JP2008059877A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 改質器における熱量不足等の不具合を抑制することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、燃料電池（６０）と、改質部（５１）と、燃料電池のアノードオフガスを燃料として用いて改質部を加熱する燃焼部（５２）と、燃焼部内のガス流れ方向の温度分布に応じて燃焼部に供給される燃焼成分の比率を制御する比率制御手段（１０，７０，８０）とを備える。この構成により、燃焼部における燃焼を促進することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

現在、多くの燃料電池においては、改質器によりガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、燃料電池のアノードに供給される。この改質器においては、水蒸気を用いた水蒸気改質反応等により改質が行われている。

この改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を促進するためには改質器を加熱する必要がある。そのため、燃焼装置等によって改質器に熱が与えられる燃料電池システムが開発されている。例えば、改質器を加熱するための燃焼ガスとしてアノードオフガスを用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、高い改質効率が得られる。

特開２００５−２３５５８３号公報

しかしながら、改質器内の条件に応じて改質ガスに含まれるメタンの比率が変化することから、アノードオフガスに含まれるメタンの比率も変化する。メタンは難燃性を有することから、燃焼装置において温度分布が発生する可能性がある。したがって、燃焼装置において熱量不足等の不具合が生じるおそれがある。

本発明は、改質器における熱量不足等の不具合を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、改質部と、燃料電池のアノードオフガスを燃料として用いて改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部内のガス流れ方向の温度分布に応じて燃焼部に供給される燃焼成分の比率を制御する比率制御手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃焼部内のガス流れ方向の温度分布に応じて燃焼部に供給される燃焼成分の比率が比率制御手段によって制御される。この場合、燃焼部における燃焼を促進することができる。その結果、改質部における熱量不足等の不具合を抑制することができる。

比率制御手段は、燃焼部内のガス流れ方向の温度分布幅が所定値を上回った場合に、燃焼部内に供給される支燃ガス量を増加させてもよい。この場合、燃焼部における燃焼を促進することができる。その結果、改質部における熱量不足等の不具合を抑制することができる。また、比率制御手段の不必要な制御を抑制することができる。また、比率制御手段は、燃焼部内のガス流れ方向の温度分布幅が大きいほど、燃焼部内に供給される支燃ガス量を増加させてもよい。この場合、燃焼部における燃焼を効率よく促進することができる。その結果、改質部における熱量不足等の不具合を効率よく抑制することができる。

比率制御手段は、燃焼部内の酸素過剰率が所定値を上回った場合に、アノードオフガス中の水素量を増加させてもよい。この場合、水素は易燃性を有することから、燃焼部における燃焼を促進することができる。それにより、熱量不足等の不具合を効率よく抑制することができる。また、燃焼部における酸素過剰率の不必要な増加による燃焼部の温度低下を抑制することができる。また、比率制御手段は、燃料部内のガス流れ方向の温度分布幅が大きいほど、アノードオフガス中の水素量を増加させてもよい。この場合、燃焼部における燃焼を効率よく促進することができる。その結果、改質部における熱量不足等の不具合を効率よく抑制することができる。

燃焼部内のガス流れ方向の温度分布幅を測定または推定する温度分布幅取得手段をさらに備えていてもよい。この場合、比率制御手段は、温度分布幅取得手段の取得結果に基づいて、燃焼成分の比率を制御することができる。また、温度分布幅取得手段の取得結果に基づいてアノードオフガス中の成分比率を推定する成分比率推定手段をさらに備え、比率制御手段は、成分比率推定手段の推定結果に基づいて燃焼成分の比率を制御してもよい。この場合、燃焼部における燃焼を促進することができる。

アノードオフガスは、難燃性ガスを含み、比率制御手段は、成分比率推定手段によって推定された難燃性ガスの比率が第１所定値以上となった場合に支燃ガス量を増加させてもよい。この場合、難燃性ガスの燃焼を促進することができる。また、支燃ガスの不必要な増加を抑制することができる。それにより、燃焼部の温度低下を抑制することができる。その結果、燃焼部における燃焼効率が向上する。また、比率制御手段は、成分比率推定手段によって推定された難燃性ガスの比率が第１所定値よりも大きい第２所定値以上となった場合に燃料電池の水素消費量を低下させてもよい。この場合、燃焼部における燃焼を促進することができる。

燃焼部の平均温度を測定または推定する温度取得手段と、温度取得手段の取得結果に基づいて第１所定値および第２所定値を決定する決定手段と、をさらに備えていてもよい。この場合、燃焼部における温度に応じて、支燃ガスの不必要な増加を抑制することができるとともに、水素消費量の不必要な低下を抑制することができる。

アノードオフガスと支燃ガスとの比率を推定または検出する支燃ガス比率取得手段をさらに備え、比率制御手段は、支燃ガス比率取得手段の取得結果および温度分布幅に基づいて、燃焼成分の比率を制御してもよい。この場合、アノードオフガスを効率よく燃焼させることができる。それにより、改質部における熱量不足等の不具合を抑制することができる。

燃焼部の最低温度を測定または推定する最低温度取得手段と、最低温度取得手段の取得結果に基づいて比率制御手段の作動要否を判定する第１判定手段と、をさらに備えていてもよい。この場合、改質部に必要な熱が与えられている場合に比率制御手段の作動を停止させることができる。それにより、比率制御手段による不必要な制御を抑制することができる。

改質部へ供給される改質燃料量を取得する改質燃料量取得手段と、改質燃料量取得手段の取得結果に基づいて比率制御手段の作動要否を判定する第２判定手段と、をさらに備えていてもよい。この場合、アノードオフガスの供給量が少ない場合に、比率制御手段の作動を停止させることができる。それにより、比率制御手段による不必要な制御を抑制することができる。

本発明によれば、改質部における熱量不足等の不具合を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、改質燃料タンク２０、燃料ポンプ３０、調量弁４０、改質器５０、燃料電池６０およびエアポンプ７０，８０を備える。

改質燃料タンク２０は、後述する改質部５１に供給される改質燃料を貯蔵するタンクである。本実施例においては、改質燃料として、炭化水素燃料が用いられている。燃料ポンプ３０は、改質燃料タンク２０に貯蔵されている改質燃料を改質部５１に供給するためのポンプである。調量弁４０は、改質部５１に供給される改質燃料量を調整するための弁である。

改質器５０は、改質燃料から水素を含有する改質ガスを生成するための装置である。改質器５０は、改質部５１、燃焼部５２、第１温度センサ５３、第２温度センサ５４および空気過剰率λセンサ５５を備える。第１温度センサ５３は、燃焼部５２内の上流側に設けられている。第２温度センサ５４は、燃焼部５２内の下流側に設けられている。

第１温度センサ５３は燃焼部５２の触媒入口付近に設けられていることが好ましく、第２温度センサ５４は燃焼部５２の触媒出口付近に設けられていることが好ましい。また、第１温度センサ５３および第２温度センサ５４は改質部５１の触媒に配置されていてもよい。この場合には、第１温度センサ５３は改質部５１の触媒において燃焼部５２入口側に配置され、第２温度センサ５４は改質部５１の触媒において燃焼部５２出口側に配置されていればよい。空気過剰率λセンサ５５は、燃焼部５２から外部に通じる排気系に設けられている。ここで、空気過剰率λとは、燃焼部５２における完全燃焼に必要な酸素量に対する、燃焼部５２に供給される酸素量の比を示す。

燃料電池６０は、カソード６１、アノード６２、冷却部６３、電圧計６４および電流計６５を備える。エアポンプ７０は、カソード６１にエアを供給するためのポンプである。エアポンプ８０は、冷却部６３にエアを供給するためのポンプである。制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。また、制御部１０は、第１温度センサ５３、第２温度センサ５４、空気過剰率λセンサ５５、電圧計６４および電流計６５から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム１００の各部を制御する。詳細は後述する。

なお、本実施例においては、燃料電池６０として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層およびプロトン伝導性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。カソードにおいて発生した水は、水素分離膜電池の発電の際に発生する熱によって水蒸気になる。

続いて、燃料電池システム１００の動作の概要について説明する。燃料ポンプ３０は、制御部１０の指示に従って、改質燃料タンク２０に貯蔵されている改質燃料を調量弁４０に供給する。調量弁４０は、制御部１０の指示に従って、改質部５１における改質反応に必要な量の改質燃料を改質部５１に供給する。

改質部５１においては、改質燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、改質燃料中のメタンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素とメタンとが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。

改質部５１において生成された改質ガスは、アノード６２に供給される。アノード６２においては、改質ガス中の水素がプロトンに変換される。アノード６２においてプロトンに変換されなかった水素、ならびに、改質部５１において反応しなかったメタンは、アノードオフガスとして燃焼部５２に供給される。水素は、燃焼しやすいことから、易燃性ガスと称することができる。メタンは、燃焼しにくいことから、難燃性ガスと称することができる。

エアポンプ８０は、制御部１０の指示に従って、必要量のエアを冷却部６３に供給する。冷却部６３に供給されたエアは、燃料電池６０を冷却して燃焼部５２に供給される。燃焼部５２においては、アノードオフガスと冷却部６３から供給されるエアとによって燃焼反応が起こる。すなわち、エアに含まれる酸素が支燃ガスとして機能するとともに、アノードオフガスが燃料として機能する。燃焼部５２における燃焼反応によって発生する排気ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。また、燃焼部５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部５１における水蒸気改質反応に利用される。本実施例においては、アノードオフガスおよび酸素を総称して、燃焼成分と称する。

第１温度センサ５３は、燃焼部５２のガス流れ方向の入口側の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。第２温度センサ５４は、燃焼部５２のガス流れ方向の出口側の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。空気過剰率λセンサ５５は、燃焼部５２から排出される排気ガスから燃焼部５２における空気過剰率λを検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電圧計６４は、燃料電池６０の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電流計６５は、燃料電池６０の発電電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。

エアポンプ７０は、制御部１０の指示に従って、必要量の酸素をカソード６１に供給する。カソード６１においては、アノード６２において変換されたプロトンとカソード６１に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、蓄電池（図示せず）に蓄電されまたはモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池６０において発生する熱によって水蒸気となる。カソード６１において発生した水蒸気およびプロトンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部５１に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。

ここで、燃焼部５２内の燃焼が不完全燃焼である場合、熱量不足により改質部５１における改質効率が低下する。例えば、メタンは水素に比較して難燃性を有することから、メタンの不完全燃焼によって熱量が不足することがある。本実施例に係る燃料電池システム１００は、改質部５１における熱量不足を抑制する。具体的には、燃料電池システム１００は、燃焼部５２内の温度分布に基づいて燃焼部５２内の燃焼成分比率を制御することによって、改質部５１における熱量不足を抑制する。以下、その制御について説明する。

まず、制御部１０は、燃料電池６０に必要とされる発電電力である電力指令値Ｐ＿ｃを求める。電力指令値Ｐ＿ｃは、例えば、図示しないアクセルの開度、二次電池の残存容量等から求めることができる。燃料電池システム１００が家庭用電源等のような分散電源に用いられる場合には、電力指令値Ｐ＿ｃは、燃料電池システム１００の設置場所の電力需要等から求めることができる。

次に、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃに基づいて、カソード６１に供給すべきエア量である所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅを求める。この場合、制御部１０は、例えば、図２に示すマップを用いる。図２は、電力指令値Ｐ＿ｃと所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅとの関係の一例を示す図である。図２の横軸は電力指令値Ｐ＿ｃを示し、図２の縦軸は所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅを示す。図２においては、所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅは、電力指令値Ｐ＿ｃに比例する。図２において所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅにオフセットが与えられているのは、カソード６１に供給された酸素の全てが発電に寄与するわけではないからである。

次いで、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃに基づいて、改質部５１に供給する改質燃料量である所要改質燃料量Ｑ＿ｆを求める。この場合、制御部１０は、例えば、図３に示すマップを用いる。図３は、電力指令値Ｐ＿ｃと所要改質燃料量Ｑ＿ｆとの関係の一例を示す図である。図３の横軸は電力指令値Ｐ＿ｃを示し、図３の縦軸は所要改質燃料量Ｑ＿ｆを示す。図３においては、所要改質燃料量Ｑ＿ｆは、電力指令値Ｐ＿ｃの増加に伴って増加する。また、所要改質燃料量Ｑ＿ｆの増加率は、電力指令値Ｐ＿ｃの増加に伴って増加する。これは、改質燃料量が多くなると改質部５１における改質効率が低下することがあるからである。

次に、制御部１０は、燃焼部５２内のガス流れ方向の温度分布幅が大きいか否かを判定する。本実施例においては、制御部１０は、第２温度センサ５４の検出温度Ｔ２と第１温度センサ５３の検出温度Ｔ１との差が所定値よりも大きい場合に、燃焼部５２内のガス流れ方向の温度分布幅が大きいと判定する。すなわち、制御部１０は、検出温度Ｔ１および検出温度Ｔ２に基づいて、燃焼部５２内の温度分布幅を推定している。この場合のしきい値として、検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との温度差として許容される最大値である限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを用いることができる。限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆは、例えば、燃焼部５２における燃焼が不完全燃焼になる温度である。

限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆは、例えば、所要改質燃料量Ｑ＿ｆと所定の関係を有する。図４にその一例を示す。図４は、所要改質燃料量Ｑ＿ｆと限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆとの関係を示す図である。図４の横軸は所要改質燃料量Ｑ＿ｆを示し、図４の縦軸は限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを示す。例えば、図４に示すように、限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆは、所要改質燃料量Ｑ＿ｆの増加に伴って所定の所要改質燃料量Ｑ＿ｆまでは一定値を示し、所要改質燃料量Ｑ＿ｆがそれ以上の値になると所要改質燃料量Ｑ＿ｆに比例して増加し、所要改質燃料量Ｑ＿ｆがさらに所定の値以上になると一定値を示してもよい。

検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを超えている場合、制御部１０は、燃焼部５２内の温度分布幅が小さくなるように燃料電池システム１００の各部を制御する。まず、制御部１０は、空気過剰率λが増加するようにエアポンプ８０を制御する。この場合、燃焼部５２内のメタンの燃焼が促進される。それにより、燃焼部５２における不完全燃焼による熱量不足を抑制することができる。なお、本実施例においては冷却部６３を経由したエアが燃焼部５２に供給されていることから、燃焼部５２に供給されるエア量が冷却部６３に供給されるエア量と異なる場合がある。したがって、必要に応じて、図示しないバイパス弁等を用いて、燃焼部５２に供給されるエア量を補正してもよい。

制御部１０は、検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が大きいほど、空気過剰率λが大きくなるようにエアポンプ８０を制御してもよい。この場合、メタンを効率よく燃焼させることができる。それにより、燃焼部５２における不完全燃焼による熱量不足を効率よく抑制することができる。なお、空気過剰率λは、３〜４程度の範囲にあることが好ましい。

空気過剰率λが所定値に到達した場合、制御部１０は、空気過剰率λの増加が停止するようにエアポンプ８０を制御する。比較的低温であるエア量が過剰になると、燃焼部５２の温度が低下してしまうからである。この所定値を以下、最大過剰率λｒｅｆ＿ｕと称する。空気過剰率λが最大過剰率λｒｅｆ＿ｕ以上になった場合、制御部１０は、カソード６１に供給されるエア量が低下するようにエアポンプ７０を制御する。この場合、燃料電池６０の発電量が低下する。それにより、燃料電池６０における水素消費量が低下する。したがって、アノードオフガスに含まれる水素量が増加する。水素は易燃性を有することから、燃焼部５２内の燃焼を促進することができる。以上のことから、熱量不足等の不具合を抑制することができる。なお、燃料電池６０にかかる電気的負荷を低下させることによって、燃料電池６０における水素消費量を低下させてもよい。

制御部１０は、検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が大きいほど、カソード６１に供給されるエア量が低下するようにエアポンプ７０を制御してもよい。この場合、燃焼部５２に供給される水素量が増加する。それにより、燃焼部５２内の燃焼を促進することができる。その結果、熱量不足等の不具合を効率よく小さくすることができる。

検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆ以下である場合、制御部１０は、空気過剰率λが低下するようにエアポンプ８０を制御してもよい。この場合、燃焼部５２に供給されるエア量が低下する。それにより、燃焼に寄与しない比較的低温の窒素量を低下させることができる。その結果、燃焼部５２における燃焼効率を向上させることができる。

なお、制御部１０は、燃焼部５２内の最低温度が所定値以上であれば、燃焼部５２内の燃焼成分比率の制御を停止してもよい。燃焼部５２内の最低温度が比較的高ければ、改質部５１において熱量が不足しないからである。したがって、不必要な制御を抑制することができる。この所定温度は、改質部５１に供給される改質燃料量等に基づいて決定することができる。本実施例においては、検出温度Ｔ１を燃焼部５２内の最低温度と推定することができる。

また、制御部１０は、燃焼部５２へのアノードオフガスの供給量が少ない場合には、燃焼部５２内の燃焼成分比率の制御を停止してもよい。アノードオフガス量が少なければ、アノードオフガス中のメタン比率にかかわらず温度分布が発生することがあるからである。したがって、不必要な制御を抑制することができる。本実施例においては、調量弁４０によって改質部５１に供給される改質燃料量と燃料電池６０の発電電力とに基づいて、燃焼部５２へのアノードオフガスの供給量が少ないか否かを判定することができる。例えば、制御部１０は、予定されている発電効率が改質燃料量と発電電力とから求められる発電効率を上回っている場合に、アノードオフガスの供給量が少ないと判定してもよい。

続いて、制御部１０による燃焼成分比率の制御を示すフローチャートの一例について説明する。図５は、上記フローチャートを示す図である。制御部１０は、電源オン後、所定の周期で図５のフローチャートを実行する。制御部１０は、起動スイッチ等によってオンする。この起動スイッチは、手動式であっても、タイマー式であってもよい。また、実行周期は、温度センサの応答性等の観点から、短いほど好ましい。一般に温度センサは１００ｍｓオーダーの応答性を有することから、本実施例においては、制御部１０は、５１２ｍｓの周期で図５のフローチャートを実行する。

図５に示すように、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃを求める（ステップＳ１）。電力指令値Ｐ＿ｃは、アクセル開度から求められる。次に、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃに基づいて所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅを求める（ステップＳ２）。この場合、制御部１０は、図２のマップを用いて所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅを求める。次いで、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃに基づいて所要改質燃料量Ｑ＿ｆを求める（ステップＳ３）。この場合、制御部１０は、図３のマップを用いて所要改質燃料量Ｑ＿ｆを求める。

次に、制御部１０は、所要改質燃料量Ｑ＿ｆに基づいて限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを求める（ステップＳ４）。この場合、制御部１０は、図４のマップを用いて限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを求める。次いで、制御部１０は、空気過剰率λセンサ５５から空気過剰率λを取得する（ステップＳ５）。次に、制御部１０は、第１温度センサ５３から検出温度Ｔ１を取得し、第２温度センサ５４から検出温度Ｔ２を取得する（ステップＳ６）。次いで、制御部１０は、電圧計６４から発電電圧Ｖを取得し、電流計６５から発電電流Ａを取得する（ステップＳ７）。

次に、制御部１０は、検出温度Ｔ１が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８において検出温度Ｔ１が所定値以上であると判定された場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ８の所定値は、改質部５１において熱量不足が生じない程度の温度である。それにより、フローチャートの不必要な実行を抑制することができる。

ステップＳ８において検出温度Ｔ１が所定値以上であると判定されなかった場合、制御部１０は、燃料電池６０の発電効率が所定値を超えているか否かを判定する（ステップＳ９）。燃料電池６０の発電効率は、発電電圧Ｖと発電電流Ａと前回のフローチャート実行時の所要改質燃料量Ｑ＿ｆとから求めることができる。ステップＳ９において燃料電池６０の発電効率が所定値を超えていると判定された場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。それにより、フローチャートの不必要な実行を抑制することができる。

ステップＳ９において燃料電池６０の発電効率が所定値を超えていると判定されなかった場合、制御部１０は、検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを超えているか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを超えていると判定された場合、制御部１０は、空気過剰率λを、最大過剰率λｒｅｆ＿ｕおよび空気過剰率λ＋λｄのいずれか小さい値に設定する（ステップＳ１１）。本実施例においては、λｄは、例えば、０．２程度の値である。ステップＳ１１の実行によって、空気過剰率λは増加する。それにより、燃焼部５２における燃焼を促進することができる。

次に、制御部１０は、空気過剰率λが最大過剰率λｒｅｆ＿ｕと等しいか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において空気過剰率λが最大過剰率λｒｅｆ＿ｕと等しいと判定された場合、制御部１０は、カソード６１に供給されるエア量Ｑ＿ｃを５％低下させる（ステップＳ１３）。それにより、燃料電池６０の発電電力が低下する。その結果、アノードオフガス中の水素量が増加する。ステップＳ１３においてカソードに供給されるエア量を絶対量単位で低下させないのは、カソード６１に供給されるエア量の急変動を抑制するためである。なお、ステップＳ１２においては、空気過剰率λが最大過剰率λｒｅｆ＿ｕ以上であるか否かを判定してもよい。

次いで、制御部１０は、エアポンプ８０から冷却部６３に供給されているエア量Ｑ＿ａを前回のフローチャート実行時の空気過剰率λ＿ｎ−１で除した値と、現時点での空気過剰率λとから冷却部６３に供給されるべきエア量Ｑ＿ａを求める（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１２において空気過剰率λが最大過剰率λｒｅｆ＿ｕと等しいと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ１３を実行せずにステップＳ１４を実行する。それにより、燃料電池６０の発電量を低下させずに燃焼部５２における燃焼を促進することができる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を停止する。

ステップＳ１０において検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差が限界温度差Ｔｄ＿ｒｅｆを超えていると判定されなかった場合、制御部１０は、カソード６１に供給されるエア量Ｑ＿ｃを、所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅと現時点においてカソード６１に供給されているエア量＋Ｑｃ＿ｄとのいずれか小さい方の値に設定する（ステップＳ１５）。ここで、Ｑｃ＿ｄは、エアポンプ７０の制御分解能を上回る範囲において極力小さい値であることが好ましい。カソード６１に供給されるエア量が急激に増加すると、燃焼部５２における温度分布幅が急拡大するおそれがあるからである。

次に、制御部１０は、空気過剰率λを、最小過剰率λｒｅｆ＿ｌおよび空気過剰率λ−λｄのいずれか大きい値に設定する（ステップＳ１６）。この場合、空気過剰率が低下する。それにより、燃焼部５２に供給されるエア量が低下する。その結果、燃焼部５２の温度低下を抑制することができる。なお、最小過剰率λｒｅｆ＿ｌは、理論的には１である。しかしながら、燃焼部５２に供給される酸素の全てを燃焼に用いるのは困難である。したがって、本実施例においては、最小過剰率λｒｅｆ＿ｌは１．２程度に設定されている。また、λｄは、エアポンプ８０の制御分解能を上回る範囲において極力小さい値であることが好ましく、例えば０．０５程度の小さい値であることが好ましい。その後、制御部１０は、ステップＳ１４を実行する。

以上のように、図５のフローチャートの実行によって、燃焼部５２における燃焼成分を制御することができる。それにより、燃焼部５２における燃焼を促進することができる。その結果、改質部５１における熱量不足等の不具合を抑制することができる。また、図５のフローチャートの不必要な実行を抑制することができる。

なお、本実施例においては２つの温度センサによって燃焼部５２の温度分布が求められているが、さらに多くの温度センサを用いることによって燃焼部５２の温度分布を正確に推定または測定することができる。

本実施例においては、制御部１０およびエアポンプ７０，８０が比率制御手段に相当し、アノードオフガスおよびエアが燃焼成分に相当し、エアに含まれる酸素が支燃ガスに相当し、メタンが難燃性ガスに相当し、制御部１０、第１温度センサ５３および第２温度センサ５４が温度分布幅取得手段に相当し、制御部１０が改質燃料量取得手段、第１判定手段および第２判定手段に相当し、空気過剰率λセンサ５５が支燃ガス比率取得手段に相当し、第１温度センサが最低温度取得手段に相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、制御部１０による制御である。以下、燃焼部５２内の温度分布に基づく燃焼部５２内の燃焼成分比率の制御について説明する。

制御部１０は、燃焼部５２内のガス流動方向における温度分布幅と空気過剰率λとに基づいて、アノードオフガス中の水素のモル数に対するメタンのモル数の比であるモル比Ｒを求める。この場合、制御部１０は、例えば、図６に示すマップを用いる。図６は、燃焼部５２の温度分布幅とモル比Ｒと空気過剰率λとの関係を示す図である。図６の横軸は燃焼部５２の温度分布幅を示し、図６の縦軸はモル比Ｒを示す。燃焼部５２の温度分布幅としては、検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との温度差が用いられる。

図６に示すように、モル比Ｒは、温度分布幅の増加に伴って増加する。また、モル比Ｒの増加率は、空気過剰率λが大きいほど大きくなる。制御部１０は、第１温度センサ５３、第２温度センサ５４および空気過剰率λセンサ５５の検出結果に基づいて、モル比Ｒを求めることができる。

次に、制御部１０は、モル比Ｒが第１所定値Ｒａを超えているか否かを判定する。この第１所定値Ｒａは、例えば、０．２程度である。モル比Ｒが第１所定値Ｒａを超えていることは、アノードオフガス中のメタン比率が高いことを示している。この場合、制御部１０は、メタンの燃焼が促進されるように燃料電池システム１００ａの各部を制御する。まず、制御部１０は、空気過剰率λが増加するようにエアポンプ８０を制御する。この場合、燃焼部５２内のメタンの燃焼が促進される。その結果、燃焼部５２における不完全燃焼による熱量不足を抑制することができる。

制御部１０は、モル比Ｒが大きいほど、空気過剰率λが大きくなるようにエアポンプ８０を制御してもよい。この場合、メタンを効率よく燃焼させることができる。それにより、熱量不足等の不具合を効率よく抑制することができる。なお、空気過剰率λは、３〜４程度の範囲にあることが好ましい。

モル比Ｒが第２所定値Ｒｂを越えている場合、制御部１０は、空気過剰率λの増加が停止するようにエアポンプ８０を制御する。比較的低温であるエア量が過剰になると、燃焼部５２の温度が低下してしまうからである。第２所定値Ｒｂは、第１所定値Ｒａよりも大きい値であり、例えば、０．５程度である。続いて、制御部１０は、カソード６１に供給されるエア量が低下するようにエアポンプ７０を制御する。この場合、燃料電池６０の発電量が低下する。それにより、アノードオフガスに含まれる水素量が増加する。その結果、燃焼部５２内の燃焼を促進することができる。以上のことから、熱量不足等の不具合を抑制することができる。

制御部１０は、モル比Ｒが大きいほど、カソード６１に供給されるエア量が低下するようにエアポンプ７０を制御してもよい。この場合、燃焼部５２内に供給される水素量が増加する。それにより、燃焼部５２内の燃焼を促進することができる。その結果、熱量不足等の不具合を効率よく抑制することができる。

モル比Ｒが第１所定値Ｒａ以下である場合、制御部１０は、空気過剰率λが低下するようにエアポンプ８０を制御してもよい。この場合、燃焼部５２に供給されるエア量が低下する。それにより、燃焼に寄与しない比較的低温の窒素量を低下させることができる。その結果、燃焼部５２における燃焼効率を向上させることができる。

なお、第１所定値Ｒａおよび第２所定値Ｒｂは、燃焼部５２内の平均温度に基づいて変化してもよい。例えば、燃焼部５２内の平均温度が高くなるほど、第１所定値Ｒａおよび第２所定値Ｒｂが高くなってもよい。燃焼部５２内の平均温度が高ければ、空気過剰率λおよび水素量を制御しなくても改質部５１に十分な熱を与えることができるからである。

続いて、制御部１０による燃焼成分比率の制御を示すフローチャートの一例について説明する。図７は、上記フローチャートを示す図である。図７に示すように、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃを求める（ステップＳ２１）。電力指令値Ｐ＿ｃは、アクセル開度から求められる。次に、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃに基づいて所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅを求める（ステップＳ２２）。この場合、制御部１０は、図２のマップを用いて所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅを求める。

次いで、制御部１０は、電力指令値Ｐ＿ｃに基づいて所要改質燃料量Ｑ＿ｆを求める（ステップＳ２３）。この場合、制御部１０は、図３のマップを用いて所要改質燃料量Ｑ＿ｆを求める。次に、制御部１０は、空気過剰率λセンサ５５から空気過剰率λを取得する（ステップＳ２４）。次に、制御部１０は、第１温度センサ５３から検出温度Ｔ１を取得し、第２温度センサ５４から検出温度Ｔ２を取得する（ステップＳ２５）。

次いで、制御部１０は、検出温度Ｔ２と検出温度Ｔ１との差と、空気過剰率λとに基づいて、モル比Ｒを求める（ステップＳ２６）。この場合、制御部１０は、図６のマップを用いる。次に、制御部１０は、モル比Ｒが第２所定値Ｒｂ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２７）。ステップＳ２７において、モル比Ｒが第２所定値Ｒｂ以上であると判定された場合、制御部１０は、カソード６１に供給されるエア量Ｑ＿ｃを５％低下させる（ステップＳ２８）。それにより、アノードオフガス中の水素量が増加する。

次いで、制御部１０は、エアポンプ８０から冷却部６３に供給されているエア量を前回のフローチャート実行時の空気過剰率λ＿ｎ−１で除した値と、現時点での空気過剰率λとに基づいて、冷却部６３に供給されるべきエア量Ｑ＿ａを求める（ステップＳ２９）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を停止する。

ステップＳ２７においてモル比Ｒが第２所定値Ｒｂ以上であると判定されなかった場合、制御部１０は、モル比Ｒが第１所定値Ｒａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０においてモル比Ｒが第１所定値Ｒａ以上であると判定された場合、制御部１０は、空気過剰率λを、空気過剰率λ＋λｄに設定する（ステップＳ３１）。本実施例においては、λｄは、例えば、０．２程度の値である。ステップＳ３１の実行によって、空気過剰率λは増加する。それにより、燃焼部５２における燃焼を促進することができる。その後、制御部１０は、ステップＳ２９を実行する。

ステップＳ３０においてモル比Ｒが第１所定値Ｒａ以上であると判定されなかった場合、制御部１０は、カソード６１に供給されるエア量Ｑ＿ｃを、所要エア量Ｑｃ＿ｂａｓｅと現時点においてカソード６１に供給されているエア量＋Ｑｃ＿ｄとのいずれか小さい方の値に設定する（ステップＳ３２）。ここで、Ｑｃ＿ｄは、エアポンプ７０の制御分解能を上回る範囲において極力小さい値であることが好ましい。カソード６１に供給されるエア量が急激に増加すると、燃焼部５２における温度分布の急拡大するおそれがあるからである。

次に、制御部１０は、空気過剰率λを、最小過剰率λｒｅｆ＿ｌおよび空気過剰率λ−λｄのいずれか大きい値に設定する（ステップＳ３３）。この場合、空気過剰率が低下する。それにより、燃焼部５２に供給されるエア量が低下する。その結果、燃焼部５２の温度低下を抑制することができる。本実施例においては、最小過剰率λｒｅｆ＿ｌは１．２程度に設定されている。また、ステップＳ３３においては、λｄは、例えば０．０５程度の小さい値であることが好ましい。その後、制御部１０は、ステップＳ２９を実行する。

以上のように、図７のフローチャートの実行によって、燃焼部５２における燃焼成分比率を制御することができる。それにより、燃焼部５２における燃焼を促進することができる。その結果、改質部５１における熱量不足等の不具合を抑制することができる。なお、図７のフローチャートにおいて、図５のステップＳ８およびステップＳ９が組み込まれていてもよい。それにより、不必要な実行を抑制することができる。

なお、燃焼部５２からの燃焼排ガス中の酸素濃度を検出して燃焼部５２内の燃焼成分比率を制御する技術も考えられるが、酸素濃度からはメタンおよび水素の比率を推定することができない。そこで、水素センサおよびメタンセンサを用いてアノードオフガス中のメタンおよび水素の比率を測定する技術も考えられる。しかしながら、水素センサは、メタンの干渉を受けることから、メタンを含むアノードオフガス中の水素濃度を正確に測定することができない。また、メタンセンサは、燃焼式であることから、アノードオフガスのように水素が混在するガスに対しては用いることができない。

本実施例においては、制御部１０およびエアポンプ７０，８０が比率制御手段に相当し、アノードオフガスおよびエアが燃焼成分に相当し、エアに含まれる酸素が支燃ガスに相当し、メタンが難燃性ガスに相当し、制御部１０、第１温度センサ５３および第２温度センサ５４が温度分布幅取得手段または温度取得手段に相当し、制御部１０が決定手段、改質燃料量取得手段、第１判定手段、第２判定手段および成分比率推定手段に相当し、空気過剰率λセンサ５５が支燃ガス比率取得手段に相当し、第１温度センサが最低温度取得手段に相当し、第１所定値Ｒａが第１所定値に相当し、第２所定値Ｒｂが第２所定値に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 電力指令値と所要エア量との関係の一例を示す図である。 電力指令値と所要改質燃料量との関係の一例を示す図である。 所要改質燃料量と限界温度差との関係を示す図である。 制御部による燃焼成分比率の制御を示すフローチャートの一例を示す図である。 燃焼部の温度分布幅とモル比Ｒと空気過剰率λとの関係を示す図である。 制御部による燃焼成分比率の制御を示すフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１０ 制御部
４０ 調量弁
５０ 改質器
５１ 改質部
５２ 燃焼部
５３ 第１温度センサ
５４ 第２温度センサ
５５ 空気過剰率λセンサ
６０ 燃料電池
６１ カソード
６２ アノード
６３ 冷却部
７０，８０ エアポンプ
１００ 燃料電池システム

Claims (13)

1. 燃料電池と、
   改質部と、
   前記燃料電池のアノードオフガスを燃料として用いて前記改質部を加熱する燃焼部と、
   前記燃焼部内のガス流れ方向の温度分布に応じて前記燃焼部に供給される燃焼成分の比率を制御する比率制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記比率制御手段は、前記燃焼部内のガス流れ方向の温度分布幅が所定値を上回った場合に、前記燃焼部内に供給される支燃ガス量を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記比率制御手段は、前記燃焼部内のガス流れ方向の温度分布幅が大きいほど、前記燃焼部内に供給される支燃ガス量を増加させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記比率制御手段は、前記燃焼部内の酸素過剰率が所定値を上回った場合に、アノードオフガス中の水素量を増加させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記比率制御手段は、前記燃料部内のガス流れ方向の温度分布幅が大きいほど、アノードオフガス中の水素量を増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃焼部内のガス流れ方向の温度分布幅を測定または推定する温度分布幅取得手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記温度分布幅取得手段の取得結果に基づいてアノードオフガス中の成分比率を推定する成分比率推定手段をさらに備え、
   前記比率制御手段は、前記成分比率推定手段の推定結果に基づいて前記燃焼成分の比率を制御することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記アノードオフガスは、難燃性ガスを含み、
   前記比率制御手段は、前記成分比率推定手段によって推定された前記難燃性ガスの比率が第１所定値以上となった場合に支燃ガス量を増加させることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記比率制御手段は、前記成分比率推定手段によって推定された前記難燃性ガスの比率が前記第１所定値よりも大きい第２所定値以上となった場合に前記燃料電池の水素消費量を低下させることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記燃焼部の平均温度を測定または推定する温度取得手段と、
    前記温度取得手段の取得結果に基づいて前記第１所定値および前記第２所定値を決定する決定手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池システム。
11. 前記アノードオフガスと前記支燃ガスとの比率を推定または検出する支燃ガス比率取得手段をさらに備え、
    前記比率制御手段は、前記支燃ガス比率取得手段の取得結果および前記温度分布幅に基づいて、前記燃焼成分の比率を制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
12. 前記燃焼部の最低温度を測定または推定する最低温度取得手段と、
    前記最低温度取得手段の取得結果に基づいて、前記比率制御手段の作動要否を判定する第１判定手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記改質部へ供給される改質燃料量を取得する改質燃料量取得手段と、
    前記改質燃料量取得手段の取得結果に基づいて、前記比率制御手段の作動要否を判定する第２判定手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。

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