燃料の生成を終了す
る。

【００１８】本実施形態における改質器３の運転条件
は、必要電力量に基づくメタノール処理量を選択するこ
とにより設定しているが、例えば、アクセル開度あるい
は二次電池の蓄電容量などに基づいて設定することも可
能である。この場合の運転条件は、運転中における必要
電力量や、アクセル開度、あるいは、二次電池の蓄電容
量に基づいて種々変動する。ところが、始動時のよう
に、改質器３の運転が不安定な状態において、運転条件
（メタノール処理量）が変動すると、燃料の生成状態が
不安定になる。このため、本実施形態では、改質器３の
運転が安定するまでの間、メタノール処理量が変更され
ないように制御されている。

【００１９】図４は、制御装置２３において実行される
三方流量制御弁１２の切替制御ルーチンのフローチャー
トである。このルーチンは、所定の間隔で繰返し実行さ
れ、各実行サイクルで、その時点で検出されたＣＯ値と
改質反応温度とが読み込まれる。まず、ステップ１１に
おいて、濃度センサ１１により検出された改質ガス中の
ＣＯ値が所定の設定濃度未満であるか否かが判定され
る。検出されたＣＯ値が設定濃度未満の場合は、有害成
分の濃度が低いと判断し、ステップ１２に進む。このス
テップ１２では、改質器３内の改質反応温度が所定の設
定値以上であるか否かが判定される。

【００２０】ステップ１２で肯定判定された場合には、
ステップ１３に進み、第１のバルブ１２Ａを開弁し、本
ルーチンを抜ける。すなわち、第１のバルブ１２Ａは、
有害成分であるＣＯの濃度が低く、かつ、改質反応温度
が設定温度以上場合に開弁する。これにより、改質ガス
が燃料電池２内に供給され、電力の発電が行われる。Ｃ
Ｏ濃度が低いことを条件として、燃料電池２に改質ガス
を供給するので、改質ガスによる燃料電池２内の電極等
の被毒が防止されるとともに、有害ガスが車外へ排出さ
れるのを未然に防ぐ。なお、燃料電池２内に供給された
改質ガスの一部は、加熱器４の酸化反応槽４Ｂ内に供給
され、酸化反応させることにより、改質器３内における
改質反応温度の昇温に寄与させている。

【００２１】これに対して、ステップ１２で否定判定さ
れた場合には、ステップ１４に進み、第２のバルブ１２
Ｂを開弁し、本ルーチンを抜ける。すなわち、第２のバ
ルブ１２Ｂは、有害成分であるＣＯの濃度が低く、か
つ、改質反応温度が設定温度未満の場合に開弁する。こ
れにより、改質器３からの改質ガスは、第１のバイパス
流路９Ａを流れて、加熱器４の酸化反応槽４Ｂ内に供給
される。そして、酸化反応槽４Ｂ内で、改質ガスを酸化
反応させることにより、改質器３内の改質反応温度を昇
温させる。その結果、改質器３内における原料の改質率
が高められ、燃費の向上を図ることが可能になる。しか
も、改質反応温度の低い改質ガスが燃料電池２内に供給
されることがないため、燃料電池２内における電力の発
電効率の低下を防止する。

【００２２】一方、ステップ１１において、ＣＯ値が設
定値以上の場合には、改質ガス中の有害成分の濃度が高
いと判断する。この場合は、ステップ１５に進み、第２
のバルブ１２Ｂを開弁する。これにより、改質器３から
の改質ガスは、燃料電池２に供給されることなく、第１
のバイパス流路９Ａを流れて、加熱器４の酸化反応槽４
Ｂに供給されて燃焼する。この改質ガスの燃焼により、
改質器３内の改質反応温度が昇温し、改質器３内におけ
る原料の改質率を高めて、燃費の向上を図る。そして、
続くステップ１６において、改質器３内の改質反応温度
が所定の設定値以上であるか否かが判定される。改質反
応温度が所定の設定値以上の場合には、ステップ１７に
進み、第３のバルブ１２Ｃを開弁させ、本ルーチンを抜
ける。この場合、改質器３からの改質ガスの一部は、加
熱器４の酸化反応槽４Ｂに戻されるとともに、残りの改
質ガスは第２のバイパス流路９Ｂを流れて、車外に排出
される。これに対して、ステップ１７で否定判定された
場合、すなわち、改質反応温度が所定の設定値以上でな
い場合には、第３のバルブ１２Ｃを開弁することなく、
本ルーチンを抜ける。

【００２３】このように、本実施形態において、燃料電
池２と改質器３との間を連通する燃料供給流路９には、
第１のバイパス流路９Ａと第２のバイパス流路９Ｂとが
それぞれ分岐させて設けられている。第１のバイパス流
路９Ａは、改質ガスを加熱器４の酸化反応槽４Ｂ内に供
給可能にし、第２のバイパス流路９Ｂは、改質ガスを車
外に排出可能している。各バイパス流路９Ａ，９Ｂは、
改質ガス中に含有する有害成分の設定濃度に基づいて開
閉自在に切替制御されているので、有害ガスが燃料電池
２内に供給されることはない。これにより、従前のよう
な燃料電池２の電極等の被毒を未然に防ぐことが可能に
なり、燃料電池２の耐久性を向上させることが可能とな
る。

【００２４】また、改質器３において生成された、有害
成分が所定の設定濃度よりも高い改質ガスは、改質器３
内の改質反応温度が所定の設定値よりも低い場合、加熱
器４に戻している。このため、戻された改質ガスを酸化
反応させることにより、改質器３内の改質反応温度が昇
温する。この結果、改質器３内における原料の改質率が
高められ、燃費の向上を図ることが可能になる。

【００２５】さらに、原料タンク５からの原料は、改質
器３に供給される前、つまり、改質反応させる前に、加
熱器４において加熱昇温されるため、改質器３内におけ
る原料の改質率が高められ、燃費の向上を図ることが可
能になる。この結果、改質器３内での改質反応温度を速
やかに昇温させることが可能になり、改質ガスの生成か
ら燃料電池２の始動まで時間（始動時間）を短縮でき
る。

【００２６】なお、上述した実施形態においては、燃料
供給流路９を改質器３の加熱器４側へのバイパス流路９
Ａと、外部排出経路８側へのバイパス流路９Ｂとの双方
にバイパスさせたが、本発明は、これに限定されるもの
ではない。例えば、燃料供給流路９は、加熱器４側ある
いは外部排出経路８側のいずれか一方にバイパスさせて
もよい。

【００２７】また、上述した実施形態では、改質ガス中
の有害成分として、ＣＯを例に説明した。しかしなが
ら、本発明はこれに限定されるものではなく、有害成分
である炭化水素（ＨＣ）、あるいは、ＣＯとＨＣの双方
を対象に同様な制御を行ってもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、燃料
電池と改質器との間を連通する燃料供給流路にバイパス
流路を分岐させて設けられている。そして、燃料供給流
路は、改質器で生成された燃料中に含有する有害成分の
設定濃度に基づいて、開閉自在に切替制御される。その
ため、有害ガスが燃料電池内に供給されることはない。
その結果、従前のような燃料電池の電極等の被毒を未然
に防ぐことができるとともに、燃料電池の耐久性の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気自動車の制御システムのブロック構成図

【図２】制御部のブロック構成図

【図３】燃料生成制御の概略的な流れを示すフローチャ
ート

【図４】三方流量制御弁の切替制御ルーチンのフローチ
ャート

【符号の説明】

１ 制御システム ２ 燃料電池 ３ 改質器 ４ 加熱器 ４Ａ 熱交換室 ４Ｂ 酸化反応槽 ５ 原料タンク ６ 水タンク ７ コンプレッサ（空気圧縮機） ８ 外部排出経路 ９ 燃料供給流路 ９Ａ 第１のバイパス流路 ９Ｂ 第２のバイパス流路 １０ 排気流路 １１ 濃度センサ １２ 三方流量制御弁 １３ 燃料流路 ２０ 二次電池 ２１ 電力調整器 ２２ 駆動モータ ２３ 制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の制御システムにおいて、 原料の改質反応により燃料を生成する改質器と、 前記改質器から供給される燃料によって電力を発電する
   燃料電池と、 前記改質器と前記燃料電池との間を連通する燃料供給流
   路と、 前記燃料供給流路から分岐させたバイパス流路と、 前記バイパス流路と前記燃料供給流路との分岐部に設け
   られた切替制御弁と、 前記燃料供給流路に設けられているとともに、燃料中に
   含有する有害成分の濃度を検出する濃度センサと、 前記濃度センサによる検出濃度が所定の設定濃度以上の
   場合、前記切替制御弁を制御して、前記改質器からの燃
   料を前記燃料電池に供給することなく、前記バイパス流
   路に排出する制御部とを有することを特徴とする燃料電
   池の制御システム。
2. 【請求項２】前記改質器に供給される原料を加熱昇温す
   る加熱部をさらに有し、 前記パイパス流路は、前記加熱部に接続されている第１
   のバイパス流路を含むことを特徴とする請求項１に記載
   された燃料電池の制御システム。
3. 【請求項３】前記バイパス流路は、外部排出経路に接続
   されている第２のバイパス流路を含むことを特徴とする
   請求項１に記載された燃料電池の制御システム。